LED节能灯的设计毕业论文.doc

嘉兴职业技术学院毕 业 设 计 （论 文） 题目名称： LED灯的设计 姓 名： 所在分院： 机电与汽车分院 专业班级： 机电101 指导教师： 2013 年05月28日 目录目录I摘 要II第一章LED的概况11.1发光二极管简介11.2提高发光强度及发光效率31.3闪光灯31.4适用范围4第二章硬件设计43.2. 硬件理论框图52.4电容降压原理介绍62.5应用电容降压电路驱动LED节能灯7第三章装配过程11第四章 与其他灯比较144.1经济方面144.2其他方面15结 语16致 谢17参考文献18摘 要因节能的需要以及人们对照明质量要求的不断提高，半导体照明光源以其高效节能、长寿命、色彩丰富和环保等特点受到了人们的广泛关注。大功率发光二极管作为半导体照明的代表，其性能近来提高很快，发光效率已超过50 lm/W,有望取代白炽灯、荧光灯和压放电等传统光源，成为人类照明史上的第四代照明光源 LED节能灯节电高达80以上，寿命为普通灯的10倍以上，几乎是免维护，不存在要经常更换灯管、镇流器、起辉器的问题，约半年下来节省的费用就可以换回成本。绿色环保型的半导体电光源，光线柔和，光谱纯，有利于工人的视力保护及身体健康，6000K的冷光源给人视觉上清凉的感受，有助于集中精神，提高效率。关键字LED; 节能;亮度II 第一章LED的概况 1.1发光二极管简介发光二极管(LED)是一种电致发光的光电器件。发光二极管的结构 LED Lamp(led 灯)主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。一、支架：1）、支架的作用：用来导电和支撑 2）、支架的组成：支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。 二、银胶 银胶的作用：固定晶片和导电的作用。 三、晶片（Chip）： 发光二极管和led芯片的结构组成1）、晶片的作用：晶片是LED Lamp的主要组成物料，是发光的半导体材料。 2）、晶片的组成：晶片是采用磷化镓（GaP）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。 3）、晶片的结构: 焊单线正极性（P/N结构）晶片，双线晶片。晶片的尺寸单位：mil晶片的焊垫一般为金垫或铝垫。其焊垫形状有圆形、方形、十字形等。 四、金线：金线的作用：连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。 五、环氧树脂：环氧树脂的作用：保护Lamp的内部结构，可稍微改变Lamp的发光颜色，亮度及角度；使Lamp成形。 六、模条：模条是Lamp成形的模具，一般有圆形、方形、塔形等。支架植得深浅是由模条的卡点高低所决定。模条需存放在干净及室温以下的环境中，否则会影响产品外观不良。1.2提高发光强度及发光效率 作为指示灯方面的应用,有几个mcd的发光强度也可以了,但由LED组成的数码管或字符管则显得亮度不足,若要用于户外作信号或标志显示,则其亮度太低,不能满足使用的要求。所以LED的主要发展方向是提高发光强度。1.3闪光灯 数码相机正逐渐替代用胶卷的相机,在数码相机中采用超高亮度的白光LED替代了传统的氙灯。采用超高亮度的白光LED作闪光灯不仅电路简单、尺寸小、耗电省,而且无须充电时间。例如,前面提到的1W白光LED XL7090WHT,它在用作闪光灯时,700mA的脉冲电流时其典型光通量为981m。 目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%，大大降低照明用电是节省能源的重要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。1.4适用范围适用范围：写字楼、工厂、商场、学校、居家等室内照明。第二章硬件设计2.1.驱动原理分析及应用 一、应用要求1、驱动电路是一种专为LED供电的特种电源，要具有简单的电路结构、较小的占用体积，以及较高的转换效率。2、驱动电路的输出电参数(电流、电压)要与被驱动的LED的技术参数相匹配，满足LED的要求，并具有较高精度的恒流控制、合适的限压功能。多路输出时，每一路的输出都要能够单独控制。3、具有线性度较好的调光功能，以满足不同应用场合对LED发光亮度调节的要求。4、在异常状态(LED开路、短路、驱动电路故障)时，电路能够对电路本身、LED和使用者都有相应的保护作用。5、驱动电路工作时，对其他电路的正常工作干扰少，满足相关的电磁兼容性要求。二、电路工作原理电路的工作原理是利用按照要求通断的电子开关S的通断作用。在S开通时电源Vdd给电感L储能，S关断后L上的电压极性反转与电源电压Vf相叠加来得到满足LED工作时要求的电流值If和电压值Vr，通过电流负反馈作用(由R0进行电流取样)，使得流过LED的电流If稳定在一定的范围内，同时可以兼有一定范围的调光功能。三、应用方式照明级白光LED不适合采用线性手过改变段来调节其发光的亮度，应该采用电流If的幅值不变，只改变If，单位时间内电流脉j中宽度的方式来调光，因为这样不会改变其发光的光谱而造成白光的偏色。常用的调光应用主要采用以下几种方式：1、脉宽调制方式：脉宽调制是一种常见的调节LED亮度的方式。通过改变加在LED上的矩形脉冲电流的宽度大，使LED上得到的平均电流在较大的范围内改变，可以获得较大范围的调光效果。2、频率调制方式：频率调制是另一种调节LED亮度的方式。保持加在LED上的矩形脉冲电流(幅值不变)的宽度不变，通过改变单位时间加在LED上的矩形脉；中电流的个数多少，使LED上得到的平均电流在较大的范围内发生变化，使得LED亮度具有较大范围的调节。3、位角调制方式：位角调制是采用一串含有二进制序列脉冲，并且序列脉冲的每一位宽度都按照其位值的比例来延展。通过改变单位时间加在LED上的矩形脉；中电流占有位值所延展的宽度，使LED上得到的平均电流在较大的范围内发生变化，以调节LED的亮度。3.2. 硬件理论框图220V市电输入降压电路整流电路稳压输出3.3电路图设计2.3.PCB电源板2.4电容降压原理介绍电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，在接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。采用电容降压时应注意以下几点：1 根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。2 限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。3 电容降压不能用于大功率条件，因为不安全。4 电容降压不适合动态负载条件。5 同样，电容降压不适合容性和感性负载。电阻、电容和电感作为电子电路的基本元件，熟知它们的特性并灵活地应用它们是非常重要的。2.5应用电容降压电路驱动LED节能灯采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路由于其具有体积小成本低电流相对恒定等优点常应用于LED的驱动电路中。举例分析：图一 为一个实际的采用电容降压的LED驱动电路因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间( 如雷电大用电设备起动等 )有效地将突变电流泄放从而保护二级关和其它晶体管它们的响应时间一般在微毫秒级 。2.5.1电路工作电容C1的作用为降压和限流电容的特性是通交流隔直流当电容连接于交流电路中时XC 表示电容的容抗f 表示输入交流电源的频率C 表示降压电容的容量。其容抗计算公式为                      XC = 1/2f C流过电容降压电路，I表示流过电容的电流U 表示电源电压XC表示电容的容抗，电流计算公式为             I = U/XC在220V50Hz的交流电路中当负载电压远远小于220V时电容的单位为uF电流的单位为mA，电流与电容的关系式为                    I = 69C  电阻R1为泄放电阻其作用为当正弦波在最大峰值时刻被切断时电容C1上的残存电荷无法释放会长久存在在维修时如果人体接触到C1的金属部分有强烈的触电可能而电阻R1的存在能将残存的电荷泄放掉从而保证人机安全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关一般电容的容量越大残存的电荷就越多泄放电阻就阻值就要选小些。经验数据如下表D1  D4的作用是整流其作用是将交流电整流为脉动直流电压。C2C3的作用为滤波其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压压敏电阻( 或瞬变电压抑制晶体管 )的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压电压对地泄放掉从而保护LED不被瞬间高压击穿。LED串联的数量视其正向导通电压( Vf )而定在220V AC电路中最多可以达到80个左右。组件选择电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值在220V,50Hz的交流电路中时可以选择耐压为400伏以上的涤纶电容或纸介质电容。D1 D4 可以选择IN4007。滤波电容C2C3的耐压根据负载电压而定一般为负载电压的1.2倍。其电容容量视负载电流的大小而定。下列电路图为其它形式的电容降压驱动电路现举例如下图   二在图 二 电路中可控硅SCR及R3组成保护电路当流过LED的电流大于设定值时SCR导通一定的角度从而对电路电流进行分流使LED工作于恒流状态从而避免LED因瞬间高压而损坏。图   三在图三电路中C1R1压敏电阻L1R2组成电源初级滤波电路能将输入瞬间高压滤除C2R2组成降压电路C3C4L2及压敏电阻组成整流后的滤波电路。此电路采用双重滤波电路能有效地保护LED不被瞬间高压击穿损坏。  图四 是一个最简单的电容降压应用电路电路中利用两只反并联的LED对降压后的交流电压进行整流可以广泛应用于夜光灯按钮指示灯要求不高的位置指示灯等场合。2.5.2.电容降压计算这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。它的输出电压通常可在几伏到三几十伏，取决于所使用的齐纳稳压管。所能提供的电流大小正比于限流电容容量。采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：（国际标准单位）    I(AV)=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C        =0.44*220*2*3.14*50*C=30000C        =30000*0.000001=0.03A=30mA如果采用全波整流可得到双倍的电流（平均值）为：    I(AV)=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C        =0.89*220*2*3.14*50*C=60000C        =60000*0.000001=0.06A=60mA一般地，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性要比半波整流型更差，所以在这次的设计中我用的是半波整流。使用这种电路时，需要注意以下事项：    1、未和220V交流高压隔离，请注意安全，严防触电！    2、限流电容须接于火线，耐压要足够大（大于400V），并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻。    3、注意齐纳管功耗，严禁齐纳管断开运行。-第三章装配过程降压用CBB电容常用CBB电容：常用CBB金属化电容，规格有104/400V 、334/400V 、105/400V 等。散光源LED灯白色，分光分色，多个串联不会出现色差 实际亮度1500018000mcd 尺寸：5mm 透明 发光角度：20度 电压：3.2-3.4v 电流：20毫安塑料外壳其他材料LED安装底座焊接完后的PCB图:成品图片本方案设计的为 20LED节能灯,材料包括E27灯头，PBT阻燃外壳，20LED安装线路板，电源线路板，降压电容，滤波电解电容，硅桥，电阻，导线，不含LED。设计功率1.5W左右，亮度超过10W普通灯泡，节能环保，特别合适做路灯，台灯，夜明灯，也可用于家庭照明。第四章 与其他灯比较 4.1经济方面白光LED做成的照明灯节能、长寿命。笔者将发光亮度相差不多的三种灯在使用中作了节电上及经济上的比较。这三种灯分别是3W的白光LED灯泡、5W的节能荧光灯和25W的白炽灯泡。这三种灯都采用220V市电供电。在计算中,3W的白光LED灯泡按5W计算(其中有2W是AD/DC及驱动电路的损耗),5W的节能荧光灯按7W计算(2W是自镇流及电路的损耗)。这里要说明的是3W白光LED灯泡及5W节能荧光灯的生产工厂并没有给出这种损耗值,2W是笔者估算的。从节电的方面来比较,同样使用了50000h,白炽灯要用1250度电,而3W的白光LED灯只要250度电,相差1000度电。如果全国有1亿只3W白光LED灯替代了25W白炽灯泡,则在50000h的使用时间中可节省1000亿度电。另外,从经济方面来比较,用1个3W白光LED灯点了50000h,总的花费是209元,若用25W白炽灯泡需花费688.4元,相差479.4元。 4.2其他方面相比于其他灯具，LED节能灯的优点主要体现在以下几个方面： 1.高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.07瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。 2.绿色环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，也没有辐射，眩光小，无污染，无汞有害气体不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，而且废弃物可回收，属于典型的绿色照明光源，无紫外线，红外线是真正的绿色环保光源。 3.无辐射，杜绝辐射污染，保护大脑，具有优越的静电防护功能,光照效果柔和，恒流驱动，零频闪，保护视力，预防近视；无紫外线辐射,直流灯无频闪,真正白光近似自然昼光，适合视觉要求,保护眼睛皮肤 4.使用寿命，固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，是普通灯泡的50倍；相当于不间断照明10年时间，几乎是免维护，不存在要经常更换灯管、镇流器、起辉器的问题。 5.静音设计，整灯无任何噪音干扰。 结 语在此次LED节能灯的设计中，充分的体现出大学的知识是综合性的，是一个培养学生独立思考能力灵活运用个方面知识的具有挑战性的课题。刚开始的时候会感觉老师给的这个课题有点难，但人生不就是一个不断克服困难的过程么？在此次课程设计的过程中，我发现了自己的很多不足之处，比如说Protel学的不是很精只会一些皮毛而已，以及对书本上的知识掌握的不是很好。但是，我今后一定会把自己的不足之处给改正过来的。刚开始会遇到很多挫折，并不是说按照原理图焊接出来，就直接可以正常使用，在这几日里，我经历了阶段性成功的狂喜，测试失败后的沮丧，陷入困境的急噪，重新投入的振作，这样的心路历程是非常宝贵的体会，正是有了大家的鼎立合作终于成功了。同学们在设计的过程中互相帮助让我深刻的体会出团结就是力量的含义。让我印象最深刻的就是，降压电容配置不好,很容易烧毁,并且我还被触电了多次.我现在才明白，单有理论还不够的，照着书做是不够的，我们更需要的是实践能力和经验。除此之外，我还学会掌握了书本以外的电子电路方面的知识，尤其是在制作PCB板的时候受益扉浅，制板的过成中遇到另外种种问题，感谢各位工程部的同事和学校的老师提供的元器件、工具和帮助，更要感谢在我实习期间在公司给予我重大帮助和鼓励的张敏师傅,他不厌其烦,认真指导,仔细讲解,才使得我设计能够顺利完成,同时还要感谢我的同学们给我很大的帮助。在此诚挚的说一声：谢谢！致 谢长途跋涉，为的是到达终点的甘甜和芳香。论文写到这里，大学生活也要慢慢划上句号。从开学初的资料查找，论题选择，到中间的思忖和写作，再到最后的修改与润色，这篇拙文也就这样静静地躺在您的手里，只怪自己知识积淀得还不够深厚，但还是有很多人需要感谢，我真的心存感激。  感谢我的论文指导老师李莉平老师的谆谆教诲，感谢您在忙碌的教学工作和生活中抽出时间来给我们解答各种问题，悉心指导，提出了许多宝贵意见。希望敬爱的老师您能够健健康康、快快乐乐度过每一天的！感谢所有教过的或没教过我们的全学院的老师，因为你们课堂上的指导和课外的交流，我们才可以学习到很多知识和做人的道理，为论文的写作做准备，为今后的人生做准备。参考文献1 童诗白. 模拟电子技术基础M. 北京: 高等教育出版社, 1988, 223-2322 户川治朗. 实用电源电路设计C. 北京: 科学出版社, 2006, 32-363 杜怀昌，肖怀宝，黄玲玲CMOS集成电路原理与应用M，2006，157-1604 陈凯良，竺树声. 恒流源及其应用电路M. 浙江: 浙江科学技术出版社,1992，67-68，106-1085 DAC0832的中文资料手册EB/OL6 郝文化Protel DXP电路原理图与PCB设计M北京：机械工业出版社，20047 张有顺MCS-51/96系列单片机简明教程M北京：中国脊梁出版社，1998，77-808 AT89S52中文资料手册EB/OL9 何燕飞恒流源综述J益阳：益阳师专学报，200210 张立科单片机通信技术与工程实践M北京：人民邮电出版社，200511 楼然苗，李光飞51系列单片机设计实例M北京：北京航空航天大学出版社，2003 12 黄惠媛，李润国单片机原理与接口技术M北京：海洋出版社，2006，55-5613 赵负图数安逻辑集成电路手册M北京：化学工业出版社，200418