LED節(jié)能燈的設(shè)計(jì)

1、 LED節(jié)能燈的設(shè)計(jì)報(bào)告 參賽學(xué)院：電氣與信息學(xué)院 參賽隊(duì)號(hào)： 參賽隊(duì)員：曹錫山 鄭金平 汪文雯 設(shè)計(jì)題目：LED節(jié)能燈的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)摘要：本研究根據(jù)設(shè)計(jì)要求：由交流220V供電，燈的電功率3W5W均可，恒流供電。要求電源變換部分效率盡可能高，并且交流電源電壓在90240V范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出功率基本不變（亮度穩(wěn)定）。電源電路采用了合適比例的變壓器來(lái)降低電壓，然后采用單相橋式整流、電容濾波電路，結(jié)合固定式三端集成穩(wěn)壓器來(lái)獲得比較穩(wěn)定的直流電壓，再利用運(yùn)放，電壓跟隨器進(jìn)一步穩(wěn)定電壓，保證負(fù)載部分獲得穩(wěn)定的功率和恒定電流。再通過(guò)取樣電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載部分亮度的調(diào)節(jié)。負(fù)載電路采用具有正溫度系

2、數(shù)的WZMD熱敏電阻與負(fù)溫度特性的LED串聯(lián)，組成一個(gè)溫度系數(shù)極小電阻型負(fù)載，解決了LED的恒流問(wèn)題。使其發(fā)光穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，來(lái)實(shí)現(xiàn)紅、藍(lán)、綠三基色亮度的改變，從而實(shí)現(xiàn)色彩的變化。關(guān)鍵詞：LED節(jié)能燈、橋式整流、固定式三端集成穩(wěn)壓器、WZMD熱敏電阻，恒流發(fā)光、亮度色彩可調(diào)一、引言 LED節(jié)能燈在目前市場(chǎng)上已經(jīng)是一件非常成熟的產(chǎn)品，目前白色LED發(fā)光效率已經(jīng)突破120LM/W，是白熾燈15LM/W的8倍，是熒光燈50LM/W的2倍多。LED的光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線成分，所以不會(huì)發(fā)熱，不產(chǎn)生有害輻射。而且LED的光通量半衰期大于5萬(wàn)小時(shí)，可以正常使用20年，器件壽命一般都在10萬(wàn)小時(shí)

3、以上，是熒光燈壽命的10倍，是白熾燈的100倍，所以基本不會(huì)損壞，這種燈具具有非常好的節(jié)能長(zhǎng)壽命特性，隨著白色LED價(jià)格的不斷降低，LED照明燈不但在節(jié)日彩燈裝飾中廣泛應(yīng)用，而且逐步延伸到路面照明、民用照明等低照度要求的領(lǐng)域，全面進(jìn)入實(shí)用化，并且在環(huán)保方面廢棄物可以回收，沒(méi)有熒光燈的貢污染問(wèn)題，是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目。LED技術(shù)已經(jīng)真真切切地來(lái)到我們身前，在舉世矚目的奧運(yùn)會(huì)上，無(wú)論是開(kāi)幕式上神奇的畫(huà)卷和畫(huà)布，還是水立方游泳館外表那變換莫測(cè)的七彩幻光，還是大量演員身上通體發(fā)出的神奇光芒，甚至是恰如銀河般并緩緩升起的奧運(yùn)五環(huán)，無(wú)不都是LED技術(shù)的全面應(yīng)用。LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用

4、性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時(shí)間短、對(duì)環(huán)境無(wú)污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點(diǎn)，雖然價(jià)格較現(xiàn)有照明器材昂貴，仍被認(rèn)為是它將不可避免地現(xiàn)有照明器件。LED的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)1、LED的內(nèi)在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。2、體積小3、LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹(shù)脂里面，所以它非常的小，非常的輕。4、耗電量低LED耗電非常低，一般來(lái)說(shuō)LED的工作電壓是2-3.6V。工作電流是0.02-0.03A。這就是說(shuō)：它消耗的電不超過(guò)0.1W。使用壽命長(zhǎng)5、在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合?，LED的使用壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)6、高亮度、低熱量7、環(huán)保LED是由無(wú)毒的材料作成，不像熒光燈含水銀會(huì)造成污染，同時(shí)

5、LED也可以回收?qǐng)?jiān)固耐用8、LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹(shù)脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅(jiān)固。燈體內(nèi)也沒(méi)有松動(dòng)的部分，這些特點(diǎn)使得LED可以說(shuō)是不易損壞的。此次LED的設(shè)計(jì)主要是利用典型的交流電容降壓恒流電路供電，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的亮度、色彩可調(diào)的LED節(jié)能燈電路。二、方案設(shè)計(jì)此次電路的設(shè)計(jì)主要包括以下三個(gè)部分，即電源變換電路，穩(wěn)壓電路和LED負(fù)載電路。分別如電路圖2所示?？偟牧鞒虉D如圖1所示。 根據(jù)要求LED燈要工作在直流電壓下，故電源變換部分主要的任務(wù)是將220v的交流電壓變?yōu)檫m合LED燈工作的直流電壓。電壓的變換又包括變壓，整流，濾波和穩(wěn)壓四個(gè)部分。下面分別對(duì)這四個(gè)部分設(shè)計(jì)方案的選擇做出說(shuō)明。

6、變壓部分首先采用合適比例的變壓器對(duì)220v的交流電壓進(jìn)行變壓，使變壓后的電壓符合負(fù)載的工作電壓。整流部分采用的方案通常有半波整流和橋式整流等。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大方向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周期內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，因此效率也更高。所以橋式整流電路比半波整流電路更有優(yōu)越性，在此次設(shè)計(jì)中采用后一種方案來(lái)提高電源的效率。濾波部分的設(shè)計(jì)方案有多種，由于本電路為小功率電路，因此設(shè)計(jì)中采用C型電容濾波電路，其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，負(fù)載直流電壓較高，紋波也較小。整流部分采用穩(wěn)壓管先與電容并聯(lián)再與電阻串聯(lián)的方式，這樣可以有效降低紋波以獲

7、取穩(wěn)定的直流電壓。穩(wěn)壓電路部分采用三端集成穩(wěn)壓器，這種電路可以較好的穩(wěn)定輸出電壓和電流，結(jié)合后面的電壓跟隨器和取樣電阻還可以實(shí)現(xiàn)其電流大小的可調(diào)節(jié)，故可保證輸出功率的穩(wěn)定，從而保證了LED燈的亮度穩(wěn)定和可調(diào)光功能。負(fù)載電路采用具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻與負(fù)溫度特性的LED串聯(lián)，組成一個(gè)溫度系數(shù)極小電阻型負(fù)載，解決了LED的恒流問(wèn)題。LED燈的接法有串聯(lián)方式和并聯(lián)方式 。若只采用串聯(lián)方式，當(dāng)有一只燈開(kāi)路時(shí)會(huì)造成所有的燈都無(wú)法工作；若只采用并聯(lián)的方式，當(dāng)有一只燈短路時(shí)會(huì)造成電路的短路，故這兩種接法各有其缺點(diǎn)。在此次設(shè)計(jì)方案中采用先將LED燈每5只串聯(lián)在一起再并聯(lián)最后再串聯(lián)起來(lái)的方式，這樣可以避免上述

8、兩種接法的缺陷。具體的設(shè)計(jì)主電路圖見(jiàn)圖2所示。 三、詳細(xì)設(shè)計(jì)1、電源變換電路本實(shí)驗(yàn)采用交流220v的電壓，實(shí)際情況是電源實(shí)際電壓是在90v240v之間。這部分，我們先用一個(gè)變壓器，使電壓下降。根據(jù)實(shí)際計(jì)算數(shù)值（見(jiàn)后文）。我們的變壓線圈之比選10：1，使電壓降到十分之一。為了最終能夠?qū)崿F(xiàn)電源對(duì)LED的恒定電流供電，需要先把220V 50Hz的交流電通過(guò)變壓器的作用降為低壓正弦信號(hào)，由于LED燈要工作在單向電壓下，故需要對(duì)交流電源進(jìn)行整流。采用單向橋式整流電路對(duì)交流電進(jìn)行整流，可以得到單方向的全波脈動(dòng)電流，由于此時(shí)的電壓中存在一定的紋波，故需要用濾波電路來(lái)濾除紋波電壓。濾波電路的形式有很多種，因?yàn)?/p>

9、本電路是小功率電路，所以采用電容濾波電路，這樣得到的負(fù)載直流電壓較高，紋波也較小。通過(guò)橋式整流電路D1,D2,D3,D4,在負(fù)載部分加入一個(gè)電容C1，構(gòu)成電容濾波電路，使輸出一個(gè)比較穩(wěn)定的直流電壓V1,V1=(1.11.2)V2。電容濾波電路的優(yōu)點(diǎn)有許多，如其負(fù)載直流電壓較高，紋波較小。濾波后的電壓仍有一定的波動(dòng)，要想獲得比較理想的直流電壓，除了上述的整流濾波環(huán)節(jié)，還必須經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。其全部過(guò)程見(jiàn)圖3所示。(1) 基本計(jì)算如下： v1:v2 =10:1所以：v2 =9V24V,VI = 1.2v2V1 =9.9V28.8V。(2) 三端固定穩(wěn)壓器78LM XX輸入電壓輸出電壓紋波抑制比內(nèi)部設(shè)有

10、過(guò)熱、短路（或過(guò)流）、調(diào)整管安全工作區(qū)等保護(hù)電路，管腳編號(hào)由封裝形式不同而不同。（840）（524）536260(3) V1的范圍在三端穩(wěn)壓器的輸入范圍,所以滿足條件. 2、穩(wěn)壓電路（1）、電路構(gòu)成及原理穩(wěn)壓部分采用固定式三端集成穩(wěn)壓器，如圖b為輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電路，它由穩(wěn)壓器7824和電壓跟隨器A組成。該電路用A將穩(wěn)壓器與取樣電阻隔離。途中電壓跟隨器A的輸出電壓等于其輸入電壓Vo1= V24,也就是電阻R1與Rp上部分的電壓的之和為7824的輸出電壓V24,當(dāng)調(diào)節(jié)Rp的動(dòng)端位置時(shí)，輸出電壓隨之變化，其調(diào)節(jié)范圍為： Vomin=(R1+R2+Rp)*V24/(R1+Rp)； Vomax=(R

11、1+R3+Rp)*V24/R1；設(shè)R1=370 ,Rp=55 ,R3=300 , V24=24 V時(shí)，則輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為49V-56.5V?？筛鶕?jù)輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍和輸出電流的大小選擇三端穩(wěn)壓器、運(yùn)放和取樣電阻。V24=24V R1=370 ,Rp=55 ,R3=300 Vomin=(370+55+300)*24/(370+55)=40.94 vVomax=(370+55+300)*24/370=47.03v所以我們可以通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器Rp的大小，可以得到電壓48-56.5v范圍的穩(wěn)定電壓。這部分正是我們負(fù)載所需要的電壓范圍.3、LED負(fù)載電路負(fù)載電路分為白燈和彩燈兩部分。且白燈和彩燈采

12、用并聯(lián)方式。(4) 白燈部分，共用20個(gè)白燈，分為兩條支路，每條支路分別為10只白燈和一個(gè)熱敏電阻串聯(lián)。(5) 彩燈部分，用紅、藍(lán)、綠三種彩燈，這三種彩燈之間以串聯(lián)形式連接，每種彩燈的連接方式相同。每種彩燈電路并聯(lián)一滑動(dòng)變阻器和一限電阻。每種彩燈用16個(gè)，這16個(gè)燈分成四組，四組以并聯(lián)方式連接，每組5個(gè)，以串聯(lián)方式連接，且每條串聯(lián)電路再串聯(lián)一WZMD熱敏電阻。這種連接方式可以基本上保證負(fù)載工作的穩(wěn)定性，當(dāng)負(fù)載中支路中有一只LED燈開(kāi)路時(shí)，電流會(huì)從與之并聯(lián)的其余四只燈中通過(guò)，故只有這一只燈不發(fā)光，同時(shí)流過(guò)其余四只燈的電流只會(huì)有少量的增加，不會(huì)造成因?yàn)殡娏鬟^(guò)大而危害燈的正常工作的危險(xiǎn)，保證了負(fù)載電

13、路的正常工作。當(dāng)負(fù)載中有一只LED燈短路時(shí)，與之并聯(lián)的四只燈不發(fā)光，對(duì)整個(gè)負(fù)載的電路的影響不大，其余的LED燈工作狀態(tài)基本不變，故負(fù)載仍是穩(wěn)定工作的。LED燈負(fù)載電路在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮了輸出電壓的可調(diào)性，使LED燈在輸出電壓的變化范圍內(nèi)能正常的工作，這樣就實(shí)現(xiàn)了LED燈的調(diào)光功能。同時(shí)彩燈電路部分因?yàn)槊糠N彩燈都并有一電阻和滑動(dòng)變阻器串聯(lián)的支路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，根據(jù)是三基色原理，通過(guò)控制紅、綠、藍(lán)光LED的發(fā)光強(qiáng)度，達(dá)成全彩的變色效果（可變色溫），并可由LED波長(zhǎng)及強(qiáng)度的選擇得到較佳的演色性。與滑動(dòng)變阻器串聯(lián)的電阻主要是用來(lái)控制LED燈兩端電壓，防止滑動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)流和短路。具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻

14、與負(fù)溫度特性的LED串聯(lián)，組成一個(gè)溫度系數(shù)極小電阻型負(fù)載。一旦工作電壓確定后，串聯(lián)回路中的電流，將 不會(huì)隨溫度變化而變化，通俗地說(shuō)，當(dāng)LED隨溫度升高電流增加時(shí)，熱敏電阻也隨溫度升高，電阻變大，阻止了回路電流上升，當(dāng)LED隨溫度下降，電流減小 時(shí)，熱敏電阻也隨溫度下降電阻變小，阻止了回路電流的減少。如匹配得當(dāng)，當(dāng)環(huán)境溫度在-4085范圍內(nèi)變化時(shí)，LED的最佳工作電流不會(huì)明顯變化， 見(jiàn)下圖電流曲線。（串入熱敏電阻的電流曲線，與沒(méi)有串入熱敏電阻的電流曲線對(duì)照?qǐng)D）從圖一可以看到，采用熱敏電阻溫度補(bǔ)償方法與集成電路等元件組成 的恒流源相比，有著異曲同工之處，但最大的差異是用一種元件就解決了LED的恒流

15、問(wèn)題，其價(jià)格、體積、壽命等優(yōu)勢(shì)也不言而喻。四、參數(shù)計(jì)算1.電源變換電路部分各元件的參數(shù)如下（見(jiàn)圖6）：變壓器變壓比： v1:v2 =10:1電容： C1 = 2000 F電源變換電路部分各元件參數(shù)如下圖所示： 參數(shù)計(jì)算：當(dāng)電源電壓v1為220V時(shí)，V2 = 220 /10 = 22 V當(dāng)電源電壓在90240V之間變化時(shí)：v2min = 9 V v2max = 24 V設(shè)經(jīng)過(guò)濾波后VI = 1.2V2，則： VImin = 9 * 1.2 = 10.8 V8 V VImax = 24 * 1.2 = 28.8 V40 V78LM24固定式三端集成穩(wěn)壓器工作在允許的范圍內(nèi)，變壓比是合適的2.直流穩(wěn)

16、壓電路部分：各元件的參數(shù)如下（見(jiàn)圖5）：電阻： R1=370 Rp=55 R2=300 電容：C2=1000F穩(wěn)壓電路部分各參數(shù)如下圖所示：參數(shù)計(jì)算：當(dāng)Rp在最上端時(shí)，Vomin=(370+55+300)*24/(370+55)=40.94 VRp在最下端時(shí)，Vomax=(370+55+300)*24/370=47.03V3 、LED負(fù)載部分 各元件參數(shù)如下：（見(jiàn)圖六）（1）電阻熱敏電阻R=150 熱敏電阻正常工作電壓為 3 V.R3=275 ;R4=325 R4p=325 R5=R6=425 R5p=R6p=425 （2）LED元件的參數(shù)如下： 白燈，綠燈，藍(lán)燈正常正向工作電壓VF：3.03

17、.5 V 紅燈正常正向工作電壓VF：2.02.5 V正常工作電流IF：20 mA參數(shù)計(jì)算：LED負(fù)載電路一共使用的68只LED燈，采用并聯(lián)再串聯(lián)進(jìn)行工作，： 正常工作總電壓為： Vomin = 2.0*5+3+（3.0*4+3）*2 = 41 V Vomax = 2.5*5+3+（3.5*4+3）*2 =47 V 白燈部分電壓 V白=Vo=41V47V; 彩燈部分電壓： V紅=11V13V； V藍(lán)=V綠=15V17V；正好在輸出穩(wěn)壓的可調(diào)范圍之內(nèi)，這樣既保證了負(fù)載的正常工作，又實(shí)現(xiàn)了LED燈的可調(diào)光功能，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)彩燈部分的滑動(dòng)變阻器根據(jù)三基色原理調(diào)節(jié)燈的色彩。設(shè)LED燈在正常工作時(shí)的工作

18、電流變化不大,為20 mA，容易計(jì)算出電流為I1min=40+80+20=120mA;I1max=40+80+40=140mA;同樣可以計(jì)算出燈的穩(wěn)定工作電功率 Pmin=48*0.02*3.0+20*0.02*2.0=3.68 W;Pmax=48*0.02*3.5+20*0.02*2.5=4.36 W; 輸出功率在3W5W之間，且恒流輸出，符合要求。 LED負(fù)載部分各參數(shù)如圖六所示五、設(shè)計(jì)總結(jié)1.設(shè)計(jì)小結(jié)led因其具有極低的功耗，而具有較高的亮度，高效節(jié)能。其超常的壽命，具有極高的性價(jià)比。無(wú)輻射，綠色環(huán)保，保護(hù)視力，安全系數(shù)高，市場(chǎng)潛力大，而有的國(guó)家已經(jīng)明確了將現(xiàn)有的照明設(shè)備更換成led的時(shí)

19、間。所以，led 被譽(yù)為二十一世紀(jì)最環(huán)保的光源。本實(shí)驗(yàn),我們led負(fù)載部分有三個(gè)大的部分,每個(gè)部分均有一個(gè)調(diào)節(jié)的滑動(dòng)變阻器,滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)各部分led的亮度,顏色.由于引進(jìn)了熱敏電阻,使路端電壓不會(huì)因?yàn)閘ed燈的發(fā)熱而使電阻發(fā)生多大的改變.這也是本設(shè)計(jì)的一個(gè)獨(dú)到之處. 根據(jù)實(shí)際計(jì)算,我們得知,實(shí)際的負(fù)載部分我們需要的電壓范圍實(shí)在41v-47v。根據(jù)這個(gè)電壓我們?cè)O(shè)計(jì)了由三端穩(wěn)壓電路控制的穩(wěn)定電壓輸出，我們使用的是穩(wěn)定的24V電壓輸出，通過(guò)電壓跟隨器以及R1,R2,Rp,我們能通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rp的值，從而達(dá)到控制輸出電壓的值?；瑒?dòng)觸頭打到最上面，得到的輸出電壓最大，觸頭打到最下面，得到的電

20、壓最小。從而在整體上控制三大塊led燈的亮度。這個(gè)觸頭是一個(gè)關(guān)鍵所在。為了能夠正常使用三端穩(wěn)壓控制器，必然需要我們控制其輸入電壓的大小。 所以我們使用了電感線圈降壓,并使用整流電路整流。從而完成設(shè)計(jì)要求。2.、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià) 通過(guò)以上的分析可知本設(shè)計(jì)完成了以下要求： 由交流220V，50Hz的電源供電，并且當(dāng)交流電壓在90240V范圍內(nèi)變化時(shí)，保證恒流輸出，在一定范圍內(nèi)，LED燈輸出功率基本不變，且燈的亮度穩(wěn)定。 燈的電功率在3.684.36W之間，且LED各支路輸出電流基本不變，實(shí)現(xiàn)了恒流供電，亮度穩(wěn)定。 燈的亮度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，當(dāng)有一只LED燈損壞時(shí)對(duì)整個(gè)節(jié)能燈產(chǎn)生的影響很小，具有保護(hù)功能。彩燈部分，根據(jù)三基色原理，通過(guò)調(diào)節(jié)三種彩燈的亮度，可