1. LED的发展概况 1.1. 发光二极管简介
发光二极管(LED)是一种电致发光的光电器件。早在1907年开始,人们就发现某些半导体材料制成的二极管在正向导通时有发光的物理现象,但生产出有一定发光效率的红光LED已是1969年了。到今天,LED已生产了30多年,回顾过去,它已茁壮成长。各种类型的LED、利用LED作二次开发的产品及与LED配套的产品(如白光LED驱动器)发展迅速,新产品不断上市,已发展成不少新型产业。展望将来,还期望更进一步地提高。
早期的LED主要用于做指示灯。它的发光强度不高,一般小于1mcd,高的也仅几个mcd;另外,发光效率也不高,一般小于0.21m/W,其功率仅几十mW到上百个mW(属于小功率LED)。本文就从发光强度提高说起。
1.2. 发光强度及发光效率的提高
作为指示灯方面的应用,有几个mcd的发光强度也可以了,但由LED组成的数码管或字符管则显得亮度不足,若要用于户外作信号或标志显示,则其亮度太低,不能满足使用的要求。所以LED的主要发展方向是提高发光强度(也就是一般所指的提高亮度)。
随着半导体材料及半导体工艺技术、设备的发展,LED的亮度不断提高,开发出高亮度及超高亮度LED,并且不断创造新记录。
笔者用现有的LED资料,以中5标准封装、发红光、视角差不多的LED为例,以不同的生产年份的发光强度来说明LED发光强度提高的情况,近30年LED的发光强度提高了8000倍左右。1969～1987年LED的发光强度是很低的,发展很慢,但1994～2005年LED的亮度有很大的发展。表1中列出的并非发光强度最高的。例如,在GaAs的衬低上采用AIlnGaP工艺技术制成的Φ5、红光LED,在小视角4°、50mA工作电流时,其典型发光强度为20000mcd。
LED另一个重要性能指标是发光效率η,用1m/W来表达。
这30多年来,LED的发光效率提高了250倍以上。1970-1990年LED发光效率提高较慢,1990-2005年则提高较快。例如,Cree公司生产的lW白光LED XL7090WHT,其发光效率可达601m/W。
XL7090WHT是超高亮度、小尺寸封装的白光LED。XL7090WHT的发光强度大,电流350mA时的典型光通量为601m,在瞬态脉冲电流700mA时典型光通量可达981m,而目前一般1W白光LED的光通量为30～45lm),XL7090WHT的发光效率高达601m/W,视角宽达100°,封装尺寸仅为9mmx7mmx4.3mm,工作温度范围是-20~+80℃。
由于XL7090WHT发光强度大、发光效率高,因此它适用于家庭、商业或公共场所明、DVD、笔记本电脑、电视机的彩色显示屏的背光,广告灯、路灯及标志灯,汽车及运输工具的内外照明及数码相机的闪光灯等。
LED的发光强度及发光效率的提高主要取决于采用的半导体材料及其工艺技术的发展。早期的LED主要用GaAs、GaP(二元素半导体材料)和GaAsP(三元素半导体材料),1994年左右采用AIInGaP(四元素半导体材料)后,其发光强度及发光效率有很大的提高。另外,在工艺技术上采用在GaAs衬底上用AilnGaP材料生产的红光、黄光LED及在SiC衬底上用InGaN材料生产的绿光、蓝光LED,在发光强度及发光效率上有较大的改进。
1.3. LED的功率提高
我们知道LED的发光强度与正向电流IF,几乎成线性关系,即增加正向电流IF可增加发光强度。但LED有一个最大功耗PD值的限制,PD=VFxIF(VF为正向压降),若过大地增加IF而使PD超过最大值时,LED会过热而损坏。为了要提高发光强度,开发出中功率LED(一般为几百mW),其工作电流也提高到70mA。近年来,为进一步提高发光强度,开发出大功率LED,其功率一般为1～10W(有一些还大于10W)。它的工作电流一般为350～700mA,有些可达1A以上。
以American Opto Plus LED公司生产的5W的PU-5WXX系列为例,在700mA电流下,其结温了Tj为25℃,(大功率LED的发光强度用光通量表示)。
除蓝光LED的发光强度及发光效率较低外,其他发光颜色的发光强度及发光效率都相当高。
早期生产的LED是小功率的(几十至上百mW),现在已能生产大于10W的大功率LED,在功率上增加了100倍以上。
虽然说小功率LED与大功率LED的发光效率是差不多的,但LUMILEDS公司的研究表明,大功率白光LED比Φ5白光LED的寿命更长。另外,采用很多小功率白光LED组成的灯泡可靠性也差一些,灯泡体积也较大。例如,用1W白光LED做成灯具,其尺寸为50.8mmx50.8mmx7.1mm,而采用Φ5白光LED来做,其体积则要大得多。但目前大功率LED投产时间不长,价位较高,所以目前大部分LED灯泡仍是用小功率LED做的。
1.4. 白光LED的诞生是个突破
白光LED是LED家族中最后一个问世的,它的诞生是LED生产中一个重要的突破,它将成为新的照明光源。
白光是复合光,可以用红、绿、蓝(R、G、B)三基色LED混合成白光,1995年前后生产的一种集成LED白光灯(或称全色LED灯)由2个高亮度蓝光LED、15个绿光LED及5个红光LED组成。这种白光LED灯尺寸大、白光纯度不高、发光效率也不高。但这种三基色灯用单片机来控制可发出七色光及白光的变色灯,可用于娱乐场所,增加节日气氛。另外,采用RGB三种管芯组成的RGBLED常用于手机的变色背光。
采用R、G、B三色LED可以组成彩色LED显示屏的像素,用它组成彩色LED显示屏。
在上世纪末,可能受荧光灯的启发,开发出在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉,用蓝光激发荧光粉发出白光的白光LED。采用不同的荧光粉,可发出冷白光(色温为4500～10000K)及暖白光(色温为2850～3800K)的白光LED。目前,白光LED的发光效率大都已超过301m/W,某些产品已超过501m/W的水平。它给用于照明的LED灯泡创造良好的条件。
在2005年开发出无荧光粉的、Φ5、透明树脂封装的白光LED。该白光LED采用蓝宝石(Al2O3)为衬底,采用InGaN工艺技术制成。在IF为20mA时,发光强度为700～1200mcd。
2. LED在照明系统中的应用 2.1. 白光LED照明灯泡
近年来,LED的发光强度及发光效率迅速提高、发光颜色齐全、功率增加、成本降低,给开发各种功能的LED灯泡及灯具创造了极好的条件,也给二次开发LED产品创造良好的机会。例如,现在的城市交通信号灯及标志灯采用LED替代了传统的白炽灯,不仅节省大量的电能,而且无须经常更换损坏的白炽灯:五彩缤纷的各种LED装饰灯,给城市夜景打扮得五光十色,广场上的超大屏幕的彩色LED显示屏让全世界的球迷过足了瘾。
白光LED灯的应用,包括彩色LCD的背光照明灯、闪光灯及家用LED照明灯,它们最大的特点是节电和寿命长。
2.2. 彩色LCD的背光照明
由于白光LED作背光时电路比用CCFL简单且尺寸小,所以在手机、PDA等小屏幕彩色LCD中都采用白光LED作背光照明。过去认为白光LED只适用于小面积的彩色LCD显示屏,但近年来,随着LED性能的提高,它不仅用于小尺寸LED屏幕,现已用于5英寸、7英寸DVD、GPS的显示屏上,并发展到12英寸笔记本电脑及电视机的背光照明。
2.3. 闪光灯
数码相机正逐渐替代用胶卷的相机,在数码相机中采用超高亮度的白光LED替代了传统的氙灯。采用超高亮度的白光LED作闪光灯不仅电路简单、尺寸小、耗电省,而且无须充电时间。例如,前面提到的1W白光LED XL7090WHT,它在用作闪光灯时,700mA的脉冲电流时其典型光通量为981m。
2.4. 家用LED照明灯
目前家用照明灯主要是白炽灯、荧光灯(日光灯)及节能荧光灯。白光LED灯泡与荧光灯、节能荧光灯、白炽灯泡在发光效率及平均寿命上的比较,白光LED灯泡的发光效率高于白炽灯泡,但低于荧光灯及节能荧光灯。白光LED的平均寿命最长的,比节能荧光灯高8倍,比白炽灯高33倍多。
目前国内已能生产1～3W由Φ5白光LED组成的白光LED灯泡(外形与白炽灯泡相同,球形外壳用透明塑料做成,直径约60mm,灯头用E27螺纹灯头),其发光效率η超过351m/W。2～3W的白光LED灯泡亮度与25W白炽灯泡差不多。另外,目前也能够生产出12W白光LED的日光灯管,其光通量超过5001m,发光效率超过401m/W。这两种白光LED做成的灯寿命都超过50000h。这两种灯都是用超高亮度Φ5小功率白光LED做成,目前售价较高,且尚未上市。
2.5. 算一笔节电帐及经济帐
白光LED做成的照明灯节能、长寿命。笔者将发光亮度相差不多的三种灯在使用中作了节电上及经济上的比较。这三种灯分别是3W的白光LED灯泡、5W的节能荧光灯和25W的白炽灯泡。这三种灯都采用220V市电供电。在计算中,3W的白光LED灯泡按5W计算(其中有2W是AD/DC及驱动电路的损耗),5W的节能荧光灯按7W计算(2W是自镇流及电路的损耗)。这里要说明的是3W白光LED灯泡及5W节能荧光灯的生产工厂并没有给出这种损耗值,2W是笔者估算的。
从节电的方面来比较,同样使用了50000h,白炽灯要用1250度电,而3W的白光LED灯只要250度电,相差1000度电。如果全国有1亿只3W白光LED灯替代了25W白炽灯泡,则在50000h的使用时间中可节省1000亿度电。另外,从经济方面来比较,用1个3W白光LED灯点了50000h,总的花费是209元,若用25W白炽灯泡需花费688.4元,相差479.4元。
2.6. 本课题的设计背景
白炽灯自发明以来已有150年历史,而白光LED灯泡生产才几年。目前在市场上已有白光LED的手电筒、在矿上有白光LED的矿灯,不仅亮度好,而且节电。家用白光LED灯泡目前还没有上市,而且目前只能生产小功率的灯泡,在亮度方面还不如节能荧光灯亮,且价位还较高,普通家庭还难以接受。
随着半导体材料及工艺技术的进步,生产量的增加,笔者认为可能还需3～5年时间,LED照明灯的性能会进一步地提高,价格也会不断地下降,它将逐步地进入千家万户,给您带来节电、明亮的新的光源。
LED日光灯节电高达80％以上，寿命为普通灯管的10倍以上，几乎是免维护，不存在要经常更换灯管、镇流器、起辉器的问题，约半年下来节省的费用就可以换回成本。绿色环保型的半导体电光源，光线柔和，光谱纯，有利于工人的视力保护及身体健康，6000K的冷光源给人视觉上清凉的感受，有助于集中精神，提高效率。
适用范围：写字楼、工厂、商场、学校、居家等室内照明。
因此,探讨LED在节能灯中的应用，必将是今后一个阶段照明系统的一个重要的发展方向。
3. 硬件设计 3.1. 电容降压原理介绍
电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，在接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。
采用电容降压时应注意以下几点：
1 根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。
2 限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。
3 电容降压不能用于大功率条件，因为不安全。
4 电容降压不适合动态负载条件。
5 同样，电容降压不适合容性和感性负载。
电阻、电容和电感作为电子电路的基本元件，熟知它们的特性并灵活地应用它们是非常重要的。
3.2. 固定照度的实现
原理，通过对光敏传感器的传感器信号采样，从来用PWM来调节灯的明亮状态,以保证环境的照度恒定.。
ADC0809的工作原理
图3－5 ADC0809的原理框图
要正确的运用ADC0809，就必须简单了解ADC0809的数据输入格式和工作
时序。ADC0809的原理框图如下图3－5所示：
1）据输入格式
ADDA、ADDB和ADDC为ADC0809的8位模拟开关的3位地址选通输入端，用于选择IN0～IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换，其对应关系如表3－2所示
表3－2 地址码与输入通道的对应关系
2）ADC0809的工作时序
ADC0809所需时钟信号可以由AT89C51的ALE信号提供。AT89C51的ALE信号通常使每个机器周期出现两次，故它的频率是单片机时钟频率的1/6。本系统AT89C51主频是6MHZ，使AT89C51的ALE上信号经过2分频后接到ADC0809的CLOCK输入端，就可获得500KHZ的 A/D转换脉冲，当然ALE上脉冲会在MOVEX指令的每个机器周期少出现一次，但通常情况下影响不大。
ADC0809的时序图为：
t
: 最小起动脉宽，典型值为100ns，最大值为200ns；
t
: 最小ALE脉宽，典型值为100ns，最大值为200ns；
t
: 模拟开关延时，典型值为1
s，最大值为2.5s；
t
: 转换时间，当f
=640KHZ时，典型值为100s，最大值为116s；
t
: 转换结束延时，最大位8个时钟周期加2s。
图3－6 ADC0809时序图
3.3. 应用电容降压电路驱动LED节能灯
采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路﹐由于其具有体积小﹑成本低﹑电流相对恒定等优点﹐常应用于LED的驱动电路中。
3.3.1. 举例分析
图一为一个实际的采用电容降压的LED驱动电路﹕请注意﹐大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管﹐建议连接上﹐因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间(如雷电﹑大用电设备起动等)有效地将突变电流泄放﹐从而保护二级关和其它晶体管﹐它们的响应时间一般在微毫秒级。
但在本设计中，直接用5V电源供电。
3.3.2. 电路工作原理﹕
电容C1的作用为降压和限流﹕大家都知道﹐电容的特性是通交流﹑隔直流﹐当电容连接于交流电路中时﹐其容抗计算公式为﹕
XC=1/2πfC
式中﹐XC表示电容的容抗﹑f表示输入交流电源的频率﹑C表示降压电容的容量。
流过电容降压电路的电流计算公式为﹕
I=U/XC
式中I表示流过电容的电流﹑U表示电源电压﹑XC表示电容的容抗
在220V﹑50Hz的交流电路中﹐当负载电压远远小于220V时﹐电流与电容的关系式为﹕
I=69C其中电容的单位为uF﹐电流的单位为mA
电阻R1为泄放电阻﹐其作用为﹕当正弦波在最大峰值时刻被切断时﹐电容C1上的残存电荷无法释放﹐会长久存在﹐在维修时如果人体接触到C1的金属部分﹐有强烈的触电可能﹐而电阻R1的存在﹐能将残存的电荷泄放掉﹐从而保证人﹑机安全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关﹐一般电容的容量越大﹐残存的电荷就越多﹐泄放电阻就阻值就要选小些。经验数据如下表﹕
D1~D4的作用是整流﹐其作用是将交流电整流为脉动直流电压。
C2﹑C3的作用为滤波﹐其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压
压敏电阻(或瞬变电压抑制晶体管)的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压电压对地泄放掉﹐从而保护LED不被瞬间高压击穿。
LED串联的数量视其正向导通电压(Vf)而定﹐在220VAC电路中﹐最多可以达到80个左右。
组件选择﹕电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值﹐在220V,50Hz的交流电路中时﹐可以选择耐压为400伏以上的涤纶电容或纸介质电容。
D1~D4可以选择IN4007。
滤波电容C2﹑C3的耐压根据负载电压而定﹐一般为负载电压的1.2倍。其电容容量视负载电流的大小而定。
下列电路图为其它形式的电容降压驱动电路﹐现举例如下﹕
图二
在图二电路中﹐可控硅SCR及R3组成保护电路﹐当流过LED的电流大于设定值时﹐SCR导通一定的角度﹐从而对电路电流进行分流﹐使LED工作于恒流状态﹐从而避免LED因瞬间高压而损坏。
图三
在图三电路中﹐C1﹑R1﹑压敏电阻﹑L1﹑R2组成电源初级滤波电路﹐能将输入瞬间高压滤除﹐C2﹑R2组成降压电路﹐C3﹑C4﹑L2﹑及压敏电阻组成整流后的滤波电路。此电路采用双重滤波电路﹐能有效地保护LED不被瞬间高压击穿损坏。
图四是一个最简单的电容降压应用电路﹐电路中利用两只反并联的LED对降压后的交流电压进行整流﹐可以广泛应用于夜光灯﹑按钮指示灯﹐要求不高的位置指示灯等场合。
3.4. 硬件设计框图
3.5. 原理图设计
3.6. 电容降压电源原理和计算公式
这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。它的输出电压通常可在几伏到三几十伏，取决于所使用的齐纳稳压管。所能提供的电流大小正比于限流电容容量。采用半波整流时，每微法电容可得到电流（平均值）为：（国际标准单位）
I(AV)=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C
=0.44*220*2*3.14*50*C=30000C
=30000*0.000001=0.03A=30mA
如果采用全波整流可得到双倍的电流（平均值）为：
I(AV)=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C
=0.89*220*2*3.14*50*C=60000C
=60000*0.000001=0.06A=60mA
一般地，此类电路全波整流虽电流稍大，但是因为浮地，稳定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的更少。
使用这种电路时，需要注意以下事项：
1、未和220V交流高压隔离，请注意安全，严防触电！
2、限流电容须接于火线，耐压要足够大（大于400V），并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻。
3、注意齐纳管功耗，严禁齐纳管断开运行。
4. 装配过程 4.1. 材料选择 4.1.1. 降压用CBB电容
常用CBB电容：常用CBB金属化电容，规格有104/400V 、334/400V 、105/400V 等。
4.1.2. 安装LED灯
白色，分光分色，多个串联不会出现色差 实际亮度15000~18000mcd 尺寸：5mm 透明 发光角度：20度 电压：3.2-3.4v 电流：20毫安
安装图示
4.1.3. 塑料外壳
4.1.4. 安装好后的电路
5. 软件设计
本章主要介绍AD转换程序的设计实现
图8
A/D转换器是将模拟量转换为一定进制的数字量。A/D转换器将电压量转换为正比的二进制数字量，乘以转换系数后可获得电压的数值量。
其转换原理，以八位以及0～10V量程的A/D转换器为例说明采样原理。假设欲测量的采样电压Vinp=6.6伏，则A/D转换器的工作流程是：当启动脉冲输入后，控制逻辑开始工作，它使移位寄存器初始化为零，同时给时钟脉冲开门，系统在时钟脉冲节拍控制下同步工作。第一个时钟脉冲控制移位寄存器、D/A数据寄存器的最高位a7和B7置"1"，其余各位置"0"。二进制数10000000加到D/A转换器上，这时D/A转换器的输出电压
VDA=
=5v
该电压送入逻辑比较器与待转换的测量电压Vinp比较，显然Vinp>VDA，此时通过逻辑控制电路使D/A数据寄存器的B7位保持"1"；第二个脉冲发出后使移位寄存器位a6和数据寄存器的B6为"1"，则加在D/A的二进制数值为11000000，此时D/A转换器的输出电压
VDA=
=7.5v
该电压与电压Vi再次比较，由于Vinp<VDA，此时通过逻辑控制将B6置为"0"，则加在D/A的二进制数值仍为10000000。第三脉冲使a5、B5为1，即10100000依此过程发出直到第8个时钟脉冲，使得加在D/A上的数字寄存器的二进制数值为10101001。第九个以上时钟脉冲使得移位寄存器溢出，表示A/D转换结束。
6. 结语
在此次LED节能灯的设计中，充分的体现出大学的知识是综合性的，是一个培养学生独立思考能力灵活运用个方面知识的具有挑战性的课题。刚开始的时候会感觉老师给的这个课题有点难，但人生不就是一个不断克服困难的过程么？在此次课程设计的过程中，我发现了自己的很多不足之处，比如说Protel学的不是很精只会一些皮毛而已，以及对书本上的知识掌握的不是很好。但是，我今后一定会把自己的不足之处给改正过来的。
刚开始会遇到很多挫折，并不是说按照原理图焊接出来，就直接可以正常使用，在这几日里，我经历了阶段性成功的狂喜，测试失败后的沮丧，陷入困境的急噪，重新投入的振作，这样的心路历程是非常宝贵的体会，正是有了大家的鼎立合作终于成功了。同学们在设计的过程中互相帮助让我深刻的体会出团结就是力量的含义。
让我印象最深刻的就是，降压电容配置不好,很容易烧毁,并且我还被触电了多次.我现在才明白，单有理论还不够的，照着书做是不够的，我们更需要的是实践能力和经验。
除此之外，我还学会了焊接电路板，掌握了书本以外的电子电路方面的知识，尤其是在制作PCB板的时候受益扉浅，制板的过成中遇到另外种种问题，感谢实验室各位老师提供的元器件、工具和帮助，同时也感谢电信系给我提供的实验条件，希望以后还有更多的机会进行有价值的实验和实践。