LED照明驅(qū)動(dòng)及自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)研究

本文由 724915147013 貢獻(xiàn) pdf 文檔可能在 WAP 端瀏覽體驗(yàn)不佳 建議您優(yōu)先選擇 TXT 或下載源文件到本機(jī)查看 上海大學(xué) 碩士學(xué)位論文 LED 照明驅(qū)動(dòng)及自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)研究 姓名 朱虹 申請(qǐng)學(xué)位級(jí) 別 碩士 專業(yè) 控制理論與控制工程 指導(dǎo)教師 劉廷章 20080201 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 隨著能源危機(jī)的加劇 綠色高效的照明系統(tǒng)得到了人們的廣泛重視 我國(guó) 在 年也推出了 中國(guó)綠色照明工程 旨在我國(guó)發(fā)展和推廣高效照明器具 逐步替代傳統(tǒng)的 低效照明電光源 節(jié)約照明用電 大功率白光 以其高效率 低功耗 低電壓驅(qū)動(dòng) 使用壽命長(zhǎng)以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn) 引起了全世界的廣泛 關(guān)注 被越來(lái)越多的應(yīng)用于各種照 明場(chǎng)合 在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)將有可能進(jìn)入一般 照明市場(chǎng)以替代傳統(tǒng)的熱照明方案成為新一代 照明光源 因此 研究針對(duì)大功 率白光 驅(qū)動(dòng)電路的研究設(shè)計(jì)有很重要的意義 本文 以 白光 為研究對(duì)象 對(duì)該 的伏安特性 熱特性以及光 衰等特性進(jìn)行了測(cè) 量 在查閱了相關(guān)資料 分析了 的各種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ) 上 最后采用運(yùn)放負(fù)反饋放 大電路原理 設(shè)計(jì)了一種基于 市電的 恒流 電路 能夠驅(qū)動(dòng) 個(gè)以 串 并方 式連接的 白光 使電路輸出電流恒 定在 利用基于 總線的光傳感器 芯片測(cè)量自然光照度 作為控制器 采用 脈沖寬度調(diào)制 方式調(diào)節(jié) 管 調(diào)節(jié) 的發(fā)光亮度 使 的發(fā)光照度隨自然光照度自動(dòng)調(diào)節(jié) 完成了相應(yīng)的硬件設(shè) 計(jì)和軟件編程 實(shí)現(xiàn)了 恒流驅(qū)動(dòng)和自適應(yīng)調(diào)光的集成 最終使室內(nèi)環(huán)境照 度能夠維持在一個(gè)設(shè)定的水平 關(guān)鍵詞 恒流亮度調(diào)節(jié) 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 原創(chuàng)性聲明 本人聲明 所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 除了文中特別加以標(biāo) 注和致謝的地方外 論文中不包含其他人已發(fā) 表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 參與同一工作的其 他同志對(duì)本研究所做的 任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意 簽名 肄 虹一 期 瑚 三坐 本論文使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校有權(quán)保留論文及送 交論文復(fù)印件 允許論文被查閱和借閱 學(xué) ?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 簽名 卜導(dǎo)師簽名 龜 辭日期 衄 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 背景及意義 緒論 發(fā)光二極管 是一種能夠?qū)㈦?能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的 半導(dǎo)體發(fā)光器件 依靠材料中的正負(fù)電荷復(fù)合來(lái)發(fā)光 材料使用 族化學(xué)元素 如磷化鎵 砷化鎵 等 在 世紀(jì) 年代 最早應(yīng)用作 指示燈 數(shù)字和文字顯示 隨著第三代半 導(dǎo)體材料氮化鎵 的突破 高亮度藍(lán)光 二極管的出現(xiàn)解決了發(fā)光二極管的三 原色缺色問(wèn)題 因此徹底解決了大屏幕全彩色顯示問(wèn) 題 有了紅橙黃綠青藍(lán)紫七 色全彩 更為重要的是由此產(chǎn)生了白光半導(dǎo)體燈 隨著 白光發(fā)光二極管的問(wèn) 世 開(kāi)始逐漸走進(jìn)了人們的日常生活 從顯示領(lǐng)域進(jìn)入 照明領(lǐng)域的關(guān)鍵是發(fā)光效率的提高 發(fā)光效率 以上的白色 白熾燈的發(fā)光效率一般是 胱 的出現(xiàn) 使白色 燈成 為 新世紀(jì)引人注目的節(jié)能照明光源 目前一般 白光 的發(fā)光效率為 州 發(fā)光效率突破 刪的白光 器件已經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水準(zhǔn) 日亞化 學(xué)工業(yè)已經(jīng)開(kāi)始供應(yīng)發(fā)光效率 的白色 樣品 其他 供 應(yīng)商也都 開(kāi)始紛紛生產(chǎn) 棚及以上的高效白光 的發(fā)光效率還將繼續(xù)上 升 許多研究顯示在本世紀(jì)的前十年 產(chǎn)業(yè)將會(huì)繼續(xù)迅速發(fā)展 因此 白光 被普遍認(rèn)為是在未來(lái)成為替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品 作為新型的發(fā)光器件 具有體積小 效率高 壽命長(zhǎng) 環(huán)保 節(jié)能等優(yōu) 點(diǎn) 能 量轉(zhuǎn)化效率非常高 理論上 發(fā)射相同光通量的耗電量大約是白熾燈的 相比熒光 燈 也可以達(dá)到 的節(jié)能效果 照明用電占發(fā)電總量的比例 在發(fā)達(dá)國(guó)家占 在我國(guó)占 而且在我國(guó)以低效照明為主 是終端節(jié)電的 主要對(duì)象之一 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展 我國(guó)的照明用電還將有大幅度的提高 綠色節(jié) 能照明的研究應(yīng)用越來(lái)越受 到重視 照明就是在這樣的形勢(shì)下發(fā)展起來(lái)的 據(jù)中國(guó)綠色照明工程促進(jìn)項(xiàng)目辦公 室專項(xiàng)調(diào)查 我國(guó)照明用電每年在 億度以 上 用 取代全部白熾燈和部分熒 光燈 可節(jié)省 的照明用電 相當(dāng)于三峽 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 工程全年的發(fā)電量 還有其他優(yōu)點(diǎn) 如 作為全固態(tài)發(fā)光體 耐震耐沖擊 不易破碎 發(fā) 熱量低 無(wú)熱輻射 不含汞 鈉等可能危害健康的元素 廢棄物可回收 無(wú)污染 已經(jīng)進(jìn)入很多應(yīng)用領(lǐng)域 包括宇航 飛機(jī) 汽車 工業(yè)應(yīng)用 通信 消費(fèi)類產(chǎn)品等 遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén) 廣泛用作普通照明 車燈 景觀燈 路 燈照明 液晶板背光源 手機(jī)背光源 數(shù)碼相機(jī)閃光燈等 照明及智能調(diào)光系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 恒流技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在早期 由于光色 發(fā)光效率 光通量和價(jià)格等 方面的限制 主要應(yīng)用 于指示 顯示領(lǐng)域 如用作指示燈 警戒燈以及顯示牌等 隨著 光色的不斷 豐富 特別是白光 技術(shù)的不斷成熟 發(fā)光效率不斷提高 價(jià) 格逐漸降低 大 功率超高亮的 有 等規(guī)格在市場(chǎng)上銷售 其中功率 大于 的白 光 的開(kāi)發(fā)研究已成為主攻方向 由于大功率白光 的應(yīng)用受到了 世界上的 廣泛關(guān)注 大功率白光 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)也因此成為熱點(diǎn) 大功率 的 驅(qū)動(dòng) 電路多采用恒流驅(qū)動(dòng)方式 恒流驅(qū)動(dòng)電路有電荷泵 等多 種驅(qū) 動(dòng)方式 電荷泵 實(shí)質(zhì)上都是電壓輸出型 通過(guò)電流反饋控制電 路 來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出恒定電流 電荷泵電路利用電容對(duì)電荷的積累效應(yīng)儲(chǔ)存電能 在時(shí)鐘周期的一部分時(shí)間 內(nèi)為電容充電 在時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi)釋放能量 根據(jù)電容的不同連接方法得 到不 同的輸出電壓 論文 設(shè)計(jì)的 驅(qū)動(dòng)電路是恒流輸出反饋式電荷泵 電 路 電荷泵 電路由諧振電感 充電電容 箝位二極管 調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)等組成 當(dāng) 斷開(kāi)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)時(shí) 充電電容通過(guò)諧振電感的諧振從 電源吸收能量 能量?jī)?chǔ)存 在充 電電容中 轉(zhuǎn)移至 總線電容中或在當(dāng)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)轉(zhuǎn)移到負(fù)載中 流 過(guò) 的電流反饋到控制器 控制器根據(jù)反饋電流調(diào)節(jié)變壓器原邊調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的占 空比 通過(guò)改變 占空比調(diào)節(jié)輸出電流使其穩(wěn)定 和 電路都是開(kāi)關(guān)電源方式 利用電感的儲(chǔ)能作用儲(chǔ)存電能 在時(shí) 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 鐘周期的一部分時(shí)間內(nèi)為電感充電 在時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi)釋放能量得到輸出 電壓 電路中電容 電感和續(xù)流二極管的結(jié)構(gòu)不同 實(shí)現(xiàn)升壓或降壓功能 是 降壓電路 是升壓電路 論文 提出了一種基于 升壓方式的恒流 恒 照度 驅(qū)動(dòng)電路 電路將輸入電壓提升 采樣電阻檢測(cè)流過(guò) 電流 并 經(jīng)過(guò)放大電路反饋到恒流恒照度控制電路中 光電二極管檢測(cè) 的照度 將照 度值 轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾妷褐?并與額定電壓比較 差值放大后送入到恒流恒照度控 制電路中 改 變 電路調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的控制信號(hào) 使輸出電流或輸出照度保持恒 定 恒定照度控制 同樣是通過(guò)控制輸出電流來(lái)維持照度值 基于電荷泵 電路的 驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)用于很多 驅(qū)動(dòng)芯 片 的原理 如 等 論文 應(yīng)用于應(yīng)急燈照明 所設(shè)計(jì)的照明電路利用電網(wǎng)電壓為蓄電池 充電 蓄電池再通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路為 供電 同時(shí)也可以采用電網(wǎng)電壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)電 路 為 供電 論文 則設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高亮度 照明控制方案 為應(yīng)用于汽車剎車燈的 設(shè)計(jì)提供了一種方案 由于 色彩豐富 因此除了大量應(yīng)用于背光源和照明之外 另外一個(gè)重 要用途就是景觀照明 應(yīng)用于古建筑景觀照明 如頤和園 城市立交橋 景觀照明 等 由于 驅(qū)動(dòng)電壓低 具有控制靈活的特點(diǎn) 結(jié)合各種驅(qū)動(dòng)方 式對(duì)其控制 還可以應(yīng)用做路燈照明 等 白適應(yīng)調(diào)光技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究 現(xiàn)狀 由于人眼對(duì)光線的感受是非線性的 因此 就有可能將亮度級(jí)降低 以 上而人卻 覺(jué)察不到亮度的變化 這樣就可以節(jié)省近 的電能 如果將調(diào)光級(jí) 別降低 則可以節(jié)省約 的電能 采用智能調(diào)光可將燈漸漸調(diào)到預(yù)設(shè)級(jí)別 白熾燈無(wú)法做到這一點(diǎn) 因?yàn)槔?的燈絲會(huì)受到熱沖擊 將燈亮度漸漸調(diào)到設(shè)定級(jí)別 也稱為 軟啟動(dòng) 這會(huì)極 大地延長(zhǎng)燈的使用壽命 使用 的調(diào)光級(jí)別可將燈的使用壽命延長(zhǎng)兩倍 而 調(diào)光級(jí)別可延長(zhǎng) 倍 調(diào)光方式分為變電阻型調(diào)光和脈沖寬度調(diào)制方式 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 兩種 變電阻型調(diào)光方式通過(guò)調(diào)節(jié)電阻性負(fù)載的電阻值改變電流 從而 改變 燈的發(fā)光亮度 變電阻型調(diào)光在電阻上將多余的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?這是能 量的損失 方式通過(guò)每秒鐘多次的接通和斷開(kāi)電源調(diào)節(jié)發(fā)光亮度 開(kāi)關(guān)之間的 時(shí)間比率與 發(fā)光亮度成正比 但并不是所有的燈都是可調(diào)光的 的響應(yīng)時(shí) 間很短 只有幾到幾 十納秒 尤其適合于 方式調(diào)節(jié)亮度 自適應(yīng)調(diào)光方式利用控制器 以及用 于檢測(cè)環(huán)境光的傳感器為核心 傳感器 向控制器提供發(fā)光照度值 控制器做出判斷并根據(jù) 所得信息將照明回路打開(kāi)或調(diào) 節(jié)光亮度到預(yù)定級(jí)別 由于 的快速響應(yīng)特點(diǎn) 使得 調(diào)光非?？尚?美 國(guó) 坩對(duì) 串 并的 燈組 在恒流驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上并接 了 型 功率器件實(shí)現(xiàn) 控制 調(diào)節(jié)范圍為 當(dāng)占空比低 到 時(shí)輸出電流仍能保持穩(wěn)定 傳統(tǒng)的 調(diào)光方式是將調(diào)光開(kāi)關(guān)與負(fù)載串聯(lián) 當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí) 支路 沒(méi)有電流流過(guò) 當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí) 支路有電流流過(guò) 燈發(fā)光 論文 提 出的 調(diào)光方式是將調(diào)光開(kāi)關(guān)與負(fù)載并聯(lián) 驅(qū)動(dòng)電路采用 電路 當(dāng) 調(diào)光開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí) 支路有電流流過(guò) 當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí) 支路被開(kāi)關(guān)短路 燈不亮 控制器根據(jù)采樣電阻檢測(cè)到的電流值改變調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的占空比 因此 調(diào)節(jié)占空比以使輸出電流恒定 論文 設(shè)計(jì)的 驅(qū)動(dòng)電路可以使輸出電流從 至 之間調(diào) 節(jié) 驅(qū) 動(dòng)電路采用 電路原理 將 輸入電壓提高以驅(qū)動(dòng) 個(gè)串聯(lián)的 此論文 設(shè)計(jì)的 驅(qū)動(dòng)電路以離散方式調(diào)節(jié)輸出電流 輸出電流調(diào)節(jié)間隔 采用 作為控制器 燈組上串聯(lián)一個(gè)采樣電阻以檢測(cè)流過(guò) 的電 流 檢測(cè)到 的電流反饋至控制器 控制器改變 電路調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的占空比從而調(diào)節(jié) 輸出電 流 在常規(guī)燈具照明系統(tǒng)的調(diào)光領(lǐng)域 已經(jīng)出現(xiàn)智能調(diào)光系統(tǒng) 如基于 的酒店智能調(diào)光控制系統(tǒng) 以及中國(guó)國(guó)家大劇院的燈光控制系統(tǒng) 還有基 于 總線的教學(xué)樓智能照明系統(tǒng) 通過(guò) 調(diào)光實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)恒照度控制 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 目前存在的問(wèn)題 近年來(lái) 的發(fā)光效率一直在逐步提高 商品化的器件已達(dá)到白熾燈的 水平 但是 想要在照明中全面普及 還需要解決一些技術(shù)性問(wèn)題 在自光 芯片方面 能量轉(zhuǎn)化效率低 雖然 的電光轉(zhuǎn)化效率較高 但 的光提取效率只有 嚴(yán) 重影響 的光輸出功率 要想進(jìn)入照明領(lǐng)域 目前單 個(gè) 的光通量 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 提高了光提取效率 就可以發(fā)出更多的光 散熱問(wèn)題 的低光提取效率導(dǎo)致大部分能量未能轉(zhuǎn)化為光的形式散發(fā)出去 而是 以熱能的形式聚集在 芯片內(nèi)部 散熱不佳將會(huì)導(dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上 升和 環(huán)氧樹(shù)脂碳化變黃 從而造成 的顏色偏移 加速光衰 降低 的 壽命甚至失效 腳 對(duì)于大功率 這個(gè)問(wèn)題尤其嚴(yán)重 光色不佳 目前 白光 采用藍(lán)光 加黃色熒光粉合成 或者是采用 三色 混合而 成 這兩種方式形成的白光色溫較高 含有藍(lán)光的成分 給人不自然的 感覺(jué) 比較而言 白熾燈則具有非常強(qiáng)的黃光的成分 給人一種溫暖的感覺(jué) 價(jià)格昂貴 這是影響 照明普及的重要原因 但 產(chǎn)業(yè)也存在 摩爾定律 定律 的價(jià)格每 年將為原來(lái)的三 而性能則提高 倍 如果這個(gè)定律 能夠應(yīng)驗(yàn) 的成本將快速下滑 在 驅(qū)動(dòng)電路方面 電荷泵方 式和開(kāi)關(guān)電源方式都有各自的缺點(diǎn) 電荷泵電路受儲(chǔ)能電容的限 制 輸出電壓一般不超過(guò)輸入電壓的 倍 輸出電流則不超過(guò) 在大功率 的照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中受到了限制 開(kāi)關(guān)電源方式具有效率高 可升 降壓 輸 出功率 大等優(yōu)點(diǎn) 但開(kāi)關(guān)電源采用的電感有著體積大 重量大的缺點(diǎn) 而且由于 電路工作在開(kāi)關(guān) 狀態(tài) 所以噪聲比較大 電荷泵驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)都存在著輸 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 出電壓或輸出電流受限的缺點(diǎn) 但對(duì)于應(yīng)用于照明需要的大功率白光 而言 需要驅(qū)動(dòng)電路具有更高功率 更大電流 雖然世界各大公司都紛紛推出了自己的 驅(qū)動(dòng)芯片 但這些芯片大多用于便攜式設(shè)備應(yīng)用 如用作手機(jī) 筆記本 等背光源 或用作汽車前燈照明等 這些驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)能力有限 輸出電 流有限 輸入電壓要求是直流 而且價(jià)格比較昂貴 在自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)方面 由于 的發(fā)光亮度與流過(guò) 電流正向變化 因此調(diào)節(jié) 發(fā)光亮度就等 同于調(diào)節(jié) 電流 方式調(diào)節(jié) 電流不僅效率高 且調(diào)節(jié)范圍大 穩(wěn)定 可靠 因此 方式調(diào)光獲得廣泛應(yīng)用 但更加細(xì)膩的根據(jù)具體情況自適應(yīng)調(diào) 節(jié) 亮度的能源管理策略有待深入研究 關(guān)于智能調(diào)光控制系統(tǒng)進(jìn)行的研究也 很多 很多公司 在從事這方面的工作 如 邦奇電子 尼科電子等 但 這些調(diào)光控制系 統(tǒng)多用于大型場(chǎng)合 如酒店等 且需要上位機(jī) 總線 子控制器 等 可以實(shí)現(xiàn)除亮度調(diào)節(jié) 外包括燈光控制等多種功能 但造價(jià)較高 普通家庭照 明往往不需要如此復(fù)雜的控制策略 論文的主要研究?jī)?nèi)容 課題來(lái)源 本課題來(lái)源于上海大學(xué)學(xué)科平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目 太陽(yáng)能發(fā)電及半導(dǎo)體 照明技 術(shù) 基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù) 主要完成 照明系統(tǒng)控制部分工作 實(shí)現(xiàn) 自適應(yīng)調(diào)光技術(shù) 并最終驗(yàn)證 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性 論文主要 研究?jī)?nèi)容 本論文主要對(duì)大功率白光 提出一種可行的照明驅(qū)動(dòng)電路 并對(duì)自適應(yīng) 調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)了可行的實(shí)現(xiàn)方案 本論文是以作者攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)課題的工作為基礎(chǔ) 在第一章中闡 述了課題研 究的來(lái)源 目的 意義以及國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 第二章闡述了 的伏安特性 光特性 溫度特性并簡(jiǎn)要介紹了目前各類 驅(qū)動(dòng)電路 第三章 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 闡述了所設(shè)計(jì)的恒流電路各功能部分的實(shí)現(xiàn)方式 第四章闡述了自適應(yīng)調(diào)光技 術(shù)的實(shí) 現(xiàn)方法 第五章闡明了為本系統(tǒng)所做的軟件設(shè)計(jì) 最后第六章總結(jié)全文 并展望進(jìn)一步的工 作 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 基本特征以及 驅(qū)動(dòng)方式介紹 特征 為了更好的說(shuō)明 燈的性能 首先介紹一些光度量的基本參數(shù) 光通量 由于人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的光的視覺(jué)靈敏度不同 因此不能直 接使用光源輻射能量來(lái)衡量光能的大小 而必須用人眼對(duì)光的相對(duì)感覺(jué)量即光 通量來(lái)衡量 光通量是指在單位時(shí)間內(nèi) 波長(zhǎng)在 到 之間的可 見(jiàn)光 范圍內(nèi)光源所輻射的總能量 單位是流明 光源的光通量越大 則人眼感 覺(jué) 越明亮 比 單位是流明 瓦 發(fā)光效率通常簡(jiǎn)稱光效 表征了光源的節(jié)能特性 研究中一個(gè)重要方面 發(fā)光效率 發(fā)光效率是指電光源所發(fā)出的光通量與它的總輸入電功率之 這是衡量現(xiàn)代光源性能的重要指標(biāo)之一 如何提高電光源光效的研究是電光源 光強(qiáng) 光強(qiáng)是指光源在特定方向每球面度上發(fā)射的光通量 單位是坎 德拉 公式表示為 罷 一般來(lái)說(shuō) 光強(qiáng)隨著光的發(fā)射方向的改變而變 口 化 照度 照度是指受照表面單位面積上的光通量 單位是勒克斯 即流明 平方米 照度是衡量物體表面被光源照亮的程度 公式表示為 掣 矽指光源光通量 盯是指受照物體表面面積 盯 對(duì)點(diǎn)光源而言 尉 受照面上某點(diǎn)的照度 和該點(diǎn)至點(diǎn)光源距離 的平方成反比 和光強(qiáng) 及入射角 目 的余弦均成正比即 絲 塑 丟 秒 的基本參數(shù)有 允許功耗 兩端所允許正向電壓與正向電流之積的最大值 最大正向電流 允許加于 兩端的最大的正向電流 最大反向電壓 允許加于 兩端的最大反向電壓 一 工作環(huán)境溫度 發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍 此外 還有 結(jié)溫度 儲(chǔ)存溫度 焊接時(shí)間等參數(shù) 下面分別介紹 的伏 安特性 光特性以及溫度 特性 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 伏安特性 由于 的核心是 結(jié) 因此 的伏安特性與普通二極管的伏安特性相 同 理論上 二極管的正向電壓 與正向電流 的關(guān)系式為 型上 燈一 式中 為二極管正向電壓 是反向飽和電流 為定值 為電子電荷 為波爾茲曼常數(shù) 是熱力學(xué)溫度 常數(shù) 近似取 當(dāng)外加 電壓較高 電流 以擴(kuò)散電流為主時(shí) 近似等于 式 的曲線圖如圖 所 示 囂 礱 雹 覆懈 籀 辜 藤糍 圖 晉通二極管伏安特性曲線 在室溫 條件下 塑 在正向電壓大于零點(diǎn)幾伏時(shí) 就有 生 胛分 因此式 可以化簡(jiǎn)為 厶 朋 式 說(shuō)明照明 的電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系 但指數(shù)關(guān)系并不適合用等效 模型來(lái)描述 對(duì)于工作在額定電流附近的 用折線化來(lái)近似模擬 的特性 如式 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 產(chǎn) 伽十 其中 是 的導(dǎo)通電壓 是等效內(nèi)阻 導(dǎo)通電壓是由材料 結(jié)的內(nèi)建 勢(shì)壘電場(chǎng)決定的 一般大功率 的導(dǎo)通電壓在 左右 當(dāng)加在 兩 端的 電壓小于導(dǎo)通電壓時(shí) 中幾乎沒(méi)有電流流過(guò) 隨著外加正向電壓增加達(dá)到 結(jié)內(nèi)建勢(shì)壘電場(chǎng)時(shí) 可認(rèn)為正向電流 與正向電壓 成指數(shù)關(guān)系 正向電流急劇 增大 正向電壓的較小波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致正向電流的急劇變化 此時(shí)電流與電壓近似 呈線性關(guān)系 光特性 發(fā)光二極管的核心是 結(jié) 在正向電壓下 電子由 區(qū)注入 區(qū) 空 穴由 區(qū)注入 區(qū) 進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子 少子 一部分與多數(shù)載流子 多子 復(fù)合 而發(fā)光 因此流動(dòng)的少子和多子數(shù)量越多 發(fā)出的光線越強(qiáng) 同時(shí)在 結(jié)內(nèi)流 動(dòng)的少子 和多子數(shù)量越多 也說(shuō)明單位時(shí)間內(nèi)流過(guò) 結(jié)橫截面的電荷數(shù)越多 那么流過(guò) 的 電流也就越大 因此 的發(fā)光亮度基本隨流過(guò) 的電流正向 變化 控制大功率 的發(fā)光亮度 實(shí)質(zhì)是控制它的輸出光通量 圖 所示為 美 霧 公司 大功率白光 在常溫下 相對(duì)光通量西與正 向電流 的關(guān)系曲線 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 匯協(xié) 一緲 薏面 鼉 墨 乏 柏 氓 一 圖 相對(duì)光通量西與正向電流 關(guān)系 曲 毗 圖 中顯示的 的發(fā)光亮度與正向平均電流大小基本上成正比關(guān)系 因 此可以通過(guò)控制 的正向電流 來(lái)控制其發(fā)光亮度 根據(jù)圖 九如果對(duì) 采用恒壓源驅(qū)動(dòng) 的微小變化會(huì)引起 的較大變化 從而會(huì)引起 發(fā)光亮度 的 較大變化 若要控制大功率 亮度 驅(qū)動(dòng)器必須提供準(zhǔn)確恒定的電流 因此 大功率 適宜采用恒流源驅(qū)動(dòng) 光源最大的優(yōu)點(diǎn)就是長(zhǎng)壽命 各 廠商均聲稱其 的使用壽命可達(dá) 時(shí) 但通常 不會(huì)完全損壞 而是在其工作 中光輸出逐漸減 少 大功率 的相對(duì)光輸出隨時(shí)間的變化的一般趨勢(shì)是 在開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi) 光 輸出衰減較快 隨后的一段時(shí)間內(nèi)衰減較慢 但在即將耗盡或發(fā)生災(zāi)變性失效 階段 光輸 出急劇衰減 在前兩個(gè)階段 的光輸出隨時(shí)間的衰減曲線可近似 為如下的指數(shù)形式 叫 式中 表示相對(duì)光輸出 表示衰減系數(shù) 是以小時(shí)為單位的 點(diǎn)亮?xí)r 間 越大 值衰減越快 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 通常把光輸出衰減 所經(jīng)歷的時(shí)間定義為發(fā)光二極管的壽命 大功率白光 在實(shí)際使用過(guò)程中各種因素的影響都會(huì)引起 壽命的下降 往往達(dá)不到 時(shí) 影響 壽命的因素包括 制備過(guò)程中引入的缺陷 電極材 料 不均 靜電影響 封裝中各種材料的熱膨脹系數(shù)失配 以及通過(guò)藍(lán)光 激發(fā)熒 光粉 方法得到的白光 在工作過(guò)程中 由于熒光粉量子效率降低將導(dǎo)致寬譜帶 黃光相對(duì)峰 值藍(lán)光衰減更快 使得器件色溫升高從而影響發(fā)光的顏色 的光學(xué)穩(wěn)定性是 一個(gè)需要考慮的問(wèn)題 公司研究中心對(duì)基于 的白光 進(jìn)行了大 量實(shí)驗(yàn) 發(fā)現(xiàn)其波長(zhǎng)和輸出光通量受到驅(qū)動(dòng)電流 溫度 使 用時(shí)間的影響 采用光敏二極 管進(jìn)行色度檢測(cè)反饋結(jié)合 恒流閉環(huán)控制后 白光 輸出色差得到明顯改善 熱特性 的高發(fā)光效率是它的最大優(yōu)點(diǎn) 對(duì)于大功率 而言 這個(gè)優(yōu)勢(shì)更 是明 顯 但是 的光提取效率較低 且熱量不容易輻射散發(fā) 從而導(dǎo)致器件溫度過(guò) 高 影響 的光通量 壽命以及可靠性 并會(huì)導(dǎo)致 發(fā)光紅移 尤其對(duì)于采 用藍(lán)光激 發(fā)熒光粉的方式實(shí)現(xiàn)白光的方案而言 其中熒光粉對(duì)溫度特別敏感 最 終會(huì)引起波長(zhǎng)偏移 造成顏色不純等一系列問(wèn)題 相對(duì)于一般的 來(lái)說(shuō) 大功 率 的 結(jié)上的發(fā)熱更嚴(yán)重 大功率 的熱穩(wěn)定性問(wèn)題已成為 照明的一個(gè)技術(shù)瓶頸 目前 輸入 電 功率的約 轉(zhuǎn)變?yōu)闊?對(duì)于目前應(yīng)用比較成熟的 而言 其熱流密度 可達(dá)到 這些熱量的累積將引起 的溫升效應(yīng) 結(jié)溫升高直接減 少芯片出射光子 取光效率降低 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 室溫環(huán)境下 溫度每升高 光 效下降 時(shí)的光輸出約是 時(shí)的一半 結(jié)溫升高會(huì)導(dǎo)致芯片出射 光線紅移 色溫質(zhì)量下降 尤其對(duì)于藍(lán)光 激發(fā)黃色熒光粉的白色 器件更 為嚴(yán)重 其中熒 光粉的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)隨結(jié)溫升高而降低 溫度升高還會(huì)導(dǎo)致光衰 加劇及器件壽命呈指數(shù)下 降 隨著芯片技術(shù)的成熟 單個(gè) 的功率可以達(dá)到 甚至更高 因此防止 的熱量累積就更顯重要 的熱管理已經(jīng)成為其 取代常規(guī)照明光源的主要瓶頸 目前減小 溫升效應(yīng)的方法主要采用外加各 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 種冷卻模塊以提高器件的散熱能力 由于 的光輸出與其電流成正比 且長(zhǎng)期工 作在大電流下有可能導(dǎo)致 失效 而電流不僅受蓄電池電量影響 而且受外界溫度影 響 因此從光輸出均勻 性 穩(wěn)定性和 口 靠性角度考慮 高層次 應(yīng)采用恒 流驅(qū)動(dòng)方式 捌 驅(qū)動(dòng)方式 大功率白光 雖然光效很高 但單個(gè)白光 所發(fā)出的光通量還不夠大 因此用于照明時(shí)往往需要將若干 連接在一起使用 多個(gè) 的基本連接方式 一般有串聯(lián) 并聯(lián)和串并混聯(lián)三種 根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同來(lái)決定采用哪種連接方 式 連接方式 可以采用串聯(lián) 并聯(lián)或串并混聯(lián)的連接方式 串聯(lián)方式如圖 所 示 串聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)是流過(guò)串聯(lián)支路上各 的電流相同 因此各 的發(fā) 光亮 度也會(huì)一致 如果其中任意一顆 出現(xiàn)斷路故障時(shí) 會(huì)導(dǎo)致該支路串聯(lián) 上所有的 都不發(fā)光 如果某顆 短路時(shí) 在恒流方式下電路沒(méi)有影響 但在恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí) 其他每個(gè) 的正向電壓均會(huì)因此升高 因此流過(guò)的電流增 大 可能會(huì)造成損壞 圖 串聯(lián)連接方式 圖 并聯(lián)連接方式 并聯(lián)方式如圖 所示 當(dāng)采用恒流驅(qū)動(dòng)時(shí) 如果某 斷開(kāi) 總電流 不 變 因此流過(guò)其他 的電流增大 因此并聯(lián)方式下不適宜采用恒流驅(qū)動(dòng) 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 如果某 短路那么其他 將不再發(fā)光 若 并聯(lián)數(shù)目較多 那么流過(guò) 短 路 的電流會(huì)增大到將發(fā)生短路支路熔斷而將該短路支路斷開(kāi) 最終總恒 定電流分?jǐn)?到其他 上 由于并聯(lián)數(shù)目較多 因此影響不大 采用恒壓驅(qū)動(dòng) 時(shí)若某 斷路則對(duì)整個(gè)電路沒(méi)有影響 如果某 短路則影響與恒流驅(qū)動(dòng) 方式 下發(fā)生短路時(shí)相同 所以恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)應(yīng)盡量多并聯(lián) 串聯(lián)多個(gè) 或并聯(lián)多個(gè) 需要電路有較高電壓或較高電流 因此可 以考慮混 聯(lián)方式 將所需電壓或電流降到適當(dāng)水平 混聯(lián)方式分為先串聯(lián)后并 聯(lián)和先并聯(lián)后串聯(lián)兩種連接方式 這兩種連接方式分別如圖 和圖 所 示 先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式是指先將一組 燈串聯(lián)成串然后將該串燈與其 他串 燈并聯(lián)起來(lái) 先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式則是先將一些 并聯(lián)成一個(gè)燈 組 然后將多個(gè)燈組串聯(lián) 心 圖 先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式 圖 先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式 先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式如圖 所示 在恒流驅(qū)動(dòng)方式時(shí) 如果某 斷路 則該 所在的整串燈都不亮 總恒定電流分?jǐn)偟狡渌?燈串上 影響與并聯(lián)方式在恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)生斷路的相同 如果某 短路 則該 所在串聯(lián)支路在少了一個(gè) 燈的情況下與其他支路并聯(lián) 該支路的每個(gè) 的 端電壓增加 會(huì)使該支路上電流增加而影響其他 燈的使用 在恒壓驅(qū)動(dòng) 方式下 如 果某串聯(lián)支路上的某個(gè) 發(fā)生斷路 該串不亮 除該串 燈 以外 對(duì)其他 燈沒(méi)有影響 如果某串聯(lián)支路上的某個(gè) 發(fā)生短路 則 同樣該串 的每個(gè) 燈的端電壓增加 該串 會(huì)因?yàn)殡娏髟黾佣斐?損壞 先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式如圖 所示 在恒流驅(qū)動(dòng)方式時(shí) 如果某 個(gè) 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 斷路 則在該 所在并聯(lián)分組上電路總電流分?jǐn)偟狡渌?上 如果并聯(lián) 較多則影響不大 如果某個(gè) 短路 電流全部從該 燈流過(guò) 如果并聯(lián) 較多則電流較大而最后將此處熔斷 最終影響與該 燈斷路時(shí)相同 在恒壓驅(qū) 動(dòng) 方式下 如果某 斷路 那么該并聯(lián) 燈組與其他并聯(lián) 燈組的 數(shù) 目 不同 電路總輸出電流減小 分配到每個(gè) 上的電流也減小 且流過(guò)發(fā)生故 障 燈組內(nèi)各 的電流與其他 燈組內(nèi) 的電流不同 會(huì)造成亮度不 同 如果某 短路 相當(dāng)于少串聯(lián)了一串 燈 加到其他 并聯(lián)串上的電 壓升高 電流 因此也升高 會(huì)對(duì) 造成損壞 因此無(wú)論是在串聯(lián) 并聯(lián)還是混聯(lián)的連接方式下 燈的任何故障都有可 能會(huì)對(duì)其他的 造成影響 所以在設(shè)計(jì) 的驅(qū)動(dòng)電路 時(shí) 應(yīng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的 不同選擇合理的連接方式 使電路盡量可靠 當(dāng)個(gè)別 斷路時(shí) 不應(yīng)該影響其 他 正常工作 當(dāng)個(gè)別 短路時(shí) 也不應(yīng)該影響其他 的正常工作 此外 必要的時(shí)候還需要采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施 如在串聯(lián)方式時(shí)在每個(gè) 燈兩端并聯(lián) 穩(wěn) 壓二極管 并且穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓大于 的工作電壓 使得 斷路時(shí) 不影響 其他燈繼續(xù)工作 關(guān)于白光 的驅(qū)動(dòng)方式研究有很多 各種驅(qū)動(dòng)方式總結(jié)開(kāi)來(lái)分為恒 壓和恒 流兩種 鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)方式 這種驅(qū)動(dòng)方式的原理圖如 所示 圖 鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)方式 的工作電流 按下式計(jì)算 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 為流過(guò) 的正向電流 為鎮(zhèn)流電阻 電源電壓 玳 為 兩 端與 對(duì)應(yīng)的正向電壓 根據(jù) 的 曲線來(lái)確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流 所需 要向 施加的電壓 哪 與鎮(zhèn)流電阻 成反比 當(dāng)電源電壓 玳上升時(shí) 能限制 的增長(zhǎng) 使 不超出 的工作范圍 鎮(zhèn)流電阻 上消耗的功率翌掣 電源電壓 烈越大 消耗功率越多 通過(guò)降低電源電壓或增加鎮(zhèn)流電阻來(lái)降低電阻損耗的方法在一定范圍內(nèi)有效 但鎮(zhèn)流 電阻值過(guò)大就難以起到穩(wěn)流作用 其次 正向電壓的任何變化都會(huì) 引起正向電流 的變化 最終都會(huì)導(dǎo)致 電流的變化 這種驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)點(diǎn) 是電路簡(jiǎn)單 成本低 但 缺點(diǎn)是電流穩(wěn)定度不高 效率低 僅適用于小功率 范圍 電荷泵升 降壓驅(qū)動(dòng)方式 目前 在大量為 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片中都采用電荷泵方式 電荷泵電路的 主要原理 是在時(shí)鐘周期的一部分時(shí)間內(nèi)為電容充電 通過(guò)電容對(duì)電荷的積累效 應(yīng)儲(chǔ)存電能 在一個(gè)時(shí)鐘周期的剩余時(shí)間內(nèi) 利用電容的不同連接方法釋放能 量得到不同的輸出電壓 圖 是一個(gè)基本的開(kāi)關(guān)電容電荷泵原理圖 圖 開(kāi)關(guān)電容電荷泵原理圖 在開(kāi)關(guān)時(shí)鐘相位 時(shí) 開(kāi)關(guān) 和 關(guān)閉 和 斷開(kāi) 輸入電壓 給 電容 充電 在時(shí)鐘相位面 和 關(guān)閉 和 斷開(kāi) 電容 的下極板被 接到電勢(shì) 上極板電勢(shì) 作為輸出 根據(jù)電容存儲(chǔ)電荷不能突變的原理 電容 在時(shí)鐘相位 內(nèi)存儲(chǔ)的電荷量為 所以在面時(shí)刻有 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 即忻焉 變?yōu)?如果輸入 也接一個(gè)和輸出負(fù)載電容 同樣大小的電容 因此式 麓 式 是 倍壓電荷泵電路的基本原理 電荷泵電路的結(jié)構(gòu)形式還有 電荷泵 電荷泵 靜態(tài) 電荷 泵 交叉耦合式電荷 泵 分?jǐn)?shù)增益電荷泵 各種電荷泵電路的電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同 實(shí)現(xiàn)升 壓或降壓 的功能 電荷泵驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)輸出方式的不同有電壓輸出型和電流輸出型兩種 電壓輸出型電荷泵驅(qū)動(dòng)電路輸出的是恒定電壓 如 就 是此 類型的芯片 圖 是 的原理圖 圖 是 的外部連接 圖 圖 原理圖 圖 連接圖 電荷泵電路通過(guò)外接電容的儲(chǔ)能將輸入電壓提升或降低到一個(gè)恒定電壓 開(kāi) 關(guān)控制和 晶振電路控制電荷泵電路的開(kāi)關(guān)通斷周期和占空比 芯片內(nèi)部的分壓電 阻反饋輸出電壓 運(yùn)放 將基準(zhǔn)電壓 岍與輸出反饋電壓比較 控制電荷泵電路 使輸出電壓穩(wěn)定 連接在 和 之間的快速電容器充放電轉(zhuǎn)換電壓 電流輸出型 電荷泵驅(qū)動(dòng)電路能輸出恒定電流 圖 是電流輸出電荷泵型 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 驅(qū)動(dòng)芯片 的內(nèi)部原理簡(jiǎn)圖及外部連接簡(jiǎn)圖 正 正 吐上 暑 鉻電旖袋 鏡傲 電洫 鏡像 電流 鏡像 電流 鏡像 電流 叮 參考 乜豫 鐫虛 挖制 享 上 孓 圖 電流輸出型電荷泵驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部原理圖 在圖 中 有 路 輸出通道 電荷泵處于 倍壓方式 端口和電阻 設(shè)定每個(gè)通道的輸出電流值 鏡像電流源是 鏡像 電 流 為 提供 倍于設(shè)定電流值的恒定輸出電流 每路 最大輸出電流 端口輸出電荷泵電壓 端口可以調(diào)節(jié)亮度 對(duì)于電荷泵 電路 當(dāng)輸出電壓與輸入電壓成一定倍數(shù)關(guān)系時(shí) 電荷泵電壓 轉(zhuǎn)換效率效率可達(dá) 以 上 但是效率會(huì)隨著兩者之間的比例關(guān)系而變化 有 時(shí)效率也低至 以下 對(duì)于電壓 輸出型電荷泵驅(qū)動(dòng)電路 為了防止并聯(lián)支路 上電流分配不均 每條并聯(lián)支路上必須使用鎮(zhèn) 流電阻 這樣會(huì)消耗大量的功率 降低效率 因此 電荷泵式驅(qū)動(dòng)電路在大功率 的 照明驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中受到了限 制 開(kāi)關(guān)電源 很多的 驅(qū)動(dòng)電路以及 驅(qū)動(dòng)芯片采用開(kāi)關(guān)電源電路 這種驅(qū)動(dòng)方 式利用電感作為儲(chǔ)能器件 為負(fù)載提供持續(xù)的電流 有 降壓型 升 壓型 以及 升壓 降壓型 三種類型 原理圖分別如圖 所示 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 前 圖 變換 圖 交換 圖 變換 開(kāi)關(guān)電源電路在一個(gè)時(shí)間周期 內(nèi) 控制開(kāi)關(guān) 的接通和關(guān)斷時(shí)間 通過(guò) 續(xù)流二極管 儲(chǔ)能電感 濾波電容 實(shí)現(xiàn) 升壓或降壓功能 圖 為用 升壓電路驅(qū)動(dòng) 的方式 電路通過(guò)調(diào)節(jié)控制開(kāi)關(guān)管 的占空 比信號(hào)將輸入 電壓升高到足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載 和 通過(guò)分壓來(lái)采樣輸出電 壓 并反饋至控制 器 在控制器中 與設(shè)定電壓比較差值 控制器根據(jù)差值 調(diào)整占空比 穩(wěn)壓輸出電壓 電阻 采樣流過(guò) 電流輸入控制器中 控制 器根據(jù)電流值調(diào)整占空比調(diào)節(jié)輸出電流 鼢 圖 升壓驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)芯片 采用的是 變換電路 輸出恒定電流 的原理圖及外部應(yīng)用連接方式如圖 所示 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖 原理及連接圖 采樣電阻 和 端電壓值控制輸出電流大小 運(yùn)放 檢測(cè)輸出 電 壓并與基準(zhǔn)電壓比較實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能 將輸出端電流值與設(shè)定的輸出電 流值比較 通過(guò)運(yùn)放 控制 信號(hào) 調(diào)節(jié) 管的通斷時(shí)間 從而調(diào)節(jié) 輸出電流 信號(hào)的頻率 由內(nèi)部晶振產(chǎn)生 端電壓與芯片內(nèi) 部 電壓比較 當(dāng)電壓過(guò)低實(shí)現(xiàn)自關(guān)斷 利用開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)方式時(shí) 輸出 電壓受 占空比和輸入電壓限制 線性電源 上述所介紹的電荷泵驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)都 存在著輸出電壓或輸出電流受 限的缺點(diǎn) 驅(qū)動(dòng) 數(shù)量有限 對(duì)于應(yīng)用于照明需要的大 功率白光 數(shù)量 較多 要求驅(qū)動(dòng)電路輸出有更高功率 更大電流 更高電壓 線性穩(wěn) 壓電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源 其優(yōu)點(diǎn)是 對(duì) 源和 負(fù)載的變化具有快速的 輸出瞬態(tài)響應(yīng) 低輸出噪聲和紋波 低電流共模噪聲 在較低輸出功率上非常經(jīng)濟(jì) 開(kāi)關(guān) 電源相對(duì)于線性電源的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在 功率轉(zhuǎn) 換效率高 一般達(dá)到 對(duì)于較高功率可 以做的體積小 重量輕 成本低等 但開(kāi)關(guān)電源具有電路復(fù)雜 設(shè)計(jì)困難 噪聲大等缺點(diǎn) 最明智的方法是根據(jù)要 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 求 而不是根據(jù)電源的工作類型來(lái)選擇電源 優(yōu)化設(shè)計(jì)線性電源或開(kāi)關(guān)電源使 其滿足設(shè)計(jì)要求 本文設(shè)計(jì)了一種采用線性電源驅(qū)動(dòng)方式的 恒流驅(qū)動(dòng)電 路 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章 恒流電路的設(shè)計(jì) 特性測(cè)試 為了更全面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)照明控制系統(tǒng) 首先對(duì)大功率白光 的伏安特性進(jìn) 行了研究 本系統(tǒng)選用的大功率白光 是臺(tái)灣億光電子公司生產(chǎn)的 白光 燈 型號(hào)為 其具體參數(shù)如下 在正向電流 時(shí) 最大光效 視角 最大正向電 流 額定最大正向電壓 最大耗散功率 結(jié)到封裝的熱阻 圖 是該 說(shuō)明書(shū)中給出的在 條件下此大功率 白光 的正向伏 安特性 穹 拍 葛 勉 一一 岔乏匕售量乏 臣 瞄 叩 玎孤 田 如 吼 庀 佃 圖 觸 在一批該型號(hào)的 中任選 個(gè) 在其兩端接上直流電源為其供電 觀察流 過(guò) 的電流隨其端電壓的變化關(guān)系 供電電源采用安捷倫可編程直流電源 該電源具有 的負(fù)載和電源調(diào)整率 在電源和負(fù)載變動(dòng)時(shí)能保 持穩(wěn) 定的輸出 電源能夠設(shè)定恒定電壓輸出還是恒定電流輸出 電源的前面板能顯示 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 供電的電壓和電流值 圖 中曲線顯示了當(dāng) 的正向電壓在 之間 時(shí) 流過(guò) 的正向電流值 喜鋤 壤 掣 匠 目 正向電壓 圖 實(shí)際大功率白光 伏安特性曲線 根據(jù)圖 可以看出電壓增加 電流升高達(dá) 以上 基本驗(yàn)證 了圖 以及式 所給出的關(guān)系 即 工作電壓的較小波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致工 作 電流的急劇變化 如果工作電壓過(guò)大甚至可能會(huì)導(dǎo)致 結(jié)燒壞 所以在設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮 這一特性 采用限流電阻或者采用恒流驅(qū)動(dòng) 的實(shí)際使用壽命也是需要測(cè)量的重要方面 但若要實(shí)際測(cè)量 的衰減 壽命 需要很長(zhǎng)的時(shí)間 但我們可以觀察 在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)光輸出的變化情 況 以此觀察 的光衰減特性 我們對(duì)本系統(tǒng)采用的 白光 的照度在 小時(shí)內(nèi)的變化情況進(jìn)行了檢測(cè) 照度計(jì)型號(hào)為 其性能參數(shù)指標(biāo)如 下 測(cè)量范圍 準(zhǔn)確度 士 是在量程儀器上被測(cè)量和顯示 的實(shí)際值 指滿量程 溫度特性 士 吲 感光體 光二極體附濾光鏡片 取樣率 次 秒 操作溫度范圍 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 由于 發(fā)光面小 且發(fā)光的方向性強(qiáng) 可近似認(rèn)為是點(diǎn)光源 將 燈放置在 黑箱中 使測(cè)量結(jié)果不受環(huán)境光影響 只點(diǎn)亮 個(gè) 白光 照 度計(jì)的感光體正對(duì) 著 燈 兩者相距 在室溫 下將 連續(xù)點(diǎn)亮 小時(shí) 每隔半 小時(shí)檢測(cè)一次照度 采用恒定電流 驅(qū)動(dòng) 未點(diǎn)亮 燈時(shí) 測(cè)得箱子 內(nèi)照度為 測(cè)得 照度在 小時(shí)內(nèi)隨時(shí)間的變化 趨勢(shì) 如表 所示 在接通電源點(diǎn)亮?xí)r照度值快速下降 因此最初時(shí)刻 的照度值是在 燈點(diǎn)亮 分 鐘之后測(cè)量的 此時(shí)照度值已基本穩(wěn)定 圖 是將表 中照度數(shù)值用直線連接起 來(lái)的圖形 表 和圖 中 指距離最初 點(diǎn)亮 個(gè)半小時(shí)后的時(shí)間 表 白光 發(fā)光照度在 的變化趨勢(shì) 照度 照度 照度 照度 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 舵 食 一 瑙 匿 藥 時(shí)間間隔 圖 白光 發(fā)光照度連續(xù) 的變化曲線 在同樣條件下 將大功率白光 連續(xù)點(diǎn)亮 小時(shí) 測(cè)量照度 測(cè)量?jī)?次 第一 次每隔半小時(shí)測(cè)量一次 結(jié)果如表 顯示 并用圖 顯示曲線 表 和圖 中 指距離最初 點(diǎn)亮 個(gè)半 小時(shí)后的時(shí)間 第 二次是每隔一小時(shí)測(cè)量一次 結(jié)果如表 顯示 并用圖 顯示曲線 表 和圖 中 指距離最初 點(diǎn)亮 個(gè)小時(shí)后的 時(shí)間 表 白光 發(fā)光亮度在 的變化趨勢(shì) 照度 照度 照度 照度 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 舵 食 鏈 匿 麓 時(shí)聞間隔 圖 白光 發(fā)光照度連續(xù) 的變化曲線 表 白光 發(fā)光亮度在 的變化趨勢(shì) 昭 昭 昭 照 度 度 度 度 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 善 魁 醭 時(shí)間間隔 圖 白光 發(fā)光照度連續(xù) 的變化曲線 根據(jù)圖 可以看出 燈在點(diǎn)亮幾個(gè)小時(shí)后 照度值相對(duì)于最初 的 幾個(gè)小時(shí)的照度值均略有下降 但由于測(cè)量時(shí)間有限此時(shí)尚難推斷 是否 有明顯的光衰 同樣 我們針對(duì)大功率白光 的發(fā)熱情況進(jìn)行了研究 溫度測(cè)量?jī)x器 選用 公司的 是當(dāng)代技術(shù)最 先進(jìn)的輕型手持式紅外 熱成像設(shè)備 其主要性能參數(shù)如下 檢測(cè)器類型為 非冷卻焦平面陣列 熱靈敏度 準(zhǔn)確度 士 或 取較大值 溫度 范圍 至 至 焦距 至無(wú)窮遠(yuǎn) 內(nèi)部可存儲(chǔ) 個(gè)圖像 通過(guò) 輔助軟件 可以顯示 檢查 分析圖像和數(shù)據(jù) 以確定與目 標(biāo)設(shè)備 相關(guān)的定量及定性趨勢(shì) 上海 學(xué)碩 學(xué)位論文 圖 顯示了利用 軟件分析 熱像儀測(cè)得溫度圈后所得的效 果囤 圖 分析的 溫度分析圖 將 燈用 恒定電流驅(qū)動(dòng) 在室溫條件下 連續(xù)點(diǎn)亮 時(shí) 環(huán)境溫 度 在自然散熱條件下 用熱像儀測(cè)量 背面的溫度分布情況 圖 是 在此 條件下測(cè)得的 背面溫度圖 該圖已經(jīng)過(guò) 軟件分析 根據(jù)圖 分 析 周圍平均環(huán)境溫度為 燈背面不同區(qū)域溫度差別很大 最低溫 度 雖高 通過(guò)分析該 燈的形狀得知 圖中圓形藍(lán)色溫度較 低 區(qū)域材料為金屬 外圈紅色溫度較高區(qū)域材料為塑料 金屬的散熱性能較好 且 表面積 較大 因此在自然散熱下 與周圍空氣島好接觸 該區(qū)域溫度較低 而外 圈的塑料散熱性 能較差 但由于堆外部與周圍環(huán)境的接觸 散熱較好 因此在此 圓環(huán)處 溫度呈現(xiàn)從圓環(huán) 內(nèi)向外溫度遞減的趨勢(shì) 因此 總體分析 的溫度特 性是 最中間區(qū)域溫度最低 與 環(huán)境溫度相近 然后從內(nèi)向外 溫度升高 達(dá)到 屜外圈后 溫度又迅速減少 表 顯示 了 白光 在環(huán)境溫度 自然散熱條件下 用恒流 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 驅(qū)動(dòng) 連續(xù)點(diǎn)亮 時(shí) 該 燈背面的溫度分布情況 每半小時(shí)檢測(cè)一次 表 顯示的是 底部的最低到最高溫度范圍 將表 中各測(cè)量時(shí)刻的最高溫度 用圖形表示出來(lái) 如圖 所示 表 和圖 中 指距 離最初 點(diǎn) 亮 個(gè)半小時(shí)后的時(shí)間 表 燈體溫度在 的變化 燈體溫 度 燈體溫 度 燈體溫 度 燈體溫 度 肚 帖 肌 嘰 一一 肌 肚 肚 肌 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 一 蜊 媧 鵑 時(shí)間間隔 圖 溫 度在 變化 在 點(diǎn)亮?xí)r燈體溫度迅速上升 因此 時(shí)刻的溫度是在 燈點(diǎn)亮 分鐘 之 后測(cè)量 表 中 溫度最高達(dá)至 在點(diǎn)亮幾個(gè)小時(shí)后 燈體溫 度稍有上升 但由于 是在自然通風(fēng)的情況下 與外界環(huán)境散熱良好 白光 的 燈體溫度沒(méi)有進(jìn)一步的明顯增加 但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn) 如果 燈沒(méi)有通風(fēng) 散熱而是 緊貼實(shí)驗(yàn)板 散熱不佳 會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)亮一段時(shí)間后顏色偏移 迅速老 化 大大的降低 了使用壽命 因此 需要良好的散熱條件 通過(guò)第二章關(guān)于大功率 的伏安特性以及發(fā)光特性的分析以及以上的 實(shí)驗(yàn) 大功率 的驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)應(yīng)該采用恒流方式 恒流驅(qū)動(dòng)可以消除由于 正向 電壓變化導(dǎo)致的電流變化 產(chǎn)生穩(wěn)定的發(fā)光亮度 我們?cè)O(shè)計(jì)的 燈組使 用了 個(gè) 燈 這 個(gè) 燈采用先串聯(lián)后并聯(lián)的混聯(lián)形式 即每三個(gè) 燈串聯(lián)組成一串 然后三串 燈并聯(lián)組成一個(gè) 燈組 因此該 燈組 的 額定功率為 每個(gè) 燈的最大正向電流為 三串 燈組的 總最大正向電流為 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)則是將 交流電轉(zhuǎn)換 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 為 恒定直流電驅(qū)動(dòng) 燈組 恒流系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 本電路為 提供的恒流驅(qū)動(dòng)電路采用線性電源方式 輸入是 的交流電 輸出要求是 的恒流電源 該線性恒流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖 如圖 所示 泓 圖 恒流系統(tǒng)整體框圖 如圖 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的線性恒流電源驅(qū)動(dòng)電路主要由兩部分組成 整流濾 波和恒 流電路 下面分別介紹各子電路 整流濾波電路的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路首先要將 的交流電通過(guò)整流濾波電路轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾?源為恒流電路供電 電源變壓器是將 的交流電轉(zhuǎn)換成不同電壓供給各負(fù)載做電源的多線 圈變壓器 選用電源變壓器時(shí) 要與負(fù)載電路相匹配 而且電源變壓器應(yīng)留有 功率裕量 即變壓器的 額定輸出功率應(yīng)略大于負(fù)載電路的最大功率 變壓器的 輸出電壓應(yīng)與負(fù)載電路供電部分的 交流輸入電壓相同 整流電路的作用則是將交流電變換成單方向的直流電 整流電路種類 較多 按整流元件的類型 分二極管整流和可控硅整流 按交流電源的相數(shù) 分單相 和多 相整流 按流過(guò)負(fù)載的電流波形 分半波和全波整流 按輸出電壓相對(duì)于 電源變壓器次級(jí)電壓的倍數(shù) 又分一倍壓 二倍壓及多倍壓整流等 單相半波 整流電路 單相全波整流電路和單相橋式整流電路的原理圖分別如圖 所示 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 棚 到 句 衛(wèi) 二到 仉 玉 圖 單相半波整流電路 圖 單相全波整流電路 一 酬 圖 單相橋式整流電路 橋式整流電路相較于半波整流電路具有輸出電壓高 脈動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn) 相較 于單相全波 整流電路而言 變壓器次級(jí)無(wú)中心抽頭 性能最佳 本設(shè)計(jì)也采用 橋式整流電路 如圖 所示 由四個(gè)整流二極管 組成 設(shè) 為理想二 極管 為純電阻負(fù)載 根據(jù)圖 交流電經(jīng)電源變壓 器降壓后 變?yōu)檎魉?需要的交流電壓值 為變壓器副邊輸出電壓的有效值 橋式整流電路的輸出電壓平均值為 選擇橋式整流電路時(shí)對(duì)整流二極管 的參數(shù)要求主要有兩項(xiàng) 最 大整流電流 流過(guò)每個(gè)二極管的電流平均值 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 警 再考慮到電網(wǎng)電壓可能有士 的波動(dòng) 因此 睪 最大反向工作電壓 由圖 所示 每個(gè)二極管截止時(shí)承受的最大反向電壓為 再考慮到電網(wǎng)電壓可能有 的波動(dòng) 因此 定 整流電路的輸出雖然是單一方向的直流電 但含有較大的諧波成分 脈動(dòng) 系數(shù)大 不能適應(yīng)大多數(shù)電子設(shè)備的需要 一般整流電路之后 還需接入濾波 電路以 濾除諧波成分 使脈動(dòng)的直流電變?yōu)楸容^平滑的直流電 在橋式整流電路的基礎(chǔ)上 在輸 出端并聯(lián)一個(gè)電容 就構(gòu)成了電容濾波電 路 電容濾波是通過(guò)電容的儲(chǔ)能作用 即在 升高時(shí) 把部分能量?jī)?chǔ)存起來(lái) 在 降低時(shí) 又把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái) 從而在 負(fù)載 上得到一個(gè)比較平滑 的輸出電壓 降低脈動(dòng)程度 并且提高了平均值 圖 所示橋式整流電路的放電時(shí)間常數(shù) 橋式整流電路的充電時(shí)間常數(shù) 億 整流電路內(nèi)阻為變壓器次級(jí)內(nèi)阻與二極管導(dǎo)通電阻之和 假設(shè)為 通常 因此認(rèn)為充電時(shí)間常數(shù)近似等于放電時(shí)間常數(shù) 濾波效果取決于放電 時(shí)間常 數(shù) 和 越大 就越大 電路的充放電過(guò)程就更緩慢 因而輸出 電壓更平 滑 平均值更高 一般情況下 可按下式計(jì)算帶負(fù)載時(shí)的直流輸出電 壓 即 電容濾波電路有以下特點(diǎn) 捌 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 適用于負(fù)載電路 較小且變化不大的場(chǎng)合 所需電容容量應(yīng)滿足 貶 寺的條件 為電網(wǎng)電壓周期 由于增加了電容支路 流過(guò)每個(gè)二極管的電流比沒(méi)有并聯(lián)電容之前增 大 但每個(gè)二極管的導(dǎo)通時(shí)間反而減小 在二極管導(dǎo)通的短暫時(shí)間內(nèi) 將有很 大的沖 擊電流流過(guò) 因此在選擇整流二極管時(shí)必須注意選擇最大整流電流 較 大的管子 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)負(fù)載支路需要電壓 電流 選擇適合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變壓 器 整 流橋及濾波電容 根據(jù)設(shè)計(jì)要求知 因此 戶孥 變壓器次級(jí)電壓的有效值 變壓器的額定功率 妒 變壓器的變功率 電路空載時(shí)電容將承受最大電壓 再考慮電網(wǎng)電壓的波動(dòng) 則濾波電容耐 壓應(yīng)為 壓 壓 呲 同時(shí)濾波電容容量應(yīng)滿足 寺 取 則有 竺 二如 吃 流過(guò)整流橋的最大電流由公式 豢計(jì)算 每個(gè)整流二極管承受的最大反向電壓 因此選取 的電源變壓器 的電解電容 整流 橋選擇 其參數(shù)為平均電流 峰值反壓 恒流電路的設(shè)計(jì) 電路經(jīng)由整流濾波電路后已變成 左右的直流電 但仍不是恒定電流輸 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 出 本論文設(shè)計(jì)的恒流電路以集成運(yùn)放為核心 集成運(yùn)放 集成運(yùn)算放大器 簡(jiǎn)稱集成運(yùn)放或運(yùn)放 實(shí)際上是一個(gè)具有高放大倍數(shù)的 多級(jí)直接耦合放大電路 具有高 輸入電阻 高放大倍數(shù)及低輸出電阻的特點(diǎn) 由于集成運(yùn)放在電路性能方面具有眾多優(yōu)點(diǎn) 因此被廣泛應(yīng)用于模擬電路的各 個(gè)領(lǐng)域之中 勿 集成運(yùn)放的符號(hào)如圖 所示 圖 集成運(yùn)放的符號(hào) 和 分別為集成運(yùn)放的同相輸入端和反相輸入端 是集成運(yùn)放的輸 出端 在 運(yùn)放應(yīng)用電路的分析中 為了突出主要問(wèn)題以及簡(jiǎn)化分析過(guò)程 常常 把集成運(yùn)放的各項(xiàng)技 術(shù)指標(biāo)理想化 認(rèn)為其具有下述特性 開(kāi)環(huán)差模增益蚺 差模輸入電阻 輸出電阻 共模抑制比 毛 上限截止頻率 輸入失調(diào)電壓 輸入失調(diào)電流 和它們的溫漂魯 魯 均為零 且無(wú)任何內(nèi)部噪聲 輸入偏置電流 為零 實(shí)際上 集成運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)均為有限值 理想化后必然帶來(lái)誤差 但在 一般的工程 計(jì)算中 這些誤差都是允許的 而且隨著新型運(yùn)放的不斷出現(xiàn) 性 能指標(biāo)也越來(lái)越接近理 想 誤差越來(lái)越小 只有在進(jìn)行誤差分析的時(shí)候 才考 慮實(shí)際運(yùn)放的有限增益 帶寬 共 模抑制比 輸入電阻和失調(diào)因素等帶來(lái)的影 響 集成運(yùn)放的應(yīng)用電路多種多樣 但其工作 范圍只有兩種情況 即線性區(qū)或 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 非線性區(qū) 當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí) 運(yùn)放的輸出電壓與輸入端電壓差之間存在線性放 大關(guān)系 即 刮 一 對(duì)于理想集成運(yùn)放 為有限值而 因此近似認(rèn)為 即 由于理想運(yùn)放的差模輸入電阻 且 因此兩輸 入端電流也 均近似為零 因此理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)有以下兩個(gè)重要的特點(diǎn) 虛短 即認(rèn)為兩輸入端電壓相等 集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端 電壓無(wú)窮接近 但又不是真正短路 虛斷 即認(rèn)為輸入端電流等于零 集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的 電流趨 于零 但又不是真正斷路 對(duì)于理想運(yùn)放 由于 因此當(dāng)兩個(gè)輸入端 之間存在一個(gè)很小的電壓 差就會(huì)導(dǎo)致集成運(yùn)放超出線性工作范圍進(jìn)入非線性區(qū) 理想運(yùn)放 工作在非線性 區(qū)時(shí)有兩個(gè)特點(diǎn) 當(dāng) 輸出電壓等于運(yùn)放的正向最大輸出電壓 當(dāng) 輸出電 壓等于運(yùn)放的反向最大輸出電壓 在非線性區(qū) 雖然運(yùn)放的兩個(gè)輸入端電壓不 同 但理想運(yùn)放的差模輸入 電阻 依然存在 因此運(yùn)放的同相輸入端和反向輸 入端的電流都等于零 虛 斷 的特點(diǎn)依然存在 負(fù)反饋放大電路 由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模電壓增益很大 如果不采取適當(dāng) 的措施 即使在 輸入端加一個(gè)很小的電壓 也可能使集成運(yùn)放進(jìn)入非線性區(qū) 為了保證集 成運(yùn) 放工作在線性區(qū) 通常在電路中引入深度負(fù)反饋 下面分析一下負(fù)反饋放大電 路的原 理 負(fù)反饋放大電路的方塊圖如圖 所示 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖 負(fù)反饋放大電路的方塊圖 其中 外加輸入信號(hào) 基本放大電路的輸入信號(hào) 輸出信號(hào) 反饋信號(hào) 符號(hào) 表示比較環(huán)節(jié) 由圖 得出 尸五一巧 定義基本放大電路的放大倍數(shù) 圣 反饋系數(shù) 生 負(fù)反饋放大電路的放大倍數(shù) 專 譯魯 毒 考忘 考象 由此得到盼南 聾 當(dāng)引入負(fù)反饋時(shí) 因此引入負(fù)反饋以后放大電路的放大倍數(shù) 是基 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 本放大電路放大倍數(shù) 的再云 通常把 州虹稱為反饋深度 當(dāng) 則稱為深度負(fù)反饋 嚴(yán)石象 萬(wàn) 此時(shí)負(fù)反饋放大電路的 放大倍數(shù)只決定于反饋系數(shù) 與基本放大