毕业设计LED照明设计及应用Word下载.docx
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半导体晶片由三部分组成,一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的其实简单的就是电子跳到空穴的时候,由于电子的能量多于空穴的容积，所以多的那部分能量就一光的形势发出来。
1.1.1LED的结构及发光原理
（LED发光原理图）
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。
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。
1.2LED灯的分类
1、按发光管发光颜色分
按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等.另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。
散射型发光二极管和达于做指示灯用。
2、按发光管出光面特征分
按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等.圆形灯按直径分为φ2mm、φ4。
4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。
国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；
把φ5mm的记作T—1（3/4）;
把φ4。
4mm的记作T-1（1/4）。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况.
从发光强度角分布图来分有三类：
（1）高指向性.一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。
半值角为5°
～20°
或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统.
（2）标准型.通常作指示灯用，其半值角为20°
～45°
。
（3）散射型.这是视角较大的指示灯,半值角为45°
～90°
或更大,散射剂的量较大。
3、按发光二极管的结构分
按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构.
4、按发光强度和工作电流分
按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；
把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。
一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）.
除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法.
1.3应用范围
鉴于LED的自身优势，目前主要应用于以下几大方面:
（1）显示屏、交通讯号显示光源的应用LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、三色和单色显示屏，全国共有100多个单位在开发生产。
交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED，因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高,所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快,市场需求量很大，是个很好的市场机会;
（2）汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。
汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短,需要经常更换.1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯.由于LED响应速度快，可以及早提醒司机刹车,减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP公司在1996年推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。
此外,在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源,都可用超高亮度发光灯来担当,所以均在逐步采用LED显示。
我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机。
近几年内会形成年产10亿元的产值,5年内会形成每年30亿元的产值。
（3）LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目,LED作为LCD背光源应用,具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点,已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化,LED背光源更具优势,因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。
LED是手机关键器件,一部普通手机或小灵通约需使用10只LED器件,而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20只LED器件。
现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35亿只LED芯片.目前我国手机生产量很大，而且大部分LED背光源还是进口的,对于国产LED产品来说，这是个极好的市场机会。
（4）LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd,适用在室内场合,在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。
目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。
日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目（称为"
照亮日本"
）,头五年的预算为50亿日元,如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯,每年可节约相当于60亿升原油的能源，相当于五个1.35×
106kW核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生,改善人们生活居住的环境.我国也于2004年投资50亿大力发展节能环保的半导体照明计划[4］。
（5）其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋,走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5亿只发光二极管；
利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯,据国内正在投产的制造商介绍，该公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3亿只发光灯；
正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎,正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场
2LED驱动电路
LED的排列方式及LED光源的规范决定着基本的驱动器要求。
LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流，而无论输入及输出电压如何变化.最常用的是采用变压器来进行电气隔离。
文中论述了LED照明设计需要考虑的因素。
2.1LED驱动器通用要求
驱动LED面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化,而不同个体、不同批次、不同供应商的LED正向电压也会有差异；
另外，LED的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。
另外,应用中通常会使用多颗LED，这就涉及到多颗LED的排列方式问题。
各种排列方式中，首选驱动串联的单串LED，因为这种方式不论正向电压如何变化、输出电压（Vout）如何“漂移”，均提供极佳的电流匹配性能。
当然，用户也可以采用并联、串联—并联组合及交叉连接（如图1）等其它排列方式，用于需要“相互匹配的”LED正向电压的应用，并获得其它优势。
如在交叉连接中,如果其中某个LED因故障开路,电路中仅有1个LED的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响.
2.2
两种系统效率低下的LED驱动电路
2.2。
1
传统的低效率电路：
图1
图1是传统的低效率电路,电网电源通过降压变压器降压；
桥式整流滤波后,通过电阻限流来使3个LED稳定工作,这种电路的致命缺点是:
电阻R的存在是必须的，R上的有功损耗直接影响了系统的效率，当R分压较小时，R的压降占总输出电压的40%，输出电路在R上的有功损耗已经占40%，再加上变压器损耗，系统效率小于50％。
当电源电压在±
10％的范围内变动时，流过LED的电流变化将≥25％,LED上的功率变化将达到30％。
当R分压较大时，在电源电压在±
10%的范围内变动时，虽说能使输出到LED的功率变化减少，但系统效率将更低。
图2
1。
2采用集成稳压元件的LED驱动电路
图2是在图1的基础上加了一个集成稳压元件MC7809,使输出端的电压基本稳定在9V,限流电阻R可用得很小也不会因为电源电压的不稳定造成LED的超载。
但是此电路除了保证LED的基本恒定输出外,效率还是很低的。
因为MC7809和R1上的压降仍占很大比例，其效率仅为40％左右。
上述这类电路的应用,系统总的每瓦输出流明仅为20lm/W～25lm/W，是根本不能称为节能的照明产品的。
为了达到既能使LED稳定工作，又能保持高的效率，应采用低功耗的限流元件和电路来使系统效率提高。
2.3常见的LED排列方式
LED驱动器的主要功能就是在一定的工作条件范围下限制流过LED的电流，而无论输入及输出电压如何变化。
LED驱动器基本的工作电路示意图如图2所示，其中所谓的“隔离”表示交流线路电压与LED（即输入与输出）之间没有物理上的电气连接,最常用的是采用变压器来电气隔离，而“非隔离"
则没有采用高频变压器来电气隔离。
值得一提的是,在LED照明设计中，AC—DC电源转换与恒流驱动这两部分电路可以采用不同配置：
1）整体式（integral）配置，即两者融合在一起，均位于照明灯具内，这种配置的优势包括优化能效及简化安装等;
2）分布式（distributed）配置，即两者单独存在，这种配置简化安全考虑，并增加灵活性。
LED驱动器根据不同的应用要求，可以采用恒定电压（CV）输出工作,即输出为一定电流范围下钳位的电压；
也可以采用恒定电流（CC）输出工作,输出的设计能严格限定电流；
也可能会采用恒流恒压（CCCV）输出工作，即提供恒定输出功率,故作为负载的LED的正向电压确定其电流。
总的来看，LED照明设计需要考虑以下几方面的因素：
输出功率：
涉及LED正向电压范围、电流及LED排列方式等
电源：
AC-DC电源、DC—DC电源、直接采用AC电源驱动
功能要求：
调光要求、调光方式（模拟、数字或多级）、照明控制
其他要求:
能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理（保护特性）、要遵从的标准及可靠性等
更多考虑因素：
机械连接、安装、维修／替换、寿命周期、物流等
2。
4功率因数校正
美国能源部（DOE）“能源之星"
（ENERGYSTAR）固态照明（SSL）规范中规定任何功率等级皆须强制提供功率因数校正（PFC）。
这标准适用于一系列特定产品，如嵌灯、橱柜灯及台灯,其中，住宅应用的LED驱动器功率因数须大于0。
7，而商业应用中则须大于0.9；
但是，这标准属于自愿性标准.欧盟的IEC61000-3-2谐波含量标准中则规定了功率大于25W的照明应用的总谐波失真性能，其最大限制相当于总谐波失真（THD）＜35％，而功率因数（PF）＞0.94.
虽然不是所有国家都绝对强制要求照明应用中改善功率因数，但某些应用可能有这方面的要求，如公用事业机构大力推动拥有高功率因数的产品在公用设施中的商业应用，此外，公用事业机构购入／维护街灯时，也可以根据他们的意愿来决定是否要求拥有高功率因数（通常＞0。
95＋）。
PFC技术包括无源PFC及有源PFC两种.无源PFC方案的体积较大,需要增加额外的元件来更好地改变电流波形，能够达到约0.8或更高的功率因数.其中，在小于5W至40W的较低功率应用中，几乎是标准选择的反激式拓扑结构只需要采用无源元件及稍作电路改动，即可实现高于0.7的功率因数.
有源PFC通常是作为一个专门的电源转换段增加到电路中来改变输入电流波形。
有源PFC通常提供升压，交流100至277Vac的宽输入范围下，PFC输出电压范围达直流450至480Vdc.如果恰当地设计PFC段，可以提供91％到95％的高能效。
但增加了有源PFC，仍然需要专门的DC-DC转换来提供电流稳流。
5驱动器标准
LED驱动器本身也在不断演进，着重于进一步提高能效、增加功能及功率密度。
美国“能源之星"
的固态照明规范提出的是照明器具级的能效限制,涉及包括功率因数在内的特定产品要求。
而欧盟的IEC61347-2-13（5／2006）标准针对采用直流或交流供电的LED模块的要求包括：
最大安全特低电压（SELV）工作输出电压＆le;
25Vrms（35。
3Vdc）
不同故障条件下“恰当”／安全的工作
故障时不冒烟或易燃
此外，ANSIC82.xxxLED驱动器规范仍在制定之中.而在安全性方面，需要遵从UL、CSA等标准,如UL1310（Class2）、UL60950、UL1012.此外,LED照明设计还涉及到产品寿命周期及可靠性问题。
LED驱动电路除了要满足安全要求外，还应具备另外两个基本功能，一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±
15%的变动时,仍应能保持输出电流在±
10％的范围内变动.二是应保持较低的自身功耗，这样才能使LED的系统效率保持在较高水平。
6LED驱动电源技术
原始电源有各种形式，但是无论哪种电源,一般都不能直接给LED供电.因此，要用LED作为照明光源就要解决电源交换的问题.有低电压驱动、过渡电压驱动、高电压驱动、市电压驱动。
（1）低电压驱动
低电压驱动是指用低于LED正向导通压降的电压驱动LED,如一节普通的干电池或者镍铬/镍氢电池，其正常供电压为0.8至1.65V.低电压驱动LED就是要把电压提升到足以使LED导通的电压值。
对于LED这样低功率照明器件，这是一种常见的使用情况,如LED手电筒、LED应急灯等。
由于受单节电池容量的限制，一般不需要很大功率，但要求有最低的成本和比较高的交换效率。
（2）过渡电压驱动
过渡电压驱动是指给LED供电的电源电压值在LED管压降附近变动，这个电压值有时候略高于LED管压降，有时略低于LED管压降。
如一节或两节锂电池串联的铅酸电池,满时电压在4V以上，电压快用完时在3V一下.用这类电源供电的典型应用有矿井灯等。
过渡电压驱动LED电源变化电路既要解决升压问题又要解决降压问题，为了配合一节锂电池工作,也需要尽可能小的体积和尽可能低的成本，一般情况下功率不大,其最高性价比的电路是反极性电荷汞式变换器。
（3）高电压驱动
高电压驱动是指给LED供电的电压值始终高于LED的管压降，如5V，12V，24V的电源。
典型的应用有太阳能草坪灯、太阳能庭院灯、机动车的灯光系统等。
高电压驱动LED要解决降压问题,由于高电压驱动一般是由普通蓄电池供电，会用到比较大的功率，最佳电路结构是串联开关降压电路。
（4）市电驱动
市电驱动就是指用220V、50HZ的的交流市电经过电源变换装置给LED供电.这是一种对LED照明最有价值的供电方式，是半导体照明普及必须解决的问题。
用市电驱动要解决降压和整流的问题,还要有比较高的变换效率、有较小的体积和成本。
另外，考虑到对电网的影响,还要解决好电磁干扰和功率因数等问题。
对于中小型功率的LED，现在普遍使用的电路机构是反激变换器。
对于大功率的应用，则是使用桥式变换电路。
无论何种电源驱动技术，归根到底对于LED照明而言只有恒压和横流的区别。
采用恒压设计会危害LED的未来.LED是需要横流方式驱动工作的，但是目前由于横流方式限制达不到实际要求，而较多的使用恒压方式设计.恒压方式只是暂时的过渡，很快就会被横流取代。
3LED照明灯的制作
3.1材料的准备
材料有：
白光的二极管导线电阻电容灯口灯塑料外壳圆形电路板方形电路板
工具:
电烙铁偏口钳
二极管等电容电解电容
3。
2电路图分析
（图1串联50个灯）
图1是一款LED灯杯的实用电路图，该灯使用220V电源供电，220V交流电经C1降压电容降压后经全桥整流再通过C2滤波后经限流电阻R3给串联的38颗LED提供恒流电源。
LED的额定电流为20mA,但是我们在制作节能灯的时候要考虑很多方面的因素对LED的影响，包括光衰和发热的问题，我们在做这种灯的时候因为LED的安装密度比较高，热量不容易散出，LED的温度对光衰和寿命影响很大,如果散热不好很容易产生光衰,因为LED的特性是温度升高电流就会增大，所以一般在做大功率照明时散热的问题是最重要的,将影响到LED的稳定性,小功率一般都采取自散热方式,所以在电路设计时电流不宜过大.图中R1是保护电阻,R2是电容C1的卸放电阻,R3是限流电阻防止电压升高和温度升高LED的电流增大，C2是滤波电容，实际在LED电路中可以不用滤波电路,C2是用来防止开灯时的冲击电流对LED的损害，开灯的瞬间因为C1的存在会有一个很大的充电电流，该电流流过LED将会对LED产生损伤,有了C2的介入，开灯的充电电流完全被C2吸收起到了开灯防冲击保护.该电路是小功率灯杯最实用的电路,占用体积小可以方便的装在空间较小的灯杯里,现在被灯杯产品广泛的采用.优点：
恒流源，电源功耗小,体积小，经济实用.但是在设计时降压电容要采用耐压在400V以上的涤纶电容或CBB电容，滤波电容要用耐压250v以上.此电路适合驱动20—40只20mA的LED。
3材料组装
组装：
先组装方形电路板按照电路板上的位置把电阻、电容插上用电烙铁焊接（注意不要有虚焊）然后用偏口钳剪掉多余的引脚。
如下图3.3.1上面2根线接往灯口下面2根线接往圆形电路板（红正黑负）。
圆形电路板上有阴影的小半圆是二极管的正极
图3。
3.1图3.3.2
图3.3.3图3.3.4
3.4调试检查
1检查二极管的正负有没有反接.
2检查二极管、电容、电阻有没有虚焊（所有的二极管都是串联在电路中的）。
3组装插电调试。
4LED照明存在的问题
1、LED色差问题
单个LED的应用，基本上不存在色差问题,但如果将众多的LED一起投入使用或者说一个灯同时具有多个LED，则色差问题便突出来了.先说一组灯具,如果一眼看出灯光的颜色不一致，我想愉快的心情便要打一个折扣.虽然象LUXEON一样将LED按色温分成八大军区，然后在每个军区中右分几个小区,在一定的程度上将大范围的色差进行了控制，但同一色区同一批LED中仍然存在差异,而这差异仍逃不了肉眼的挑衅.
2、LED绝缘问题
（这里所说的绝缘指散热基板对LED的正负极而言）不敢说我们是最先发现LED的绝缘问题,但至少大牌厂商对我们的质疑感到惊呀.到目前为至仍未解决根本问题,只是采取弥补措施,如用铝基板来处理绝缘（最初的铝基板并未做绝缘,现在几乎都做到了）可能大家觉得不可理解.单个LED不绝缘，影响不大,多颗串联时就有问题。
3、LED抗脉冲问题
这个问题与厂商尚有争议,在我的实际应用中确实存在，主要反应在冷脉冲上，即上电瞬间，少数LED在冷态上电的瞬间即击穿或断开。
我认为不是静电或高压所致（开机电压在范围内）.
4、LED发光角度的问题
由于各个厂商的LED透镜封装不一样即便是同一发光角度（标称角度）,效果也不一样，使得聚光罩的选取难上加难，仍至不能通用.
5、LED潜在致盲的隐患
LED发光点过于集中使得中心点亮度超强,这样很容易伤到人的眼睛,虽然部分灯饰生产厂商在这方面做努力，但由于法规的滞后，也只能是为人的道德问题.
6、LED发热问题
理论上讲,LED不怎么发热，但由于目前技术的不成熟，LED发热以是众所周知，我不想多说.
7、LED效率偏低（发光率）
目前LED的电转换效率实在太低（由于没有仪器测试,不敢给出具体数据）。
8、LED亮度不足
亮度不足,使得目前LED在照明行业中只能充当配角,主要用于装饰.
9、LED光衰及寿命
目前内地或台商所产LED光衰及寿命问题比较严重，先不多说，大牌厂商如LUXEON标称10万小时，恐怕也只有他们自已心理清楚，加上散热解决的好坏，驱动器方面的匹配都有可能影响LED的光衰及寿命，所以10万小时也只是一个卖点而以！
10、LED驱动电源的问题
目前大部分驱动线路都是从开关电源借用而来,当然也有极小数线路是专门用于LED的驱动，但效果基本一样,由于LED须要直流驱动，采取恒流控制，使得驱动线路相当庞大，无法与电子变压器相提并论，而且效率也比较低，达到80%以算不错（单颗还达不到）。
另外,厂商为追求适用性，宣称一个驱动器能带十来颗随便接（一颗，二颗,。
..都可以）,其实这是一种误区，虽然是恒流，过高的起始电压往往会将LED致死于瞬间。
11、LED造型受限
由于LED单面发光的特性,使得LED灯具的造型受到一定的限制.
结束语
本次设计是在吴淑梅老师的悉心指导下完成的.在完成本次设计的过程中，吴老师给予了很多的帮助，并提供了很多与该设计相关的重要信息，培养了我们对科学研究的严谨态度和创新精神.这将非常有利于我们今后的学习和工作.在此表示衷心的感谢。
参考文献
［1]LED照明推荐协会，《LED照明设计与应用》。
北京:
科学出版社,2009.
［2]周志敏，《LED驱动电源设计100例》。
北京:
中国电力出版社,2010.
[3]杨恒,《LED照明电路设计教程》。
北京：
中国电力出版社,2008.
[4]杨清德，《LED照明工程与施工》。
北京：
金盾出版社,2009。
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