冷光源照明系统的研究毕业论文(编辑修改稿)

冷光源照明系统的研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

储存在充电电容中，转移 到 DC总线电容中或在当调节开关打开时转移到负载中。 流过 LED的电流反馈到控制器，控制器根据反馈电流调节变压器原边调节开关的占空比，通过改变占空比调节输出电流使其稳定。 Buck和 Boost电路都是开关电源方式，利用电感的储能作用储存电能，在时 2钟周期的一部分时间内为电 感充电，在时钟周期的剩余时间内释放能量得到输出电压，电路中电容、电感和续流二极管的结构不同，实现升压或降压功能， Buck是降压电路， Boost是升压电路。 提出了一种基于 Boost升压方式的恒流恒照度 LED驱动电路。 Boost电路将输入电压提升，采样电阻检测流过 LED电流并经过放大电路反馈到恒流恒照度控制电路中，光电二极管检测 LED的照度，将照度值转换成适当的电压值，并与额定电压比较，差值放大后送入到恒流恒照度控制电路中，改变 Boost电路调节开关的控制信号，使输出电流或输出照度保持恒定，恒定照度控制同样是通 过控制输出电流来维持照度值。 基于电荷泵、 Buck、 Boost电路的 LED驱动电路还应用于很多 LED驱动芯片的原理，如 LTC3200／ LTC3200 LM279 MAX1848等。 LED应用于应急灯照明，所设计的照明电路利用电网电压为蓄电池充电，蓄电池再通过驱动电路为 LED供电，同时也可以采用电网电压通过驱动 电路为 LED供电。 5 由于人眼对光线的感受是非线性的，因此，就有可能将亮度级降低 10%以上而人却觉察不到亮度的变化，这样就可以节省近 10%的电能。 如果将调光级别降低 50%，则可以节省约 40%的电能。 采用智能调光可将灯渐渐调到预设级别。 白炽灯无法做到这一点，因为冷的灯丝会受到热冲击。 将灯亮度渐渐调到设定级别，也称为“软启动 ” ，这会极大地延长灯的使用寿命。 使用 10%的调光级别可将灯的使用寿命延长两倍，而 50%调光级别可延长 20倍。 调光方式分为变电阻型调光和脉冲宽度调制方式 (Pulse． Width Modulation，PWM)两种。 变电阻型调光方式通过调节电阻性负载的电阻值改变电流，从而改变灯的发光亮度，变电阻型调光在电阻上将多余的电能转变为热能，这是能量的损失。 PWM方式通过每秒钟多次 的接通和断开电源调节发光亮度，开关之间的时间比率与发光亮度成正比。 但并不是所有的灯都是可调光的， LED的响应时间很短，只有几到几十纳秒，尤其适合于 PWM方式调节亮度。 自适应调光方式利用控制器，以及用于检测环境光的传感器为核心，传感器向控制器提供发光照度值，控制器做出判断并根据所得信息将照明回路打开或调节光亮度到预定级别。 由于 LED的快速响应特点，使得 PWM调光非常可行。 美国 Northern Illinois University针 对 2串 6并的 LED灯组，在恒流驱动电路基础上并接 了 N型MOSFET功率器件实 现 PWM控制，调节范围为 0100%，当占空比低到 1%时输出电流仍能保持稳定。 传统的 PWM调光方式是将调光开关与负载串联，当开关打开时， LED支路没有电流流过，当开关关闭时， LED支路有电流流过， LED灯发光。 本文 主要研究内容 LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处 可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。 但由于其亮 度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广 应用。 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 6 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。 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。 7 第 2 章 冷光源照明系统的基本特征及 电路 原理 LED 的基本特征 及 连接 方式 LED 伏安特性 由于 LED的核心是 PN结，因此 LED的伏安特性与普通二极管的伏安特性相 同。 理论上，二极管的正向电压 VF与正向电流 I的关系式为： 0 ( 1)qvfkTI I e （ 式 21） 式中， VF为二极管正向电压， 0I 是反向饱和电流，为定值， q为电子电荷 1． 6 1019，k为波尔兹曼常数 1． 38 2310 ， T是热力学温度，常数 β 近似取 2，当外加电压较高，电流 I以扩散电流为主时， β 近似等于 1。 二极管伏安特性曲线如图 21所示。 反 向 电 压正 向 电 压0（μA）正向电流 图 21普通二极管伏安特性曲线 8 在室温 (T=300K)条件下， kTq≈ 26mV，在正向电压大于零点几伏时，就有 qvfkTe 1 ，因此式 (22)可以化简为 I≈ I0 qvfkTe (式 22) 式 (23)说明照明 LED的电流与电压呈指数关系，但指数关系并不适合用等效模型来描述。 对于工作在额定电流附近的 LED用折线化来近似模拟 LED的特性，如式 (24)： F onV V rI (式 23) 其中， onV 是 LED的导通电压， r是等效内阻，导通电压是由材料 PN结的内建势垒电场决定的，一般大功率 LED的导通电压在 3V左右，当加在 LED两端的电压小于导通电压时， LED中几乎没有电流流过。 随着外加正向电压增加达到 PN结内建势垒电场时，可认为正向电流 I与正向电压 VF成指数关系，正向电流急剧增大，正向电压的较小波动就会导致正向电流的急剧变化，此时电流与电压近似呈 线性关系。 LED 光特性 发光二极管的核心是 PN结。 在正向电压下，电子由 N区注入 P区，空穴由 P区注入 N区，进入对方区域的少数载流子 (少子 )一部分与多数载流子 (多子 )复合而发光。 因此流动的少子和多子数量越多，发出的光线越强；同时在 PN结内流动的少子和多子数量越多，也说明单位时间内流过 PN结横截面的电荷数越多，那么流过 LED的电流也就越大，因此 LED的发光亮度基本随流过 LED的电流正向变化。 控制大功率 LED的发光亮度，实质是控制它的输出光通量。 图 22所示为美 国 Lumileds Lighting公司 1W大功率白光 LED在常温下 (25℃ )相对光通量 Φ 与正向电流 IF的关系曲线。 9 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 000 . 20 . 40 . 60 . 811 . 2光通量电 流 （ m A ） 图 22相对光通量Φ与正向电流 IF关系 LED光源最大的优点就是长寿命，各 LED厂商均声称其 LED的使用寿命可达 50，000～ 1 00， 000小 时，但通常 LED不会完全损坏，而是在其工作中光输出逐渐减少。 大功率 LED的相对光输出随时间的变化的一般趋势是：在开始的一段时间内光输出衰减较快，随后的一段时间内衰减较慢，但在即将耗尽或发生灾变性失效阶段 ，光输出急剧衰减。 在前两个阶段， LED的光输出随时间的衰减曲线可近似为如下的指数形式 ： atye （ 式 24） 式中： y表示相对光输出， a表示衰减系数， t是以小时为单位的 LED点亮时间。 a越大， y值衰减越快。 通常把光输出衰减 50％所经历 的时间定义为发光二极管的寿命。 大功率白光LED在实际使用过程中各种因素的影响都会引起 LED寿命的下降，往往达不到 50，000dx时。 影响 LED寿命的因素包括：制备过程中引入的缺陷； LED电极材料不均；静电影响；封装中各种材料的热膨胀系数失配；以及通过蓝光 LED激发荧光粉方法得到的白光 LED在工作过程中，由于荧光粉量子效率降低将导致宽谱带黄光相对峰值蓝光衰减更快，使得器件色温升高从而影响发光的颜色。 LED的光学稳定性是一个需要考虑的问题。 Philips公司研究中心对基于 RGB的白光 LED进行了大量实验，发现 其波长和输出光通量受到驱动电流、温度、使用时 10 间的影响，采用光敏二极管进行色度检测反馈结合 PI恒流闭环控制后，白光输出色 差得到明显改善。 LED 热特性 LED的高发光效率是它的最大优点，对于大功率 LED而言，这个优势更是明显。 但是 LED的光提取效率较低，且热量不容易辐射散发，从而导致器件温度过高，影响 LED的光通量、寿命以及可靠性，并会导致 LED发光红移，尤其对于采用蓝光激发荧光粉的方式实现白光的方案而言，其中荧光粉对温度特别敏感，最终会引起波长偏移，造成颜色不纯等一系列问题。 相对于一般 的 LED来说，大功率 LED的 PN结上的发热更严重。 大功率 LED的热稳定性问题已成为 LED照明的一个技术瓶颈。 目前 LED输入电功率的约 80％转变为热，对于目前应用比较成熟的 1W LED而言，其热流密度可达2100 /W cm ，这些热量的累积将引起 LED的温升效应：结温升高直接减少芯片出射光子，取光效率降低，实验结果表明，室温环境下 LED温度每升高 1℃，光效下降 1%。 85℃时的光输出约是 25℃ 时的一半。 结温升高会导致芯片出射光线红移，色温质量下降，尤其对于蓝光 LED激发黄色荧 光粉的白色 LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随结温升高而降低。 温度升高还会导致光衰加剧及器件寿命呈指数下降。 随着芯片技术的成熟，单个 LED的功率可以达到 5W甚至更高，因此防止 LED的热量累积就更显重要， LED的热管理已经成为其取代常规照明光源的主要瓶颈。 目前减小 LED温升效应的方法主要采用外加各 种冷却模块以提高器件的散热能力。 由于 LED的光输出与其电流成正比，且长期工作在大电流下有可能导致 LED失效，而电流不仅受蓄电池电量影响，而且受外界温度影响，因此从光输出均匀性、稳定性和 LED可 靠性角度考虑 ，高层次 LED应采用恒流驱动方式。 11 连接方式 图 23（ a）串联连接方式 图 23（ b）并联连接方式 LED 可以采用串联、并联或串并混联的连接方式。 串联方式如图 23（ a） 所示，串联方式的优点是流过串联支路上各 LED 的电流相同，因此各 LED 的发光亮度也会一致。 如果其中任意一颗 LED 出现断路故障时，会导致该支路串联上所有的 LED 都不发光；如果某颗 LED 短路时，在恒流方式下电路没有影响，但在恒压驱动时，其 他每个 LED 的 正向电压均会因此升高，因此流过的电流增大，可能会造成损坏。 并联方式如图 23(b)所示，当采用恒流驱动时，如果某 LED 断开，总电流不 变，因此流过其他 LED 的电流增大，因此并联方式下不适宜采用恒流驱动。 如果某 LED 短路那么其他 LED 将不再发光，若 LED 并联数目。