学位论文led的驱动电路研究设计.docx
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学位论文led的驱动电路研究设计
本科毕业论文（设计）
题目LED的驱动电路研究设计
院（系）电子工程与电气自动化学院
专业电子科学与技术
学生姓名刘世旺
学号09026013
指导教师鲁业频职称教授
论文字数
完成日期:
2013年5月20日
巢湖学院本科毕业论文（设计）诚信承诺书
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本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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保密的毕业论文（设计）在解密后遵守此规定。
本人签名：
日期：
导师签名：
日期：
LED的驱动电路研究设计
摘要
由于LED（发光二极管）具有体积小、成本低、寿命长等优点，所以其逐渐广泛应用于社会各个领域。
LED的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，满足各种场合的应用需求。
LED不能像普通白炽灯一样直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。
本文从LED的发展及其应用领域出发，介绍了LED的特点和特性参数。
又对LED的典型驱动电路、集成驱动电路进行了研究。
从LED的驱动电路入手，设计了一款LED循环灯，并基于芯片LM358设计了一款声控旋律灯实用驱动电路，在理论上和实验中进行了分析研究，阐述了其原理，从实验的角度论证了的可行性和必要性。
关键词：
发光二极管；驱动电路；灯
TheStudyoftheLED’SDriverCircuit
Abstract
BecauseLEDhastheadvantagesofsmallvolume,lowcost,longservicelifeetc.Soithasbeenwidelyappliedtoeachfieldofthesociety.TheapplicationofLEDcannotdowithoutthedrivecontrolcircuitwhatitneeds,throughthedrivecircuittoobtaingoodandsteadycurrent,tomeettheapplicationrequirementsofvariousoccasions.LEDdoesnotlikeordinaryincandescentlampdirectlywithvoltagesource,otherwisethevoltagefluctuationincreasesslightly,theelectriccurrentwillincreasetotheintensityofburningLED.
Inthispaper,fromthedevelopmentofLEDanditsapplicationinthefieldofview,characteristicsandparametersofLEDareintroduced.TheLEDtypicaldrivecircuit,integrateddrivecircuitwerestudied.StartingfromtheLEDdrivingcircuit,designaLEDlamp,andbasedonthechipLM358designedavoicemelodylampdrivecircuit,areanalyzedandstudiedintheoryandexperiment,elaborateditsprinciple,feasibilityandnecessityfromtheexperimentalpointofview.
Keywords：
lightemittingdiodes,drivecircuit,lamp
1引言
LED（发光二极管），它是一种能把电能直接转换成光能的特殊半导体器件。
LED具有体积小，结构简单，耗电少，寿命长，造价低，电流相对恒定等优点，是一种应用广泛的重要光源。
随着现代社会经济的发展，它的应用随需求而变得不断增大，它已经广泛地应用于电信、交通、金融、邮政、广告等各个行业。
LED是半导体二极管的一种，而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PN结，PN结具有单向导电性。
PN结加正向电压时，电阻值很小，PN结导通；加反向电压时，电阻值很大，PN结截止。
所以LED不能像普通白炽灯一样直接用电压源直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将LED烧毁的程度。
LED的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，使LED显示更加均匀、漂亮，满足各种场合的应用要求。
1．1研究的意义及主要研究内容
目前来看，LED毕竟是一种新的材料和技术，掌握核心发光芯片制造技术的只有美要国和日本少数几个国家，高昂的价格让LEO灯进入家庭照明还需一定时日，但这不能否定LED极其广阔的发展前景。
不仅如此，由于其本身具有的优良特性，LED光源在很多领域具有着其他光源无法替代的优势。
LED灯就可以说是无处不在的。
但是和世界LED灯产业比较发达的地区相比，我们在产业规模、产能和技术上都还处于一个比较下游的阶段，例如中国大陆现在每年的产值约15亿美元，不到台湾（2004年30亿美元）的一半，比不上日本日亚化工一个企业（2004年20亿美金）。
黄振春说：
“即使这样，我们的市场空间还是很大的。
LED灯照明产品的应用可以说是五花八门，只要有光的地方都可以用LED。
最大的市场就是照明灯，如果把上千亿的照明灯都用LED灯代替的话，这个市场的空间是不可估量的竹【13】。
研制一种新型LED光源代替传统白炽灯光源具有很大的实际意义。
本课题的主要研究内容包括：
‘无论那种电源，都不可能直接给LED供电，所以，要应用LED做照明光源，就要解决电源变换的问题。
因此本论文首先介绍了LED照明的特点和LED光学特性参数。
其次从LED的驱动电路入手。
详细的对现有的照明驱动电路进行了分析，实际设计了一款展台用珠宝照明灯的实用驱动电路和汽车照明光源，在理论上和实验中对LED代替传统光源进行了分析。
选用合适的LED灯透镜，整灯装配，并同实际测量结果进行了对比，使最终的结果具有实用性。
最后，完成了芯片的测试工作。
理论分析和芯片测试数据。
1.2LED的发展现状
1．2．1LED的发展
随着社会的不断发展，对能源的需求越来越大，能源危机加重。
节能已经成为衡量各项技术的关键指标，寻找节能的方式势在必行。
照明是人类消耗能源的重要方面，某媒体报道数据显示，使用固体光源LED代替传统的白炽灯照明，将节约全球照明能耗的50%以上。
1962年，GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。
随后经世界各国的努力研究，便成产出商用化红色LEDGaP绿色芯片、LEDAlGaAsLED、GaN基片上研制出的第一只蓝色发光二极管等等。
LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。
近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。
白光LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。
将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：
普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效理论上可以超过150lm/W，寿命可达到100000小时。
有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。
随着LED散热技术的改进，室外照明LED灯、投光灯等大功率LED照明灯具已经实现工业化生产并开始被大量应用。
对色温和显色性要求很高的室内照明的舞台灯、影棚灯等也已实现量产并投入应用。
适用范围最大、用量也最大的通用照明的T8、T5、T4灯管和代替白炽灯和节能灯的螺口球泡灯已形成系列化，使用寿命已高达5万小时。
LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。
曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。
目前LED在国内发展迅速，但企业规模偏小，产业链不完整。
我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过40余年的发展，现已形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。
据《2013-2017年中国LED照明产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》分析认为，LED照明市场一直被认为是LED最重要、最具发展前景的应用。
总体来看，宏观环境对于LED照明应用的发展非常有利，主要表现为：
1）节能减排成为全球关注的议题并得到积极推进;2）传统光源技术成长缓慢，面临发展瓶颈;3）LED照明技术进步与成本不断降低，长期市场障碍已不大。
1．2．2LED的应用领域
LED光源与传统光源相比较，具有如下的优点：
超长寿命，可达几万小时，传统光源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极高的抗震性能；响应速度快，光通上升时间短；对点灯线路要求低，易实现调光和智能控制；耐开关冲击，适用于频繁开关场合；高效节能，现有光效已经超过白炽灯，理论光效可达2001m／W；不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。
作为光电产业近年来最热门的领域，2012年，我国LED应用领域规模达2340亿，总体比前年增长了34%。
预计2013年可达3000亿以上，每年至至少以30%的速度增长其中，商业、家居、道路等功能照明占比15%，市场规模达450亿；显示屏占比10%，规模达300亿；景观照明占20%，规模600亿。
LED照明发展迅猛，尽管经历种种困扰，但随着技术不断革新，市场应用愈加拓宽。
数据显示，2012年，LED的应用领域包括:
（1）建筑物外观照明
对建筑物某个区域进行投射，无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的投光灯具，这与传统的投光灯具概念完全一致。
但是，由于ＬＥＤ光源小而薄，线性投射灯具的研发无疑成为ＬＥＤ投射灯具的一大亮点，因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。
它的安装便捷，可以水准也可以垂直方向安装，与建筑物表面更好地结合，为照明设计师带来了新的照明语汇，拓展了创作空间。
并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。
（2）景观照明
由于ＬＥＤ不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家具很好的有机结合。
可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。
对于花卉或低矮的灌木，可以使用ＬＥＤ作为光源进行照明。
ＬＥＤ隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。
固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度，方便进行调节。
（3）标识与指示性照明
需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的ＬＥＤ自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯，以及购物中心内楼层的引导灯等。
另外，ＬＥＤ与霓虹灯相比，由于是低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作中弯曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。
（4）室内空间展示照明
就照明品质来说，由于ＬＥＤ光源没有热量、紫外与红外辐射，对展品或商品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统简单，费用低廉，易于安装。
其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代品。
商业照明大都会使用彩色的ＬＥＤ，室内装饰性的白光ＬＥＤ结合室内装修为室内提供辅助性照明，暗藏光带可以使用ＬＥＤ，对于低矮的空间特别有利。
（5）娱乐场所及舞台照明
由于ＬＥＤ的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果。
从白光到全光谱中的任意颜色，ＬＥＤ的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。
长寿命、高流明的维持值（10，000小时后仍然维持90％的光通），与ＰＡＲ灯和金卤灯的50～250小时的寿命相比，降低了维护费用和更换光源的频率。
另外，ＬＥＤ克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。
与ＰＡＲ灯相比，没有热辐射，可以使空间变得更加舒适。
目前ＬＥＤ彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。
（6）视频屏幕全彩色ＬＥＤ
显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用先进的数字化视频处理技术，有无可比拟的超大面积与超高亮度。
根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。
它可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件。
世界上目前最有影响的ＬＥＤ显示屏，当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所，总计使用了18,677,760只ＬＥＤ，面积为10,736平方英尺。
屏幕可以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。
另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部，整个朝向浦西的建筑立面镶上了长100ｍ的超大型ＬＥＤ屏，总计面积达到3600平方米。
堪称世界第一。
（7）车辆指示灯照明
汽车用白炽灯不耐震动撞击，易损坏，寿命短，要经常更换。
LED作为汽车灯主要因为其寿命长、低功耗、响应速度快等特点。
1987年我国开始在汽车上安装高位刹车灯，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已经成为汽车的标准件。
LED已经渗透到汽车电子领域，凭借着汽车的巨大市场，LED车灯市场有巨大发展潜力。
2LED原理
2．1LED发光原理与结构
发光二极管通常用元素周期表中III、V族元素的化合物，如镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的，是一种半导体器件。
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封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。
LED的结构如图
（1）、
（2）所示。
图1LED的结构
图2LED的结构
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PN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。
PN结具有单向导电性。
发光二极管就是通过这种利用注入式电致发光原理制作的二极管。
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。
当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
光谱范围是比较窄的，其波长由所使用的基本材料而定。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
用GaN形成的蓝光LED1993年，当时在日本日亚化工工作的中村修二发明了基于宽禁带半导体材料氮化镓（GaN）和铟氮化稼（InGaN）的具有商业应用价值的蓝光LED，这类LED在1990年代后期得到广泛应用。
理论上蓝光LED结合原有的红光LED和绿光LED可产生白光，但白光LED却很少是这样造出来的。
现时生产的白光LED大部分是通过在蓝光LED（near-UV,波长450nm至470nm）上覆盖一层淡黄色荧光粉涂层制成的，
发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。
有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
发光二极管与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：
工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。
2．2LED的主要参数与特性
2．2．1单向导电性
当PN结外加电压V
的电场方向（由P指向N）与PN结内电场方向相反，PN结的平衡状态被打破，P区的多数载流子空穴和N区的多数载流子电子都要向PN结移动，使空间电荷区电荷量减少，PN结变窄，这时耗尽区厚度变薄，耗尽区中载流子增加，电阻阻值变小，PN结电场强度减小，有利于P区和N区中多数载流子的扩散运动，形成扩散电流。
这时扩散运动超过漂移运动，在外电路上形成一个流入P区的电流I
，PN结导通，这时PN结处于正向偏置。
PN结两端加反向电压V
时，P区的空穴和N区的电子都将进一步离开PN结，这时PN结处于反向偏置，使耗尽区厚度加宽，PN结电场强度增大，阻碍了多数载流子的扩散运动，扩散电流趋近于零，但是结电场的增加，使少数载流子更易产生漂移运动，漂移电流方向与扩散电流方向相反，表现在外电路有一个流入N区的反向电流I
，由于少数载流子浓度很小，所以I
是很微弱的。
少数载流子由本征激发产生，其数值取决于温度，与外界电压V
无关，在一定温度下，电流的值趋于恒定，可认为它基本上是不导电的，PN结截止。
由此看来，PN结加正向电压时，电阻值很小，PN结导通；加反向电压时，电阻值很大，PN结截止，这就是其单向导电性。
2．2．2V-I特性
以硅结型二极管为例，在二极管PN结的两端，施加正、反向电压时，通过管子的电流如图（3）所示。
图3硅二极管PN结的V-I特性
根据理论分析，PN结的V-I特性可表达为
i
=I
（e
-1）
（1）
式中i
为通过PN结的电流；v
为PN结两端的外加电压；n为发射系数，它与PN结的尺寸、材料及通过的电流有关，其值在1～2之间；V
为温度的电压当量，V
=kT/q。
其中k为玻耳兹曼常数（1.38×10
J/K），T为热力学温度，即绝对温度（单位为K，0K=-273℃），q为电子电荷（1.6×10
C），常温（300K）下，V
=0.026V;e为自然对数的底；I为反向饱和电流。
对于分立器件，其典型值约为10
A～10
A的范围内。
集成电路中的二极管PN结，其I
值则更小。
关于式
（1），可解释如下：
①当二极管的PN结两端加正向电压时，电压v
为正值，当v
比V
大几倍时，式
（1）中的e
远大于1，括号中的1可以忽略。
这样，二极管的电流i
与电压v
成指数关系，如图3中的正向电压部分所示。
②当二极管的PN结两端加反向电压时，v
为负值，若︱v
︱比nV
大几倍时，指数项趋近于零，因此i
=-I
，如图（3）中的反向电压部分所示。
可见温度一定时反向饱和电流是个常数I
，不随外加电压的大小而变化。
2．2．3PN结的反向击穿
如果加到PN结两端的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然增加，如图4所示。
这个现象就称为PN结的反向击穿（电击穿）。
发生击穿所需的反向电压V
称为反向击穿电压。
PN结电击穿后电流很大，容易使PN结发热。
这时PN结的电流和温度进一步升高，从而很容易烧毁PN结。
反向击穿电压的大小与PN结制造参数有关。
电击穿的一个原因是碰撞电离产生的倍增效应使PN结雪崩击穿，另一个原因是齐纳击穿。
这两种电击穿过程是可逆的，当反向电压降低后，就可恢复原来状态。
但它有一个前提条件，就是反向电流和反向电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率，超过了就会因为热量散不出去而使PN结温度上升，直到过热而烧毁，这种现象就是热击穿。
图4PN结的反向击穿
2．2．4极间电容
极间电容C
=C
+C
，C
为扩散电容，C
为势垒电容。
（1）扩散电容C
若外加正向电压有一增量△V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量△Q，二者之比△Q/△V为扩散电容C
。
如果取微增量，则有
C
=
=
F（法）
（2）
式中
为载流子的渡越时间或寿命，用以度量超量的少子的复合时间。
为温度电压当量。
（2）势垒电容C
对于非线性的势垒电容，可用微增量电容的概念来定义，即
C
=
（3）
式中
为势垒区没侧储存电荷的微增量，
为作用于结型二极管上的电压微增量。
PN结的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。
PN结处于正向偏置时，结电容较大（主要取决于扩散电容C
）；当PN结处于反向偏置时，结电容较小（主要取决于势垒电容C
）。
2．3LED的优缺点
2．3．1LED的优点
（1）体积小
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。
（2）耗电量低
LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。
一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。
（3）使用寿命长
有人称LED光源为长寿灯。
它为固体冷光源，环氧树脂封装，不存在灯丝发光易烧、热沉积等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
（4）高亮度、低热量
LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。
（5）环保
LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源
（6）坚固耐用
LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。
灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。
（7）多变幻
LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256
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