高效led節(jié)能臺燈的設(shè)計與制作-電氣與信息工程學(xué)院復(fù)習(xí)過程

1、高效LED節(jié)能臺燈的設(shè)計與制作-電氣與信息工程學(xué)院一、一、LED燈的優(yōu)勢燈的優(yōu)勢 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，美國建筑物總能耗中約有據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，美國建筑物總能耗中約有30%的能耗源自照明領(lǐng)域，而中國達到約的能耗源自照明領(lǐng)域，而中國達到約11%至至12%。但。但其中的電能轉(zhuǎn)換效率很低，白熾燈轉(zhuǎn)化效率僅為其中的電能轉(zhuǎn)換效率很低，白熾燈轉(zhuǎn)化效率僅為5%左左右。緊湊型熒光燈右。緊湊型熒光燈(CFL)和線性熒光燈和線性熒光燈(LFL)等節(jié)能燈等節(jié)能燈的能耗大幅度下降的能耗大幅度下降(僅相當于白熾燈的僅相當于白熾燈的1/5)，但含有劇，但含有劇毒化學(xué)物質(zhì)毒化學(xué)物質(zhì)汞，廢棄物對環(huán)境有很大的污染。節(jié)汞，廢棄物對環(huán)境有

2、很大的污染。節(jié)能燈和日光燈還有微波輻射，影響人類的健康。能燈和日光燈還有微波輻射，影響人類的健康。 LED燈的效率很高，可達燈的效率很高，可達90%以上。并且是一種以上。并且是一種完全不含汞的全環(huán)保產(chǎn)品，沒有紫外線輻射，只是其完全不含汞的全環(huán)保產(chǎn)品，沒有紫外線輻射，只是其驅(qū)動電源有極低的微波輻射。驅(qū)動電源有極低的微波輻射。LED燈小巧、低壓工作燈小巧、低壓工作并且具有使用壽命長等眾多優(yōu)點，正被人們廣泛應(yīng)用并且具有使用壽命長等眾多優(yōu)點，正被人們廣泛應(yīng)用到照明領(lǐng)域。到照明領(lǐng)域。 二、二、LED照明發(fā)展前景照明發(fā)展前景 自愛迪生發(fā)明電燈以來，照明光源從白熾燈到熒光燈管自愛迪生發(fā)明電燈以來，照明光源從

3、白熾燈到熒光燈管到節(jié)能燈，三次重大突破，改變照明市場，從國家推廣使用到節(jié)能燈，三次重大突破，改變照明市場，從國家推廣使用節(jié)能燈到淘汰白熾燈和熒光燈，節(jié)能光源是今后發(fā)展的重點，節(jié)能燈到淘汰白熾燈和熒光燈，節(jié)能光源是今后發(fā)展的重點，是國家支持鼓勵、廣大群眾青睞、利國利民的好產(chǎn)品，是國家支持鼓勵、廣大群眾青睞、利國利民的好產(chǎn)品，LED超級節(jié)能燈的研發(fā)成功是照明史的第四次轉(zhuǎn)折，未來的照明超級節(jié)能燈的研發(fā)成功是照明史的第四次轉(zhuǎn)折，未來的照明市場必將由市場必將由LED節(jié)能燈主宰。節(jié)能燈主宰。LED照明燈具有巨大節(jié)能作用，照明燈具有巨大節(jié)能作用，每年以每年以50%的速度增長，將會取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類的

4、速度增長，將會取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解全球日益嚴峻的能源危機。全球正在展開一場搶占全球日益嚴峻的能源危機。全球正在展開一場搶占LED市場市場制高點的爭奪戰(zhàn)。我國于制高點的爭奪戰(zhàn)。我國于2003年年6月由科技部組織實施了月由科技部組織實施了“國家國家LED照明工程照明工程”，至，至2015年，全國可累計節(jié)能年，全國可累計節(jié)能4000億度，節(jié)約億度，節(jié)約2600億元電費支出。億元電費支出。30多名院士聯(lián)名向國務(wù)院多名院士聯(lián)名向國務(wù)院提交報告指出：以三峽電站提交報告指出：以三峽電站5%的投資額投

5、入的投資額投入LED照明的研照明的研發(fā)和生產(chǎn)，推動綠色照明，全國年照明節(jié)電可達發(fā)和生產(chǎn)，推動綠色照明，全國年照明節(jié)電可達1000億度，億度，其效果相當于再建一座三峽水利發(fā)電站。其效果相當于再建一座三峽水利發(fā)電站。 三、三、LED的主要性能指標及型號選擇的主要性能指標及型號選擇 1. LED的正向極限電流的正向極限電流IF LED的正向極限電流與器件的耗散功率有關(guān)，普通指示的正向極限電流與器件的耗散功率有關(guān)，普通指示燈用小功率燈用小功率LED (0.04-0.08W) ，IF多在多在20mA左右。大功左右。大功率的率的LED ，0.5W LED (IF=150mA)，1W LED (IF=350

6、mA)等。本設(shè)計采用等。本設(shè)計采用0.5W 白色白色LED (IF=150mA)，經(jīng)過實驗測量發(fā)現(xiàn)當經(jīng)過實驗測量發(fā)現(xiàn)當IF150mA時，時，LED的亮度增強已不的亮度增強已不明顯。明顯。 2. LED的標稱電壓的標稱電壓VF LED的標稱電壓是指它的額定正向電壓。它與顏色有關(guān)系：的標稱電壓是指它的額定正向電壓。它與顏色有關(guān)系：紅、黃、黃綠的電壓是紅、黃、黃綠的電壓是1.82.4V之間。白、藍、翠綠的之間。白、藍、翠綠的電壓是電壓是2.83.6V之間，不同批次的之間，不同批次的LED產(chǎn)品電壓可能會產(chǎn)品電壓可能會有一些差異。在外界溫度升高時，有一些差異。在外界溫度升高時，VF將略有下降。將略有下降

7、。 3. LED的反向電壓的反向電壓VRM 所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。照明用擊穿損壞。照明用LED的的VRM約約5V。 4. LED發(fā)光角度發(fā)光角度 二極管發(fā)光角度也就是其光線散射角度，要靠二極管生產(chǎn)時二極管發(fā)光角度也就是其光線散射角度，要靠二極管生產(chǎn)時加散射劑來控制。有三大類：加散射劑來控制。有三大類： （1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。發(fā)光角度且不加散射劑。發(fā)光角度520或更小，具有很高的指向性，或更小，具有很高的指

8、向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用使用組成自動檢測系統(tǒng)?？勺骶植空彰鞴庠从?，或與光檢出器聯(lián)用使用組成自動檢測系統(tǒng)。（2）標準型。通常作指示燈用，其發(fā)光角度為）標準型。通常作指示燈用，其發(fā)光角度為2045。（3）散射型。這是一種視角較大的指示燈，發(fā)光角度為）散射型。這是一種視角較大的指示燈，發(fā)光角度為45130或更大，加入散射劑的量較大?；蚋?，加入散射劑的量較大。 本作品設(shè)計的臺燈是小功率的，故我們采用本作品設(shè)計的臺燈是小功率的，故我們采用0.5W的白光草帽頭的白光草帽頭LED，它的，它的IF=150mA，VF=3.0-3.4V，最大反向電壓，最大反向電壓VRM=5V，發(fā)光角度約為發(fā)光

9、角度約為120。四、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及方案選擇四、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及方案選擇 4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)由電源、本系統(tǒng)由電源、LED驅(qū)動器、驅(qū)動器、LED幾幾部分構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖部分構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖4-1所示：所示：圖圖4-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4.2 LED驅(qū)動設(shè)計方案驅(qū)動設(shè)計方案 本次設(shè)計的目的是提高電能的利用率，本次設(shè)計的目的是提高電能的利用率，降低損耗，所因此采用高性能固定頻率電降低損耗，所因此采用高性能固定頻率電流方式低功耗集成開關(guān)電源控制芯片流方式低功耗集成開關(guān)電源控制芯片UC3843，通過輸出，通過輸出PWM不斷控制開關(guān)管不斷控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進而控制電流的流動

10、，改的導(dǎo)通和關(guān)斷，進而控制電流的流動，改善了由于輸入電壓變化，使得輸出效率變善了由于輸入電壓變化，使得輸出效率變化比較大的問題。本驅(qū)動電路需要元件少、化比較大的問題。本驅(qū)動電路需要元件少、效率高?？梢栽趯挼妮斎牖蜉敵龇秶聦嵭矢??？梢栽趯挼妮斎牖蜉敵龇秶聦崿F(xiàn)高效率，并且可以直接輸入現(xiàn)高效率，并且可以直接輸入220V交流電。交流電。4.3 控制方法及實現(xiàn)控制方法及實現(xiàn) 采用電流控制脈寬調(diào)制，此技術(shù)與傳統(tǒng)的僅有輸采用電流控制脈寬調(diào)制，此技術(shù)與傳統(tǒng)的僅有輸出電壓反饋的出電壓反饋的PWM系統(tǒng)比較增加了一個電感電流反系統(tǒng)比較增加了一個電感電流反饋。此反饋作為饋。此反饋作為PWM的斜坡函數(shù)，就不再需要

11、鋸齒的斜坡函數(shù)，就不再需要鋸齒波發(fā)生器，更重要的是使用電感電流反饋使系統(tǒng)的性波發(fā)生器，更重要的是使用電感電流反饋使系統(tǒng)的性能有了明顯的改善。其優(yōu)點有：能有了明顯的改善。其優(yōu)點有： 使系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)及高速的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)及高速的穩(wěn)定性， 輸出電流精度很高。輸出電流精度很高。 具有內(nèi)在的對功率開關(guān)管電流的控制及限流能力。具有內(nèi)在的對功率開關(guān)管電流的控制及限流能力。 具有良好的并聯(lián)運行能力。具有良好的并聯(lián)運行能力。4.4 LED排列方式排列方式 為了降低驅(qū)動的功耗，提高照明效率，為了降低驅(qū)動的功耗，提高照明效率，LED 組件應(yīng)該能夠在高電壓、小電流下工作，這就要組件應(yīng)該能夠

12、在高電壓、小電流下工作，這就要串聯(lián)使用串聯(lián)使用LED 。因為這種方式不論正向電壓如何。因為這種方式不論正向電壓如何變化、變化、 輸出電壓如何輸出電壓如何“漂移漂移”，均能提供極佳的，均能提供極佳的電流匹配性能。電流匹配性能。 所以串聯(lián)使用多個低功率所以串聯(lián)使用多個低功率LED ，比使用少量功率型比使用少量功率型LED（其內(nèi)部實際相當于許多（其內(nèi)部實際相當于許多路低功率路低功率LED 芯片并聯(lián)而成）更省電。并且當多芯片并聯(lián)而成）更省電。并且當多個器件分散布置時更有利于散熱和降溫，同樣會個器件分散布置時更有利于散熱和降溫，同樣會提高光效，達到節(jié)電的目的。提高光效，達到節(jié)電的目的。4.5 提高效率的

13、方法及實現(xiàn)方案提高效率的方法及實現(xiàn)方案 1）每一次電壓變換都會損耗能量，因此盡）每一次電壓變換都會損耗能量，因此盡可能減少電壓變換的次數(shù)?？赡軠p少電壓變換的次數(shù)。 2）選用功耗低的控制芯片。）選用功耗低的控制芯片。 3）采用效率高、開關(guān)速度快、損耗小的）采用效率高、開關(guān)速度快、損耗小的MOS場效應(yīng)管。場效應(yīng)管。五、五、LED節(jié)能臺燈硬件電路及工作原理節(jié)能臺燈硬件電路及工作原理LED節(jié)能臺燈的硬件電路如圖節(jié)能臺燈的硬件電路如圖5-1所示：所示：圖圖5-1 硬件電路圖硬件電路圖六、測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析六、測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析6.1 測試儀器測試儀器 數(shù)字萬用表數(shù)字萬用表VC9801A+、VC9802A

14、+ 100MHz數(shù)字示波器數(shù)字示波器 JC1102CA 6.2 測試數(shù)據(jù)記錄及測試結(jié)果分析測試數(shù)據(jù)記錄及測試結(jié)果分析參數(shù)名稱參數(shù)名稱單位單位強強 光光弱弱 光光輸入電壓（交流輸入電壓（交流220V）V232232輸入電流（交流輸入電流（交流220V）mA24.216.8負載負載LED總電壓（直流）總電壓（直流）V33.933.2負載負載LED電流（直流）電流（直流）mA154107.5輸入總功率（注輸入總功率（注1）W5.613.90輸出（輸出（LED）總功率）總功率W5.223.57電路轉(zhuǎn)換效率電路轉(zhuǎn)換效率93.0%91.5% 表表1：電路各項測試數(shù)據(jù)記錄：電路各項測試數(shù)據(jù)記錄注注1：交流輸入功率因數(shù)按：交流輸入功率因數(shù)按1計算。計算。2、整機電路圖、整機電路圖4-1中各測試點的波形記錄中各測試點的波形記錄圖圖5-4測試點測試點D(電容電容C1兩端兩端)的電壓波形的電壓波形圖圖5-2 測試點測試點B(IFR720漏極漏極)的電壓波形