高效LED節(jié)能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與制作-電氣與信息工程學(xué)院

1、高效高效LED節(jié)能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與制作節(jié)能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)與制作 參賽者：參賽者： 王申良王申良 俞優(yōu)姝俞優(yōu)姝 陳雪陳雪院院 系：系： 電氣與信息工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院 指導(dǎo)老師：李良光指導(dǎo)老師：李良光主講者：主講者： 王申良王申良摘摘 要要由于能源需求失衡、成本增加，加上全球?qū)?shí)現(xiàn)低功耗和由于能源需求失衡、成本增加，加上全球?qū)?shí)現(xiàn)低功耗和高效率技術(shù)的關(guān)注，節(jié)能綠色技術(shù)變得越來(lái)越重要。高效率技術(shù)的關(guān)注，節(jié)能綠色技術(shù)變得越來(lái)越重要。 LED固態(tài)照明固態(tài)照明(solid state lighting, SSL) 是一種環(huán)保技術(shù)，是一種環(huán)保技術(shù)，LED燈體積小，使用壽命長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換效率高，而且功耗相比燈體積小

2、，使用壽命長(zhǎng)，轉(zhuǎn)換效率高，而且功耗相比傳統(tǒng)的白熾燈低傳統(tǒng)的白熾燈低 80% 或或 90%。因此，本文采用。因此，本文采用11個(gè)個(gè)0.5W白色白色LED串聯(lián)，設(shè)計(jì)了一款串聯(lián)，設(shè)計(jì)了一款5W的節(jié)能臺(tái)燈。作品的控制核的節(jié)能臺(tái)燈。作品的控制核心采用心采用UNIY-RODE公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的UC3843集成控制器來(lái)保證集成控制器來(lái)保證LED穩(wěn)定亮度所需的精確電流。穩(wěn)定亮度所需的精確電流。本設(shè)計(jì)的報(bào)告中介紹了照明用本設(shè)計(jì)的報(bào)告中介紹了照明用LED的主要性能指標(biāo)和驅(qū)動(dòng)的主要性能指標(biāo)和驅(qū)動(dòng)方式，給出了系統(tǒng)的硬件電路圖、測(cè)試數(shù)據(jù)與相關(guān)波形。方式，給出了系統(tǒng)的硬件電路圖、測(cè)試數(shù)據(jù)與相關(guān)波形。并提供了樣機(jī)實(shí)物。該

3、款并提供了樣機(jī)實(shí)物。該款LED節(jié)能燈具有強(qiáng)、弱兩檔調(diào)光節(jié)能燈具有強(qiáng)、弱兩檔調(diào)光功能，效率高，經(jīng)樣機(jī)測(cè)試強(qiáng)光（功能，效率高，經(jīng)樣機(jī)測(cè)試強(qiáng)光（5W）時(shí)效率可達(dá)）時(shí)效率可達(dá)93.0%，弱光（弱光（3.5W）時(shí)為）時(shí)為91.5%。本產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)電路稍經(jīng)修改可。本產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)電路稍經(jīng)修改可適應(yīng)于適應(yīng)于3W50W的的LED照明燈，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。照明燈，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。 一、一、LED燈的優(yōu)勢(shì)燈的優(yōu)勢(shì) 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，美國(guó)建筑物總能耗中約有據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，美國(guó)建筑物總能耗中約有30%的能耗源自照明領(lǐng)域，而中國(guó)達(dá)到約的能耗源自照明領(lǐng)域，而中國(guó)達(dá)到約11%至至12%。但。但其中的電能轉(zhuǎn)換效率很低，白熾燈轉(zhuǎn)化效

4、率僅為其中的電能轉(zhuǎn)換效率很低，白熾燈轉(zhuǎn)化效率僅為5%左左右。緊湊型熒光燈右。緊湊型熒光燈(CFL)和線性熒光燈和線性熒光燈(LFL)等節(jié)能燈等節(jié)能燈的能耗大幅度下降的能耗大幅度下降(僅相當(dāng)于白熾燈的僅相當(dāng)于白熾燈的1/5)，但含有劇，但含有劇毒化學(xué)物質(zhì)毒化學(xué)物質(zhì)汞，廢棄物對(duì)環(huán)境有很大的污染。節(jié)汞，廢棄物對(duì)環(huán)境有很大的污染。節(jié)能燈和日光燈還有微波輻射，影響人類的健康。能燈和日光燈還有微波輻射，影響人類的健康。 LED燈的效率很高，可達(dá)燈的效率很高，可達(dá)90%以上。并且是一種以上。并且是一種完全不含汞的全環(huán)保產(chǎn)品，沒(méi)有紫外線輻射，只是其完全不含汞的全環(huán)保產(chǎn)品，沒(méi)有紫外線輻射，只是其驅(qū)動(dòng)電源有極低的

5、微波輻射。驅(qū)動(dòng)電源有極低的微波輻射。LED燈小巧、低壓工作燈小巧、低壓工作并且具有使用壽命長(zhǎng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，正被人們廣泛應(yīng)用并且具有使用壽命長(zhǎng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，正被人們廣泛應(yīng)用到照明領(lǐng)域。到照明領(lǐng)域。 二、二、LED照明發(fā)展前景照明發(fā)展前景 自愛迪生發(fā)明電燈以來(lái)，照明光源從白熾燈到熒光燈管自愛迪生發(fā)明電燈以來(lái)，照明光源從白熾燈到熒光燈管到節(jié)能燈，三次重大突破，改變照明市場(chǎng)，從國(guó)家推廣使用到節(jié)能燈，三次重大突破，改變照明市場(chǎng)，從國(guó)家推廣使用節(jié)能燈到淘汰白熾燈和熒光燈，節(jié)能光源是今后發(fā)展的重點(diǎn)，節(jié)能燈到淘汰白熾燈和熒光燈，節(jié)能光源是今后發(fā)展的重點(diǎn)，是國(guó)家支持鼓勵(lì)、廣大群眾青睞、利國(guó)利民的好產(chǎn)品，是國(guó)家支持鼓

6、勵(lì)、廣大群眾青睞、利國(guó)利民的好產(chǎn)品，LED超級(jí)節(jié)能燈的研發(fā)成功是照明史的第四次轉(zhuǎn)折，未來(lái)的照明超級(jí)節(jié)能燈的研發(fā)成功是照明史的第四次轉(zhuǎn)折，未來(lái)的照明市場(chǎng)必將由市場(chǎng)必將由LED節(jié)能燈主宰。節(jié)能燈主宰。LED照明燈具有巨大節(jié)能作用，照明燈具有巨大節(jié)能作用，每年以每年以50%的速度增長(zhǎng)，將會(huì)取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類的速度增長(zhǎng)，將會(huì)取代傳統(tǒng)光源，從而引發(fā)人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解全球日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。全球正在展開一場(chǎng)搶占全球日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。全球正在展開一場(chǎng)搶占LED市場(chǎng)市場(chǎng)制高點(diǎn)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。我國(guó)于制高點(diǎn)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)。我國(guó)

7、于2003年年6月由科技部組織實(shí)施了月由科技部組織實(shí)施了“國(guó)家國(guó)家LED照明工程照明工程”，至，至2015年，全國(guó)可累計(jì)節(jié)能年，全國(guó)可累計(jì)節(jié)能4000億度，節(jié)約億度，節(jié)約2600億元電費(fèi)支出。億元電費(fèi)支出。30多名院士聯(lián)名向國(guó)務(wù)院多名院士聯(lián)名向國(guó)務(wù)院提交報(bào)告指出：以三峽電站提交報(bào)告指出：以三峽電站5%的投資額投入的投資額投入LED照明的研照明的研發(fā)和生產(chǎn)，推動(dòng)綠色照明，全國(guó)年照明節(jié)電可達(dá)發(fā)和生產(chǎn)，推動(dòng)綠色照明，全國(guó)年照明節(jié)電可達(dá)1000億度，億度，其效果相當(dāng)于再建一座三峽水利發(fā)電站。其效果相當(dāng)于再建一座三峽水利發(fā)電站。 三、三、LED的主要性能指標(biāo)及型號(hào)選擇的主要性能指標(biāo)及型號(hào)選擇 1. LE

8、D的正向極限電流的正向極限電流IF LED的正向極限電流與器件的耗散功率有關(guān)，普通指示的正向極限電流與器件的耗散功率有關(guān)，普通指示燈用小功率燈用小功率LED (0.04-0.08W) ，IF多在多在20mA左右。大功左右。大功率的率的LED ，0.5W LED (IF=150mA)，1W LED (IF=350mA)等。本設(shè)計(jì)采用等。本設(shè)計(jì)采用0.5W 白色白色LED (IF=150mA)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)當(dāng)IF150mA時(shí)，時(shí)，LED的亮度增強(qiáng)已不的亮度增強(qiáng)已不明顯。明顯。 2. LED的標(biāo)稱電壓的標(biāo)稱電壓VF LED的標(biāo)稱電壓是指它的額定正向電壓。它與顏色有關(guān)系：的標(biāo)稱電

9、壓是指它的額定正向電壓。它與顏色有關(guān)系：紅、黃、黃綠的電壓是紅、黃、黃綠的電壓是1.82.4V之間。白、藍(lán)、翠綠的之間。白、藍(lán)、翠綠的電壓是電壓是2.83.6V之間，不同批次的之間，不同批次的LED產(chǎn)品電壓可能會(huì)產(chǎn)品電壓可能會(huì)有一些差異。在外界溫度升高時(shí)，有一些差異。在外界溫度升高時(shí)，VF將略有下降。將略有下降。 3. LED的反向電壓的反向電壓VRM 所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。照明用擊穿損壞。照明用LED的的VRM約約5V。 4. LED發(fā)光角度發(fā)光角度 二極管發(fā)光角度也就是其光線散射角度，要靠二極管生產(chǎn)時(shí)二

10、極管發(fā)光角度也就是其光線散射角度，要靠二極管生產(chǎn)時(shí)加散射劑來(lái)控制。有三大類：加散射劑來(lái)控制。有三大類： （1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。發(fā)光角度且不加散射劑。發(fā)光角度520或更小，具有很高的指向性，或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用使用組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)?？勺骶植空彰鞴庠从茫蚺c光檢出器聯(lián)用使用組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。（2）標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其發(fā)光角度為）標(biāo)準(zhǔn)型。通常作指示燈用，其發(fā)光角度為2045。（3）散射型。這是一種視角較大的指示燈，發(fā)光角度為）散射型。這是一種視角較大

11、的指示燈，發(fā)光角度為45130或更大，加入散射劑的量較大?；蚋?，加入散射劑的量較大。 本作品設(shè)計(jì)的臺(tái)燈是小功率的，故我們采用本作品設(shè)計(jì)的臺(tái)燈是小功率的，故我們采用0.5W的白光草帽頭的白光草帽頭LED，它的，它的IF=150mA，VF=3.0-3.4V，最大反向電壓，最大反向電壓VRM=5V，發(fā)光角度約為發(fā)光角度約為120。四、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及方案選擇四、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及方案選擇 4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)由電源、本系統(tǒng)由電源、LED驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器、LED幾幾部分構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖部分構(gòu)成，其系統(tǒng)框圖如圖4-1所示：所示：圖圖4-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖4.2 LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案驅(qū)動(dòng)

12、設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)的目的是提高電能的利用率，本次設(shè)計(jì)的目的是提高電能的利用率，降低損耗，所因此采用高性能固定頻率電降低損耗，所因此采用高性能固定頻率電流方式低功耗集成開關(guān)電源控制芯片流方式低功耗集成開關(guān)電源控制芯片UC3843，通過(guò)輸出，通過(guò)輸出PWM不斷控制開關(guān)管不斷控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)，改的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制電流的流動(dòng)，改善了由于輸入電壓變化，使得輸出效率變善了由于輸入電壓變化，使得輸出效率變化比較大的問(wèn)題。本驅(qū)動(dòng)電路需要元件少、化比較大的問(wèn)題。本驅(qū)動(dòng)電路需要元件少、效率高?？梢栽趯挼妮斎牖蜉敵龇秶聦?shí)效率高。可以在寬的輸入或輸出范圍下實(shí)現(xiàn)高效率，并且可以直接輸入現(xiàn)

13、高效率，并且可以直接輸入220V交流電。交流電。4.3 控制方法及實(shí)現(xiàn)控制方法及實(shí)現(xiàn) 采用電流控制脈寬調(diào)制，此技術(shù)與傳統(tǒng)的僅有輸采用電流控制脈寬調(diào)制，此技術(shù)與傳統(tǒng)的僅有輸出電壓反饋的出電壓反饋的PWM系統(tǒng)比較增加了一個(gè)電感電流反系統(tǒng)比較增加了一個(gè)電感電流反饋。此反饋?zhàn)鳛轲?。此反饋?zhàn)鳛镻WM的斜坡函數(shù)，就不再需要鋸齒的斜坡函數(shù)，就不再需要鋸齒波發(fā)生器，更重要的是使用電感電流反饋使系統(tǒng)的性波發(fā)生器，更重要的是使用電感電流反饋使系統(tǒng)的性能有了明顯的改善。其優(yōu)點(diǎn)有：能有了明顯的改善。其優(yōu)點(diǎn)有： 使系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)及高速的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)及高速的穩(wěn)定性， 輸出電流精度很高。輸出電流

14、精度很高。 具有內(nèi)在的對(duì)功率開關(guān)管電流的控制及限流能力。具有內(nèi)在的對(duì)功率開關(guān)管電流的控制及限流能力。 具有良好的并聯(lián)運(yùn)行能力。具有良好的并聯(lián)運(yùn)行能力。4.4 LED排列方式排列方式 為了降低驅(qū)動(dòng)的功耗，提高照明效率，為了降低驅(qū)動(dòng)的功耗，提高照明效率，LED 組件應(yīng)該能夠在高電壓、小電流下工作，這就要組件應(yīng)該能夠在高電壓、小電流下工作，這就要串聯(lián)使用串聯(lián)使用LED 。因?yàn)檫@種方式不論正向電壓如何。因?yàn)檫@種方式不論正向電壓如何變化、變化、 輸出電壓如何輸出電壓如何“漂移漂移”，均能提供極佳的，均能提供極佳的電流匹配性能。電流匹配性能。 所以串聯(lián)使用多個(gè)低功率所以串聯(lián)使用多個(gè)低功率LED ，比使用少

15、量功率型比使用少量功率型LED（其內(nèi)部實(shí)際相當(dāng)于許多（其內(nèi)部實(shí)際相當(dāng)于許多路低功率路低功率LED 芯片并聯(lián)而成）更省電。并且當(dāng)多芯片并聯(lián)而成）更省電。并且當(dāng)多個(gè)器件分散布置時(shí)更有利于散熱和降溫，同樣會(huì)個(gè)器件分散布置時(shí)更有利于散熱和降溫，同樣會(huì)提高光效，達(dá)到節(jié)電的目的。提高光效，達(dá)到節(jié)電的目的。4.5 提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案提高效率的方法及實(shí)現(xiàn)方案 1）每一次電壓變換都會(huì)損耗能量，因此盡）每一次電壓變換都會(huì)損耗能量，因此盡可能減少電壓變換的次數(shù)?？赡軠p少電壓變換的次數(shù)。 2）選用功耗低的控制芯片。）選用功耗低的控制芯片。 3）采用效率高、開關(guān)速度快、損耗小的）采用效率高、開關(guān)速度快、損耗小的M

16、OS場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管。五、五、LED節(jié)能臺(tái)燈硬件電路及工作原理節(jié)能臺(tái)燈硬件電路及工作原理LED節(jié)能臺(tái)燈的硬件電路如圖節(jié)能臺(tái)燈的硬件電路如圖5-1所示：所示：圖圖5-1 硬件電路圖硬件電路圖六、測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析六、測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析6.1 測(cè)試儀器測(cè)試儀器 數(shù)字萬(wàn)用表數(shù)字萬(wàn)用表VC9801A+、VC9802A+ 100MHz數(shù)字示波器數(shù)字示波器 JC1102CA 6.2 測(cè)試數(shù)據(jù)記錄及測(cè)試結(jié)果分析測(cè)試數(shù)據(jù)記錄及測(cè)試結(jié)果分析參數(shù)名稱參數(shù)名稱單位單位強(qiáng)強(qiáng) 光光弱弱 光光輸入電壓（交流輸入電壓（交流220V）V232232輸入電流（交流輸入電流（交流220V）mA24.216.8負(fù)載負(fù)載LED總電壓（直流）總電壓（直流）V33.933.2負(fù)載負(fù)載LED電流（直流）電流（直流）mA154107.5輸入總功率（注輸入總功率（注1）W5.613.90輸出（輸出（LED）總功率）總功率W5.223.57電路轉(zhuǎn)換效率電路轉(zhuǎn)換效率93.0%91.5% 表表1：電路各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄：電路各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄注注1：交流輸入功率因數(shù)按：交流輸入功率因數(shù)按1