12w大功率led筒灯设计毕业论文设计(编辑修改稿)

12w大功率led筒灯设计毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

代。 目前，室内白光照明主要通过多颗 1～ 3W的白光 LED芯片组合成超大功率 LED阵列来实现。 在当前技术水平下，大功率 LED工作过程中只有 10%～ 20%的电能转化为光能。 例如，若 LED输入功率为 ，芯片面积为 1mm 1mm，按照 80%的电能转化为热能，则有 2W左右的电能转化成热量，其芯片热流密度达到了 200W/ cm2。 如此高的热流密度，如不采取有效的散热措施，会导致芯片温度升高，发光效率降低，以及波长漂移，显色指数下降等一系列后果，进而缩短 LED的正常工作寿命。 因此，对大功率 LED灯具的散热优化具有重要的实际应用意义。 所以对大功率 LED灯具的散热分析与设计已成为 LED灯具封装的关键技术之一由于 LED灯具在工作时，各材料间会形成温度梯度，从而形成热应力和材料失配，此外，根据温度分布可以合理设 置芯片排放位置、选择材料、优化各部件尺寸等。 在此设计了 12w大功率LED筒灯的封装结构。 然后计算分析了此灯具的温度场分布，并通过实验进行验证，在与实验结果吻合的基础上，结合各构件温度场分布与传热学理论，分析了 LED散热的主要因素，并揭示出了一种新型实际可行的封装结构，最终制作出此种外观结构。 优点：结构简单，外观较美，视觉效果较好，散热效果较优。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 8 页 驱动电路的设计 传统 LED驱动电路 图 22 传统的电路 LED驱动电路除了要满足安全的要求以外，另外的基本功能应有两个方面，一个是尽可能保持恒流的特性，尤其是当电源电压发生177。 5％的变动时，则仍应能保持输出电流在177。 10％的范围内变动。 第二是驱动电路自身应保持较低的功率损耗，这样才能够使 LED的系统效率保持在很高的水平。 传统的低效率电路：图 22所示是传统的电路。 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177。 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177。 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。 工作原理： 220V交流电源首先通过降压变压器降压，降到 36V交流电，再到桥式整流电路整流经过电容进行滤波后，通过限流电阻来驱动 12个 LED稳定工作，这是电容滤波的单相不可控整流电路。 空载时， R趋向于无穷大，放电时间常数也为无穷大，输出电压 dU = 22U。 重皖西学院本科毕业论文（设计） 第 9 页 载时， R很小，电容放电很快，几乎失去贮能作用，随负载加重 dU 逐渐趋向于 2U ，即趋向于接近电阻负载时的特性。 通常再设计时根据负载的情况选择电容 C值，使 RC≥ 253 T， T为交流电源的周期，此时输出电压为 dU ≈ 2U。 这里二极管属性选为 40V,电容属性为 1500uF,LED灯的额定电压为 ，额定电流为 360mA,限流电阻的阻值为 20欧姆，当选取以上规格的元器件时，通过每个 LED灯的电流为 350mA，每个 LED灯的电压为 ,则每个 LED灯的功 率为 ,12个 LED灯再串联起来，功率达到 12w,符合 12w大功率 LED筒灯的要求。 但这种电路的缺点是：此驱动电路没有恒流源的控制，经过整流滤波后，得到的电压不稳定，造成 LED灯的超载，导致输出的功率达不到理想的状态，达不到预期的效果。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 10 页 LED 的改进驱动电路 图 23 是在图 22 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，不会因为电源电压的不稳定造成 LED的超载。 图 23 改进的电路 但是此电路虽然保证了 LED 的基本恒定的输出，但效率还是很低的。 因为 MC7809 和 R1上的压降占很大比例，且输出的电压不能够驱动 LED 进行大功率输出，其效率仅为 40％左右。 而且上述这类电路的应用，根据系统总的每瓦输出流明的大小来看，此筒灯是根本不能称为节能的照明产品的。 为了能够达到 LED 既能稳定工作，又能保持高的效率的状态，应采用低功耗的限流元件和输出大功率的电路来提高系统的效率。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 11 页 电容降压的 LED 驱动电路的简单介绍 电容降压的工作原理并不是很复杂。 它 的工作原理就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。 比如，在 50Hz 的工频条件下，一个 1uF 的电容所产生的容抗大约为 3180 欧姆。 当 220V 的交流电压加在电容器的两端时，那么流过电容的最大电流大约为 70mA。 虽然流过电容的电流大约有 70mA，但在电容器上并不产生功率损耗，应该说如果电容是一个理想电容，那么流过电容的电流可以称为是虚部电流，它所作的功率也为无功功率。 根据电容器这个特点，我们如果在一个 1uF 的电容器上再串联一个阻性元件，那么阻性元件两端所得到的电压以及它所产生的功率损耗完全 取决于这个阻性元件的规格。 例如，我们如果将一个 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 8W/110V=72mA，而它与 1uF 电容所产生的限流特性很吻合。 同样，例如：我们将 5W/65V 的灯泡与 1uF电容串联接到 220V/50Hz 的交流电源上，灯泡同样能够被点亮，而不会被烧毁，因为 5W/65V 的灯泡的工作电流也大约为 70mA。 因此，电容降压实际上说白了就是利用容抗来限制电流。 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一个角色。 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，也常应用于 LED 的驱动电路中。 图 24为一个实际的采用电容降压的 LED驱动电路：请注意，大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管，建议连接上，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。 图 24 电容降压驱动电路 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 12 页 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。 D1D4 的作用是整流，其作用是将交流电整流为脉动直流电压。 C2﹑ C3 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。 D1D4 可以选择 IN4007。 滤波电容 C2﹑ C3 的耐压 根据负载电压而定，一般为负载电压的 ，其电容容量视负载电流的大小而定。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 13 页 设计的驱动电路 图 25采用的驱动电路 图 25是采用集成恒流源 NUD4001 的 LED驱动电路，这一电路的显著特点是当电源电压在177。 5％的范围内变动时，输出波动≤ 1％，可称为恒功率驱动电路，而且这一驱动 电路可在串联分压下工作，所以可保证在几乎恒功率输出的情况下，保持系统效率达 70％左右。 这一驱动电路的输入电源可采用工频交流，但最好的是采用电子变压器进行前级变压，这样能保证谐波和电源端子干扰都符合标准的要求。 此驱动电路的原理与以上传统的驱动电路原理相同，但也是在其基础之上加了集成稳压元件 NUD4001 和额定电压为 45V，额定电流为 的二极管。 不像 MC7809，此成稳压元件损耗很小，该驱动电路既能保证 LED 电压的基本恒定的输出，又能满足 12w 大功率的输出，能够驱动 12 个 LED灯的发光，能保持高的效率的状态。 并且根据系统总的每瓦输出流明的大小来看，此 12w LED 筒灯能够被称为节能 的照明产品。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 14 页 3 LED 铝基板和散热器的设计 铝基板的介绍 铝基覆铜板是顺应电子产品发展而诞生的 ,在 1969 年日本三洋公司首先发明了铝基覆铜板制造技术 ,到 1974 年开始应用于 STK 系列功率放大混合集成电路。 随后在应用领域和用量都不断扩大 ,尤其是世界发达国家其产量迅速增长。 如日本铝基覆铜板产量 1991年 25亿日元 ,到 1996 年达到 60 亿日元 ,估计 2020 年将达到 80 亿日元。 我国铝基覆铜板的研制开发由国营704 厂始于 1988 年 ,于 1990 年完成通用型铝基覆铜板的厂级设计定型 ,建立国内第一 条铝基覆铜板生产线并投产。 经产品性能提升和产品系列化 ,到 1996 年完成部级设计定型。 目前国营 704 厂有通用型、高导热型、高频型和高热型系列化铝基覆铜板。 现产量达到 50008000 2m /年 ,还在新建生产线 ,完成后预计总产量达 1 万 2m /年。 铝基覆铜板的结构和性能特点： 铝基覆铜板是由铝板、环氧树脂或环氧玻璃布粘结片、铜箔三者经热压而成。 铝板厚度通常是 ,按用途不同选择。 铝基覆铜板具有优良的热耗散性、尺寸稳定性、电磁屏蔽性和机械强度等。 根据结构差异和性能特征 , 铝基覆铜板分为三类 :（ 1）通用型铝基覆铜板 ,其绝缘层由环氧玻璃布粘结片构成。 （ 2）高散热铝基覆铜板 ,其绝缘层由高导热的环氧树脂或其它树脂构成。 （ 3）高频电路用铝基覆铜板 ,其绝缘层由聚烯烃树脂或聚酰亚胺树脂玻璃布粘结片构成。 铝基覆铜板与常规 FR4覆铜板最大差异在于散热性，铝基覆铜板的技术要求与检验方法：到目前为止 ,尚未见国际上有铝基覆铜板标准。 我国由 704 厂负责起草了 电子行业军用标准《阻燃型铝基覆铜层压板规范》。 主要技术要求有：尺寸要求 ,包括板面尺寸和偏差、厚度及偏差、垂直度和翘曲度；外观 ,包括裂纹、划痕、毛刺和分层、铅氧化膜等要求；性能方面 ,包括剥离强度 ,表面电阻率 ,最小击穿电压 ,介电常数 ,燃烧性和热阻等要求。 在上述规范中制定了两项铝基覆铜板的专用检测方法。 其一是介电常数及介质损耗因数测量方法 ,为变 Q值串联谐振法 ,将试样与调谐电容串联接入高频电路 ,测量串联回路的 Q值的原理。 其二是热阻测量方法 ,以不同测温点之间温差与导热量之比来计算。 铝基覆铜板的应用领域有：工业电源 设备 ,如大功率晶体管、固态继电器、脉冲电机驱动器等； 汽车 ,如点火器、电源控制器、交流变换器等；电源 ,如稳压器和开关调节器； 磁带录像机和声频设备 ,如电机驱动器、信号分离器、放大器等；办公自动化设备 ,如打印机驱动器、大显示器基板、热打印头； 计算机 ,如 CPU 板、电源装置； 其它还有半导体绝缘导热板 ,电阻器阵列 ,热接收器和日光电池基板等。 皖西学院本科毕业论文（设计） 第 15 页 LED 铝基板的分析 LED 铝基板也就是 PCB，也是印刷线路板的意思，但只是线路板所用的材料是铝合金，以前我们一般的线路板的材料主要是玻纤，但因为 LED 发 热较大，所以 LED 灯具用的线路板一般主要是铝基板，因为导热比较快，其他设备或电器类用的线路板但还是玻纤板。 铝基板是一种 能够拥 有良好散热功能的 金属 基覆铜板，一般 的 单面板 主要 由三层结构所组成，分别是绝缘层 、 电路层和金属基层。 用于高端使用 时 的也有设计为双面板，结构为电路层、绝缘层、绝缘层、电路层。 但很 少数应用 的是 多层板， 其 可以由普通的多层板与绝缘层贴合而。