照明电路设计本科毕业设计书.doc

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LED照明电路设计

分类号编号

XXXXXX

NorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower

毕业设计

题目LED照明电路设计

学院信息工程学院

专业通信工程

姓名

学号

指导教师

2011年5月12日

LED照明电路设计

摘要

发光二极管（LightEmittingDiode,LED）是21世纪最具发展前景的一种新型固态光源。

LED的迅速发展及广泛应用，将引发照明领域的一场革命。

LED具有环保性好，使用寿命长，单色性好，色彩鲜艳丰富，体积小，重量轻，响应速度快，发光效率高，能量消耗低等优点。

目前，LED在景观照明等一些应用中大多利用交流市电电源供电。

LED的发展和应用的目标是取代白炽灯等传统光源，LED应用照明领域的能源仍然主要来自于电网。

我国的市电电源是220V/50HZ,国际通用交流线路为85~265V,50/60HZ。

由于LED要求在直流低电压下工作，采用市电电源供电，则需要通过适当的电路拓扑，也就是LED驱动电路将其转换为符合LED工作要求的直流电源。

现在设计驱动电路的一般思路是先将220V的高压电通过一个变压器，使其变成低电压的交流电。

在通过一个桥式整流电路，把交流电转换成直流电。

在整流桥后并上两电容，一个是平滑电容，滤除剩余的交流电，一个是高频旁路电容，滤除高频分量。

这样就留下所需的低压直流电。

后面可根据设计的需要，连上不同的芯片，实现所需要的功能。

如恒压，恒流，反馈，温度补偿等。

关键词：

发光二级管，照明，直流电，低电压，驱动电路

Abstract

Summaryled（LightEmittingDiode,LED）isthe21stcenturywiththemostdevelopmentprospectsofanewtypeofsolidstatelightsource.RapiddevelopmentandwideapplicationofLED,lightingarevolutioninthefieldwillbethrown.LEDhasagoodenvironmentalprotection,longservicelife,wellmonochrome,colorrich,smallvolume,lightweight,fastresponse,highluminousefficiency,lowenergyconsumption.

Atpresent,mostLEDlandscapelightinginsomeapplications,suchasusingACmainspowersupply.DevelopmentandapplicationofLED'sgoalistoreplacetraditionallightsourcessuchasincandescentlamps,LEDlightingenergyisstillmainlycomefromthepowergridinthefieldoftheapplication.Mainspowersupplyis220V/50HZinChina,internationalAClineto85~265V,50/60HZ.BecauseLEDrequiresworkinginDClow-voltage,powersupply,youneedtogothroughtheappropriatecircuittopology,whichLEDdrivecircuitconvertswiththeLEDworkrequirementsofDCpowersupply.

Nowdrivecircuitdesignofthegeneralideaisthefirsthighvoltageof220Vthroughatransformer,makingitintoalow-voltageAC.Inabridgerectifiercircuits,toconvertACtoDC.Afterthebridgerectifierandtwocapacitors,asmoothingcapacitor,filterouttherestoftheAC,isahigh-frequencybypasscapacitor,filterouthighfrequencycomponents.Thisleftthelow-voltageDCyouwant.Behindaccordingtotheneedsofdesign,evenondifferentchips,implementthefeaturesyouneed.Constantvoltage,constantcurrent,feedback,suchastemperaturecompensation.

Keywords:

lightemittingdiodelighting,directcurrent,low-voltagedrivingcircuit

引言

LED庞大的市场注定其将发会展成一个具大的产业。

总的来看，国内的发展一直不尽人意，典型的方面就是集成电路产业与液晶面板产业，国内到现在集成电路产业和液晶面板产业的发展远远不如国外的发展，技术复杂、投资大、基础薄弱等是主要原因，而LED产业将打破这个魔咒，并且可以带动相关产业的提升，如国内驱动芯片产业在液晶驱动上根本做不起来，因为液晶面板产业不在国内，由于有巨大市场支撑，LED驱动芯片可能在国内得到一定的发展，促进国内相关企业做大做强，这反过来又会促进国内LCD驱动芯片或其它驱动芯片的发展。

中国大陆目前LED产业发展的劣势在于：

1，国内企业LED产品技术水平与国外还是有一定差距，在争取高端客户方面处于劣势。

2，国内集成电路制造基础相较日本、韩国及台湾地区这些LED强势地区而言薄弱，LED外延、芯片制造能力、工艺水平及外围材料配套能力差一些，学习曲线长一些，需要一段时间培养。

3，国内LED企业的规模还比较小，大多没有超过100kk/月产能（蓝绿光），这种状况在未来两年将有改善。

4，国内研发多集中在大学和科研院所，生产在各企业，缺乏研发成果产业化的快速转换机制，这方面应借鉴台湾工业研究院的技术成果授权机制，加快技术成果转换速度，科研院所不能为自己产业化而不将最新的技术成果及时转移到产业界，政府应制定相关政策规范相关行为。

5，国内核心专利缺乏，特别在关系到产业长远发展的蓝光核心专利及白光专利缺乏，这将使国内产业的长期发展受制。

中国本土企业现阶段主要还是处于起步阶段，企业规模较小，对掌握专利的大厂构不成威胁，专利问题还不是很突出。

但是随着国内企业的发展壮大，一旦规模扩大到一定程度，实施“走出去”发展战略，专利问题将成为隐患。

目前对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。

　　LED产业在国内有良好的发展前景，基于以下几点：

1，就技术而言，LED具有技术成长瓶颈高，学习门坎低特性，国内在半导体领域长期积累的研究资源都可以用得上，具备较好的研究基础。

尽管国内集成电路制造基础比较薄弱，工艺水平比较低，但国内一些企业通过聘请海外技术人员加盟，在技术上不断取得突破，国内好的企业技术水平已经与台湾大厂的技术水平相差不大，与国际大厂的整体差距也在不断拉近。

2，LED的投资额比较小，初始投资1亿就可建厂，国内企业进入门槛低，容易实现滚动发展，这与集成电路制造及液晶面板制造动辄几十亿到上百亿人民币的投资而言显得“微不足道”，国内企业容易进入形成产业集群。

3，国内市场巨大，LED未来主要市场是通用照明市场，市场容量大，终端消费市场比较分散，不易形成垄断，国内企业生存空间广阔。

4，国内一些企业拥有核心知识产权，如晶能光电的硅衬底氮化镓蓝光项目，大连路美的芯片领域核心技术，都具有全球竞争力，这些企业在技术发展上容易形成示范效应，促进国内企业市场健康成长。

5，技术成熟后，LED封装和器件生产属于劳动密集型，大陆具备发展的劳动力成本优势。

发展半导体照明产业具有重大的战略意义，其具体如下：

1，节约能源，推动环保。

本亚泰中研信息咨询有限公司的报告针对世界能源危机，照明节能是实现国家节能的有效途径。

我国是仅次于美国的第二发电大国，在我国2004年发电量2.19万亿度中约有12%用于照明，到2010年照明用电将达到3500亿度。

专家预测，2015年后，我国半导体照明年节电将超过三峡电站全年的发电量。

我国的电力生产80%为火力发电，燃烧大量的原煤和石油，产生大量的粉尘和二氧化碳、二氧化硫等气体，环境污染严重，通过半导体照明的应用可以减少电力使用及少污染物的排放;同时，半导体照明本身易于回收，没有汞等有害污染问题。

　　2，提升传统照明产业，带动相关产业转型。

中国是世界照明电器生产和出口大国，2003年产值超过1000亿元，出口创汇54亿美元。

但我国照明工业大而不强，主要做低端产品，利润率低，缺乏国际市场竞争力。

通过半导体照明产业的发展，可以提升我国照明产品的技术含量和附加值，提高国际市场竞争力。

　半导体照明已广泛应用于景观装饰照明、背光源、大屏幕显示、交通信号、汽车等各类运输工具照明、军用照明及旅游、轻工产品等特殊照明领域。

将继续带动信息显示、汽车产业、家电产业、建筑行业、轻工行业的产品升级。

专家预测，我国在2005至2015年间，半导体白光照明将累计创造1500亿元产值。

　　3，增加就业机会，为国防现代化做贡献。

半导体照明产业具有技术密集和劳动密集型双重特点，非常适合我国的国情，可以充分发挥我国劳动力资源优势。

专家预测，我国在2005-2015年期间，半导体照明将解决100万人口就业。

半导体照明由于具有体积小、寿命长、效率高、低电压、使用安全、节能等优点，已被各国首先用于国防、军事用途。

在我国，利用固态照明灯具优势的潜力很大，可使国防的所有装备长备不懈，所有的指挥所彻夜长明，保证我国强大的国防力量。

目录

摘要 2

Abstract 3

引言 4

第一章LED发展历史介绍 8

1.1彩色LED的发展 8

1.2白光LED原理介绍 9

第二章LED的各种重要参数介绍 10

2.1光通量 10

2.2光效 10

2.3色温 11

2.4色坐标 11

2.5显色指数 12

第三章LED的发光原理，基本结构及特性 12

3.1LED的发光原理及基本结构 12

3.2LED的伏安特性 13

3.3白光LED的光学特性 15

3.4LED的热学特性 17

第四章常用的LED驱动电路 17

4.1传统LED驱动电路介绍 17

4.2电容降压LED驱动电路介绍 20

4.3我的LED驱动电路 23

4.4我的LED灯泡 26

4.5LED的性能分析 26

第五章总结 27

致谢词 29

参考文献 30

附录 31

外文原文 31

外文翻译 35

第一章LED发展历史介绍

1.1彩色LED的发展

1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。

由于其发出的黄光太暗，不适合实际应用；更难处在于碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究被摒弃了.

二十年代晚期BernhardGudden和RobertWichard在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的的黄磷发光。

再一次因发光暗淡而停止。

1936年,GeorgeDestiau出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。

随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。

二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世。

据说在早期的试验中，LED需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。

第一个商用LED仅仅只能发出不可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。

60年代末，在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。

磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。

到70年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。

LED采用双层磷化镓蕊片（一个红色另一个是绿色）能够发出黄色光。

就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的LED。

尽管它不如欧洲的LED高效。

但在70年代末，它能发出纯绿色的光。

80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。

到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。

第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期，再一次利用金钢砂—早期的半导体光源的障碍物。

依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。

90年代中期，出现了超亮度的氮化镓LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓Led。

超亮度蓝光蕊片是白光LED的核心，在这个发光蕊片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自蕊片上的蓝色光源再转化为白光。

就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。

今天在LED市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。

随着人类在LED超亮度的领域的技术进步，LED在消费电子的运用也越来越广泛。

1.2白光LED原理介绍

　目前市场上白光LED生产技术主要分为两大主流：

第一为利用荧光粉将蓝光LED或紫外UV-LED所产生的蓝光或紫外光分别转换为双波长（Dichromatic）或三波长（Trichromatic）白光，此项元件技术称之为荧光粉转换白光LED（PhosphorConverted-LED）；第二类则为多芯片型白光LED，经由组合两种（或以上）不同色光的LED组合以形成白光，目前市场上白光LED商品以蓝光LED芯片搭配黄光荧光粉最为普遍，主要应用于汽车照明与手机面板等领域，以目前白光LED产品市场分析，荧光粉转换白光LED可谓主流。

（红色和绿色荧光粉多为硫化物体系，这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大。

）

　　下图简要归纳并比较多种白光LED构装原理和优劣点，其中（a）型构装方式、演色性最佳，但成本最高，尚未能普及；构装方式（b）则具有技术最成熟且成本低廉之优势，但色偏、演色性不佳，须以适当红、黄光荧光粉加以改善，此外，最严重者为日亚化学专利限制难以规避；而构装方式（c）与（d）两者所制作的白光LED演色性俱佳、色偏小、成本低且专利局限较不严重，因此未来深具发展潜力。

图1.2.1白光LED的发光原理

第二章LED的各种重要参数介绍

2.1光通量

光通量的单位为“流明”。

光通量通常用Φ来表示，在理论上其功率可用瓦特来度量，但因视觉对此尚与光色有关。

所以度量单位采用，依标准光源及正常视力另定之“流明”来度量光通量。

符号：

lm

光通量是每单位时间到达、离开或通过曲面的光能数量。

流明（lm）是国际单位体系（SI）和美国单位体系（AS）的光通量单位。

如果您想将光作为穿越空间的粒子（光子），那么到达曲面的光束的光通量与1秒钟时间间隔内撞击曲面的粒子数成一定比例。

2.2光效

光源所发出的总光通量（流明、亮度）与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。

发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。

Luminous原意即为光亮，计量用luminance，意为亮度，缩写为lm。

发光效率单位为亮度/瓦，有时取Luminance的音译“流明”，做流明/瓦。

光效也称为光源的发光效率或者光源的功率因素，表征从光源中射出的光通量与光源所消耗的电功率之比。

即η=φ/E=φ/（φ+P）

（1）

　　其中η为光效，φ为光源辐射的光能量，E为光源的功率，P为光源损耗的能量，主要是发热量。

同时发热量与电流的关系是：

P＝IR。

（2）

显然，随着电流的增大，光通量增大。

但是另一方面电流的增大会引起光源热损耗的增加，综合效果是光效降低。

2.3色温

当某一光源所发出的光的光谱分布与不反光、不透光完全吸收光的黑体在某一温度时辐射出的光谱分布相同时，我们就把绝对黑体的温度称之为这一光源的色温。

色温是表示光源光谱质量最通用的指标。

一般用Ra表示。

色温是按绝对黑体来定义的，光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。

低色温光源的特征是能量分布中，红辐射相对说要多些，通常称为“暖光”；色温提高后，能量分布集中，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”。

一些常用光源的色温为：

标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为5400K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K.

2.4色坐标

　色坐标（chromaticitycoordinate），就是颜色的坐标。

色坐标是色度学的重要内容之一，光源的色坐标测量是研究光源特性的重要方法之一，它具有广泛的使用意义。

色坐标测量的基本原理是根据光源的光谱分布由色坐标的基本规定进行计算而得出的。

现在常用的颜色坐标，横轴为x，纵轴为y。

有了色坐标，可以在色度图上确定一个点。

这个点精确表示了发光颜色。

即：

色坐标精确表示了颜色。

2.5显色指数

光源对物体的显色能力称为显色性，是通过与同色温的参考或基准光源（白炽灯或画光）下物体外观颜色的比较。

光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多，少数甚至仅仅两个单色的光波纵使而成，对各个颜色的显色性亦大不相同。

相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。

当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差（colorshift）。

色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。

演色指数系数（Kaufman）仍为目前定义光源显色性评价的普遍方法。

第三章LED的发光原理，基本结构及特性

3.1LED的发光原理及基本结构

50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。

LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密。

LED结构图如下图所示 

图3.1.1发光二极管的构造图

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

3.2LED的伏安特性

LED的伏安特性是流过PN结的电流随施加到PN结两端上的电压变化的特性，它是衡量PN结性能的主要参数，是PN结制作得优劣的重要标志。

完整的LED伏安特性包含正向和反向特性两个方面。

与普通整流二极管一样，LED同样具有单向导电性和非线性特性。

LED的伏安特性曲线可以划分为正向特性，反向特性和反向击穿区三个区。

1.正向特性区，在LED两端加以正向电压，就产生正向电流。

但是，当这个电压比较小的时候，由于外部电场还不足以克服内部电场对载流子扩散运动所造成的阻力，因此，当LED的电流很小，LED呈现的电阻较大。

当LED两端的电压超过一定数值（这个数值通常称为死区电压）以后，内部电场被大大削弱，LED的电阻变得很小，电流于是增长得很快。

2．反向特性区，当LED外加反向电压时，由于P型半导体中还存在着少数自由电子，在N型半导体中也还存在着少数空穴，这些少数载流子在反向电压作用下很容易通过PN结，因此形成反向电流。

反向电流有两个特点。

第一个特点是它随温度升高增长得很快，第二是只要外加的反向电压在一定范围内，反向电流不随反向电压变化，在这种情况下的反向电流被称为反向饱和电流。

反向电流是LED的一个重要参数。

反向电流越小，说明LED单向导电性能越好。

3.反向击穿区，当LED的反向电压增加到一定数值后，反向电流急剧增大，出现反向击穿现象，这个电压叫做反向击穿电压。

由于LED所用的材料种类不同，反向击穿电压也不一样。

3.2.1LED的伏安特性曲线

3.3白光LED的光学特性

作为照明用的电光源的光谱引进应尽可能的与太阳光的光谱相接近。

一般的评判方法是评判光源与白光的接近程度，即显色性。

图3.3.1在海平面上的太阳的可见光光谱

           可以看到这个光谱与6500K的黑体辐射的光谱基本相同，其差异部分是太阳光给太阳上的化学元素吸收以及经过大气层时被吸收掉的部分。

 要想让LED发出的光谱能够与太阳光相近，需要利用三基色原理将红、绿、蓝三种光通过合适的比例混合成“白光”。

一般的白光LED的实现方法是在蓝色LED表面涂黄色荧光粉来获得所谓的白光，这种白光LED的光谱特性如图3.3.2.

图3.3.2白光LED光谱

很明显，这种“白光”LED带有强烈的令人讨厌的蓝光，因此在实际应用时可能会感

到不适。

因此也可以利用红、绿、蓝三种颜色的LED组和获得白光LED.

图3.3.3利用红、绿、蓝三种颜色的LED组和获得白光LED

 很显然，如图3.3.3的显色性优于图3.3.2的显色性，但使用三种单色LED组合成图3.3.1的光谱特性相对利用蓝光LED附加荧光粉的方法要复杂的多，而且一旦工作条件稍有改变，其光谱特性就会随之改变。

  不同色温的LED的光谱特性也不相同，图3.3.4为CREE公司的不同色温白光LED的光谱特性。

图3.3.4CREE公司的不同色温白光LED的光谱特性

3.4LED的热学特性

LED的光学