2022年高亮度LED驱动电路设计方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - XINYU UNIVERSITY 毕业设计 论文） 2022 届）题 目 高亮度 LED楼道灯电路设计二级学院机电工程系专 业机电一体化班 级机电一体化 2 班学 号 1001040241 同学姓名刘小琳名师归纳总结 指导教师熊春茹老师第 1 页,共 36 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 目 录摘要 I AbstractII 第一章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 国内外讨论现状及进展趋势 1.3 本文讨论的内容 2 1 其次章 LED 掌握电路设计方案42.1LED 光电特性 4 2.2 LE

2、D 的驱动方式 6 2.3 电源的设计方案8 9 2.4 时间掌握的设计方案 第三章 LED 掌握电路设计 113.1 系统的功能 11 3.2 LED 驱动设计 11 3.3 电源的设计 12 3.4 时间掌握的设计 21 3.5 总体电路设计 27 第四章 总结 29 致谢 30 附录 31参考文献330 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中文摘要摘 要随着信息时代高新技术的飞速进展,人们对准时猎取并显示各类信息的愿望日益剧烈,由此带动了信息传媒的飞速进展,发光二极管 display is one o

3、f the important display information media. LED display technology is integrated optical-electronic, computer and control technologies as a modern technology. As its applications is very wide in industry, agriculture, medicine, and urban lighting. So the design of its driving circuit is very importan

4、t. This paper analyses LED driving mode detailed, give the special design scheme in LED display control system. The whole system is divided in power design section and time control section. Part of the overall system power supply design dime and time control section. 1 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页

5、,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - The power section adopt 5V DC regulated power supply and power design is made of four part such as transforming, filtering, voltage regulating and commutation. Every part has different choice and different choice in circuit get different object and effect. So this pap

6、er analyses detailed in function with every part and the reason of choosing this link mode through circuit simulation and actul. The 555 timer is the main part of time control, Owe to its flexible, powerful, inexpensive that many people like. According to the various peripheral circuits connected to

7、 the monostable trigger component, multi-trigger and multi-harmonic steady-state oscillation in three ways. This design is main adopt multi-steady trigger to get the purpose of timing, the part of timing adopt LED bright or not to display. The whole design get the realization of an timing system and

8、 this system can control the time for LED bright or not. Keywords: LED ,power supply, time control, timing, LED display 2 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1 绪 论1.1 引言如今全世界对LED 讨论已经很成熟了,为什么科学家创造了LED 这种光源呢？LED 相比于热光源有许多优点：体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、牢固耐用、多变幻、高新尖；在城市工业中,城市夜景照

9、明追求的不是亮度,而是艺术的创意设计,小功率的LED 产品应当能够找到他的用武之地；LED 发光角度小,方向性强,可作局部重点照明；问题是要给设计师供应有足够大的挑选范畴,外观上也应有美观的要求；可以肯 定地说, LED 将会在将来引领照明的时尚与新潮；在设施农业中 ,通常所采纳的人工光源是荧光灯与高压钠灯；近年来,随着光电技术的进展 ,发光二极管 LED 的亮度与效率也大幅度提高 中的应用变为可行,特殊对封闭可调控的设施农业环境,使得这种光源在设施农业生产 如植物工厂,组织培育室、植物生长箱等 是一种特别合适的人工光源 .为此,主要介绍了 LED 在设施农业中的应用及进展趋势 1；市景观照明

10、追求的不是亮度,而是艺术的创意设计,LED 产品应当能够找到它的用武之地；发光角度小的 LED 方向性强,可作局部重点照明；在封装材料中添入散射剂可以实现 175 度的发光角适合较大范畴内的照明,问题是目前城市夜景照明中建设单位过于追求高亮度难以给设计师供应足够大的挑选范畴,目前在城市夜景照明工程中常用的 LED 光源主要有：线性发光灯具、装饰草坪灯、景观灯、球泡、水下灯、地面灯具：地埋灯、发光地砖、石灯、利用太阳能电池作为能源的 LED 灯具 2；国际上 LED 的医学应用讨论工作从20 世纪 90 岁月开头, 1993 年美国太空总署NASA ）第一提出LED 生物医学应用讨论；其讨论内容

11、包括：利用LED 照耀舒缓宇航员运动疲惫、处理伤口,用于肿瘤的光动力治疗和排除皮肤炎症、溃疡,促进创伤愈合以及面部嫩肤、除皱、除斑,治疗座疮等等；相继推出LED 医疗应用成果的仍有以色列和英国；通过大量临床实践,各国生物医学界专家一样认为 LED 医疗器械是目前最能替代 He-Ne 激光器进行光疗的器械,在医学应用领域有着极其广泛的开发前景3；故 LED 电路的设计显得尤为重要,没有驱动LED 永久发不了光；每个厂家所用LED 都是一样的,不同之处在于驱动电路的不同,好的驱动电路能使其工作时间更长,发挥更多的作用,节约更多的能源,LED 相比于一般的白炽灯所用电量更少,但能发出同样的光线,使用

12、年限也更长,正由于有各种高性能高质量的电路使得 LED 能发挥其历史性的作用,来为我们照福,为国家照福,为人类照福；1.2 国内外讨论现状及进展趋势1.2.1 国外 LED 电路进呈现状3 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 半导体照明技术的开发讨论引起了全球讨论机构和企业的重视；国外共有近 200家公司参与 GaN器件、材料和设备的开发,近 300所高校和讨论所参与 GaN 的研发；目前,功率型白光 LED 光视效能 发光效率）已经达到 100 lm/W ,讨论水平达到 160 lm/W ；经过技术进展和

13、市场竞争,世界主要LED 厂商已经形成各自的技术特色；日本日亚化学处于全球技术领先水平,垄断高端白色、蓝、绿色 LED 的市场,丰田合成在白光 LED 及车灯照明技术开发据国际前端；美国 Cree的碳化硅衬底生长 GaN 外延片国际领先,传统照明巨头 Philips 肯定控股的美国 Lumileds 功率型白光 LED 国际领先；传统照明巨头 Osram 欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型 LED 封装和车用LED 灯具开发国际领先 4；1.2.2 国内 LED 电路进呈现状国内的外延片生长技术主要源于美国、基本上是进口美国的有机金属化学气相沉淀MOCVD ）装备,这些装备在美国就不是一流

14、的装备,在整个 LED 产业外延片的生长、芯片、芯片封装 3 个环节中,外延片生长投资要占到 70%,外延片成本要占到封装成成品的 70%,同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏,简洁的说,外延片的水平打算了整个 LED 产业水平,国内近几年也间续引进了 50 多台 MOCVD 装备,均处理大生产工艺摸索阶段,一旦工艺成熟,就会上 市场需求巨大；10 倍地增大装备数量形成规模生产,国家 “ 863”方案和信息产业进展基金准时支持了国产外延设备如液相外延炉和MOCVD 设备的研发 式： 2-1 其中V代表二级管两端的电压, R代表限流电阻, I 代表通过的电流；5 / 36 名师归纳总结 - -

15、- - - - -第 7 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - +V R 阳极I CED 阴极图 2-1 LED 的工作原理2.1.2 LED光源特点1电压： LED使用低压电源,供电电压在6-24V之间,依据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源,特殊适用于公共场所；2效能：消耗能量较同光效的白炽灯削减 80%；3适用性：很小,每个单元LED小片是 3-5mm的正方形,所以可以制备成各种外形的器件,并且适合于易变的环境；4稳固性： 10万小时,光衰为初始的 50%；5响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级,6对环境污染：无有害金属汞；LED灯的响应时间

16、为纳秒级；7颜色：转变电流可以变色,发光二极管便利地通过化学修饰方法,调整材料的 能带结构和带隙,实现红黄绿兰橙多色发光；如小电流时为红色的 LED,随着电流的增 加,可以依次变为橙色,黄色,最终为绿色；8价格： LED的价格比较昂贵,较之于白炽灯,几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当,而通常每组信号灯需由上 300500只二极管构成；2.1.3 LED 的分类我们所说的 LED 学问一个概括的名词,其实随着 LED 在 60 岁月进出商业后,经过几十年的进展已经进展了许多许多种类,其主流的大类有 5 ：1 LED按胶体外形分： 3mm 、4mm 、5mm、8mm 、10mm 、12m

17、m 、方形、椭圆形、墓碑形、仍有一些特殊外形等等；2按胶体颜色分：无色透亮、有色透亮、有色散射、无色散射等；3按颜色分：红色 red）、橙色 orange ）、黄色 yellow ）、黄绿色 green yellow ）、绿色 green ）、 蓝绿色 blue green ）、蓝色 、紫色 pink）、紫外 线uv）、白色 SMD按外形大小分： 0603 、0805 、1210、5060 、1010 等等,一般 smd 都是菱形的,所以其叫法都是依据长*宽的尺寸来叫,行业善用的都是英寸,不是毫M,也有用毫 M 叫的,不如 1608 等；2发光颜色和胶体的种类和 3食人鱼 大功率 按功率分：

18、1w、3w、5w、等等；2按顶部发光透镜分 :平头、聚光、酒杯外形等；3按工艺仍有铝基板的和防 luminous 的；5数码管 按外形分： 1 位、 2 位、 3 位、4 位等等；2表面颜色：灰面黑胶的、也有黑面白胶的等等；3极性：共阴、共阳；4颜色也和 LED 一样可以做许多种类；6点阵 ；晶体管输出特性具有恒流性质；如图 2-4 所示；图2-4 LED 恒流驱动2.2.3 脉冲驱动脉冲驱动方式主要利用人眼视觉暂留现象驱动LED发光,利用该方式驱动 LED可以通过转变驱动频率从而达到转变 LED发光时间以及亮度；2.2.4 扫描驱动扫描驱动通过数字规律电路,使如干 如图2-5 所示；LED器

19、件轮番导通,用以节约掌握驱动电路；9 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图2-5 LED 扫描驱动LED显示屏是将发光灯按行按列布置的,驱动时也就按行按列驱动；在扫描驱动方 式下可以按行扫描,按列掌握：也可以按列扫描,按行掌握；扫描就是指依次循环接 通整行的 LED器件,某一列的 LED器件是否应当点亮,由列掌握电路来负责；依据上述分析,本文由于掌握一个发光二极管,故只用直流驱动,既简洁又实 用,所用元器件少；也可以用滑动变阻器代替定值电阻来调剂 LED的亮度；2.3 电源的设计方案2.3.1 开关电源

20、开关电源主要采纳开关式稳压电路,电路中的调整管工作在开关状态,即调整管 主要工作在饱和导通和截止两种状态；由于管子饱和导通时管压降和截止时管子的电 流都很小,管耗主要发生在状态开于关的状态转换过程中,电源效率可提高到 75%95%；由于省去了电源变变压器和调整管的散热装置,所以其体积小、重量轻；它的 主要缺点是输出电压中所含纹波较大,对电子装备的干扰较大,而且电路比较复杂,对元器件要求较高；但由于工艺已经成熟,而优点又突出,已成为宇航、运算机、通 信、家用电器和功率较大的电子设备中电源的主流,应用日趋广泛【7】；2.3.2 线性电源线性电源主要采纳串联反馈式稳压电路,由于调整管工作在线性放大区

21、,因此在 负载电流较大时,调整管的集电极损耗先当大,电源效率较低,一般为 40% 60%,有时仍要配备巨大的散热装置；但其电路结构简洁,输出电压中所含纹波较小,所以 广泛应用于小信号、小功率电路中；2.3.3 比较与选取从上面对两种电源的分析并结合本次设计的要求,打算选用线性电源；理由如 下：1输出电压方面 开关电源输出电压纹波较大,线性电源较小；而本次设计是对 LED 和 555 供应电 源,这些小型的器件对电压的稳固性要求较高,故挑选线性电源；2电路整体方面 开关电源整体电路复杂,对元器件要求高,线性电源就相反；依据本次设计属于 简洁的定时电路；电路相对简洁,应选取线性电源；3电源转换效率

22、方面 开关电源转换效率高,功耗小,线性电源转换效率低,功耗高；但是由于 LED 的 特性可知,其需要的电流很低,所以也不需要大功率的电源,线性电源足以；所以综上所述,挑选线性电源；在设计过程中困难在于变压、整流、滤波、稳压这 4 个部分的选取和链接以及完成后对电路的仿真；10 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2.4 时间掌握的设计方案2.4.1 用555定时器组成的施密特触发器其功能主要是将输入任何波形转变为矩形波,由正、负阈值电压打算高低电平；可用于滤波电路,滤除噪声等等干扰；2.4.2 用555定

23、时器组成的单稳态触发器其功能是用作失落脉冲检测,或对电机转速或人体的心律进行监视,假如转速不 稳或人体的心律不齐时,输出低电平可用作报警信号；假如将单稳态电路的电压掌握端加入一个变化的电压,当掌握电压上升时,电路 的阈值电压上升,输出的脉冲宽度随之增加；而当掌握电压降低时,电路的阈值电压 也降低,单稳的输出脉宽就随之减小；假如加入的掌握电压是三角波,就在单稳的输 出端便可得到一串随掌握电压变化的脉宽调制波形；可用该电路作为定时电路【8】；用555定时器组成的多谐振荡器 2.4.3 其功能是产生多谐振荡,每隔一段时间就有电平触发,其占空比是依据外围 RC元 件的参数打算的,时间主要由电容的冲放电

24、时间打算；因此转变 RC的参数就可以转变 触发时间；假如将电阻用滑动变阻器代替,就可实现频率可调的驱动电路；综上所述,结合本次设计要求应当挑选555定时器组成的多谐振荡器和单稳态触发器；其优点在于比较器的灵敏度高、输出驱动电流大、功能活,在电子电路中获得广 泛应用；但是挑选该电路存在一个问题,就是定时时间不能太长,而且时间精度不 高；不适于那些精密仪器的定时；当然,可以将做好后的电路通过精密的仪器测量其 定时时间,也就是测量其触发电平常间间隔；也可以用示波器观看输出波形来运算时 间；第三章 LED 掌握电路设计2.2 系统的功能系统的总体结构如图 3-1所示,在该系统中以 5V直流稳压电源为各

25、器件供应电源,采纳555定时器定时功能和波形产生功能驱动 频率,达到定时预报的功能；LED 发光；该系统可掌握 LED发光时间及11 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电源电路 定时电路脉 冲 波 形 LED 显示产生电路图3-1 系统总体结构图2.3 LED驱动设计3.2.1 LED 脉冲驱动脉冲驱动方式,采纳向 LED器件重复通断供电的方法使之点燃就是利用人眼的视觉暂留特性,采纳这种方式时应当留意两个问题：脉冲电流幅值的确定和重复颇率的挑选；第一,要想获得与直流驱动方式相当的发光强度的话,脉冲驱动电

26、流的平均值Ia 就应当与直流驱动的电流值相同；如图3-2 所示,平均电流 Ia 是瞬时电流 i 的时间积分,对于矩形波来说,其表达式如3-1 式所示： 3-1）其中Ia 代表买中电流的平均值；图3-2 LED 的脉冲驱动 脉冲驱动时,脉冲电流的幅值应当比直流驱动电流大；其次是脉冲重复频率的问 12 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 题,通过视觉暂留特性的分析,己经知道脉冲重复频率必需高于 24Hz,否就会产生闪烁现象；脉冲驱动的主要应用有两个方面扫描驱动和占空比驱动；3.3 电源的设计线性电源 电路分析

27、这一电源变压器降压电路的工作原理是：在开关S1闭合时, 220V沟通市电经 S1 电路中的电源变压器有几组二次绕组,关系到这一电路能输出几组沟通低电压,也关系到对电源电路工作原理的进一步分析分析整流电路等）；上面的电源变压器降压电路中 T1只有二次绕组,所以是最简洁的电源变压器降压电路；其输出波形如 图3-5 所示；13 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图3.4 电源变压器降压电路图3.5 变压后的波形 3.3.2 整流电路整流电路的任务是将沟通电变换成直流电；完成这一任务主要是靠二极管的单向 导电作

28、用,因此二极管是构成整流电路的关键元件；在小功率 工作原理 D1-D4接 电路如图 3-4 所示,图中 R1是要求直流供电的负载电阻,四只整流二极管成电桥的形式,故有桥式整流电路之称；通过负载R1的电流 i1 以及电压 vl 的波形如图3-6 所示；明显它们都是单方向的全波脉动波形；14 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图3-6 输入输出仿真波形图2负载上的直流电压 VL和直流电流 I L的运算用傅立叶级数对图 3.7 中vL的波形进行分解后可得 3-2）式中恒定重量即为负载电压的平均值,因此有 3-

29、3）直流电流为 看出,最低次谐波重量的幅值为,角频率为电源频率的两倍,即 2w；其他沟通重量的角频率为 4w、6w 偶次谐波重量；这些谐波重量总称为纹波,它叠加于直流重量上；常用纹波系数Kr来表示直流输出电压中相对纹波电压的大 小,即 3-5）式中 VLr为谐波电压总的有效值,他表示为 15 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 36 页精选学习资料 - - - - - - - - - 和式3-5 得出桥式整流电路的纹波系数；由于 vL中存在肯定的纹波,故需用滤波电路来滤除纹波电压；3整流元件参数的运算 在桥式整流电路中,二极管是两两轮番导通的,所以流经每个二极管

30、的平均电流 为 3-7 一般电网电压波动范畴为10%.实际上选用的二极管的最大整流电流IDM和最高反向电压 VRM应留有大于 10%的余量；桥式整流电路的特点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承担的最大反向电压 较低,同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供应负载,电源变压器得到了充分 的利用,效率较高；因此这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用；3.3.3 滤波电路 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波,一般由电抗元件组成,如在负载电阻 两端并联电容器 C,或在整流电路输出端与负载间串联电感器 L,以及由电容、电感组 合而成的各种复式滤波电路；常用的结构如图 3-7 所示；a）C形滤波电路b）倒 L形滤波电路16 / 36 名师归纳总结 - - - - - - -第