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1、精选优质文档-倾情为你奉上论文题目LED亮度自动调节系统设计一、前言部分LED是Light Emitting Diode 的缩写，翻译成中文为“LED”，这是一种可以发光的半导体元件，具有二极管的电子特性。 在20世纪70年代，LED最早应用作指示灯、文字和数字显示。随着科技的发展，第三代半导体材料氮化镓(GAY)的突破1，高亮度蓝光二极管的出现解决了发光二极管的三原色缺色问题，因而彻底解决了大屏幕全彩色显示问题，有了红橙黄绿青蓝紫七种色彩，更加重要的是由此产生了白光半导体灯2 。随着白光发光二极管的出现，LED开始慢慢走进了人们的日常生活。 LED是一种半导体发光器件，它可以将电能转变为光能
2、，是固态光源3。高亮度白光LED的成功开发，使得LED在照明领域得到了推广，使照明技术进入一个新的时代。LED具有寿命长、启动时间短、色彩丰富饱满、无紫外线、可做全彩变化、低压安全等特点，是一种新型的绿色光源。LED不仅可用于大型交通照明、广告显示屏、建筑和城市重点建筑的夜景照明，而且正在逐渐成为普通车辆的标准配置。目前，白光LED已成为便携式电子产品显示屏的主要光源，并朝日常照明应用的方向发展。LED技术的发展引起了国内外的普遍关注，如今已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产业。LED产品的开发、研制和生产已经成为发展前景十分诱人的朝阳产业4。如今，随着LED技术的不断应用以及潜在的市场
3、，LED发展潜能巨大。伴随着全球经济的迅速发展，能源消耗的不断加剧，带来的的则是大量的环境污染和生态破坏，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。在电能消耗中，照明用电占发电总量的比例在不断加大。可以预知的是，随着经济不断发展，在将来我国的照明用电将有大比例的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。开发和推广应用节能灯具，成为迫在眉睫的任务。近几年来，LED的发光效率已增长了100倍，而成本下降了10倍。在目前LED光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是照明用LED，其用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯。LED已被全球公认为
4、新一代的环保型高科技光源。许多研究表明在本世纪的前几十年，LED产业将会继续快速发展。因此，白光LED被普遍认为是在未来最有可能替代传统照明灯具的一种新型灯具。作为新型的发光器件，LED具有体积小、寿命长、效率高、节能、环保等优点，能量转化效率很高，从理论上来讲，发射相同光通量的耗电量大约是白炽灯的105，和荧光灯相比，LED也可以达到50的节能效果6。照明用电占发电总量的比例在在我国为10，在发达国家占19，并且在我国是以低效照明为主，是终端节电的主要对象之一。随着经济的发展，我国的照明用电一定会大幅度的提高，绿色节能照明的研究应用会受到重视，LED照明在这样的环境下肯定能快速发展起来。根据
5、中国绿色照明工程促进项目办公室的专项调查，我国照明用电量每年在3000亿度以上7，如果用LED取代全部白炽灯和部分荧光灯，可节省1/3的照明用电8。同时，在“十一五”期间，国家发展和改革委员会将重点在公用设施、写字楼、商厦、宾馆、体育场馆、居民住宅中推广高效节电照明系统9。国家还将严格控制照明产品市场进入标准，达不到标准的产品不得生产销售，达不到建筑照明节能标准的建筑不准开工建设。国家还会建立激励机制，不断加大高效照明产品的推广，研究提出大力支持高效照明产品生产及使用的财政税收政策10。这些政策为2007年的LED市场铺平了一条顺畅的发展道路。可见对LED家用照明系统的推广，具有积极的意义。从
6、全球形势来看，半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主的三足鼎立的产业分布。随着市场的高速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷加大生产，加快抢占市场份额。根据全球LED 产业的发展状况，预计LED 半导体照明的使用将使全球照明用电减少一半，自2007年以来澳大利亚、欧盟、美国、加拿大、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯，发展LED照明为全球产业的关注点。二、主体部分恒流技术国内外研究现状：在早期，由于发光效率、光色、光通量和价格等方面的限制，LED主应用于显示、指示领域，如用作警戒灯、指示灯以及显示牌等。随着LED光色的不断增多，尤其是白光LED技术的不断完善，发光
7、效率逐渐提高，价格也不断降低，大功率超高亮的LED有1W、3W、5W等规格在市场上销售，现在主要在研究的是功率在1W以上的。因为大功率LED的应用受到了世界上许多国家的关注，所以大功率LED的驱动电路设计自然也成为热点，大功率LED的驱动电路大多数采用恒流驱动方式，LED恒流驱动电路有Buck、电荷泵、Boost等多种驱动方式。Buck、电泵、Boost实质上都是通过电流反馈控制电路。我国LED的发展起步于20世纪60年代。1970年11月在上海召开的全国砷化镓学术交流会议上，报告了用水汽外延法制成“磷砷化镓红色发光二极管”的研究成果，从此我国LED材料和器件研发正式起步。20世纪80年代形成
8、LED产业，90年代LED产业已经初具规模，90年代后期得到迅猛发展，1997年在国家自然科学基金的支持下，北京大学率先研制出国内第一只蓝光发光二极管。几年后南昌大学在国际上率先开发成功硅衬底蓝光LED材料与芯片的生产技术，实现批量生产，成为具有自主知识产权的第三种发光二极管外延材料与芯片的技术路线；到2003年上海、大连、南昌、厦门已成为国家四大半导体照明基地,中国的LED照明开始了快速的发展。2008年9月，CREE成功研制出冷白光LED，效率达107 lm/W。这项成果来自于CREE的EZBright LED芯片平台，得到了能源部的资金资助。是能源部光子晶体芯片项目的一部分，这个项目的目
9、的是改善光的提取率和研发出新的封装技术，得到比传统LED更高的下转换（down-conversion）效率。该LED有一平方毫米，色温为5500K，显色指数为73，在单一模块封装中集成了4个LED芯片，能够产生大于450流明的光通量。美国波士顿的Photonics Research研究中心报道了LED技术方面的新进展，声称光效达到330lm/W。这种被称作photon-rectcling的半导体光源可发出蓝、黄两种波长的光。所发出的光能使人感到的是白光。这种光效，与目前市场上的LED比要高10倍甚至更高。不过，应该指出，从实验室到商业化的产品这条路也许还十分漫长。奥地利的照明设计公司已完成一项
10、大型实验，采用了14000只白光和彩色LED的混合照明整个房间。光照水平达到600-700Lux，足够一间普通办公室的照明。用计算机计算白光，蓝光，蓝/绿光，琥珀和红光二极管的混合效果，以获得2500-3000K的暖色温，其显色指数非常接近最好的荧光灯。由于LED色彩比较丰富，因此除了大量应用于照明和背光源之外，另外一个用途就是景观照明。LED应用于古建筑景观照明，如颐和园11、城市立交桥景观照明12等。由于LED驱动电压低，控制比较灵活，结合各种驱动方式对其控制，还可以应用做路灯照明13等。由于LED产业不断涌现新技术、新产品、新应用，呈现出了朝阳工业的欣欣向荣的景象，可以相信，半导体技术不
11、仅不会被其他技术取代，而且会继续沿着原来的轨道向前发展。半导体照明技术由于技术的先进性和产品使用的广泛性，已经被广泛认为是最具发展潜力的高科技领域之一。半导体照明产业具有明显的节能和环保效果，也被认为是一个战略性的高技术产业。自适应调光技术国内外研究现状：人眼对光线的感受是非线性的，因此将亮度级降低10以上人却觉察不到亮度的变化，这样就可以节省将近10的电能。假如将调光级别降低50，就可以节省约40的电能。如果采用智能调光就可以将灯的亮度逐渐调到预设级别。白炽灯没办法达到这个要求，是因为冷的灯丝会受到热冲击。将灯亮度渐渐调到设定级别，不仅节省了电能而且还会极大地延长灯的使用寿命。使用10的调光
12、级别就可以将灯的使用寿命延长2倍，而50调光级别将可以延长使用寿命20倍。调光方式可以分为脉冲宽度调制方式(PWM) 和变电阻型调光两种。PWM方式是通过每秒钟多次的接通和断开电源来调节发光亮度，开关之间的时间比率同发光亮度成正比关系。但并不意味着所有的灯都可调光的，LED的响应时间很短，仅仅几到几十纳秒，更加适合于PWM方式调节亮度。变电阻型调光方式是通过调节电阻性负载的电阻值来改变电流，从而改变灯的亮度，变电阻型调光在电阻上将多余的电能转变为热能，这是能量的损失14。自适应调光方式利用控制器，以及用传感器为核心，传感器会向控制器提供发光照度值，控制器做出判断并且根据所得到的信息将照明回路打
13、开或调节光亮度到预定级别15。因为LED的响应非常快，所以PWM调光非常可行。美国的北伊利诺伊大学针对2串6并的LED灯组，在恒流驱动电路基础上并接了N型MOSFET功率器件实现PWM控制，调节的范围为0-100，当占空比低至1时输出电流仍可以保持稳定。传统的PWM调光方式是将负载与调光开关串联，当打开开关时，LED支路上没电流流过，当关闭开关时，LED支路有电流流过，LED灯发光15。PWM调光方式是将负载与调光开关并联，一般LED驱动电路采用BUCK电路。当打开调光开关时，LED支路有电流流过；当关闭开关时，LED支路支路没有电流流过，LED灯不亮，根据控制器采样电阻检测到的电流值来改变调
14、节开关的占空比，所以调节占空比使输出电流恒定。LED驱动电路可以使输出电流从5mA到350mA之间进行调节16，驱动电路采用Boost电路的原理，将12V输入电压提高使得其可以驱动9个串联的LED，LED驱动电路是以离散的方式调节输出电流，输出电流调节区间为5mA， 在LED灯组上串联一个采样电阻用来检测流过的LED电流，检测到的电流反馈到控制器，控制器可以改变Boost电路调节开关的占空比，因而可以调节输出电流。在常规灯具的调光领域，已经出现了智能调光系统，比如中国国家大剧院的灯光控制系统，基于Lon Works的酒店智能调光控制系统，还有基于CANLIN总线的教学楼智能照明系统，都是通过P
15、WM调光实现教室内恒照度来控制。最近几年，LED的发光效率一直在快速提高，LED灯的运用范围也越来越广阔。不过，要想LED在照明中全面普及，还需要解决一些技术性问题： 1在自动调光的LED芯片方面 (1)能量转化效率比较低虽然LED的电光转化效率比较高，但是LED的光提取效率却不高，只有10到20，大大影响LED的光输出功率，LED想要全面进入照明领域，目前单个的LED光通量还远远不够，如果提高了光提取效率，LED就可以发出更多的光，才能更加普及。 (2)散热问题LED的低光提取效率致使大多数的能量不能够转化为光的形式散发出去，而会以热能的方式集中在LED芯片内部，LED散热性能不好会导致芯片
16、结温迅速上升和环氧树脂碳化变黄，从而影响LED的颜色，加速光衰，降低LED的寿命，特别是对大功率LED来讲这个问题尤其严重。 (3)光色不佳目前，白光LED主要采用蓝光LED加上黄色荧光粉合成，要么是采用RGB三色混合而成，这两种方式产生的白光色温比较高，一般会含有蓝光的成分，给人不舒服的感觉，相对来说，白炽灯则具有比较强的黄光成分，反而给人一种温暖的感觉。 (4)价格昂贵 这是影响LED照明普及的最重要原因。LED灯的价格是普通节能灯的3到5倍。三、总结部分 为了促进LED半导体技术成熟化、本土化、产业化，紧随世界的LED发展趋势，中国政府早在2009年初就推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市的方案，这是中国政府在中央层面对LED第一轮大规模的政策扶持。 紧接着第二轮政策于2010年10年4月
