搜索
1报告编码：安阳师范学院本科学生毕业设计报告基于电力电子技术LED节能灯的设计作者冉中帅系（院）物理与电气工程学院专业电气工程及其自动化日期2015.6.22学生诚信承诺书本人郑重承诺：所呈交的设计报告是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，报告中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在报告中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：报告使用授权说明本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位报告的规定，即：学校有权保留送交报告的复印件，允许报告被查阅和借阅；学校可以公布报告的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存报告。签名：导师签名：日期：11基于电力电子技术LED节能灯的设计（安阳师范学院物理与电气工程学院，河南安阳455000）摘要：本文主要研究利用电力电子技术中直流斩波技术制作节能灯。从电力电子技术中直流斩波原理出发，结合实际照明要求，在相应电压波动参数下设计相应的方案，并针对不同的设计方案，进行定性分析并作出定量参数计算。分析这些方案优缺点，作出最优方案。关键词：电力电子技术直流斩波原理定性分析定量参数计算1绪论1.1研究现状电力电子技术的应用十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输，电力系统，通信系统，计算机系统，新能源系统等，在照明，空调等家用电器及其他领域中也有广泛的应用，照明在家用电器中占有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小，发光效率高，可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，它正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。1.2研究内容直流斩波技术在多个方面都有应用，利用高亮度LED发光二极管结合直流斩波电路的三种形式设计出降低能耗、节约能源、注重环保经济型的节能灯。2LED的特性2.1LED的发展史LED是一种能够将电能直接转化为可见光的半导体发光器件，材料使用III-V族化学元素[如：磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等]，发光原理是将电能直接转换为光能，也就是对化合物半导体施电流，透过电子与电洞的结合，能量会以光的形式释出，形成发光的效果，属于冷性发光，理论寿命长达十万小时以上。最早LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是砷磷化镓（GaAsP），发红光（λp=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0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素铟（In）和氮（N），使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出现了砷铝化镓（GaAlAs）的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。LED具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速率快、耐震性佳等优点，被广泛应用于信号指示、数码显示等领域。随着技术的不断进步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，近年来又生产出用超高亮白光LED发光二极管组装的照明灯。与传统的照明灯相比，在功耗、亮度与寿命方面以无与伦比的优势成为21世纪新光源，使得它越来越多地用在彩灯装饰和照明领域。2未来白光LED发光二极管的市场规模与应用将无限宽广，并将进入一般家庭，取代各种传统的室内外照明灯具。LED最大的特点在于无须暖灯时间、开关次数对寿命无影响、反应速度快(约在10-9秒)、安全而且光源控制成本低，使频繁开关成为可能，及运用于声光控灯上的最佳光源。LED声光控灯是及LED灯和声光控电路为一体，安装方便，使用寿命长，灯口采用国标E27。LED采用高亮度白光LED，单颗亮度6LM以上，色温6500-7500，总能耗为2.5W相当于40W白炽灯的亮度。声光控电路是集声学、光学和延时技术为一体组成的自动照明开关，白天或光线较强时，开关电路为自锁状态，LED灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关进入预备工作状态，此时，当来人有脚步声、说话声、拍手声等声源时，开关自动打开，灯亮，延时一段时间后自动熄灭，从而实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，使得LED声光控灯低能耗、长寿命。2.2LED的优点2.2.1发光效率高LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/W，荧光灯50-70lm/W，钠灯90-140lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到100-200lm/W，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国都加紧了提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大提高。2.2.2耗电量少LED的反应速度快，可在高频操作,同样明效果的情况下，耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯管的二分之一。日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一般的白炽灯和荧光灯。每年可节约资源相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯而言，同样效果的一只日光灯40W，而采用LED每只的功率只有8W，而且可以七彩变化。2.2.3使用寿命长LED采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。单个LED发光二极管，当亮度减半时，理论寿命可达到10万小时。LED灯具使用寿命可达5-10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。而且，LED照明器材的整体封装材料(如灯带塑料和灯壳)在日晒雨淋下容易损坏，也直接影响LED照明器材的整体寿命。2.2.4安全可靠性强LED发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全接触；能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质；内置微处理器可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术的结合。LED尺寸小、重量轻、不易破碎、防震以及24V的工作电压等特点，所以在各种环境下都显得十分安全可靠。2.2.5环保LED为全固体发光体，抗震动、耐冲击、不易破碎、废弃物可回收,没污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。当然，节能也是我们考虑使用LED的主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4-9年中每年几倍的节能净收益期。如果应用在夜景照明，可以以简洁明快的夜景照明方式突出建筑物的形状特点和使用功能，充分体现建筑师的设计风格及意图；通过相邻面间的亮度变化和颜色差异，突出建筑物的轮廓，保证建筑物的完整性并具有良好的立体感；避免大量使用大功率投光灯，以减少眩光和由此产生的光污染，使灯光对环境的干扰降低到最小值。32.2.6其他LED光源除了无汞、节能、节材、对环境无电磁干扰、无有害射线五项优点之外，在照明领域中，特别是在景观照明中，还有很多优势。如：低压供电——无高压环节，为了绝缘的开销要小得多，可靠性高。附件简单——无启动器、镇流器或超高压变压器。结构简单——具有固体光源的最大优点，不充气，无玻璃外壳，无气体密封问题，耐冲击。可控性好——响应时间快（微秒数量级），可反复频繁亮灭，基本无惰性，不会疲倦。色彩纯厚——由半导体PN结自身产生色彩，纯正，浓厚。色彩丰富——三基色加数码技术，可演变任意色彩。轻质结构——节材，节约费用；对灯具强度和刚度要求很低。3LED发光二极管的原理特性3.1LED的发光原理发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。3.2LED的发光机理PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理3.3LED的发光效率一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如组件材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。因此，关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的，因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。目前的方法主要是：晶粒外型的改变——TIP结构，表面粗化技术。3.4LED的光学特性LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它4所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+2~3A/。LED发光亮度L与正向电流近似成比例,K为比例系数。电流增大，发光亮度也近似增大。另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。3.5LED的主要参数3.5.1主要参数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：I-V特性、C-V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。普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。红色发光二极管的波长一般为650~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~650nm，橙色发光二极管的波长一般为610~630nm左右，黄色发光二极管的波长一般为585nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555~570nm。3.5.2电学特性I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V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。图1I-V特性曲线(1)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1.2V，GaP为1.8V，GaN为2.5V。(2)正向工作区电流IF与外加电压呈指数关系IF=IS(eqVF/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=ISeqVF/KT(3)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0V，GaN为10uA。(4)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V＜-VR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。(5)最大功耗当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IFijw5LED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