LED恒流节能灯设计

LED恒流节能灯设计专业班级学生指导教师学院二0一二年摘要[摘要]:随着半导体材料及工艺技术的进步,生产量的增加,笔者认为可能还需3～5年时间,LED照明灯的性能会进一步地提高,价格也会不断地下降,它将逐步地进入千家万户,给您带来节电、明亮的新的光源。LED日光灯节电高达80％以上，寿命为普通灯管的10倍以上，几乎是免维护，不存在要经常更换灯管、镇流器、起辉器的问题，约半年下来节省的费用就可以换回成本。绿色环保型的半导体电光源，光线柔和，光谱纯，有利于工人的视力保护及身体健康，6000K的冷光源给人视觉上清凉的感受，有助于集中精神，提高效率。[关键字]:LED,节能,,亮度,目录第一章LED的发展概况...............................................11.1.发光二极管介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.1.1.发光二极管的结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41.1.2.发光原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．71.2.发光强度及发光效率的提高．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．81.3.LED的功率提高．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91.4.白光LED的诞生是个突破．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9第二章LED在照明系统中的应用......................................102.1.白光LED照明灯泡．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.2.彩色LCD的背光照明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.3.闪光灯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．102.4.家用LED照明灯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．112.5.算一笔节电帐及经济帐．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．122.6.本课题的设计背景．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12第三章硬件设计...................................................．133.1.驱动原理及应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．133.2.电容降压原理介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．143.3.应用电容降压电路驱动LED节能灯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．153.3.1.举例分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．153.3.2.电路工作原理﹕．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．163.4.硬件设计框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．183.5.原理图设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．193.6.PCB设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．203.7.电容降压电源原理和计算公式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20第四章装配过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．214.1.材料选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．214.1.1.降压用CBB电容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．214.1.2.散光源LED灯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．224.1.3.塑料外壳．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．224.1.4.其他材料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．234.1.5.LED安装底座．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．234.1.6.焊接完后的PCB图:．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．244.1.7.成品图片．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25第五章结语.......................................................．26致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28１第一章LED的发展概况1.1.发光二极管简介发光二极管(LED)是一种电致发光的光电器件。早在1907年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。到今天,LED已生产了30多年,回顾过去,它已茁壮成长。各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及与LED配套的产品(如白光LED驱动器)发展迅速,新产品不断上市,已发展成不少新型产业LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术。随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。展望将来,还期望更进一步地提高。早期的LED主要用于做指示灯。它的发光强度不高,一般小于1mcd,高的也仅几个mcd;另外,发光效率也不高,一般小于0.21m/W,其功率仅几十mW到上百个mW(属于小功率LED)。本文就从发光强度提高说起。1.1.1.发光二极管的结构LEDLamp(led灯)主要由支架、银胶、晶片、金线、环氧树脂五种物料所组成。２一、支架：1）、支架的作用：用来导电和支撑2）、支架的组成：支架由支架素材经过电镀而形成，由里到外是素材、铜、镍、铜、银这五层所组成。3）、支架的种类：带杯支架做聚光型，平头支架做大角度散光型的Lamp。A、2002杯/平头：此种支架一般做对角度、亮度要求不是很高的材料，其Pin长比其他支架要短10mm左右。Pin间距为2.28mmB、2003杯/平头：一般用来做φ5以上的Lamp，外露pin长为+29mm、-27mm。Pin间距为2.54mm。C、2004杯/平头:用来做φ3左右的Lamp，Pin长及间距同2003支架。D、2004LD/DD：用来做蓝、白、纯绿、紫色的Lamp，可焊双线，杯较深。３E、2006：两极均为平头型，用来做闪烁Lamp，固IC，焊多条线。F、2009：用来做双色的Lamp，杯内可固两颗晶片，三支pin脚控制极性。G、2009-8/3009：用来做三色的Lamp，杯内可固三颗晶片，四支pin脚。二、银胶银胶的作用：固定晶片和导电的作用。银胶的主要成份：银粉占75-80%、EPOXY（环氧树脂）占10-15%、添加剂占5-10%。银胶的使用：冷藏，使用前需解冻并充分搅拌均匀，因银胶放置长时间后，银粉会沉淀，如不搅拌均匀将会影响银胶的使用性能。三、晶片（Chip）：发光二极管和led芯片的结构组成４1）、晶片的作用：晶片是LEDLamp的主要组成物料，是发光的半导体材料。2）、晶片的组成：晶片是采用磷化镓（GaP）、镓铝砷（GaAlAs）或砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等材料组成，其内部结构具有单向导电性。3）、晶片的结构:焊单线正极性（P/N结构）晶片，双线晶片。晶片的尺寸单位：mil晶片的焊垫一般为金垫或铝垫。其焊垫形状有圆形、方形、十字形等。4）晶片的发光颜色：晶片的发光颜色取决于波长，常见可见光的分类大致为：暗红色（700nm）、深红色（640-660nm）、红色（615-635nm）、琥珀色（600-610nm）、黄色（580-595nm）、黄绿色（565-575nm）、纯绿色（500-540nm）、蓝色（450-480nm）、紫色(380-430nm)。白光和粉红光是一种光的混合效果。最常见的是由蓝光+黄色荧光粉和蓝光+红色荧光粉混合而成。5）、晶片的主要技术参数：A、晶片的伏安特性图：B、顺向电压（VF）：施加在晶片两端，使晶片正向导通的电压。此电压与晶片本身和测试电流存在相应的关系。VF过大，会使晶片被击穿。C、顺向电流（IF）：晶片在施加一定电压后，所产生的正向导通电流。IF的大小，与顺向电压的大小有关。晶片的工作电流在10-20mA左右。D、逆向电压（VR）：施加在晶片上的反向电压。E、逆向电流（IR）：是指晶片在施加反向电压后，所产生的一个漏电流。此电流越小越好。因为电流大了容易造成晶片被反向击穿。F、亮度（IV）：指光源的明亮程度。单位换算：1cd=1000mcdG、波长：反映晶片的发光颜色。不同波长的晶片其发光颜色也就不同。单位：nmH、光：是电磁波的一种。波长在0.1mm-10nm之电磁波称为光。光可分为：波长大于0.1mm称为电波；760nm-0.1nm叫红外光;380nm-760nm叫可见光;10nm-380nm叫紫外光；波长小于10nm的是X线光。５四、金线：金线的作用：连接晶片PAD（焊垫）与支架，并使其能够导通。金线的纯度为99.99%Au；延伸率为2-6%，金线的尺寸有：0.9mil、1.0mil、1.1mil等。五、环氧树脂：环氧树脂的作用：保护Lamp的内部结构，可稍微改变Lamp的发光颜色，亮度及角度；使Lamp成形。封装树脂包括：A胶（主剂）、B胶（硬化剂）、DP（扩散剂）、CP（着色剂）四部份组成。其主要成分为环氧树脂（EpoxyResin）、酸酐类（酸无水物Anhydride）、高光扩散性填料（Lightdiffusion）及热安定性染料（dye）六、模条：模条是Lamp成形的模具，一般有圆形、方形、塔形等。支架植得深浅是由模条的卡点高低所决定。模条需存放在干净及室温以下的环境中，否则会影响产品外观不良1.1.2.发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。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，如图1所示。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量