隧道led调光电源设计(编辑修改稿)

隧道led调光电源设计(编辑修改稿)内容摘要：

够分为模仿调光和 PWM 调光。 （ 1） 通过调制 LED 驱动电流来完成 LED 灯的调光 由于 LED芯片的亮度与 LED 驱动电流成一定的比例干系，所以我们调节 LED驱动电流就可以控制 LED 灯的明暗。 （ 2） 模仿调光方法或线性调光方法 该种调光方法的好处是：当驱动电流线性增长或减小时，减小了驱动电流过冲过程中对 LED芯片寿命的影响，而且调光电路的抗滋扰性较强。 其缺陷则是驱动电流的大小变化过程肯定对 LED芯片的色温有一定的影响。 （ 3） 脉冲宽度调制 (PWM) 该种方法是经过调节使驱动电流呈方波状，其脉冲宽度可变，经过对脉冲宽度的调制转变为调制 LED 灯连续点 亮的时间，也同时转变了输入功率，从而到达节能、调光的目标。 频率跟平常一样大概在 200Hz~10KHz。 因为人的眼睛视觉的滞后性，不会感觉得到光源在调光过程中产生的闪耀现象。 此种调光方法的好处是能改善 LED 的散热性能，缺陷是驱动电流的过冲对 LED 芯片的寿命肯定有一定的影响。 总的来说，模拟调光通常可以很简单的来实现。 但是由于 LED 光的特性要随着平均驱动电流而偏移。 对于单色 LED 来说，其主波长会改变。 对白光 LED 来说，其相关颜色温度 (CCT)会改变。 用 PWM 调光则保证了 LED 发出设计者需要的颜色。 PWM调光也 可以提高输出电流精度。 用线性调节的模拟调光会降低输出电流的精度。 通常来说，相对于模拟调光， PWM 调光可以精度大于线性控制光输出。 从节能来说，没有可比性。 因为 PWM 是保证 CCT 和颜色情况下测定电流 (光强 )，模拟调光则是不存在这个前提。 如果要牺牲这个前提来考虑节能的话，需要实测数据。 但估计在实现同等照度的情况下， PWM 会有优势。 从调光响应时间来说， PWM调光由于其响应速度快，并且能够更加精确地调光。 在实际使用中应用得最为广泛。 本课题采用的方法 由系统设计要求以及上述分析和论证决定了系统个模块所采 用的最终方案（ 3）： 基于 C51单片机和 PWM 调光的 LED台灯以 STC89C51 作为主控芯片，设置了手动控制。 在手动控制时，采用矩阵键盘输入控制单片机输出不同占空比的 PWM 对 LED的驱动电流进行控制，从而实现了对光度的手动调节。 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 69 页 3 基本原理及理论 LED 简介 LED 是英文 light emitting diode 发光二极管的缩写它的基本结构是一块电致发光的半导体材料置于一个有引 线的架子上 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。 LED 的结构 及发光原理 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。 LED是英文 light emitting diode 发光二极管的缩写它的基本结构是一块电致发光的半导体材料置于一个有引线的架子上然后四周 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。 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 pn 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。 LED 光源的特点 1. 电压： LED 使用低压电源 供电电压在 624V之间 （ 根据产品不 同而异）， 所以它是一个比使用高压电源更安全的电源 特别适用于公共场所。 2. 效能： 消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 3. 适用性 : 很小 ， 每个单元 LED小片是 35mm的正方形 ， 所以可以制备成各种形状的器件 ， 并且适合于易变的环境 4. 稳定性 : 10 万小时 ， 光衰为初始的 50% 5. 响应时间： 其白炽灯的响应时间为毫秒级 ， LED 灯的响应时间为纳秒级 6. 对环境污染： 无有害金属汞 7. 颜色： 改变电流可以变色 ， 发光二极管方便地通过化学修 饰方法 ， 调整材料的能带结构和带隙实现红黄绿兰橙多色 发光。 如小电流时为红色的 LED， 随着电流的增加 ， 可以依次变为橙色 ， 黄色最后为绿色 8. 价格： LED的价格比较 昂贵 ， 较之于白炽灯 ， 几只 LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当 而通常每组信号灯需 由上 300500 只二极管构成。 单色光 LED 的种类及其发展历史 在 LED 业者中 6， 日亚化学是最早运用上述技术工艺研发出不同波长的高亮度 LED,， 以及蓝紫光半导体激光 （ Laser Diode； LD） ,是业界握有蓝光 LED 专利权的重量级业者。 在日亚化学取得 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 69 页 兰色 LED生产及电极构造等众多基本专利后 ,坚持不对外提供授权 ,仅采自行生产策略 ,意图独占市使得蓝光 LED 价格高昂。 但其他已具备生产能力的业者相当不以为 然 ,部分日系 LED 业者认为 ,日亚化工的策略 ,将使日本在蓝光及白光 LED 竞争中 ,逐步被欧美及其他国家的 LED 业者抢得先机 ,届时将对整体日本 LED 产业造成严重伤害。 因此许多业者便千方百计进行蓝光 LED 的研发生产。 目前除日亚化学和住友电工外 ,还有丰田合成、罗沐、东芝和夏普 美商 Cree 全球 3 大照明厂奇异、飞利浦、欧司朗以及 HP、 Siemens、 Research、 EMCORE等都投入了该产品的研发生产 对促进白光LED 产品的产业化、市场化方面起到了积极的促进作用。 最早应用半导体 PN 结发光原理制成的 LED 光源 问世于 20 世纪 60 年代初。 当时所用的材料是 GaAsP 发红光（λ p=650nm）， 在驱动电流为 20毫安时 ， 光通量只有千分之几个流明 ， 相应的发光效率约 流明 /瓦。 70年代中期 ， 引入元素 In 和 N， 使 LED 产生绿光 （ λ p=555nm）， 黄光（ λ p=590nm） 和橙光 （ λ p=610nm）， 光效也提 高到 1 流明 /瓦。 到了 80 年代初 出现了 GaAlAs的 LED 光源 ， 使得红色 LED 的光效达到 10 流明 /瓦。 90年代初 ， 发红光、黄光的 GaAlInP 和发绿、蓝光的 GaInN 两种新材料的开发成功 使 LED 的光效得到大幅度的 提高。 在 20xx 年 前者做成的 LED 在红、橙区 （ λ p=615nm） 的光效达到 100流明 /瓦 而后者制成的 LED 在绿色区域 （ λ p=530nm）的光效可以达到 50 流明 /瓦。 LED 发光二极管说明 发光二极管简称 LED， 采用砷化镓、镓铝砷、和磷化镓等材料制成 ， 其内部结构为一个 PN结具有单 向导电性。 当在发光二极管 PN结上加正向电压时 ， PN结势垒降低 ， 载流子的扩散运动大于漂移运动 ， 致使 P 区的空穴注入到 N区 ， N 区的电子注入到 P 区 ， 这样相互注入的空穴与电子相遇后会产生复合 ， 复合时产生 的能量大 部分以光的形式出现 ， 因此而发光 .发光二极管在制作时 ， 使用的材料有所不同 ， 那么就可以发出不同颜色的光。 发光二极管的发光颜色有 ： 红色光、黄色光、绿色光、红外光等。 发光二极管的外形有 ： 圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等。 常用的发光二极管应用电路有四种 ： 即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲 驱动电路、变色发光驱动电路。 使用 LED 作指示电路时 ,应该串接限流电阻 ,该电阻的阻值大小应根据不同的使用电压和 LED所需工作电流来选择。 发光二极管的压降一般为 ~,其工作电流一般取 10~20 mA为宜。 发光二极管主要参数与特性 LED 是利用化合物材料制成 pn 结的光电器件。 它具备 pn结结型器件的电学特性 IV特性、CV特性和光学特性 光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。 (1)LED 电学特性 () IV特性 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 69 页 表征 LED芯片 pn结制备性能主要参数。 LED 的 IV特性具有非线性、整流性质 ， 单向导电性即外加正偏压表现低接触电阻 ,反之为高接触电阻。 (a) 正向死区 图 oa 或 oa′段 ， a 点对于 V0 为开启电压 ， 当 V Va 外加电场尚克服不 少因载流子扩散而 形成势垒电场 ， 此时 R 很大 ， 开启电压对于不同 LED 其值不同 ， GaAs 为 1V， 红色GaAsP 为 ， GaP 为 ， GaN 为。 (b) 正向工作区 电流 IF 与外加电压呈指数关系 IF = IS (e qVF/KT – 1) IS 为反向饱和电流。 V=0 时 V VF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升 ， IF = IS e qVF/KT (c) 反向死区 V=0 时 pn 结加反偏压 V= VR 时 ， 反向漏电流 IR V= 5V 时 ， GaP 为 0VGaN 为 10uA。 (d) 反向击穿区 V VR VR 称为反向击穿电压 ， VR 电压对应 IR 为反向漏电流。 当反向偏压一直增加使 VVR 时 ， 则出现 IR突然增加而出现击穿现象。 由于所用化合物材料种类不同 各种 LED的反向击穿电压 VR 也不同。 () CV特性 鉴于 LED 的芯片有 9 9mil (250 250um)， 10 10mil， 11 11mil (280 280um)， 12 12mil ，(300 300um)故 pn 结面积大小不一 ， 使其结电容零偏压 C≈ n+pf 左右。 CV特性呈二次函数关系。 由 1MHZ 交流信号用 CV特性测试仪测得。 () 最大允许功耗 PFm 当流过 LED 的电流为 IF、管压降为 UF则功率消耗为 P=UF IF LED工作时 外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光 ， 还有一部分变为热 ， 使结温升高。 若结温为 Tj、外部环境温度为 Ta， 则当 Tj=Ta 时 ， 内部热量借助管座向外传热 ， 散逸热量功率可表示为 P = KT Tj – Ta。 () 响应时间 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。 现有几种显示 LCD 液晶显示 ： 约103~105S CRT、 PDP、 LED 都达到 106~107S， us 级。 ① 响应时间从使用角度来看 ， 就是 LED 点亮与熄灭所延迟的时间 ， 即图中 tr 、 tf。 图中 t0值很小 ， 可忽略。 ② 响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。 LED 的点亮时间 —— 上升时间 tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的 10%开始 ， 一直到发光亮度达到正常值的 90%所经历的时间。 LED 熄灭时间 —— 下降时间 tf 是指正常发光减弱至原来的 10%所经历的时间。 不同材料制得的 LED 响应时间各不相同 ， 如 GaAs、 GaAsP、 GaAlAs 其响应时间 ： 109S， GaP 为 107 S。 因此它 们可用在 10~100MHZ 高频系统。 (2) LED 光学特性 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 69 页 发光亮度 : 亮度是 LED发光性能又一重要参数 ， 具有很强方向性。 其正法线方向的亮度 BO=IO/A， 指定某方向上发光体表 面亮度等于发光体表面上单位投射面积在单位立体角内所辐射的光通量 ， 单位cd/m2 或 Nit。 若光源表面是理想漫反射面 亮度 BO与方向无关为常数。 晴朗的蓝天和荧光灯的表面亮度约为 7000Nit（ 尼特 ）， 从地面看太阳表面亮度约为 14 108Nit。 LED 亮度与外加电 流密度有关 ，一般的 LED， JO 电流密度 ， 增加 BO也近似增大。 另外 ， 亮度还与环境温度有 关 ， 环境温度升高 ，η c 复。