LED亮度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計文獻(xiàn)綜述

/論文題目LED亮度自動調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計一、前言部分LED是LightEmittingDiode的縮寫，翻譯成中文為“LED”，這是一種可以發(fā)光的半導(dǎo)體元件，具有二極管的電子特性。在20世紀(jì)70年頭，LED最早應(yīng)用作指示燈、文字和數(shù)字顯示。隨著科技的發(fā)展，第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵(GAY)的突破[1]，高亮度藍(lán)光二極管的出現(xiàn)解決了發(fā)光二極管的三原色缺色問題，因而徹底解決了大屏幕全彩色顯示問題，有了紅橙黃綠青藍(lán)紫七種色調(diào)，更加重要的是由此產(chǎn)生了白光半導(dǎo)體燈[2]。隨著白光發(fā)光二極管的出現(xiàn)，LED起先漸漸走進(jìn)了人們的日常生活。LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，它可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，是固態(tài)光源[3]。高亮度白光LED的勝利開發(fā)，使得LED在照明領(lǐng)域得到了推廣，使照明技術(shù)進(jìn)入一個新的時代。LED具有壽命長、啟動時間短、色調(diào)豐富飽滿、無紫外線、可做全彩變更、低壓平安等特點，是一種新型的綠色光源。LED不僅可用于大型交通照明、廣告顯示屏、建筑和城市重點建筑的夜景照明，而且正在漸漸成為一般車輛的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前，白光LED已成為便攜式電子產(chǎn)品顯示屏的主要光源，并朝日常照明應(yīng)用的方向發(fā)展。LED技術(shù)的發(fā)展引起了國內(nèi)外的普遍關(guān)注，如今已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。LED產(chǎn)品的開發(fā)、研制和生產(chǎn)已經(jīng)成為發(fā)展前景特別迷人的朝陽產(chǎn)業(yè)[4]。如今，隨著LED技術(shù)的不斷應(yīng)用以及潛在的市場，LED發(fā)展?jié)撃芫薮?。伴隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗的不斷加劇，帶來的的則是大量的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，綠色節(jié)能已經(jīng)成為全球普遍關(guān)注的話題，人們正通過各種途徑找尋新的節(jié)能方式。在電能消耗中，照明用電占發(fā)電總量的比例在不斷加大?？梢灶A(yù)知的是，隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，在將來我國的照明用電將有大比例的提高，綠色節(jié)能照明的探討應(yīng)用越來越受到重視。開發(fā)和推廣應(yīng)用節(jié)能燈具，成為燃眉之急的任務(wù)。近幾年來，LED的發(fā)光效率已增長了100倍，而成本下降了10倍。在目前LED光源及市場開發(fā)中，極具發(fā)展和應(yīng)用前景的是照明用LED，其用作固體照明器件的經(jīng)濟(jì)性顯著，且有利于環(huán)保，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈。LED已被全球公認(rèn)為新一代的環(huán)保型高科技光源。很多探討表明在本世紀(jì)的前幾十年，LED產(chǎn)業(yè)將會接著快速發(fā)展。因此，白光LED被普遍認(rèn)為是在將來最有可能替代傳統(tǒng)照明燈具的一種新型燈具。作為新型的發(fā)光器件，LED具有體積小、壽命長、效率高、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，能量轉(zhuǎn)化效率很高，從理論上來講，放射相同光通量的耗電量大約是白熾燈的10％[5]，和熒光燈相比，LED也可以達(dá)到50％的節(jié)能效果[6]。照明用電占發(fā)電總量的比例在在我國為10‰，在發(fā)達(dá)國家占19％，并且在我國是以低效照明為主，是終端節(jié)電的主要對象之一。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的照明用電確定會大幅度的提高，綠色節(jié)能照明的探討應(yīng)用會受到重視，LED照明在這樣的環(huán)境下確定能快速發(fā)展起來。依據(jù)中國綠色照明工程促進(jìn)項目辦公室的專項調(diào)查，我國照明用電量每年在3000億度以上[7]，假如用LED取代全部白熾燈和部分熒光燈，可節(jié)約1/3的照明用電[8]。同時，在“十一五”期間，國家發(fā)展和改革委員會將重點在公用設(shè)施、寫字樓、商廈、賓館、體育場館、居民住宅中推廣高效節(jié)電照明系統(tǒng)[9]。國家還將嚴(yán)格限制照明產(chǎn)品市場進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不得生產(chǎn)銷售，達(dá)不到建筑照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的建筑不準(zhǔn)開工建設(shè)。國家還會建立激勵機(jī)制，不斷加大高效照明產(chǎn)品的推廣，探討提出大力支持高效照明產(chǎn)品生產(chǎn)及運用的財政稅收政策[10]。這些政策為2007年的LED市場鋪平了一條順暢的發(fā)展道路?？梢妼ED家用照明系統(tǒng)的推廣，具有主動的意義。從全球形勢來看，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)已形成以美國、亞洲、歐洲三大區(qū)域為主的三足鼎立的產(chǎn)業(yè)分布。隨著市場的高速發(fā)展，美國、日本、歐洲各主要廠商紛紛加大生產(chǎn)，加快搶占市場份額。依據(jù)全球LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，預(yù)料LED半導(dǎo)體照明的運用將使全球照明用電削減一半，自2007年以來澳大利亞、歐盟、美國、加拿大、日本及中國臺灣等國家和地區(qū)已接連宣布將逐步淘汰白熾燈，發(fā)展LED照明為全球產(chǎn)業(yè)的關(guān)注點。二、主體部分恒流技術(shù)國內(nèi)外探討現(xiàn)狀：在早期，由于發(fā)光效率、光色、光通量和價格等方面的限制，LED主應(yīng)用于顯示、指示領(lǐng)域，如用作警戒燈、指示燈以及顯示牌等。隨著LED光色的不斷增多，尤其是白光LED技術(shù)的不斷完善，發(fā)光效率漸漸提高，價格也不斷降低，大功率超高亮的LED有1W、3W、5W等規(guī)格在市場上銷售，現(xiàn)在主要在探討的是功率在1W以上的。因為大功率LED的應(yīng)用受到了世界上很多國家的關(guān)注，所以大功率LED的驅(qū)動電路設(shè)計自然也成為熱點，大功率LED的驅(qū)動電路大多數(shù)采納恒流驅(qū)動方式，LED恒流驅(qū)動電路有Buck、電荷泵、Boost等多種驅(qū)動方式。Buck、電泵、Boost實質(zhì)上都是通過電流反饋限制電路。我國LED的發(fā)展起步于20世紀(jì)60年頭。1970年11月在上海召開的全國砷化鎵學(xué)術(shù)溝通會議上，報告了用水汽外延法制成“磷砷化鎵紅色發(fā)光二極管”的探討成果，從今我國LED材料和器件研發(fā)正式起步。20世紀(jì)80年頭形成LED產(chǎn)業(yè)，90年頭LED產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模，90年頭后期得到迅猛發(fā)展，1997年在國家自然科學(xué)基金的支持下，北京高校領(lǐng)先研制出國內(nèi)第一只藍(lán)光發(fā)光二極管。幾年后南昌高校在國際上領(lǐng)先開發(fā)勝利硅襯底藍(lán)光LED材料和芯片的生產(chǎn)技術(shù)，實現(xiàn)批量生產(chǎn)，成為具有自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的第三種發(fā)光二極管外延材料和芯片的技術(shù)路途；到2003年上海、大連、南昌、廈門已成為國家四大半導(dǎo)體照明基地,中國的LED照明起先了快速的發(fā)展。2008年9月，CREE勝利研制出冷白光LED，效率達(dá)107lm/W。這項成果來自于CREE的EZBright?LED芯片平臺，得到了能源部的資金資助。是能源部光子晶體芯片項目的一部分，這個項目的目的是改善光的提取率和研發(fā)出新的封裝技術(shù)，得到比傳統(tǒng)LED更高的下轉(zhuǎn)換（down-conversion）效率。該LED有一平方毫米，色溫為5500K，顯色指數(shù)為73，在單一模塊封裝中集成了4個LED芯片，能夠產(chǎn)生大于450流明的光通量。美國波士頓的PhotonicsResearch探討中心報道了LED技術(shù)方面的新進(jìn)展，聲稱光效達(dá)到330lm/W。這種被稱作photon-rectcling的半導(dǎo)體光源可發(fā)出藍(lán)、黃兩種波長的光。所發(fā)出的光能使人感到的是白光。這種光效，和目前市場上的LED比要高10倍甚至更高。不過，應(yīng)當(dāng)指出，從試驗室到商業(yè)化的產(chǎn)品這條路或許還特別漫長。奧地利的照明設(shè)計公司已完成一項大型試驗，采納了14000只白光和彩色LED的混合照明整個房間。光照水平達(dá)到600-700Lux，足夠一間一般辦公室的照明。用計算機(jī)計算白光，藍(lán)光，藍(lán)/綠光，琥珀和紅光二極管的混合效果，以獲得2500-3000K的暖色溫，其顯色指數(shù)特別接近最好的熒光燈。由于LED色調(diào)比較豐富，因此除了大量應(yīng)用于照明和背光源之外，另外一個用途就是景觀照明。LED應(yīng)用于古建筑景觀照明，如頤和園[11]、城市立交橋景觀照明[12]等。由于LED驅(qū)動電壓低，限制比較敏捷，結(jié)合各種驅(qū)動方式對其限制，還可以應(yīng)用做路燈照明[13]等。由于LED產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用，呈現(xiàn)出了朝陽工業(yè)的蒸蒸而上的景象，可以信任，半導(dǎo)體技術(shù)不僅不會被其他技術(shù)取代，而且會接著沿著原來的軌道向前發(fā)展。半導(dǎo)體照明技術(shù)由于技術(shù)的先進(jìn)性和產(chǎn)品運用的廣泛性，已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ母呖萍碱I(lǐng)域之一。半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效果，也被認(rèn)為是一個戰(zhàn)略性的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)國內(nèi)外探討現(xiàn)狀：人眼對光線的感受是非線性的，因此將亮度級降低10％以上人卻覺察不到亮度的變更，這樣就可以節(jié)約將近10％的電能。假如將調(diào)光級別降低50％，就可以節(jié)約約40％的電能。假如采納智能調(diào)光就可以將燈的亮度漸漸調(diào)到預(yù)設(shè)級別。白熾燈沒方法達(dá)到這個要求，是因為冷的燈絲會受到熱沖擊。將燈亮度漸漸調(diào)到設(shè)定級別，不僅節(jié)約了電能而且還會極大地延長燈的運用壽命。運用10％的調(diào)光級別就可以將燈的運用壽命延長2倍，而50％調(diào)光級別將可以延長運用壽命20倍。調(diào)光方式可以分為脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)和變電阻型調(diào)光兩種。PWM方式是通過每秒鐘多次的接通和斷開電源來調(diào)整發(fā)光亮度，開關(guān)之間的時間比率同發(fā)光亮度成正比關(guān)系。但并不意味著全部的燈都可調(diào)光的，LED的響應(yīng)時間很短，僅僅幾到幾十納秒，更加適合于PWM方式調(diào)整亮度。變電阻型調(diào)光方式是通過調(diào)整電阻性負(fù)載的電阻值來變更電流，從而變更燈的亮度，變電阻型調(diào)光在電阻上將多余的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這是能量的損失[14]。自適應(yīng)調(diào)光方式利用限制器，以及用傳感器為核心，傳感器會向限制器供應(yīng)發(fā)光照度值，限制器做出推斷并且依據(jù)所得到的信息將照明回路打開或調(diào)整光亮度到預(yù)定級別[15]。因為LED的響應(yīng)特別快，所以PWM調(diào)光特別可行。美國的北伊利諾伊高校針對2串6并的LED燈組，在恒流驅(qū)動電路基礎(chǔ)上并接了N型MOSFET功率器件實現(xiàn)PWM限制，調(diào)整的范圍為0-100％，當(dāng)占空比低至1％時輸出電流仍可以保持穩(wěn)定。傳統(tǒng)的PWM調(diào)光方式是將負(fù)載和調(diào)光開關(guān)串聯(lián)，當(dāng)打開開關(guān)時，LED支路上沒電流流過，當(dāng)關(guān)閉開關(guān)時，LED支路有電流流過，LED燈發(fā)光[15]。PWM調(diào)光方式是將負(fù)載和調(diào)光開關(guān)并聯(lián)，一般LED驅(qū)動電路采納BUCK電路。當(dāng)打開調(diào)光開關(guān)時，LED支路有電流流過；當(dāng)關(guān)閉開關(guān)時，LED支路支路沒有電流流過，LED燈不亮，依據(jù)限制器采樣電阻檢測到的電流值來變更調(diào)整開關(guān)的占空比，所以調(diào)整占空比使輸出電流恒定。LED驅(qū)動電路可以使輸出電流從5mA到350mA之間進(jìn)行調(diào)整[16]，驅(qū)動電路采納Boost電路的原理，將12V輸入電壓提高使得其可以驅(qū)動9個串聯(lián)的LED，LED驅(qū)動電路是以離散的方式調(diào)整輸出電流，輸出電流調(diào)整區(qū)間為5mA，在LED燈組上串聯(lián)一個采樣電阻用來檢測流過的LED電流，檢測到的電流反饋到限制器，限制器可以變更Boost電路調(diào)整開關(guān)的占空比，因而可以調(diào)整輸出電流。在常規(guī)燈具的調(diào)光領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了智能調(diào)光系統(tǒng)，比如中國國家大劇院的燈光限制系統(tǒng)，基于LonWorks的酒店智能調(diào)光限制系統(tǒng)，還有基于CAN／LIN總線的教學(xué)樓智能照明系統(tǒng)，都是通過PWM調(diào)光實現(xiàn)教室內(nèi)恒照度來限制。最近幾年，LED的發(fā)光效率始終在快速提高，LED燈的運用范圍也越來越廣袤。不過，要想LED在照明中全面普及，還須要解決一些技術(shù)性問題：1．在自動調(diào)光的LED芯片方面(1)能量轉(zhuǎn)化效率比較低雖然LED的電光轉(zhuǎn)化效率比較高，但是LED的光提取效率卻不高，只有10％到20％，大大影響LED的光輸出功率，LED想要全面進(jìn)入照明領(lǐng)域，目前單個的LED光通量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，假如提高了光提取效率，LED就可以發(fā)出更多的光，才能更加普及。(2)散熱問題LED的低光提取效率致使大多數(shù)的能量不能夠轉(zhuǎn)化為光的形式散發(fā)出去，而會以熱能的方式集中在LED芯片內(nèi)部，LED散熱性能不好會導(dǎo)致芯片結(jié)溫快速上升和環(huán)氧樹脂碳化變黃，從而影響LED的顏色，加速光衰，降低LED的壽命，特殊是對大功率LED來講這個問題尤其嚴(yán)峻。(3)光色不佳目前，白光LED主要采納藍(lán)光LED加上黃色熒光粉合成，要么是采納RGB三色混合而成，這兩種方式產(chǎn)生的白光色溫比較高，一般會含有藍(lán)光的成分，給人不舒適的感覺，相對來說，白熾燈則具有比較強(qiáng)的黃光成分，反而給人一種暖和的感覺。(4)價格昂貴這是影響LED照明普及的最重要緣由。LED燈的價格是一般節(jié)能燈的3到5倍。三、總結(jié)部分為了促進(jìn)LED半導(dǎo)體技術(shù)成熟化、本土化、產(chǎn)業(yè)化，緊隨世界的LED發(fā)展趨勢，中國政府早在2009年初就推出“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用示范城市的方案，這是中國政府在中心層面對LED第一輪大規(guī)模的政策扶持。緊接著其次輪政策于2010年10年4月，國家發(fā)改委、人民銀行、財政部、稅務(wù)總局四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快推行合同能源管理促進(jìn)節(jié)能服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的看法》——即所謂的合同能源管理EMC。看法提出到2015年，建立比較完善的節(jié)能服務(wù)體系，使合同能源管理能夠成為用能單位實施節(jié)能改造的主要方式之一。盡管在前兩輪政策的實施過程中出現(xiàn)了不少缺陷，但在政策的激勵下，很多企業(yè)起先重新諦視LED行業(yè)的發(fā)展?jié)撃?，并掀起了一股“LED熱”的浪潮。四、參考文獻(xiàn)[1]李兵.國外照明技術(shù)的發(fā)展.光源和照明,2004(4):36-37[2]易安.半導(dǎo)體照明21世紀(jì)的節(jié)能新光源[J].中國創(chuàng)業(yè)投資和高科技,2004,32(1):32-33[3]張巨芳.第四代新光源——LED.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006[5]尉廣軍,郝永生,姚義.單片機(jī)系統(tǒng)中復(fù)位電路的牢靠性分析和設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報2002年S2期[6]劉鳳格.MCS-51單片機(jī)的時鐘電路[J].菏澤師范專科學(xué)校學(xué)報,2003年02期[7]何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編.北京航空航天高校出版社.2000:241-245[8]劉虹.綠色照明概論.中國電力出版社，2009-01:212-218[9]王占慶,毛興武.溝通電源供電的大電流LED驅(qū)動電路