LED节能灯驱动电路设计 毕业设计论文.doc
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1、 本科毕业设计(论文) LED 节能灯驱动电路设计 DRIVE CRICUIT DESIGN OF LED ENERGY-SAVING LAMPS 年 级: 学 号: 姓 名: 某某某 专 业: 机械设计制造及其自动化 指导老师: 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第页 毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)任务书 班 级 2005 级机械 1 班 学生姓名 某某某 学 号 发题日期: 2009 年 2 月 23 日 完成日期: 6 月 12 日 题 目 LED 节能灯驱动电路设计 1、本论文的目的、意义: 在提倡环保、节能的今天,LED 被认为是二十一世纪的 新型半导体绿色照明光源,具有能耗
2、低、寿命长、响应时间短、安全低压、环保、 应用灵活、调节方便等诸多优点。为此,从 LED 的发展和特点出发,结合 LED 的 恒流发光特性,设计 LED 驱动电路,通过试验进行分析和优化,在保证光源亮度的 同时降低光源的能耗,将其应用于照明光源的设计中。随着 LED 生产成本的降低, LED 的应用范围越来越广,包括手持终端设备、车载以及建筑照明。LED 的高可靠 性、极佳的效率以及瞬态响应能力使得它们成为很好的光源。 2、学生应完成的任务: (1)了解 LED 的特点和电学特性。自行查阅有关资料,查阅的参考文献不少于 30 篇(教材除外) ,其中中外期刊资料不少于 5 篇; (2)学习并掌握
3、 LED 驱动电路的设计以及分析现有驱动电路的优缺点; (3)设计并实现应用普通开关电源专用芯片为控制电路的大功率 LED 恒流驱动 电路,并对其外围电路进行优化设计,实现大功率 LED 的调光控制; (4)用 Protel 绘出设计电路图并进行调试、测试电路,以验证其功能; (5)完成外文资料的翻译; (6)撰写毕业设计说明书(论文)不少于两万八千字。毕业论文要介绍 LED 的 原理及特性、驱动电路的设计及应用等。 3、论文各部分内容及时间分配:(共 15 周) 第一部分 查询参考文献、资料,翻译外文资料; ( 2 周) 第二部分 毕业实习、调研; ( 1 周) 第三部分 完成电路设计并绘制
4、电路图; ( 4 周) 第四部分 制作电路并调试、修改电路; ( 6 周) 第五部分 撰写毕业论文(设计说明书) ; ( 1 周) 评阅及答辩 ( 1 周) 备 注 指导教师: 年 月 日 审 批 人: 年 月 日 摘 要 在提倡环保、节能的今天,LED 被认为是二十一世纪的新型半导体绿色照明光 源,具有能耗低、寿命长、响应时间短、安全低压、环保、应用灵活、调节方便等 诸多优点。随着经济的发展,LED 的应用随需求而变得急剧增大,它已经广泛地应 用于电信、邮政、金融、交通等各个行业。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
5、,满足 各种场合的应用要求。 LED 的发光特性有这样的特点:LED 的发光强度由驱动电流决定。当 LED 两 端的电压发生波动时,流过发光二极管中的电流变化较大,而发光二极管的发光强 度等比于驱动电流,因此驱动电路的好坏直接影响 LED 的发光质量。而且,驱动 LED 的电源也要考虑,由于市电的广泛使用,怎样用市电来驱动 LED 成为人们关 注的焦点。即怎么由市电转化为低压直流电源,进而驱动 LED。 本文从 LED 的发展现状出发,选择 LED 作为实验对象,介绍了 LED 照明的特 点和 LED 光学特性参数。无论哪种电源,一般都不能直接给 LED 供电。因此,又 对现有的照明驱动电路的
6、特点进行了分析,并设计了三种 LED 驱动电路。通过对三 种 LED 驱动电路的性能及特点进行比较,从而得出这三种驱动电路在具体的场合下 哪种驱动电路更简洁、更节能。 关键词:LED 驱动电路 节能 Abstract Nowadays when promoting environmental protection, energy saving, LED is considered the 21st century a new type of semiconductor green light, with low energy consumption, long life, short resp
7、onse time, low-voltage safety, environmental protection, application of flexibility, convenience and other benefits of regulation. With economic development, LED application with the rapidly increasing demand has become large, it has been widely used in telecommunications, postal services, finance,
8、transport and other sectors. LED application can not be separated from the control drive circuit, through the drive circuit to get good and steady current, so the LED display more uniform, beautiful, to meet a variety of application requirements occasions. LED luminescence have such features: lumino
9、us intensity of the LED decised by the current drive. When the two ends of LED voltage fluctuations occur, the current of light- emitting diodes in the volatile flow, and the luminous intensity of the LED equal with the drive current, so the drive circuit will have a direct impact on the quality of
10、light LED. Moreover, the drive power of LED should be consider, because of the widespread use of electricity, how to use electricity to drive the LED become the focus of attention. That is how to use the Urban electricity switch into low-voltage electric power, thereby drive LED. This article from t
11、he present situation of the development of LED, choose LED as subjects, introduce the characteristics of LED lighting and LED optical properties of parameters. Whatever the power, usually can not directly to supply the power to LED. Therefore, analyse the features of existing lighting drive circuit
12、, and then designed three LED driver circuit. Through comparing the performance and characteristics of three LED drive circuit, so that know these three drive circuit which drive circuit more simple, more fuel-efficient in specific occasions. key words:LED Drive circuit Fuel-efficient 第 VIVI 页 目 录 第
13、一章 绪论1 1.1 LED 的发展 .1 1.2 LED 的应用领域.4 1.3 LED 的发展趋势 .6 1.4 本文研究的目的和意义及主要研究内容8 第二章 LED 基础知识.9 2.1 LED 的结构 .9 2.2 LED 的种类 .9 2.3 LED 的发光原理 .10 2.4 LED 的主要参数与特性 .12 2.4.1 LED 的电学特性12 2.4.2 LED 的光学特性14 2.4.3 LED 的热学特性16 2.5 LED 光源的特点 .17 2.5.1 LED 光源的优势17 2.5.2 LED 存在的问题17 第三章 LED 驱动电路.19 3.1 LED 驱动技术.1
14、9 3.2 LED 驱动器的特性.20 3.3 典型 LED 驱动电路 24 3.3.1 电容降压电路.24 3.3.2 TPS6106 驱动白光 LED 的电路.25 3.3.3 利用 PWM 控制的白光 LED 基本驱动电路 .28 3.3.4 CAT3604 驱动 LED 的典型电路28 3.3.5 开关式 DC/DC 变换器驱动 LED 的典型电路.29 第四章 LED 驱动电路设计.32 第 VIIVII 页 4.1 恒流驱动 LED 的驱动电路设计 32 4.2 ZXSC310 驱动 LED 的驱动电路设计.34 4.3 HA22004P 驱动 LED 的驱动电路设计 .38 4.
15、4 LED 驱动电路的比较 .39 4.4.1 恒流驱动与 ZXSC310 驱动电路的比较.39 4.4.2 恒流驱动与 HA22004P 驱动电路的比较.40 4.4.3 HA22004P 与 ZXSC310 驱动电路的比较40 结 论41 致 谢42 参考文献43 附 录45 第 1 1 页 第一章 绪论 1.1 LED 的发展 在过去的一百多年里,作为人类文明象征的照明技术有了飞速的发展。作为照 明技术主体的光源经历了三个重要的发展阶段:白炽灯、荧光灯和 HID(High Intensity Discharge)灯。在提倡环保的今天,众多的人认为二十一世纪的照明新光 源应该是发光二极管
16、LED。LED 是 Light Emitting Diode 的缩写,中文译为发光二极 管。顾名思义,这是一种会发光的半导体组件,且具有二极管的电子特性。LED 属 于半导体光电组件,除了具有发光的特性之外,它完全具备半导体整流二极管的特 性,如果取它的整流特性,则它不但可以完全符合整流需求,而且在外加正偏压的 情况下会发出某种波长的光。LED 虽然具有整流二极管的功能,但通常利用的是 LED 的发光特性而非整流特性。这种发光特性发生在二极管电子曲线的正偏压部分。 1907 年,Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。由 于碳化硅发出的黄光太暗,不适合实际
17、应用,而且碳化硅与电致发光不能很好的适 应,因此该研究被摒弃了。20 世纪 20 年代晚期,Bernhard Gudden 和 Robert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光,但再一次因发光暗淡而停 止研究。 1936 年,George Destiau 出版了一份关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电子 器件的研究和业界认识的逐步深入,最终出现了“电致发光”这个术语。20 世纪 50 年代,英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意 义的 LED。在早期的实验中,LED 需要放置在液化氮里,因此,需要进一步研究以 使其能在室温下高效工作。第一个商用
18、LED 虽然仅能发出不可视的红外光,但它被 迅速地应用于感应与光电领域。 20 世纪 60 年代末,人们在砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见红光的 LED。磷化镓的改变使得 LED 更高效,发出的红光更亮,甚至能产生橙色光。全球 第一款商用 LED 是在 1965 年用锗材料做成的,随后不久 Monsanto 公司和 HP 公司 也推出了用 GaAsP 材料制作的商用 LED。Monsanto 公司将其作为指示灯,Hewlett- Packard 公司则首次将其应用于电子显示设备。早期产品的 GaAsP LED,其性能相 当差,工作电流为 20mA,光能量只有千分之几流明,相应的发光率仅为
19、 0.1lm/W, 而且只能发出 650nm 的红色光。这些早期的红光 LED 每瓦大约能提供 0.1lm 的光通 量,仅是一般 60100W 白炽灯(15lm/W)的 1/150。1968 年,LED 的研发取得了 第 2 2 页 突破性进展,利用氮掺杂工艺使 GaAsP 器件的效率达到了 1lm/W,并且能够发出红 色光、橙色光和黄色光。 20 世纪 70 年代,由于 LED 器件在家庭与办公设备中的大量应用,LED 产品的 类型得到了拓展,此后 LED 开始应用于文字点阵显示器、背景图案用的灯栅和条线 图阵列。数字显示屏的尺寸和复杂度在不断增长,从 2 位数字发展到 3 位甚至 4 位,
20、 从 7 段数字显示发展到能够显示复杂的文字与图案组合的 14 或 16 段阵列。20 世纪 70 年代上半期 LED 技术进步很快,LED 的发光效率达到 1lm/W,发光颜色也扩展 到红色、绿色和黄色。20 世纪 80 年代,GaAlAs LED 的红光效率提高到 10lm/W。 20 世纪 70 年代中期,磷化镓开始被用作发光电源,随后可发出灰白绿光 (LED 采用双层磷化镓芯片,其中一个为红色,另一个为绿色,所以能够发出黄色 光) 。就在此时,前苏联科学家利用金刚砂制造出了可发出黄色光的 LED。几乎与 此同时,HP 公司与 TI 公司也推出了带 7 段红光 LED 显示屏的计算器。
21、20 世纪 80 年代早期的重大技术突破是开发出了 AlGaAs LED,它能以每瓦 10lm 的发光效率发出红光。这一技术进步使 LED 能够应用于室外各种信息发布以 及汽车信号灯。砷化镓、磷化铝的使用促使了第一代高亮度 LED 的诞生,首先出现 的是红光高亮度 LED,接着就是黄光高亮度 LED,最后为绿色高亮度 LED。 20 世纪 90 年代早期,采用铟铝磷化镓生产出了橘红、橙光、黄光和绿光 LED。第一只具有历史意义的蓝光 LED 也出现在 20 世纪 90 年代早期,依当今的技 术标准去衡量,它与前苏联以前开发的黄光 LED 一样光线暗淡。20 世纪 90 年代中 期出现了超高亮度
22、的氮化镓 LED,随即又出现了能产生高强度绿光和蓝光的铟氮镓 LED。超高亮度蓝光芯片是白光 LED 的核心,在这个发光芯片上抹上荧光磷,然后 荧光磷吸收来自芯片的蓝色光并将其转化为白光。利用这种技术可制造出能发出任 何颜色可见光的 LED。在 1991 年至 2001 年期间,材料技术、裸片尺寸和外形方面 的进一步发展使商用 LED 的光通量提高了将近 20 倍。 20 世纪 90 年代初期,HP 公司光电部、Lumileds 公司和松下公司就已经掌握了 如何利用金属有机化学气相沉积法在 GaAs 衬底上外延生长 AlInGaP 的工艺, AlInGaP 材料在可见光谱区产生红色光和橙色光。
23、而合金有序化、受主原子的氢钝 化、PN 结排列,以及把氧掺入含铝器件层都是相当复杂的,这些问题历经近 10 年 时间才得以解决,最终实现了内量子效率接近 100%的 AlInGaP LED。几乎每个注入 到器件中的电子空穴对都产生一个光子,因此如何使在 PN 结内形成的光子到达 LED 外就成了一种挑战,首先是如何防止光被窄带隙(0.87nm)GaAs 衬底吸收。 人们在研究中曾经尝试过采用在布喇格发射镜的外延结构中掺杂并在 GaP 衬底上直 接生长的技术,但是最成功的还是通过蚀刻法强力除去 GaAs 衬底,采用芯片接合 法取代 GaP 技术。采用该技术研制的发光器件的发光率为 25lm/W,
24、几乎是带红色 第 3 3 页 滤光灯泡发光效率的 10 倍。每只 LED 的光通量为几流明,由它们组成的 LED 阵列 首先被制成了汽车上的停车灯、红色交通信号灯以及单色室外信号标志灯。 继 AlInGaP 技术之后,日本的 Nichia 化学公司(日本德岛)和名古屋大学(日 本名古屋市)的研究人员掌握了使用金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上外 延生长 AlInGaN 的复杂工艺。AlInGaN 材料的带隙比 AlInGaP 的宽,可以覆盖高能 量的蓝光和绿光波段。AlInGaN 材料系并不像 AlInGaP 材料系那样为人们所熟悉。 AlInGaN 绿光组件在标准的工作电流下内量子效率停
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