2022年高功率LED路灯控制器设计方案与制作.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 高功率 LED 路燈掌握器設計與製作組員：何應宏、王智暐、曾雍舜、詹盛傑德霖技術學院機械工程系日四技 0942 指導老師：林柳絮 老師摘要LED 是台灣光電產業中最具競爭力的產品之一,台灣光電產業發展目前建構的最完整項目也應推 LED ,從上游的磊晶片,中游晶粒至下游封裝,國內均有業者投入,其中國聯更是全球第三家開始量產高亮度 LED ；台灣目前已成為全球可見光 LED 下游封裝產品最大供應中心,高亮度LED 也已進入世界排名,全球競爭力大幅提升；台灣在發光二極體產業僅次於日本、美國,排名世界第三；台灣 LED 中下游的晶粒切割、封裝和應用產業

2、結構完整,單位製造成本大幅降低,發光二極體的需求將持續增加,未來前景看好,上游磊晶片的研發、生產也在快速成長中,將具有成為全球第一大 LED 生產國的實力；致謝感謝老師給我們這次機會且指導我們,在我們遇到瓶頸時,給予適時的鼓勵與建議,使我們學到遇到困難就必須努力解決,且對 MCU 與 LED 路燈有更進一步的明白；一、簡介 顯示器及交通號誌燈外,手機螢幕彩色化、手1.1 LED 發展 機閃光燈、照明、LCD 背光源及汽車市場也LED 具有省電、輕巧、壽命長、高耐久 正興起,估計 2003 年全球高亮度 LED 市場模性等特徵,70 岁月開始商業化之後,便快速 達 23 億美元,較 2002年成

3、長達 30 ,而 2004 朝向高輝度、多色化以及高發光效率方向發 年將達 29.46 億美元, 20022022 年年均複合展, 80 岁月陸續出現 GaAsP 高輝度紅光 LED 成長率達 20；另外,亞洲地區已成為全球高與AlGaAs 綠光 LED ,90 岁月則有 AlGaInP 高 亮度 LED 上中下游的主要供應地點,其中台灣輝度紅光、橙色 LED 與GaInN 藍光、綠光 LED 的產能在 2004年將達到每月約 11 億 12 億顆被開發； LED 的用途從早期的警示、廣告為 的水準,成為全球最大的 HB LED 生產基地；主,逐漸轉移到一般照明領域,特别是高亮度 本文將探討

4、LED 的今、明年將有哪些應用市場藍光 LED 的實用化後,使得白光 LED 照明光 的興起,促使國內 LED 廠商的營運能更上層源的發展動向備受歐美日各國的重視；隨著高 樓；亮度 LED 的實用化,不論是由用途或是省能源 1.2 LED 路燈發展的觀點來看,低成本、高效率化、牢靠性、高 儘管 LED 發光效率已普遍提升至可以商品亮度的提升,將是 LED 未來發展的主要方向；化的標準,但是 LED 路燈從去年以來都還是雷光電科技工業協進會 PIDA ）表示,手機彩色 聲大雨點小的狀態；主要缘由仍在於 LED 路燈化應用帶動 2003 年台灣高亮度藍光 LED 晶粒 標準仍未明確的被規範出來,因

5、此相關政府單與白光 SMD 型LED 出貨,而 2004 年除手機背 位在採購上仍無所適從；此外、目前 LED 路燈光源外,汽車、交通號誌等 LED 新應用也正崛 維修費用相較於高壓鈉燈高出數倍,特别是要起中； ITIS 也表示高亮度發光二極體 High 將220W 轉換成 10幾伏特的電壓所需的變壓設Brightness LED ；HB LED ）的應用領域除各種備費用昂扬,也是地方政府單位有疑慮之處；101 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目前路邊所看到的LED 路燈多為示範性質,多光強度以 CD為單位

6、,並配上視角參數,而LE為僅 3.5M 高度,且安裝於捷運周圍,公園或是 D的發光強度從各位數 mCD 到 5,000mCD 不等校園等非主要幹道；廠商在標示 LED 單一產品時,其發光強度規格是說 LED 在20mA 電流下點亮時,正确視角二、LED 工作原理上和中心位置上發光強度最大點的發光強度；2.1 LED 基本原理 2.3 LED 的節能效益LED 是一種可以將電能轉化為光能的電子 零件,並同時具備二極體的特性,也就是具備基於環保立場以及節約能源訴求,全球各 國政府重視 LED 與節能燈具帶來的經濟與節能一正極一負極,LED 最特別的地方在於只有從 效益,而廠商也看好這次照明革命的商

7、機而紛正極通電才是會發光,故一般給予直流電時,紛投入；除了歐盟與美國國會均LED 會穩定地發光,但假如接上沟通電,LED 進行階段性禁止白炙燈泡的使用外,目前已經會呈現閃爍的型態,閃亮的頻率依據輸入沟通 有加拿大宣佈 2022年全面禁用白炙燈泡,而美電的頻率而定；LED 的發光原理是外加電壓,國加州在內的部份州,也要在 2022年禁止白炙讓電子與電洞在半導體內結合後,將能量以光 燈泡,而澳洲則宣的形式釋放；目前全球產業所發展出的不同種 類LED 能夠發出從紅外線到藍之間不同波長的佈在 2022年全面禁止販售白炙燈泡,中國、日 本也有 LED 的獎勵方案在規劃中；雖然目前市光線,而業界也有紫色紫

8、外線的 LED ,近年 面上已經有另一種節能燈具產品省電型螢光燈來LED 最吸引人的發展是在藍光 LED 上塗上螢 CFL ）,但由於其照明品質仍舊不夠,啟動光粉,將藍光轉化成白光的白光 LED 產品； LE 時間較一般白炙燈泡長,而且不能調整光源輸D之所以被稱為世紀新光源,缘由在於 LED 具 出亮度,普及度仍不夠高；LED 則具備更多的備點光源與固態光源的特性,能夠節省能源、節能效益,並且藉由技高耐震、壽命長、體積小響應快速、並且颜色 術的提昇,亮度已經達到讓人滿意的程度,但飽和度高；價格昂扬是一大問題,未來隨著全球 LED 廠商2.2 LED 的亮度 的量產腳步加快,價格降低後可加速 L

9、ED 燈具在討論 LED 產品會看的發光亮度有 3種單 的普及程度；位,分別是照度單位勒克司 Lux ）、光量單位 2.4LED 的壽命流明 Lumen ；lm ）、發光強度單位燭光 Cand 一般 LED 的發光壽命很長,產品大多標明le 為100,000 小時以上,但事實上 LED 的亮度是會power ；CD）, 3種單位各自有適合使用的領衰減的,在運用一段時間後,亮度會衰撿到原域,但是在數值上是互通的；1 本的一半或甚至更少；但所幸隨著業界技術的CD表示完全輻射的物體,在白金凝固點溫度進步,減少 LED 亮度衰減問題的方案许多；在下,每六特别之一平方公分面積的發光強度；生產過程中,選用

10、如 4元素 LEC 材料能夠擁有適合用在主動發光燈具領域,如白熱燈泡；1 較久的亮度衰減週期,而廠商使用的 LED 製程lm 表示 1 與成品到底能耐用多久有很大的關係,配色也CD光照耀在距離為 1公分,面積為 1平方公分 是LED 廠的生產關鍵；LED 的使用壽命,比一平面上的光量；適合用在反射燈具與穿透燈具 般白炙燈泡的 1,000小時、日光燈具的 1萬小時領域,如投影機；,LED 使用壽命可達 5萬小時,大幅降低燈具1 Lux 表示指 1 替換的成本；這項特性幫助 LED Lm 光量均勻分佈在 1平方公尺面積上的照度；燈具在價格競爭上,有了將一般燈泡替換成 L適合用在攝影領域；一般而言,

11、單一 LED 的發 ED 的好理由,更可藉由這項優勢,讓許多原102 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 本因經濟考量而不能全天開啟的環境,藉由L驅動電流都會設計到靠近LED 的最大電流上ED照明讓公共或私人場所 更安全；比如說公共停車場、冰箱等等應用範限値,因處於臨界值,要防止危險選用定電流 方式驅動,會比電流不恆定的定電壓驅動方式圍,美國最大零售業者威名百貨 來 光方式時, LED 驅動器的導通時間可調,其工點亮不同的燈源時,必須依 LED 顆數在各個 作週期近似等效於顯示器亮度,即 100% 工作燈源上加

12、上數量不等的串聯限流電阻,以限制 週期對應最大亮度；也可以利用 PWM 調光方電源供應器輸出過高的電壓到燈源上,如此雖 案從零到滿負載調節 LED 電流,但由於掌握可以點亮 LED 但也同時帶來功率損耗並轉成 迴路速度太慢,無法實現較寬的亮度調節範熱能累積在燈源上,不只違反照明節能目標也 圍；對電路進行改進則可獲得快速響應,利用使 LED 衰減加速；此外,雖然可以在理論上 HT46R24 就可以實現這樣的 PWM 調光掌握迴計算出所需的限流電阻值,但因燈源點亮後或 路；環境的熱效應會造成電阻值變動,最常發生的 當 PWM 調光訊號變低時,透過斷開與 LED情形是溫度昇高時燈源本身電阻會下降,此

13、時 串聯的開關,可快速將 LED 電流降到零；同電源供應器輸出的電流會大幅超越額定電流值 時,用於驅動開關 MOSFET 的閘極驅動器透並造成 LED 過度驅動發亮而縮短壽命；另一 過短接 MAX16818 的 CLP 接腳被關閉,透過方面如燈源與電源供應器距離太遠時 延長線 導通 Q1 完成該作業；同時,與外部電壓迴路使用過長 會造成壓降而大大降低光度輸出；中補償元件串聯的開關 Q3 開路,因而保持外定電壓掌握系統當串聯的 LED 上有單顆損壞 部電壓迴路補償電容器的電壓；將 CLP 接腳時週邊 LED 也會整體電壓快速降低而使得電 短路到地可以立刻將輸入電流降至零；因為平流加大而陸續過熱損

14、壞；定電流系統因會依回 授電阻、電流值來調整因此能防止此現像；3.2 在亮度、穩定度及壽命上的比較均電流掌握模式有很高的交越頻率：就 LED 照明的電源供應來說,LED 與傳 所以,不需要將一個開關與內部迴路電流的補統燈泡發光方式不同之處在於燈泡是靠電子流 償電容器串聯；一旦 PWM 調光訊號變高,過產生的熱能而發光,而 LED 是靠電子流過 CLP 接腳斷開,而與外部電壓補償電路串聯的激發出光子來發光；故轉換效率越高,或是電 開關導通,打開 LED 串聯開關允許 LED 電流子數量越大,光就越亮,而當電子數量過大就 流過；透過這種方式,掌握迴路可以恢復到斷會造成 LED 燒毀,因此為得到更好

15、的亮度,開 LED 電流通路前的狀態,快速恢復 LED 電103 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 流,而且電流過衝特别小；LED 驅動器的完整 原理圖如圖 1 所示；圖 1 中的 LED 驅動器輸入電壓為 7V 至 R2 在 0.4A 到 1.2A 28V ,LED 電流透過電位器 範圍內調節；LED 支路可以串聯 1 到 4 只 LED ；圖 2 供应了一個亮度調節過程的例子；LED電 流 具 有 較 快 的 上 升 和 下 降 時 間 , 當2b：PWM 調光過程中,LED圖PWM 調光訊號變高時,對於

16、0.8A 的 LED 電流會有小於100mA 的過衝；電流的下降過程 Ch1 ：PWM 調光訊號； Ch2：LED 電流 圖 3a 和圖 3b 採用了相同設置,唯独區別是輸 入電壓為 14V；圖 1：降壓 -升壓 LED 驅動器原理圖；圖 2a 中, 3 只串聯 LED 的電流為0.8A ,輸入圖 3a：PWM 調光過程中,LED 電流的上升過電壓為7V ；示波器通道1 為 PWM調光訊號,通道4 為 LED 電流,該電流在PWM 訊號變高時會增大；圖2b 中,當PWM 訊號切斷時, LED 電流降為0；程 Vin = 14 V , I = 0.8 A ,3 只 LED 串聯 Ch1 ：PWM

17、 調光訊號； Ch4：LED 電流 圖 2a：PWM 調光過程中,LED 電流的上升過 程 Vin = 7 V , I = 0.8 A , 3 只 LED 串聯 Ch1：PWM 調光訊號； Ch4： LED 電流 圖 3b：PWM 調光過程中,LED 電流的下降中 Ch1 ：PWM 調光訊號； Ch4：LED 電流 從上述測試結果可以看出,平均電流掌握模式 能夠抱负用於 LED 驅動；同時,也可以便利 地對該電路加以改良,使 PWM 亮度掌握電路 能實現較高的調光比；104 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - -

18、用可兩個電晶體組成達靈頓電晶體模組來驅四、LED 路燈系統 動 LED 路燈,如圖 7 所示,其中 Q1 採用本作品高功率 LED 路燈掌握器設計與 2222A 電晶體, Q2 採用 2N3055 電晶體；製作,主要是由 36Watt 路燈、驅動電路、MCU 掌握電路、 DC24V 電源供應器與鋁擠型散熱器所組程,如圖 4 所示；分述如下 : 圖 7 達靈頓電晶體驅動電路圖 4 高功率 LED 路燈掌握系統3.MCU 掌握電路：本作品高功率LED 路燈掌握器設計與製作掌握核心採用盛群半導1.36Watt LED 路 燈 : 主 要 由 12 顆 高 功 率 體公司 AD Type 之 HT46

19、24 MCU ,其中微LEDIf=700 mA , Vf=3V 所構成並且採用 6 掌握器藉由 AD 埠讀取調光旋鈕 VR 訊號,串聯 2 並聯方式完成 LED 陣列,；如圖 5 經由微掌握器 PWM 埠輸出 PWM 訊號驅動所示；LED 路燈, MCU 掌握功能方塊圖,如圖 8所示；整體電路圖,如圖 9 所示；圖 5 LED 陣列2. 散熱器：由鋁材擠製而成,高功率 LED 燈經由散熱器以熱傳導與對流方式將熱散去,如圖 6 所示；圖 8 MCU 功能方塊圖圖 6 鋁擠型散熱器3.驅動電路：本作品高功率 LED 路燈其電氣規格 , 電 流 為 1.4A , 電 壓 為 24V , 功 率36W

20、 ,驅動電路中需要很高的電流增益,單一個電晶體難以達到此項要求,所以我們採105 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 6 页精选学习资料 - - - - - - - - - 圖 9 整體電路圖4. MCU 掌握程式：本專題製作高功率 LED 路燈掌握器設計與製作掌握流程方塊圖,如 圖 10 所示；圖 11 36Watt LED 路燈點亮測試六、結論 LED 路燈在 2022 年被列為前景最被看好 的 LED 三大照明應用之一,所以本專題嘗試 使 用 盛 群 半 導 體 公 司 AD Type 之 HT4624 MCU 設計與製作一高功率 LED 路燈掌握圖 10 掌

21、握流程方塊圖器,經實際測試,它不僅可以線性點亮高功 率 LED 路燈,還具有調光節電功效,未來還五、實際測試 可以在此基礎上發展其它聪明型高功率 LED本專題將專題作品分成 36Watt LED 路 路燈,期望使 LED 路燈更具有實用性與市場燈、驅動電路、MCU 掌握電路、 DC24V 電源 競爭力；供應器與鋁擠型散熱器,進行個別實機測試,最後再將四個元件組合起來進行整合系統實機參考文獻測試；測試項目為改變PWM 值觀察36Watt LED 路燈照度與溫度變化,實驗數據如表一所1.鍾啟仁,“HT46XX 微掌握器理論與實務寶示,由實驗數據顯示36Watt LED 路燈之驅動典” ,全華圖書；2. “HT-IDE3000 使用手冊” ,盛群半導體公電流、照度與溫度均與微掌握器輸出PWM 訊號成線性正比,證明本專題所製作之高功率司；LED路燈掌握器之可行性,本作品36Watt 3. “HT46R24 Handbook ”,盛群半導體公司；LED 路燈點亮測試情形如圖11 顯示；表一實驗數據Tc 50中心TcLx 120040溫差Td100030照度Lx8006002040010200000.10.2 0.3 0.40.5 0.6 0.7 0.8 0.911.1 1.2 1.3 1.4 1.5電流I106 / 6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 6 页