2022年高功率路灯控制器设计方案与制作 .docx

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1、精品_精品资料_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、封裝和應用產業結構完整,單位製造成本大幅降低,發光二極體的需

2、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.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_一、簡介1.1 LED 發展LED 具有省電、輕巧、壽命長、高耐久性等特徵, 70 岁月開始商業化之後,便快速朝向高輝度、多色化以及高發光效率方向發展, 80 岁月陸續出現 GaAsP 高輝度紅光 LED 與AlGaAs 光 LED , 90 岁月則有 AlGaInP 高輝度紅光、橙

3、色 LED 與GaInN 藍光、光 LED 被開發. LED 的用途從早期的警示、廣告為主,逐漸轉移到一般照明領域,特别是高亮度藍光 LED的實用化後,使得白光LED 照明光源的發展動向備受歐美日各國的重視.隨著高亮度 LED 的實用化,不論是由用途或是省能源的觀點來看,低成本、高效率化、牢靠性、高 亮度的提升,將是 LED 未來發展的主要方向.光電科技工業協進會PIDA ）表示,手機彩色化應用帶動 2022 年台灣高亮度藍光LED晶粒與白光 SMD 型LED 出貨,而 2022 年除手機背光源外,汽車、交通號誌等LED 新應用也正崛起中. ITIS也表示高亮度發光二極體High Bright

4、ness LED . HB LED ）的應用領域除各種顯示器及交通號誌燈外,手機螢幕彩色化、手 機閃光燈、照明、LCD背光源及汽車市場也正興起,估計 2022 年全球高亮度 LED市場模達 23 億美元,較2022 年成長達 30 ,而 2022 年將達 29.46 億美元, 20222022 年年均複合成長率達 20.另外,亞洲的區已成為全球高亮度 LED 上中下游的主要供應的點,其中台灣的產能在 2022 年將達到每月約11 億 12 億顆的水準,成為全球最大的HBLED生產基的.本文將探討 LED 的今、明年將有哪些應用市場的興起,促使國內LED廠商的營運能更上層 樓.1.2 LED 路

5、燈發展儘管 LED 發光效率已普遍提升至可以商品化的標準,但是 LED 路燈從去年以來都還是雷聲大雨點小的狀態.主要缘由仍在於LED 路燈標準仍未明確的被規範出來,因此相關政府單位在採購上仍無所適從.此外、目前LED 路燈維修費用相較於高壓鈉燈高出數倍,特别是要將220W 轉換成 10幾伏特的電壓所需的變壓設備費用昂扬,也是的方政府單位有疑慮之處.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_101 / 6可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_目前路邊所看到的 LED 路燈多為示範性質,多為僅 3.5M 高度,且安裝於捷運周圍,公園或是校園等非主要幹道.二、LED 工作原理2.1

6、LED 基本原理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 一正極一負極,LED 最特別的的方在於只有從正極通電才是會發光,故一般給予直流電時,LED 會穩定的發光,但假如接上沟通電,LED會呈現閃爍的型態,閃亮的頻率依據輸入沟通 電的頻率而定.LED 的發光原理是外加電壓, 讓電子與電洞在半導體內結合後,將能量以光 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光線,而業界也有紫色紫外線的LED ,近年來LED 最吸引人的發展是在藍光LED 上塗上螢光粉,將藍光轉化成白光的白光LED 產品. LED 之所以被稱為世

7、紀新光源,缘由在於LED 具備點光源與固態光源的特性,能夠節省能源、高耐震、壽命長、體積小響應快速、並且颜色飽和度高.2.2 LED 的亮度在討論 LED 產品會看的發光亮度有3種單位,分別是照度單位勒克司Lux ）、光量單位流明 Lumen . lm ）、發光強度單位燭光Candlepower . CD）, 3種單位各自有適合使用的領域,但是在數值上是互通的.1CD 表示完全輻射的物體,在白金凝固點溫度下,每六特别之一平方公分面積的發光強度.適合用在主動發光燈具領域,如白熱燈泡.1lm 表示 1CD 光照耀在距離為 1公分,面積為 1平方公分平面上的光量.適合用在反射燈具與穿透燈具 領域,如

8、投影機.1Lux 表示指 1Lm 光量均勻分佈在 1平方公尺面積上的照度.適合用在攝影領域.一般而言,單一LED 的發光強度以 CD 為單位,並配上視角參數,而LE D 的發光強度從各位數mCD 到 5,000mCD 不等.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,正确視角上和中心位置上發光強度最大點的發光強度.2.3 LED 的節能效益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效益,而廠商也看好這次照明革命的商機而紛 紛投入.除了歐盟與美國國會均進行階段性禁止白炙燈泡的使用外,目前已經 有加拿大宣佈 2022

9、年全面禁用白炙燈泡,而美國加州在內的部份州,也要在2022 年禁止白炙燈泡,而澳洲則宣佈在 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.雖然目前市面上已經有另一種節能燈具產品省電型螢光燈CFL ）,但由於其照明品質仍舊不夠,啟動時間較一般白炙燈泡長,而且不能調整光源輸出亮度,普及度仍不夠高.LED 則具備更多的節能效益,並且藉由技術的提昇,亮度已經達到讓人滿意的程度,但價格昂扬是一大問題,未來隨著全球 LED 廠商的量產腳步加快,價格降低後可加速 LED 燈具的普及程度.2.4 LED 的壽命一般 LED 的發光壽命很長,產品大多標明為100,000 小時以上

10、,但事實上LED 的亮度是會衰減的,在運用一段時間後,亮度會衰撿到原本的一半或甚至更少.但所幸隨著業界技術的 進步,減少 LED 亮度衰減問題的方案许多.在生產過程中,選用如4元素 LEC 材料能夠擁有較久的亮度衰減週期,而廠商使用的LED 製程與成品到底能耐用多久有很大的關係,配色也是LED 廠的生產關鍵. LED 的使用壽命,比一般白炙燈泡的 1,000小時、日光燈具的 1萬小時, LED 使用壽命可達 5萬小時,大幅降低燈具替換的成本.這項特性幫助LED燈具在價格競爭上,有了將一般燈泡替換成L ED 的好理由,更可藉由這項優勢,讓許多原可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_本因

11、經濟考量而不能全天開啟的環境,藉由L ED照明讓公共或私人場所更安全.比如說公共停車場、冰箱等等應用範圍,美國最大零售業者威名百貨 來點亮不同的燈源時,必須依LED 顆數在各個燈源上加上數量不等的串聯限流電阻,以限制電源供應器輸出過高的電壓到燈源上,如此雖可以點亮LED 但也同時帶來功率損耗並轉成熱能累積在燈源上,不只違反照明節能目標也使 LED衰減加速.此外,雖然可以在理論上計算出所需的限流電阻值,但因燈源點亮後或環境的熱效應會造成電阻值變動,最常發生的情形是溫度昇高時燈源本身電阻會下降,此時電源供應器輸出的電流會大幅超越額定電流值並造成 LED 過度驅動發亮而縮短壽命.另一方面如燈源與電源

12、供應器距離太遠時 延長線使用過長 會造成壓降而大大降低光度輸出.定電壓掌握系統當串聯的LED 上有單顆損壞時週邊 LED 也會整體電壓快速降低而使得電流加大而陸續過熱損壞.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就 LED 照明的電源供應來說,LED 與傳統燈泡發光方式不同之處在於燈泡是靠電子流過產生的熱能而發光,而LED 是靠電子流過激發出光子來發光.故轉換效率越高,或是電子數量越大,光就越亮,而當電子數量過大就會造成 LED 燒毀,因此為得到更好的亮度,驅動電流都會設計到靠近LED 的最大電流上限値,因處於臨界值,要防止危險選用定電流方式

13、驅動,會比電流不恆定的定電壓驅動方式優良.也因為如此,使用定電壓驅動LED 因擔心 LED 燒毀因此必須犧性亮度使用較低的電流驅動 LED ,故當視覺照明需要較高亮度時就無法達到.而使用定電流驅動不論在亮度、 穩定度及壽命均會優於同樣亮度的定電壓驅動 燈源.3.3 PWM 調光掌握LED 亮度可透過 PWM 訊號掌握,這種方法透過調整驅動器的導通時間掌握LED的輸出電流.模擬調光改變的是LED驅動器的輸出電流,會導致颜色失真.所以,PWM調光是調節 LED亮度的抱负方式.採用PWM調光方式時, LED 驅動器的導通時間可調,其工作週期近似等效於顯示器亮度,即100% 工作週期對應最大亮度.也可

14、以利用PWM 調光方案從零到滿負載調節LED電流,但由於掌握 迴路速度太慢,無法實現較寬的亮度調節範圍.對電路進行改進則可獲得快速響應,利用HT46R24 就可以實現這樣的PWM 調光掌握迴路.當 PWM調光訊號變低時,透過斷開與LED 串聯的開關,可快速將LED 電流降到零.同時,用於驅動開關MOSFET的閘極驅動器透過短接 MAX16818的 CLP 接腳被關閉,透過導通 Q1 完成該作業.同時,與外部電壓迴路中補償元件串聯的開關Q3 開路,因而保持外部電壓迴路補償電容器的電壓.將CLP 接腳短路到的可以立刻將輸入電流降至零.因為平均電流掌握模式有很高的交越頻率：所以,不需要將一個開關與內

15、部迴路電流的補 償電容器串聯.一旦PWM調光訊號變高, CLP 接腳斷開,而與外部電壓補償電路串聯的開關導通,打開LED 串聯開關允許LED 電流流過.透過這種方式,掌握迴路可以恢復到斷開 LED 電流通路前的狀態,快速恢復LED 電可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_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28V , LED 電流透過電位器R2 在 0.4A 到 1.2A 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

16、時 間, 當PWM 調光訊號變高時,對於0.8A 的 LED 電流會有小於100mA 的過衝.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.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2b： PWM調光過程中, LED電流的下降過程

17、 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 3a： PWM 調光過程中, LED 電流的上升過程 Vin= 14 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,也可以便利的對該電路加以改良,使PWM 亮度掌握電路能實現較高的調光比.可编辑资料 - - - 欢迎下

18、载精品_精品资料_四、LED 路燈系統本作品高功率 LED 路燈掌握器設計與製作,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 4 高功率 LED 路燈掌握系統1.36Watt LED 路 燈 : 主 要 由 12 顆 高 功 率LEDIf=700 mA , Vf=3V 所構成並且採用 6 串聯 2 並聯方式完成 LED 陣列,.如圖 5 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 6 鋁擠型散熱器3. 驅動電路：本作品高

19、功率LED 路燈其電氣規格 , 電 流 為 1.4A , 電 壓 為24V , 功 率36W ,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,所以我們採用可兩個電晶體組成達靈頓電晶體模組來驅動 LED 路燈,如圖7 所示,其中Q1 採用2222A 電晶體, Q2 採用 2N3055 電晶體.圖 7 達靈頓電晶體驅動電路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體公司 AD Type 之 HT4624 MCU ,其中微掌握器藉由 AD 埠讀取調光旋鈕 VR 訊號, 經由微掌握器 PWM 埠輸出 PWM 訊號驅動LED 路燈, MCU 掌握功能

20、方塊圖,如圖 8所示.整體電路圖,如圖 9 所示.圖 8 MCU 功能方塊圖可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_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路燈點亮測試可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_圖 10 掌握流程方塊圖五、實際測試本專題將專題作品分成 36Watt LED 路燈、驅動電路、 MCU 掌握電路、 DC24V 電源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測試.測試項目為改變PWM值觀察 36Watt LED

21、路燈照度與溫度變化,實驗數據如表一所示,由實驗數據顯示36Watt LED 路燈之驅動電流、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LED路燈掌握器之可行性,本作品36Watt LED 路燈點亮測試情形如圖11 顯示.表一 實驗數據六、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 ADType 之 HT4624 MCU設計與製作一高功率LED路燈掌握器,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,未來還可以在此基礎上發展其它聪明型高功率LED 路燈,期望使LED路燈更具有實用性與市場 競爭力.參考文獻1. 鍾啟仁, “ HT46XX 微掌握器理論與實務寶典”,全華圖書.2. “ HT-IDE3000使用手冊 ”,盛群半導體公司.3. “ HT46R24 Handbook,”盛群半導體公司.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_Tc50中心Tc40溫差Td照度Lx30201000.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5Lx 120010008006004002000電流I可编辑资料 - - - 欢迎下载