【正文】 控制手段也必不可少。 在高度文明 社會(huì) 的現(xiàn)在，我們?cè)缫巡粷M足于現(xiàn)在的照明控制系統(tǒng)，我們將追求智淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 30 頁 能化。什么是智能化，就是要求在幾乎沒有人為的干預(yù)下，燈光能夠自動(dòng)地判別是否該實(shí)現(xiàn)照明。 當(dāng)然也可以在人為條件下手動(dòng)調(diào)節(jié)光的亮度，或者不必制約于開關(guān)器件的位置，采用遙控方式來調(diào)節(jié)光亮。 如此的話人們將不會(huì)由于遺忘關(guān)燈而導(dǎo)致巨大的電能浪費(fèi)， 也可以因地制宜自 我選擇光的亮度， 同時(shí)還能提高管理效率 并 且節(jié)省一大筆開支。 課題研究的目的及意義 1） 節(jié)能是智能照明系統(tǒng)的永恒不變的 突出 優(yōu)點(diǎn)，它可以根據(jù)使用者的具體要求來實(shí)現(xiàn)照明，例如晚上小區(qū)的路燈，就可以設(shè)置時(shí)間段使其只有在晚上且感應(yīng)到人才能亮，人走后將延遲熄滅 ，在其他不同場(chǎng)合也可以根據(jù)自身的需要來手動(dòng)調(diào)節(jié)燈光，如果在不方便的情況下亦可采用遙控的方式來調(diào)節(jié)。 這很大限度地節(jié)省了電能并同時(shí)增加了LED 燈具使用年限。 2） 在以前的 高樓大廈 ，為了防止有人遺忘關(guān)燈， 公司 時(shí)常會(huì) 雇傭 固定人員巡查大樓來檢查是否有人忘記關(guān)燈 ，這樣不僅效 率低下而且會(huì)加大開支。而使用智能照明系統(tǒng)則極大地提高了管理效率， 不用擔(dān)心有人遺忘關(guān)燈，智能照明時(shí)代的到來將會(huì) 使人們的生活更加舒適。 3） 為 LED 燈設(shè)計(jì)一個(gè)合格的驅(qū)動(dòng)電路也是極為重要，它將大大提高電能的使用效率并且減少對(duì)電網(wǎng)的污染，這將從更深的層次上來節(jié)約能源，這目前也是當(dāng)今研究的重點(diǎn)。 LED 照明 發(fā)光原理 LED 核心 部件 是一塊半導(dǎo)體芯片，其中一端為負(fù)，另外一端則連到電源正極端，芯片用環(huán)氧樹脂封裝 。半導(dǎo)體芯片由兩個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中一端是空穴占主體的P 型半導(dǎo)體，另外一端為主要都為電子 N 型半 導(dǎo)體。當(dāng)兩種半導(dǎo)體連接起來時(shí)，將會(huì)構(gòu)成一個(gè) PN 結(jié)，當(dāng)晶片有電流流過時(shí)，電子將向 P 區(qū)移動(dòng)，在 P 區(qū)中電子會(huì)跟空穴發(fā)生復(fù)合，最后會(huì)將以光子的能量模式放出， LED 所發(fā)光的顏色種類直接由 PN 結(jié)的構(gòu)成材料所決定。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 30 頁 光源特點(diǎn) 圖 11 LED 的電壓與電流特性 LED 的正向壓降變化幅度較大，由圖一可見曲線中工作區(qū)內(nèi)，較小的電壓變化 可以引起大幅度的電流變化，從而引起 LED 燈亮度的大幅度變化，所以 LED 通常采用恒流驅(qū)動(dòng)。如果選擇使用恒壓電源驅(qū)動(dòng)則不能使 LED 燈發(fā)光亮度保持統(tǒng)一，且會(huì)較大的影響 LED 燈具自身的壽命與品質(zhì)。 LED 對(duì)溫度較為敏感，它的發(fā)光亮度與工作溫度有直接關(guān)系，通常溫度越高， LED發(fā)光越弱；溫度越低， LED 發(fā)光越強(qiáng)。圖 12 是發(fā)光亮度隨溫度變化的曲線，由圖可知，我們需要嚴(yán)格控制 LED 的工作溫度以便于得到較高的的亮度。同時(shí)溫度過高還會(huì)影響 LED 的主波長(zhǎng)，如圖 13 所見。 溫度 (℃ ） 圖 12 LED 亮度與溫度關(guān)系曲線圖 V I O A B C D 工 作 區(qū) 反向死區(qū) 擊 穿 區(qū) Vc 發(fā) 光 亮 度 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 25 50 75 1000 125 150 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 30 頁 溫度 (℃ ） 圖 13 LED 主波長(zhǎng)與溫度關(guān)系曲線圖 優(yōu)點(diǎn) LED 優(yōu)點(diǎn) ：綠色 節(jié)能環(huán)保、電能與光能之間轉(zhuǎn)化效率極高、工作時(shí)需求電壓低（ 3V左右）、使用時(shí)間長(zhǎng)（可達(dá) 10 萬多小時(shí)）、自身體積較為小巧、反復(fù)開關(guān)不影響使用壽命、照明亮度很高、發(fā)出的熱量少、容易調(diào)光、堅(jiān)固實(shí)用、光束集中且穩(wěn)定、多種色彩、啟動(dòng)沒有延時(shí)。 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路是 LED 燈的動(dòng)力模塊，它的性能優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)。穩(wěn)壓電源一直都是作為 LED 燈的驅(qū)動(dòng)電路，而穩(wěn)壓電源則可以分為兩類：開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源。 線性穩(wěn)壓電源 線性穩(wěn)壓電源是指調(diào)整晶體管穩(wěn)壓電源的線性直流操作 。電 壓取樣電路、誤差放大器、輸出功率管和參考電壓電路等幾部分構(gòu)成了線性穩(wěn)壓電源。 除此之外還包括一些比如保護(hù)電路和啟動(dòng)電路等。大致工作原理：取樣電阻在 輸出電壓 之中取樣，使其和 參考電壓 之間相互比較，之后由誤差放大器將結(jié)果放大處理，通過改變調(diào)整管導(dǎo)通率的大小，保證輸出電壓的穩(wěn)定。 線性穩(wěn)壓電源缺點(diǎn) ：效率低、發(fā)熱量大間接導(dǎo)致系統(tǒng)增加熱噪聲。 線性穩(wěn)壓電源優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度很快、噪音小、輸出紋波小、輸出電壓小于輸入電壓。 開關(guān)穩(wěn)壓電源 開關(guān)穩(wěn)壓電源，簡(jiǎn)單地稱為開關(guān)電源，自從開關(guān)電源發(fā)明問世后，由于它的高效 25 50 75 100 125 150 波長(zhǎng)（nm) 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 30 頁 節(jié)能因而漸漸代替了初期的晶閘管相控電源與線性穩(wěn)壓電源?，F(xiàn)如今開關(guān)電源已經(jīng)在通信行業(yè)、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如今脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)得以飛速發(fā)展，使得電源的使用效率得到大幅度提高，能夠達(dá)到百分之八十甚至更高，而線性穩(wěn)壓電源只是約有百分之三十上下。當(dāng)前開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣 泛，相對(duì)的開關(guān)電源的進(jìn)一步改良設(shè)計(jì)也將更具挑戰(zhàn)。 如今開關(guān)穩(wěn)壓電源被廣泛應(yīng)用于 LED 燈具的驅(qū)動(dòng)電源，所以必須保持恒電流輸出。因?yàn)?LED 是電流驅(qū)動(dòng)元器件，它的前向電流決定了 LED 的亮度。恒電流源能夠保證避免由于輸入電壓產(chǎn)生的波動(dòng)而導(dǎo)致的電流波動(dòng)，進(jìn)而能夠使得 LED 光照強(qiáng)度不會(huì)改變。開關(guān)電源在恒壓輸出的基礎(chǔ)上，在輸出端加上恒流輸出模塊即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的恒流與恒壓輸出。 智能照明 當(dāng)代人們的生活水平越來越高，電氣照明工具早已作為最普通的光源進(jìn)入我們生活的每一個(gè)角落?，F(xiàn)如今的人們?cè)缫巡粷M足于普 通的燈光照明，各式各樣的燈光效果能夠渲染出不一樣的氛圍，于是我們將追求更加智能化的燈光效果。 在我們的周圍，我們總會(huì)發(fā)現(xiàn)無人的教室、停車場(chǎng)和馬路等等地方燈火通明，這就造成了資源的極大浪費(fèi)，在能源緊張的今天我們不得不予以重視。所以我們要找尋一種智能照明的方式，讓各種燈光只有在需要的時(shí)候才工作，如此將能夠更好的節(jié)約資源。本次設(shè)計(jì)將會(huì)對(duì)智能照明進(jìn)行深入研究。 2 開關(guān)穩(wěn)壓電源 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 主回路與控制回路兩部分構(gòu)成了開關(guān)穩(wěn)壓電源。 主回路是開關(guān)電源中的功率電流流過的路徑。主回路基本 包括了開關(guān)電源中的能量存儲(chǔ)裝置、電源濾波器、開關(guān)元件、整流器、脈沖變壓器等各種器件，還有負(fù)載端與電源輸入端。 開關(guān)電源控制回路普遍使用的是 PWM 調(diào)制制方法，通過由比較輸出信號(hào)與基準(zhǔn)，以此為準(zhǔn)則來判斷控制主回路里開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷的動(dòng)作。 開關(guān)穩(wěn)壓電源可以根據(jù)輸入輸出部分是否隔離分為隔離式和非隔離式這兩大類型。本次設(shè)計(jì)將采用隔離式。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 30 頁 非隔離式 開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入端和輸出端電氣是相通的，不存在電氣之間的隔離將其稱之為非隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。非隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往有升壓式電路、降壓式電路和升降壓 式電路。 升壓式電路的輸出電壓比輸入電壓高；降壓式電路的輸出電壓則比輸入電壓低；升降壓式電路則可以根據(jù)需要輸出電壓或可以比輸入電壓高，或可以比輸入電壓低。 變換器具有三種工作模式：臨界導(dǎo)通模式、斷續(xù)導(dǎo)通工作模式和連續(xù)導(dǎo)電工作模式。連續(xù)導(dǎo)電工作模式中電感上的電流一直是連續(xù)的，其中每一個(gè)開關(guān)周期都只將一部分能量移到輸出電容。斷續(xù)導(dǎo)通工作模式中電感能量將完全移送，也就是在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，轉(zhuǎn)換電感將從電源中獲得的能量全部送到輸出電容中。臨界導(dǎo)通模式狀態(tài)位于兩者之間，電感會(huì)在某一時(shí)刻電感能量和電流歸 零。 隔離式 開關(guān)穩(wěn)壓電源輸入端與輸出端之間電氣的不相通稱之為隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它通過變壓器的磁耦合來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸?shù)?。根?jù)開關(guān)穩(wěn)壓電源變壓器兩側(cè)同名端的位置劃分，主要分為反激式和正激式。 1） 正激式：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量通過電感或變壓器加給負(fù)載，而當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)則停止釋放能量。 輸出電壓的負(fù)載與瞬態(tài)控制性是正激式變換器的電壓輸出所具備的特性，所以運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，輸出電壓不會(huì)容易出現(xiàn)波動(dòng)。 工作原理： 如果當(dāng)變壓器初級(jí)線圈繞組被施加直流電壓，則變壓器次級(jí)線圈繞組將會(huì)有功率輸出。 U iN 1 N 3KD 3TD 1D 2LCR+ 圖 21 單端正激 DC/DC 變換器主電路 圖 21 是單端正激 DC/DC 變換器的工作原理圖，圖 21 中 Ui為輸入電壓， K 為控制開關(guān)， T 為開關(guān)變壓器， C 為儲(chǔ)能濾波電容， L 為儲(chǔ)能濾波電感， D1 為輸出二極淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 30 頁 管， D2 為續(xù)流二極管， D3 為削反峰二極管， R 為負(fù)載電阻。 正激式變壓器的一次與二次線圈的同名端在同一側(cè)。在其中控制改變開關(guān) K 的占空比，能夠控制輸出電壓的均值，但是幅值不變。所以正激式變換器使用于穩(wěn)壓電源時(shí)，僅能夠使用輸出電壓平均值的輸出方法。 U iN 1 N 3KD 3TD 1 圖 22 正激式開關(guān)電源變壓器 在正激式變壓器中實(shí)現(xiàn)礠復(fù)位的是 N3 線圈，所以它是不可省略的。 當(dāng)開關(guān)管 K 被斷掉的一瞬間，為了使勵(lì)磁磁場(chǎng)保持不變，變壓器的一級(jí)和二級(jí)線圈繞組會(huì)產(chǎn)生很大的的反電動(dòng)勢(shì)。為了保證這個(gè)過大的反電動(dòng)勢(shì)不會(huì)擊穿各種電子元器件，所以我們于開關(guān)穩(wěn)壓電源變壓器中添加了能夠?qū)⑵湮盏姆答伨€圈 N3 和一個(gè)削反峰二極管 D3。 當(dāng)開關(guān)管 K 導(dǎo)通， D3 不通；而當(dāng) K 斷開的一瞬間，由于線圈繞組 N3 的存在，在變壓器的一次側(cè) 線圈繞組中的電流瞬間降為零， D3 隨之導(dǎo)通，此時(shí) N3 中流過的電流將會(huì)代替之前勵(lì)磁電流的作用，電流的方向與之前相同，使得變壓器中的磁感應(yīng)強(qiáng)度從巔峰值降到剩磁所相對(duì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，這便是磁復(fù)位。 D 2LCR+n u iU 0u cLD 2CR+U 0u c + 圖 23 正激式開關(guān)電源工作原理 上圖為二次側(cè)工作情況，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器工作正常，如上方左側(cè)圖所示；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，因?yàn)?D1 和磁復(fù)位的作用相當(dāng)于開路，其工作方式如上圖右側(cè)圖所示。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 30 頁 uoUi0U p 、 U p aU a 、 U ota )tUN 30 U ib )c )iiI 0i1i3t0To nTo f fTo nTo f fTo n 圖 24 正激變換器信號(hào)波形圖 圖 24 是正激變換器中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓與電流波形圖。 a)是變壓器二次側(cè)線圈繞組 N2 的整流電壓輸出波形圖， b)是變壓器二次側(cè)線圈繞組 N3 的整流電壓輸出波形圖， c)為通過變壓器一次側(cè)線圈繞組 N1 與二次側(cè)線圈繞組 N3 的電流波形圖。 在 Ton 的期間內(nèi)， K 是被接通的，電壓源 U