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文檔簡介
1、東 莞 理 工 學 院本 科 畢 業(yè) 設 計畢業(yè)設計題目:基于光學軟件設計的太陽能LED路燈學生姓名: 學 號:系 別:電子工程系專業(yè)班級:光信息科學與技術1班 指導教師姓名及職稱: 起止時間:2008年3月 2008年6月摘 要本文講述了太陽能LED路燈的現(xiàn)狀和應用前景,探討研究一款用鋰電池蓄電,能實時控制的新型太陽能LED路燈。簡述了太陽能電池組件、鋰電池組件、充放電和照明控制器等部件的知識及其設計方案。著重研究LED的原理和知識,LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展概況,LED熱結構設計分析,LED驅(qū)動設計,并對LED驅(qū)動數(shù)據(jù)進行計算討論。還探討用新型的FRED光學軟件來設計LED和分析道路照明特性,并
2、用FRED分析路燈性能和價值。最后,討論了太陽能LED路燈的突出優(yōu)勢及其經(jīng)濟和社會效益,表明它將會是二十一世紀廣泛應用的綠色照明產(chǎn)品。關鍵詞 太陽能 鋰電池 充放電路 控制器 照明系統(tǒng) LED FREDAbstractThis paper presented the actuality and the future of solar LED street lamp. It probed into investigation of a new solar LED street lamp that energized by a lithium battery and can be real-tim
3、e controlled. It simply summarized the knowledge and design of solar cells module, lithium battery module, charge-discharge circuit and lighting controller. It mainly studied the principle and knowledge of LED, the development of LED lighting, the design and analyse of LED thermal structure, the des
4、ign of LED driver. And then counting and discussing the dater of driver. Further more, it probed the LED designed and the lighting of street analyzed by the new optical software of FRED, and analyzing the capability and value of the street lamp through FRED. Finally, the paper discussed the solar LE
5、D street lamp with its advantages and good economic and social benefits. It indicated that it will be widely used for the green lighting products in the 21st century. Key words:Solar energy; Lithium batteries; Charge-discharge circuit; controller; lighting system; LED; FRED目 錄1引言.12總體方案的設計及原理. 12.1
6、總體方案設計. . 13太陽能LED路燈部件設計. 23.1太陽能電池組件.23.2蓄電池組件. .43.3充放電及照明控制器. . 64LED技術與應用. 84.1 LED的發(fā)展前景及優(yōu)勢. . 84.2 LED基本結構與發(fā)光原理. . 95LED燈具設計. 125.1 LED燈選擇. 125.2 LED驅(qū)動電路設計. 135.3 LED燈體熱結構分析設計. 186光學軟件介紹與選擇. . 206.1 光學軟件. 206.2 FRED軟件介紹. .206.3 FRED軟件功能特性和應用領域. 207照明系統(tǒng)分析. . 217.1 FRED軟件分析LED照明. 217.2 LED燈具整體設計.
7、 258 太陽能LED路燈照明可行性分析. 298.1 太陽能LED路燈的優(yōu)勢.298.2 太陽能LED路燈成本估算. 308.3 太陽能LED路燈產(chǎn)業(yè)化分析. .309總結. . 32附錄.33參考文獻.42致謝.431引言當煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急時,對環(huán)境造成的危害也日益突出,同時全球還有20億人得不到正常的能源供應,能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。這個時候,全世界都把目光投向了清潔的可再生能源太陽能,希望太陽能能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y構,維持長遠的可持續(xù)發(fā)展,越來越多的國家開始實行“陽光計劃”,開發(fā)太陽能資源,尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。在照明光源領域里,人們也在不斷尋找,而
8、LED,即發(fā)光二極管,是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導體。與傳統(tǒng)光源不同,LED采用電場發(fā)光和低壓供電。它具有壽命長、光效高、光色純、穩(wěn)定性高、安全性好、無輻射、低功耗、抗震、耐擊打等一系列優(yōu)點,被譽為21世紀新固體光源時代的革命性技術。近年來,隨著太陽能發(fā)電和LED照明產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,各種路燈新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。在照明燈具中,作為技術和藝術相結合的太陽能LED路燈,開始在世界各地推廣應用。太陽能LED路燈具有很多優(yōu)點:安全可靠,維護方便;不需要常規(guī)能源,不污染環(huán)境;可以根據(jù)需要隨處安裝,不用連接公共電網(wǎng),因此安裝時不必挖掘路面或草地,無須開溝埋設電纜。為適應能源開發(fā)和環(huán)境保護的需求, 無污染的
9、可再生能源越來越受到人們的重視,而太陽能發(fā)電技術和LED照明的推廣,國內(nèi)外還處于積極的探索中,而且大規(guī)模的太陽能發(fā)電并網(wǎng)應用短期內(nèi)還難以實現(xiàn), 但小系統(tǒng)戶用電源已有一定的用戶市場。近年來太陽能LED路燈,庭院燈,草坪燈和景觀燈等的市場發(fā)展較快,據(jù)相關資料顯示,這方面的市場還將持續(xù)較長的增長過程1。為了響應持續(xù)發(fā)展的號召,太陽能充裕的廣東省,2004年決定在廣州和深圳兩試點推廣應用太陽能技術;2007年又發(fā)出通知,可能強制符合條件的民居安裝太陽能裝置。當前廣東在應用太陽能熱水器和太陽能路燈已有了一定雛形,在廣州、深圳、珠海和東莞已經(jīng)應用了太陽能路燈或者LED路燈。為緩解用電需求快速增長與電力供應
10、緊張的矛盾,東莞市將出臺關于實施東莞市路燈節(jié)電改造工程的意見,爭取三年內(nèi)完成全市路燈的半導體照明(LED)技術改造,新安裝路燈原則上要采用LED路燈;逐步向黨政機關、事業(yè)單位推廣。按照城市照明高效、節(jié)能、環(huán)保、安全的指導原則,通過政府推動、整體規(guī)劃、試點先行、逐步鋪開的方式,東莞爭取三年內(nèi)完成全市路燈(含公園廣場照明燈、園林綠地景觀燈等)的LED照明改造,新安裝的路燈原則上都要采用LED路燈;逐步推廣黨政機關、事業(yè)單位照明燈LED改造,鼓勵住宅小區(qū)、企業(yè)使用LED照明燈。以此為契機,對太陽能LED路燈進行探索性的研究,用投入生產(chǎn)和市場價值的眼光分析,對當前技術和發(fā)展進行一系列的調(diào)查和分析,制作
11、一款較大功率照明的太陽能LED路燈,對充放電控制電路和LED控制電路,以及LED驅(qū)動電路、LED燈具的進行設計與制作,設計出具有實時控制,全自動的照明系統(tǒng),并用光學軟件對照明特性進行模擬分析,分析其性能和可行性,再分析其性能指標和應用價值。2總體方案的設計及原理2.1總體方案設計2.1.1太陽能LED路燈原理圖1 太陽能LED路燈原理Fig.1 the principle of solar LED street lamp如圖1所示,白天,太陽能電池板根據(jù)光伏效應原理將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,其電流經(jīng)過充放電控制系統(tǒng)給蓄電池充電。充電到一定程度時,控制器內(nèi)的自動保護系統(tǒng)動作,切斷充電電源;晚間,單片機
12、根據(jù)時間和電壓等參數(shù)的控制(也可以利用光敏電阻等做開關作用),啟動控制器,蓄電池經(jīng)過自動控制照明系統(tǒng),給LED燈供電,使LED能夠按時間長短,明暗程度和全、半功率等情況進行照明;凌晨,同樣單片機又啟動控制器,切斷照明燈電源,重新開始進行轉(zhuǎn)化太陽能為電能的工作,如此循環(huán)工作,實現(xiàn)全自動化,智能化。2.1.2太陽能LED路燈綜合設計太陽能電池組件:采用17W一塊的多晶硅電池板,峰值電壓,電流值。用于太陽能與電能的轉(zhuǎn)換,并作為蓄電池充電的電源。蓄電池組件及控制器:采用4節(jié)(峰值電壓約為16.8V)組成的鋰電池組件進行蓄電,對于其充電、放電以及保護的集成電路,則采用STC89C52單片機系統(tǒng),以及PW
13、M脈沖調(diào)制控制的保護技術,利用控制輸出波形的占空比,通過開關管的導通與閉合來控制充放電,達到了快充,平穩(wěn)充電,并且過充,過放保護有良好的保證。利用單片機的定時功能可以控制照明燈亮燈的時間,照明控制亮與滅,以及照明時間,則是利用單片機對照明燈的控制腳的改變,來控制燈的開與關,并且編程序來對燈的照明進行定時,合理設置其照明時間;另外還加有光敏電阻的配合控制白光與晚上的亮暗程度,從在整體上照明控制穩(wěn)定性能得到提高2。LED驅(qū)動電路設計:設計一個32W的LED燈具,用鋰電池對燈具供電時,需設計成合適的電流和電壓供給LED燈,本方案采用臺灣MACROBLOCK公司生產(chǎn)的LED 驅(qū)動芯片MBI1802來驅(qū)
14、動,此芯片功能齊全,效率高,并提供過溫保護的功能,性能穩(wěn)定。FRED光學軟件分析:用功能強大的FRED光學軟件對單個LED的發(fā)光特性進行分析,其中包括照度,強度,色度等光學特性的分析;并對由32個LED組成的路燈進行路面照明的分析。3.太陽能LED路燈部件設計太陽能LED路燈主要由太陽能電池板、蓄電池、充放電集成控制電路、LED燈照明控制,LED燈具等部件組成3。下面對各部件進行知識和功能的介紹,構思和設計的分析。3.1太陽能電池組件3.1.1太陽能電池分類(1)硅太陽能電池;(2)以無機鹽如:砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅、銦、硒等多元化合物為材料的電池;(3)功能高分子材料制備的太陽能
15、電池;(4)納米晶太陽能電池等。硅太陽能電池技術相對較成熟,半導體材料的禁帶不是太寬,光電轉(zhuǎn)換率較高,材料本身不造成污染,所以硅是目前最理想的太陽能電池材料。以其他材料為基礎的太陽能電池也正在研制和發(fā)展過程中。目前,太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率一般在百分之十幾以上,個別發(fā)達國家的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換率已經(jīng)可以達到30左右。3.1.2硅太陽能電池單晶硅電池:目前,單晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換率最高(20左右),技術最為成熟,但由于單晶硅材料價格過高,制造工藝繁瑣,造成單晶硅成本價格居高不下,成為發(fā)展單晶硅太陽能電池的一大障礙,現(xiàn)在正在逐漸被多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池等取代。單晶硅太陽能電池在
16、道路照明、交通信號等室外照明中的應用較為普遍,光電轉(zhuǎn)換率為11%24%,使用年限較長。多晶硅電池:多晶硅薄膜電池由于所使用的硅比單晶硅少很多,不存在效率衰退等問題,而且有可能在廉價襯底材料上制備。多晶硅薄膜太陽能電池的成本遠低于單晶硅電池,光電轉(zhuǎn)換率近,高于非晶硅薄膜電池。因此,多晶硅薄膜電池將有望成為太陽能電池的主導產(chǎn)品。多晶硅太陽能電池在室外照明中的應用將越來越廣泛。本系統(tǒng)使用的就是多晶硅太陽能電池板,如圖2: 圖2 多晶硅太陽能電池板Fig.2 solar cells module of polycrystalline silicon非晶硅電池:非晶硅薄膜太陽能電池制作簡單,成本較低,便
17、于大規(guī)模生產(chǎn),普遍受到人們的重視并得以迅速的發(fā)展,光電轉(zhuǎn)換率在14.5%以上,但穩(wěn)定性較差。提高轉(zhuǎn)換率和穩(wěn)定性是非晶硅薄膜太陽能電池的發(fā)展方向。目前,非晶硅電池在低功率電力系統(tǒng)中應用較多。3.1.3 太陽能電池光伏發(fā)電原理圖3 太陽能電池光伏發(fā)電原理Fig.3 principle of generate electricity in solar cell太陽能電池光伏發(fā)電是指太陽的輻射能光子通過半導體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程,通常叫做“光生伏打效應”(簡稱光伏效應),太陽能電池板是利用這種效應制成的。 當太陽光照射到半導體上時,其中一部分被表面反射掉,其余部分被半導體吸收或透過。被吸收的光,當然有
18、一些變成熱,另一些光子則同組成半導體的原子價電子碰撞,于是產(chǎn)生電子空穴對。這樣,光能就以產(chǎn)生電子空穴對的形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋H绻雽w內(nèi)存在PN結,則在P型和N型交界面兩邊形成勢壘電場,能將電子驅(qū)向N區(qū),空穴驅(qū)向P區(qū),從而使得N區(qū)有過剩的電子,P區(qū)有過剩的空穴,在PN結附近形成與勢壘電場方向相反光的生電場。光生電場的一部分除抵銷勢壘電場外,還使P型層帶正電,N型層帶負電,在N區(qū)與P區(qū)之間的薄層產(chǎn)生所謂光生伏打電動勢。若分別在P型層和N型層焊上金屬引線,接通負載,則外電路便有電流通過。如此形成的一個個電池元件,把它們串聯(lián)、并聯(lián)起來,就能產(chǎn)生一定的電壓和電流,從而輸出電功率4。3.2蓄電池組件3.2.
19、1蓄電池選擇太陽能路燈各種各樣,市場上和實驗階段的產(chǎn)品,大多數(shù)是利用鉛酸電池等來做蓄電池,很少用鋰電池來做蓄電池的,當然這里的主要因素是鉛酸電池的技術比較成熟,并且對充放電流要求沒鋰電池那么嚴格等。但是,由于技術的發(fā)展和市場的需要,鋰電池越來越廣泛地應用起來了,并且技術、設計等各方面都趨于成熟,而鋰電池比鉛酸電池等常用的蓄電池相比,具有容量大,壽命長,體積小,充電時間短等優(yōu)勢,并且在照明供電上不需要啟動大電流等不穩(wěn)定因素,因此本模型嘗試用鋰電池來做蓄電池供電,有一定的價值和優(yōu)勢的?,F(xiàn)在市場上的太陽能路燈使用的一般是鉛酸電池,而近年來,鋰電池的發(fā)展越來越快,應用越來越廣,與鉛酸電池相比,同大小的
20、重量小36倍,同容量的體積小23倍,同容量的充電時間短24倍;并且具有的自放電率小,電壓高,工作溫度范圍寬,能量高等特點都比較優(yōu)于鉛酸電池,另外基本沒有污染,而鉛酸電池則有鉛等重金屬的致命污染,以下表1是兩者具體的性能指標比較:表1 鉛酸電池和鋰電池的性價比5Tab.1 Lead-acid batteries and lithium batteries cost-effective性能鉛酸電池鋰電池能量/Whkg3235130能量密度/WhL90170功率/Wkg130300循環(huán)壽命/次50010001600平均電壓/V23. 6/3.7電壓范圍/V1. 72. 43. 24. 2自放電率/%
21、月469有無記憶較小無有無污染有無鋰電池相對鉛酸電池來說,具有諸多優(yōu)點,當然它有兩點常見的不足也可以分析下。一是充放電技術高,安全性能沒那么穩(wěn)定;二是價格高。但由于太陽能路燈不像電動車那樣需要大電流啟動,因此在技術上的要求,在現(xiàn)有的設計上是有能力解決的,因此成本方面也不會太懸殊。由此看來,利用鋰電池做太陽能路燈的供電能源,只要懸接好與太陽能電池板和LED燈具之間的充放電控制,那么在技術上看用鋰電池蓄電的太陽能路燈是可行的,前景也是可見的。3.2.2 鋰電池基本知識對于鋰電池我們一般比較關注它的充放電過程,但是對于鋰電池內(nèi)部的特性和一些基礎知識是有必要了解的。下面簡單介紹下鋰電池的幾個指標知識:
22、倍率C:用來表示電池充放電時電流大小的比率。如1200mAh的電池,0.2C表示240mA(1200mAh的0.2倍率)。充放電效率也與C(倍率)相關。 0.2C電流放電基本能夠達到95%100%放電率。充電電流在0.1C0.2C之間時,我們稱為慢速充電;充電電流大于0.2C,小于0.8C則是快速充電。額定容量:指電池在充滿電后,空載狀態(tài)下放電至截止電壓時,所能釋放出的電能量,一般以mAh(1Ah = 1000mAh)符號來表示。容量計算:容量由于充放電是在一定的C-倍率條件下進行的,因此電池的容量與C-倍率直接相關。電池的額定容量是指0.2C條件下測試得到的電容量。C-倍率越大,電池的放電率
23、越小。充(放)電容量(mAh)=充(放)電電流充(放)電時間開路電壓:指電池在無負載的情況下,電池正負極之間的電壓。開路電壓與電池的剩余能量有一定的聯(lián)系。一節(jié)鋰電池的標稱電壓是3.6V,充滿后電壓是4.2V,其標準速率放電(一般0.2C)鋰電池的放電平臺一般是在3.7V。由于鋰電池的充電特性。充電過程一般分為三個過程:低壓涓流充電階段:鋰電池一般在過度放電之后,電壓會下降到3.0V以下。在這個階段,只能通過涓涓細流緩慢的對鋰電池充電,是鋰電池內(nèi)部的電介質(zhì)慢慢的恢復到正常狀態(tài)。恒流充電階段:在經(jīng)過了涓流充電階段后,可以用較大的充電電流,以此縮短充電時間。恒壓涓流充電階段:在鋰電池的電容量達到了8
24、5時候(約值),必須再次進入慢充階段。使電壓慢慢上升。最終達到鋰電池的最高電壓4.2V。3.3 充放電及照明控制器3.3.1 太陽能LED路燈控制器設計方案如圖控制器的結構圖,利用單片機(STC89C52),模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC0809),光控電路和LCD顯示等主要模塊組成,對太陽能蓄電池LED燈具的工作過程進行實時,自動地控制和管理。太陽能LED路燈當中的控制部分有:充電電路控制,放電電路控制,照明控制三部分。而太陽能LED路燈的控制器則包含了這三部分,此控制器的功能主要是太陽能電池對蓄電池的儲電控制,蓄電池供電給LED燈具的控制,還有就是照明在時間、功率等方面的控制6。圖4 控制器結構圖Fi
25、g.4 controller structure3.3.2控制器基本原理單片機通過對電池的電壓和充電電流兩個參數(shù)的檢測進行判斷,控制兩個場效應管的開通和關斷,達到各種控制和保護功能。充電放電控制采用的都是PWM脈沖調(diào)制控制保護技術,能夠進行恒壓,恒流等充電階段的控制,其中PWM脈沖調(diào)制就是控制脈沖的占空比,不同占空比的波形是由單片機的定時功能來實現(xiàn)的7。調(diào)整脈沖的占空比,可以控制流過燈的電流,也可以控制燈的開和關,高電平燈就關,低電平燈就開。另外,根據(jù)監(jiān)測出的電池電壓,單片機的定時功能可以控制照明燈亮燈的時間。(1)電池電壓和電流的檢測原理電壓的檢測:利用一個電位器把電池的電壓降低,輸進模數(shù)轉(zhuǎn)
26、換器(ADC0809)的第一個通道中,然后通過單片機(STC89C52)把電壓反推出來再進行顯示。充電電流的檢測:本系統(tǒng)用一個小電阻R(0.05歐姆)來檢測電流,通過把小電阻的兩端的電壓放大幾十倍,把電壓輸進數(shù)模轉(zhuǎn)換器的通道,進行轉(zhuǎn)換成恒定的電流8。(2)鋰電池充放電控制原理 充放電控制采用PWM脈沖調(diào)制控制保護技術,不僅能有效地保護蓄電池,防止過充電現(xiàn)象的發(fā)生,還能快速、平穩(wěn)地為蓄電池充電。PWM控制是控制輸出波形的占空比,周期并不改變,通過開關管的導通與閉合來控制充放電9。鋰電池的充電曲線圖如圖5。蓄電池的電壓低于13V時,單片機輸出一個相應占空比的脈沖,控制三極管通和斷的時間,從而控制場
27、效應管IRFZ44的通和斷,使到充電的電流為0.24A左右,此時處于預充狀態(tài)。蓄電池的電壓高于13V時。單片機輸出一個高電壓(相當于PWM占空比為0),三極管導通,場效應管IRFZ44處于截斷狀態(tài),此時太陽能電池板以最大的電流為蓄電池充電-恒流充電10。當蓄電池實際電壓接近或等于16.8V時,通過控制占空比,也使場效應管IRFZ44實現(xiàn)通斷控制,使充電狀態(tài)處于恒壓浮充狀態(tài)。當電流小于一個值(0.24A)時,單片機就輸出一個低電平,使場效應管IRFZ44完全導通,停止給蓄電池充電。圖5 鋰電池的充電曲線Fig.5 charge curve of lithium batteries(3)LED照明
28、控制圖6 光控開關電路Fig.6 light control switching circuit照明燈的亮和滅的控制原理如圖,當單片機控制照明燈的控制腳輸出高電平(5V)的時候,三極管Q2就會導通,三極管Q2集電極E的電壓變低(約為0V),此時加到場效應管(Q4)柵極的電壓就會變低11,場效應管就截止,流過照明燈的電流減少到0。相反,當單片機控制照明燈的控制腳輸出低電平(0V)的時候,三極管Q2就會截止,三極管Q2集電極E的電壓高,此時加到場效應管(Q4)柵極的電壓也就高,場效應管就導通,流過照明燈的電流大,照明燈打開。根據(jù)監(jiān)測出的電池的電壓。利用單片機的定時功能可以控制照明燈亮燈的時間。我把
29、開燈時間分成5個模式:電池電壓大于16.24V時為模式1;電池電壓大于15.92V時為模式2;電池電壓大于15.68V時為模式3;電池電壓大于15.48V時為模式4;電池電壓小于15.48V時為模式5。具體開燈時間如下:模式1開燈10個小時;模式2開燈8個小時;模式3開燈7個小時;模式4開燈6個小時;模式5開燈4個小時。這樣根據(jù)實際情況來決定開燈時間,可以防止電池過放從而更好地保護蓄電池。提高了系統(tǒng)的可靠性。另外,照明控制還有光控電路來輔助控制,其功能是根據(jù)光的亮暗程度來控制照明。采用了兩個光敏電阻,此目的是達到輔助作用,使控制更準確穩(wěn)定。如圖所示,加在三極管Q5,Q6基極的電壓是由光敏電阻L
30、11和L21分壓而得來的。沒有光照射到光敏電阻時,光敏電阻的阻值會變得很大,接近1M歐姆。此時,光敏電阻上的壓降會很大,加到三極管上的電壓也大,三極管就導通,輸進單片機的是低電平。相反,有光照射到光敏電阻時,光敏電阻的阻值會變小,約為15K歐姆。此時,光敏電阻上的壓降會變小,三極管就截止,輸進單片機的是高電平12。3.3.3控制器功能特色(1)主要功能介紹能夠?qū)崟r地監(jiān)測電壓,電流,這些信息顯示在LCD上;通過改變脈沖的占空比,充電過程能夠符合鋰電池的充電特性;利用光敏電阻能夠準確地判斷白天還是夜晚;能夠根據(jù)電池的電壓來決定晚上開燈的時間;具有過放保護。(2)功能優(yōu)勢利用程序和電路來控制充放電;
31、控制核心是單片機模塊形式,抗干擾能力強,可靠性較高;用液晶屏顯示電池的電壓和充電時的電流;可根據(jù)電池電壓來控制照明時間,可自動設定開燈的時間;功能比較齊全,制作成本低。4LED技術與應用4.1 LED的發(fā)展前景及優(yōu)勢第一批商業(yè)化的LED(注入式電致發(fā)光二極管)出現(xiàn)于1968 年,經(jīng)過40多年的發(fā)展歷程,在技術和生產(chǎn)應用上已經(jīng)取得突飛猛進的效果。目前,發(fā)光二極管的發(fā)光效率已經(jīng)有70lm/w,一些甚至達到100 lm/w,其光強已達到燭光級,輻射光的顏色形成了包含白光的多元化色彩。就發(fā)光二極管的技術潛力和發(fā)展趨勢來看,其發(fā)光效率將達到200lm/w以上,將超過當前光效最高的高強度氣體放電燈,成為世
32、界上最亮的光源。進入能源高消耗時代,全世界開始對LED投以新奇和注意的眼光,把關注的焦點集中到LED這項“照亮未來的技術”以及由此帶來的照明領域的第三次革命上。隨著LED質(zhì)量的提高和制造成本的下降,使LED成為了信息光電子新興產(chǎn)業(yè)中極具影響力的新產(chǎn)品。LED以其獨特的發(fā)光機理和獨特的優(yōu)勢,使其在照明市場的發(fā)展應用成為環(huán)保節(jié)能的新興產(chǎn)品。與白熾鎢絲燈泡及熒光燈相比,LED具有眾多優(yōu)點:體積小(多顆、多種組合)、發(fā)熱量低(沒有熱輻射)、耗電量小(低電壓、低電流起動)、壽命長(1萬小時以上)、反應速度快(可在高頻操作)、節(jié)能(能耗為白熾燈的1/81/10、節(jié)能熒光燈的1/31/2)、環(huán)保(耐震、耐沖
33、擊不易破、廢棄物可回收,沒有污染)、可平面封裝易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品等優(yōu)點,沒有白熾燈泡高耗電、易碎及日光燈廢棄物含汞污染的問題等缺點,是被業(yè)界看好在未來10年內(nèi),成為替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品13。太陽能路燈與普通路燈不同, 它采用太陽電池作為唯一的供電源, 因為目前太陽電池組件的成本還比較高, 所以為了降低系統(tǒng)成本, 必須使用高效的光源。LED 是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導體發(fā)光器件, 近年來LED 技術已經(jīng)有了關鍵的突破, 其性能價格比也有較大的提高, 如表2所示, 與傳統(tǒng)的路燈光源相比LED 光源具有光效率高, 接近白熾燈的兩倍, 壽命長, 可達到10萬小時以上;傳統(tǒng)的光源功耗
34、比較大, 而且大多在高壓下工作, 使用升壓逆變環(huán)節(jié)又降低了能源利用率,而LED 采用低壓直流供電,安全而且光源控制成本低,使調(diào)節(jié)明暗,頻繁開關成為可能。LED與節(jié)能燈相比,前者壽命較長、光效較低;后者壽命較短、光效較高。在不同情況下,要經(jīng)過經(jīng)濟技術比較,從中選擇合適的光源。隨著LED發(fā)光二極管光效的提高,太陽能照明的配套光源將越來越多地使用LED發(fā)光二極管。表2 常用照明光源技術性能14Tab.2 technology and capability of general lighting lamp-house光源種類普通白熾燈鹵鎢燈熒光燈高壓汞燈高壓鈉燈金鹵燈白光LED管形、單端低壓直管形緊湊
35、形功率范圍/W10-150060-500020-754-2005-5550-100035-100035-35000.1-50光效(lm/W)7.5-2514-3060-10044-8732-5564-14052-13050-120平均壽命/Kh1-21.5-28-155-1010-2012-243-10約10顯色指數(shù)Ra95-9970-958030-6023-8560-90約94.2相關色溫/千K2.4-2.92.8-3.32.5-6.55.51.9-2.83-6.53-10啟動穩(wěn)定時間瞬時1-4s10s 4-8s4-10s瞬時閃爍不明顯明顯,高頻管不明顯明顯不明顯電壓變化影響大較大較大大較大
36、較大環(huán)境影響小大較小耐震性能較差較好好較好好好4.2 LED基本結構與發(fā)光原理4.2.1功率型LED結構如圖:功率型LED的結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料,置于一個有引線的架子上,然后四周用環(huán)氧樹脂密封,起到保護內(nèi)部芯線的作用,所以LED的抗震性能好。圖7 LED封裝結構圖Fig.7 LED encapsulation structure如圖所示:LED芯片的基本結構,不同顏色的LED都有不同材料的襯底,然后在襯底上制作氮化鎵(GaN)基的外延片,用兩種有細微差異的材料構成n區(qū)和p區(qū),而n區(qū)和p區(qū)的交界處形成的pn結組成 發(fā)光層,n區(qū)和p區(qū)有兩個電極作為輸入接觸電極,即n型電極和p型電極。圖8
37、 LED芯片基本結構圖15Fig.8 basic structure of LED chip4.2.2 LED 的發(fā)光原理發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片,在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層,稱為p-n結。在半導體材料的PN結中,注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結加反向電壓,少數(shù)載流子難以注入,故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管,通稱LED16。當它處于正向工作狀態(tài)時(即兩端加上正向電壓),電流從LED陽極流向陰極時,半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的強弱與電
38、流有關。LED是由-族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的,其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性,即正向?qū)ǎ聪蚪刂?、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下,電子由N區(qū)注入P區(qū),空穴由P區(qū)注入N區(qū)17-18。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復合而發(fā)光,如圖所示。圖9 LED發(fā)光原理圖16Fig.9 LED irradiance principle假設發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光,或者先被發(fā)光中心捕獲后,再與空穴復合發(fā)光。除了這種發(fā)光復合外,還有些電子被
39、非發(fā)光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲,而后再與空穴復合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光。發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大,光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的,所以光僅在靠近PN結面數(shù)以內(nèi)產(chǎn)生。 理論和實踐證明,光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的禁帶寬度有關,即15-19:式中的單位為電子伏特()。若能產(chǎn)生可見光(波長在380紫光780紅光),半導體材料的應在3.261.63之間。比紅光波長長的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發(fā)光二極管,但其中藍光二極管成本、價格很高,使用不普遍。4.2.3 LED產(chǎn)業(yè)概況目前,半導體照明產(chǎn)業(yè)形成以美國、亞洲、歐洲三大區(qū)域為主
40、導的三足鼎立的產(chǎn)業(yè)分布與競爭格局,美國Cree、Lumileds,日本日亞(Nichia)、豐田合成(Toyoda Gosei),德國Osram等壟斷高端產(chǎn)品市場。五大企業(yè)在產(chǎn)品與市場方面各具特色,日亞化學和豐田合成在LED發(fā)展中占有重要地位,都形成了LED完整的產(chǎn)業(yè)鏈,其中日亞化學1994年第一個生產(chǎn)出藍光芯片,并在專利技術方面具有壟斷優(yōu)勢;Cree、GelCore等都有自己成熟的技術體系,但其在產(chǎn)業(yè)鏈上只集中在外延和芯片的制備上;Lumileds則關注于大功率LED的研發(fā),在白光照明領域?qū)嵙π酆?。國?nèi)幾家優(yōu)秀LED企業(yè),如廈門三安、大連路明、晶能光電、深圳方大、清華同方等,擁有核心設備MO
41、CVD機臺,并可自行研制和生產(chǎn)LED芯片及其生產(chǎn)線等,隨著半導體照明產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,國內(nèi)將會形成具備國際競爭規(guī)模的力量群。全球LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況及經(jīng)濟性分析:LED照明將使全球照明用電減少一半,2008年LED產(chǎn)值即將達到500億美元,發(fā)展LED照明成為全球產(chǎn)業(yè)的焦點。近年來,日亞化工、豐田合成、SONY、佳友電工等企業(yè)已有LED照明產(chǎn)品問世;美國2000年制定的“下一代照明計劃”被列入能源法案,計劃從20002010年,用LED取代55%的白熾燈和熒光燈,美國GE公司和EMCORE公司合作成立新公司,專門開發(fā)白光LED,以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車燈;在德國,歐司朗公司與西門子公
42、司合作開發(fā)LED照明系統(tǒng);我國臺灣地區(qū)也出臺了新世紀照明光源開發(fā)計劃,大力發(fā)展半導體發(fā)光二極管產(chǎn)業(yè)。到2008年,全球LED產(chǎn)值將達到500億美元,LED照明將使全球照明用電減少一半,形成一個潛力巨大,競爭激烈的LED照明產(chǎn)業(yè)無比廣闊的全球市場20。中國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況及前景:突出的節(jié)能效果環(huán)保效益,符合我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略,成為最具發(fā)展前景的高科技技術,具有良好的社會效益和廣闊的市場前景。2006年10月,國家“十一五” 863計劃“半導體照明工程”重大項目正式啟動。發(fā)展LED照明具有良好的社會效益和廣闊的市場前景。預計到2010年,我國半導體照明及相關產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值將達到1500億元。LED照明的
43、應用將為我國節(jié)約用電2000億度。中國主要朝兩個方向著手:發(fā)展新能源與節(jié)能,目標至2010-2012年替代性能源將提供15-30的能源需求,而我國照明所消耗的電能約占電力總消耗量的1/6,如目前國內(nèi)1/3的白熾燈被LED代替,每年就可以為國家節(jié)省一個三峽工程的年發(fā)電量。4.2.4 LED生產(chǎn)工序及競爭分析LED制作工藝流程分為三大部分:制作LED襯底、外延片、pn結電極。首先在襯底上制作氮化鎵(GaN)基的外延片,這個過程主要是在金屬有機物化學氣相沉積(Metalorganic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)外延爐中完成的;準備好制作GaN基外延片所需的材料源
44、和各種高純的氣體之后,按照工藝的要求就可以逐步把外延片做好;接下來是對LED pn結的兩個電極進行加工(此是關鍵工序),并對LED毛片進行減薄、劃片;然后對毛片進行測試和分選,就可以得到所需的LED芯片了。LED產(chǎn)業(yè)鏈是上游磊晶及芯片制作約占LED產(chǎn)品制造成本7成,其發(fā)光顏色與亮度由磊晶材料決定;下游則封裝晶粒,制成各式LED器件與應用產(chǎn)品15。未來的產(chǎn)業(yè)競爭將取決于兩方面,一是技術,這包括提高發(fā)光效率、降低成本的技術,提高器件功率的技術,方向上有現(xiàn)有技術路線的延伸,也有可能出現(xiàn)新的技術路線;也包括獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的工藝技術,如提高可靠性、一致性和壽命,以及外圍如照明系統(tǒng)設計及驅(qū)動芯片設計技術;
45、二是規(guī)模,一方面是由于規(guī)模大可以降低成本,市場議價能力強;另一方面,化合物外延片與集成電路制造用的硅片很大不同在于即使同一片外延上制作出來的芯片性能也可能有較大差別,這對一致性要求比較高的應用領域(典型的如液晶面板背光)而言,一片外延上只有一部分符合要求,但對規(guī)模大的企業(yè)而言,其有多層次的市場結構,可以將不符合某一市場要求的芯片產(chǎn)品調(diào)配至另一市場,公司總的產(chǎn)出效率得到充分提高。5LED燈具設計5.1 LED燈選擇由于太陽能LED路燈是應用在道路上的照明,因此燈具所用的LED必須用高亮的大功率LED才能滿足,經(jīng)過市場調(diào)查,性能分析與測試,以及經(jīng)濟分析,決定購買緯欣(WABCEE1)公司生產(chǎn)的1W
46、白光(6300K7000K)大功率LED,該型號LED工作和性能穩(wěn)定,發(fā)出的光比較自然均勻,連續(xù)性比較好。圖10是LED的實物圖:圖10 白光LED實物圖Fig.10 white LED practicality表3是1W大功率白光LED的出廠參數(shù)值:表3 1W大功率LED參數(shù)(白光)1 W High Power LED Parameters (White) Flux Characteristics 350mA, Tj=25ColorPart NumberLuminous flux V(lm)Radiation PatternMin.Typ.Max.WhiteCLED-WABCEE145505
47、5- Optical Characteristics 350mA, Tj=25ColorPart NumberColor Temperature CCT/dViewingAngleRadiationPatternMin.Typ.Max.WhiteCLED-WABCEE16300K-7000K90Lambertian Electrical Characteristics 350mA,Tj=25ColorPart NumberForward Voltage Vf (V)Thermal Resistance, Junction to Board(/W)RadiationPatternMin.Typ.
48、Max.WhiteCLED-WABCEE13.03.23.420Lambertian5.2 LED驅(qū)動電路設計5.2.1 LED驅(qū)動電路原理LED 是一種半導體產(chǎn)品,需用低壓直流來驅(qū)動。驅(qū)動一般采用兩種方式:恒壓驅(qū)動方式或恒流驅(qū)動方式。恒壓的驅(qū)動方式相對簡單,以前LED光源多采用恒壓方式。LED的電壓和電流近似成指數(shù)關系;LED的電流和它的相對光通量近似成正比關系LED的電壓和它的相對光通量也近似成指數(shù)關系。如果采用恒壓驅(qū)動方式,驅(qū)動電壓輕微的擾動都會造成相對光通量大幅度的改變;而采用恒流方式驅(qū)動的LED受驅(qū)動電流的擾動的影響要小得多21。能提供大功率LED 恒流驅(qū)動的芯片很多,臺灣MACRO
49、BLOCK公司生產(chǎn)的LED 驅(qū)動芯片MBI1802驅(qū)動能力強,效率高,并提供過溫保護的功能。因此,選擇此芯片作為本方案中LED的驅(qū)動芯片。圖11 LED驅(qū)動電路圖Fig.11 LED drive circuitLED燈具是由32個1W的LED組合而成,功率為32W,可以與至少160W的白熾燈媲美。LED燈具利用芯片MBI1082等來控制LED的電壓和電流。如圖5所示,一個MBI1082芯片控制4串2并共8顆的LED,總共是32個LED,即用四個MBI1802芯片控制,而MBI1802芯片是專門為LED定電流的良好驅(qū)動器22。由于1W的白光LED,其額定工作電壓為3.23.4V,額定電流為350
50、mA,因此利用圖3的驅(qū)動電路來控制蓄電池或者市電(轉(zhuǎn)換直流電后)出來的電流電壓在15V左右,電容C用來濾波作用,R1則用來調(diào)節(jié)燈兩端的電壓,也用來控制輸入芯片的電流大小,穩(wěn)壓二極管D則將電壓鉗制在5.1V23,用來供給芯片;同樣用來控制輸出的電流大小,再經(jīng)過芯片引腳的控制,最后輸出的電流大約為350mA。MBI1802將恒流技術應用于照明設計上時,信道間與信道間,甚至芯片與芯片間的電流,差異極小。這是由于通道間的最大電流差異在-3%3%之間,而芯片間的最大電流差異則在-6%6%之間;并且具有不受負載端電壓影響的電流輸出特性,輸出電流的穩(wěn)定性不受LED順向電壓變化而影響。5.2.2 電路數(shù)值計算
51、(1)針對LED的順向電壓作選擇過大的會對IC產(chǎn)生過熱的情形,因此對LED的順向電壓作篩選使LED順向電壓誤差的范圍在0.2V,例如:, (2)選定合適的MBI1802芯片可用一外加電阻,來調(diào)整LED電流(),當決定LED電流后,可利用公式算出適合的電阻值。 (1)(3)決定電壓當決定適當?shù)暮?,要能得到一穩(wěn)定電流,則IC的輸出端電壓需維持在轉(zhuǎn)折電壓以上,如圖12,表示MBI1802在不同下其LED電流與輸出電壓的關系,則可在圖中找出不同電流下所需的電壓值。圖12 通過不同的電流與輸出電壓的關系Fig.12 current passes through different and output
52、voltage relation(4)決定以上條件決定后,則利用公式算電壓最少需要: (2)其中代表LED順向電壓的最大值,而是LED串聯(lián)的顆數(shù)。如果使用的電壓有限制時,則多出來的電壓就必須由與LED串聯(lián)的電阻來消耗。計算如下: (3) (4)(5)決定,當決定后,嵇納二極管D2的擊穿電壓有公式算得: (5)其中為嵇納二極管的擊穿電壓,為場效應管(集成在MBI1802芯片中)的導通電壓,的建議值為1K。(6)熱耗散IC的溫度主要由IC所消耗的熱耗散造成的,熱耗散越高,溫度就越高;因此經(jīng)過計算來控制其溫度的升高。熱耗散: (6)IC溫度: (7)其中是IC上的溫度,為環(huán)境溫度,為IC封裝的熱阻。
53、下面以本次設計的32個1W白光LED的驅(qū)動電路為例,進行數(shù)值計算和分析,一個MBI1802芯片控制4串2并共8顆LED的連接方式,現(xiàn)定一個LED順向電壓范圍為3.2V3.4V,順向電流為350mA(1)選定由(1)式得知,則選擇的電阻,此時LED電流為。(2)決定由圖6可知,電流在360mA時轉(zhuǎn)折點電壓約為0.6V,則LED電流為346mA時,近似選擇轉(zhuǎn)折點電壓。(3)決定由(2)式可得:,故選定的至少在14.2V以上。(4)值計算由于蓄電池的供電電源工作電壓范圍為15V16.8V,但經(jīng)過控制器后,會有一定的壓降,經(jīng)過測量從控制器出來的電壓在15V左右,因此現(xiàn)設定電源實際供給LED燈具的電壓為15V,則外加兩個電阻以消耗多余的壓降。其電阻值相同,由(3),(4)式算出:電阻電壓:電阻值:故選擇的貼片電阻;電阻功率:故選擇的電阻。(5)選定由MBI1802芯片的數(shù)據(jù)得知當時,則。當時,其近似取,則有:(6)IC溫度由(6)式得:IC熱耗散:由(7)式得IC溫度:其中是在IC的PCB面積為IC尺寸的4倍大時所量得的熱阻。從圖13可以看到芯片溫度與功率耗散的關系:圖13 周圍溫度與功率耗散關系Fig.13 ambient temperature and pow
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