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LED照明灯研究与设计

   日期:2016-03-25     来源:论文网    浏览:36    

  LED作为新型光源,已经广泛得到普及应用。LED与传统光源相比,具有节能、环保、响应时间短、效率高、体积小、寿命长、抗震性好等多项优势,因而受到人们的青睐,也成为当前各国半导体照明领域研究的热点。本文围绕LED用于照明灯的光学设计、散热设计、电路设计等关键技术进行研究。

  ED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。/ED的心脏是一个半导体的晶片,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起/子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,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,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。

  2.白光LED照明新光源的应用前景

  随着社会的进步,能源紧张成为一个不争的事实,人们在节约和开发新能源上大做文章。普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜,但光效低(灯的热效应白白耗电),寿命短,维护工作量大,但若用白光LED作照明,不仅光效高,而且寿命长,几乎无需维护。目前,德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读灯;澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明;我国的城市交通管理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来,白光LED定会进入家庭取代现有的照明灯。

  3.LED照明系统的电路设计

  LED是电流控制元件,通过流过的电流,直接将电能转变为光能,故也称光电转换器。因其不存在摩擦损耗和机械损耗,所以在节能方面比一般的光源的效率高,但是LED光源并不能像一般的普通光源一样可以直接使用电网电压,它必须配置一个电压转换装置,提供满足其额定的电压、电流,才能正常使用,即LED专用电源。但是各种不同的LED电源其性能和转换效率各不相同,所以选择合适、高效的LED专用电源,再加上合理的电路设计才能真正体现LED光源高效特性。

  3.1 LED灯的连接方式

  LED负载的连接形式直接关系到可靠性和使用寿命。一般有以下几种连接方式:

  1.串联方式:LED采用全部串联的方式,即将多个LED的正极对负极连接成串。将多个LED串在一起,需要电源提供很高的电压。当一只LED的品质不良短路时,分配在剩余的LED两端的电压将升高,驱动器的输出电流会增加,容易损坏余下所有的LED。如果是采用恒流源方式供电,不产生影响。但当一只LED品质不良断开后,串联在一起的LED将全部不亮。

  2.并联方式:在并联设计中,需要电源提供较高的电流。该电路具有低电磁干扰、高效率的特点。不会因一个LED断路而引起整个照明系统失效。当某一只LED因为品质不良而断开,如果采用恒流源方式供电,会加大余下的LED的电流。如果采用恒压源的方式,则不影响。说明恒流源方式驱动LED不适合采用并联负载。

  3.混联方式:在需要使用比较多的LED时,如果所有的LED串联,将需要LED驱动器输出较高的电压;如果将所有的LED并联,则需要LED驱动器输出较大的电流。将所有的LED串联或并联,不但限制着LED的使用量,而且并联LED负载电流较大,驱动器的成本也会增加。解决的办法是混联方式,所以我们采用的是混联方式。

  3.2LED驱动电路性能分析

  驱动电路主要有以下几大部分组成,一、整流滤波电流(供电电源是AC源);二、主干能量变换电路;三、开关器件的驱动和智能控制电路;四、反馈网络和助电路。整个驱动电路的性能是由这几部分的综合效果,其中开关器件及其控制电路是决定功能性能的关键。下面简单的介绍一下开关电路及其控制电路。

  恒流反馈电路的原理与设计。恒流反馈电路是通过采样电阻,把驱动LED的电流信号转化为电压信号,在对采样电压信号进行放大处理后送到控制芯片的反馈端口。

  LM358芯片包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放,它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。所以我们选用放大器LM358实现恒流反馈。如图3-2所示。

  电容C1和电阻R4提供环路补偿。采样电阻Rsense一般取0.1Ω,使用运算放大器的限流方式使电流采样电压最小化,从而降低了损耗,使效率提高。R1为TL431阴极提供回路。稳压管D2可以在空载时,实现恒压输出,避免空载时损坏电路。同时在电路板做完后空载上电可以检测电路是否正常。

  4.实验结果及展望

  LED灯控制电路具有恒流控制、电流控制精度、过压保护、欠压保护、过流保护等功能。就通用室内照明应用,从成本考虑,大多设计功率在20W以内的LED灯管,从不断增长的LED亮度来说20W符合未来LED照明光源发展要求。随着大功率LED普遍在灯光装饰和照明中的普遍使用,功率型LED驱动显得越来越重要。用市电驱动大功率LED需要解决降压和恒流问题,还要有比较高的转换效率,有较小的体积,长时间工作,较低的成本,电磁干扰和功率因素等问题。如果能用交流(AC)直接驱动LED光源发光,系统应用方案将大大简化,系统效率将很轻松地达到90%以上。用ACLED发光省去了成本不菲的AC/DC转换器和恒流源,将展开全新的LED驱动概念。

 
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