【正文】 功率的LED 產(chǎn) 品應(yīng)該能夠找到他的用武之地。問題是要給設(shè)計師提供有足夠大的選擇范圍，外觀上也應(yīng)有美觀的要求。 在設(shè)施農(nóng)業(yè)中 ,通常所采用的人工光源是熒光燈與高壓鈉燈 。 市景觀照明追求的不是亮度，而 是藝術(shù)的創(chuàng)意設(shè)計， LED 產(chǎn)品應(yīng)該能夠找到它的用武之地。 國際上 LED 的醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究工作從 20 世紀(jì) 90 年代開始， 1993 年美國太空總署（ NASA）首 先提出 LED 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。相繼推出 LED 醫(yī)療應(yīng)用成果的還有以色列和英國。 故 LED 電路的設(shè)計顯得尤為重要，沒有驅(qū)動 LED 永遠(yuǎn)發(fā)不了光。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國外 LED 電路 發(fā)展現(xiàn)狀 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 半導(dǎo)體照明技術(shù)的開發(fā)研究引起了全球研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的重視。目前，功率型白光 LED 光視效能（發(fā)光效率）已經(jīng)達(dá)到 100 lm/W，研究水平達(dá)到 160 lm/W。日本日亞化學(xué)處于全球技術(shù)領(lǐng)先水平，壟斷高端白色、藍(lán)、綠色 LED 的市場，豐田合成在白光 LED及車燈照明技術(shù)開發(fā)據(jù)國際前端；美國 Cree 的碳化硅襯底生長 GaN 外延片國際領(lǐng)先，傳統(tǒng)照明巨頭 Philips 絕對控股的美國 Lumileds 功率型白光 LED 國際領(lǐng)先；傳統(tǒng)照明巨頭 Osram歐司朗控股的德國歐司朗光電半導(dǎo)體功率型 LED 封裝和車用 LED 燈具開發(fā)國際領(lǐng)先 [4]。 國家 “863”計劃和信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金及時支持了國產(chǎn) 外延設(shè)備如液相外延爐和MOCVD 設(shè)備的研發(fā)（中科院半導(dǎo)體所、中電科技集團(tuán)公司第四十八所），通過整機(jī)消化吸收，關(guān)鍵技術(shù)再創(chuàng)新等措施，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，使長期制約我國 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的裝備瓶頸得以突破。同樣也擠占了國內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)商的發(fā)展空間。整個系統(tǒng)分為 電源 部分和 時間控制 部分。因為其發(fā)光效率高、耗電少、使用壽命長、安全可靠性強(qiáng)、環(huán)保。在實驗室或者精密測量的場合應(yīng)使用精度高、電氣特性好的 LED發(fā)光管?？筛鶕?jù)不同的要求選用不同的 LED。并知道每種方式應(yīng)用于什么場合。由于該電源主要由變壓、濾波、穩(wěn)壓、整流這 4部分組成。選擇該電源的主要原因是簡單而且很實用，畢竟提供 LED發(fā)光不需要太高的電壓和電流，而且這次設(shè)計所用的是單管 LED，因此對電源的要求很低。該芯片比較器靈敏度高、輸出驅(qū)動電流大、功能靈活，因此在電子電路中獲得廣泛應(yīng)用。 在本次設(shè)計中僅用到其定時的功能，來控制 LED發(fā)光管的亮滅時間。所以非常實用。當(dāng)在 PN結(jié)上加以正向電壓之后， P區(qū)的空穴注入至 N區(qū)， N區(qū)的電子注入至 P區(qū)， LED顯示屏接口電路設(shè)計 相互注入的電子與空穴相遇后即產(chǎn)生復(fù)合，這些少數(shù)載流子在注入和復(fù)合中產(chǎn)生輻射而發(fā)光。如圖 21所示。 LED光源特點 (1)電壓： LED使用低壓電源，供電電壓在 624V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。 (3)適用性：很小，每個單元 LED小片是 35mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境 。 (5)響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級， LED燈的響應(yīng)時間為納秒級 。 (7)顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。 (8)價格： LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只 LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上 300～ 500只二極管構(gòu)成。而 LED 種類里面還有很多種類： 1)按膠體形狀分： 3mm、 4mm、 5mm、 8mm、 10mm、 12mm、方形、橢圓形、墓碑形、還有一些特殊形狀等等 。 3)按顏色分：紅色（ red）、橙色（ orange）、黃色（ yellow）、黃綠色（ green yellow）、綠色 （ green） 、 藍(lán)綠色 （ blue green）、藍(lán)色（ blue)、紫色（ pink）、紫外線（ uv）、白色（ white）、紅外線等等 。 2)發(fā)光顏色和膠體的種類和 LED 產(chǎn)品一樣，只是產(chǎn)品的形狀發(fā)生 了很大的變化。 他的分類也是按膠體形狀不同分的： 3mm、 5mm 平頭的，還有，還有根據(jù)頂部的珠子不同滿足不同客戶角度的要求等等。 (4)大功率（ power led） 這個大家應(yīng)該都比較熟悉了，現(xiàn)在是這個行業(yè)炒的最熱火的。不知道的看看圖片是什么樣子的： 1)按功率分： 1w、 3w、 5w、等等 。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 3)按工藝還有鋁基板的和防 luminous 的。 1)按外形分： 1 位、 2 位、 3 位、 4 位等等 。 3)極性：共陰、共陽 。 (6)點陣（ LED Dot Matrix） 從 LED器件的發(fā)光機(jī)理可以知道，當(dāng)向 LED器 件加正向電壓時流過器件的正向電流使其發(fā)光。具體的驅(qū)動方式有直流驅(qū)動、恒流驅(qū)動、脈沖驅(qū)動和掃描驅(qū)動等，本論文 LED器件的驅(qū)動方式為 直流驅(qū)動方式 【 6】 。如圖 22所示： 圖 22 LED的直流驅(qū)動 連接時令 LED的陰極接電源的負(fù)極方向，陽極接正極方向。直流驅(qū)動時， LED的工作點由電源電壓 k、串 聯(lián)電阻 R和 LED器件的伏特性共同決定。改變 R2的值，可以調(diào)解 I的值，從而調(diào)節(jié) LED的發(fā)光強(qiáng)度。一方面它顯示的字?jǐn)?shù)很少，另一方面它的顯示內(nèi)容固定不變。這樣一塊屏上大約有 100只管子。 恒流驅(qū)動 由于 LED器件的正向特性比較陡，加上器件的分散性，使得在同樣電影電壓和同樣的限流電阻的情況下，各器件的正向電流并不相同，引起發(fā)光強(qiáng)度的差異。晶體管輸出特性具有恒流性質(zhì)。 圖 24 LED恒流驅(qū)動 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 脈沖驅(qū)動 脈沖驅(qū)動 方式主要利用人眼視覺暫留現(xiàn)象驅(qū)動 LED發(fā)光，利用該方式驅(qū)動 LED可以通過改變驅(qū)動頻率從而達(dá)到改變 LED發(fā)光時間以及亮度。如圖 25所示。在掃描驅(qū)動方式下可以按行掃描，按列控制：也可以按列掃描，按行控制。 依據(jù)上述分析，本文由于控制一個發(fā)光二極管，故只用直流驅(qū)動，既簡單又實用，所用元器件少。 電源的設(shè)計方案 開關(guān)電源 開關(guān)電源 主要采用開關(guān)式穩(wěn)壓電路，電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，即調(diào)整管主要工作在飽和導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。由于省去了電源變變壓器和調(diào)整管的散熱裝置，所以其體積小、重量輕。但由于工藝已經(jīng)成熟，而優(yōu)點又突出，已成為宇航、計算機(jī)、通信、家用電器和功率較大的電子設(shè)備中電源的主流，應(yīng)用日趨廣泛 【 7】 。但其電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓中所含紋波較小，所以廣泛應(yīng)用于小信號、小功率電路中。理由如下： (1)輸出電壓方面 開關(guān)電源輸出電壓紋波較大，線性電源較小。 (2)電路整體方面 開關(guān)電源整體電路復(fù)雜，對元器件要求高，線性電源則相反。電路相對簡單，故選取線性電源。但是由于 LED 的特性可知，其需要的電流很低，所以也不需要大功率的電源，線性電源足以 。在設(shè)計過程中困難在于變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓這4 個部分的選取和鏈接以及完成后對電路的仿真?？捎糜跒V波電路，濾除噪聲等等干擾。 如果將單穩(wěn)態(tài)電路的電壓控制端加入一個變 化的電壓，當(dāng)控制電壓升高時，電路的閾值電壓升高，輸出的脈沖寬度隨之增加；而當(dāng)控制電壓降低時，電路的閾值電壓也降低，單穩(wěn)的輸出脈寬則隨之減小?？捎迷撾娐纷鳛槎〞r電路 【 8】 。因此改變 RC的參數(shù)就可以改變觸發(fā)時間。 綜上所述，結(jié)合本次設(shè)計要求應(yīng)當(dāng)選擇 555定時器組成的多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。但是選擇該電路存在一個問題，就是定時時間不能太長，而且時間精度不高。當(dāng)然，可以將做好后的電路通過精密的儀器測量其定時時間，也就是測量其觸發(fā)電平時間間隔。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 3 LED控制電路設(shè)計 系統(tǒng)的功能 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 31所示，在該系統(tǒng)中以 5V直流穩(wěn)壓電源為各器件提供電源，采用 555定時器 定時功能和波形產(chǎn)生功能驅(qū)動 LED發(fā)光。 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 LED驅(qū)動設(shè)計 LED脈沖驅(qū)動 脈沖驅(qū)動方式，采用向 LED器件重復(fù)通斷供電的方法使之點燃．就是利用人眼的視覺暫留特性，采用這種方式時應(yīng)該注意兩個問題：脈沖電流幅值的確定和重復(fù)頗率的選擇。如圖 32所示，平均電流 Ia是 瞬時電流 i的時間積分，對于矩形波來說，其表達(dá)式如 (31)式所示： ???????? Ta tdttI 01 （ 31） 其中 Ia代表買中電流的平均值。其次是脈沖重復(fù)頻率的問題，通過視覺暫留特性的分析，己經(jīng)知道脈沖重復(fù)頻率必須高于 24Hz，否則會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。 電源的設(shè)計 線性電源（ 5V直流穩(wěn)壓電源）由電源變壓器、整 流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電路中 S1是電源開關(guān)， T1是電源變壓器， VD1是整流二極管。 交流電網(wǎng)電壓 t t t t t VO VF VR V2 V1 ～ 220V 50HZ VO VF VR V2 V1 電源變壓器 整流 電路 穩(wěn)壓 電路 濾波 電路 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 (1)電路分析 這一電源變壓器降壓電路的工作原理是：在開關(guān) S1閉合時， 220V交流市電經(jīng) S1（圖中未閉合）加到電源變壓器 T1的一 次繞組兩端，江流電流經(jīng) T1一次繞組的上端流入，從一次繞組的下端流出。這樣， T1將 220V交流市電電壓降到合適的低電壓。如圖 34所示。上面的電源變壓器降壓電路中 T1只有二次繞組，所以是最簡單的電源變壓器降 壓電路。 圖 電源變壓器降壓電路 圖 變壓后的波形 整流電路 整流電路 的任務(wù)是將交流電變換成直流電。在小功率（ 1KW以下）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。以下分析整流電路時，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。通過負(fù)載 R1的電流 i1以及電壓 vl的波形如圖 36所示。 圖 36 輸入輸出仿真波形圖 (2)負(fù)載上的直流電壓 VL和直流電流 IL的計算 用傅立葉級數(shù)對圖 vL的波形進(jìn)行分解后可得 ?????? ???? .... .....6c os35 44c os15 42c os3 422 2 wtwtwtVv L ???? （ 32） 式中恒定分量即為負(fù)載電壓的平均值，因此有 VVVL 22 22 ?? ? （ 33） 直流電流為 RVILL? （ 34） 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 由式 (32)看出，最低次諧波分量的幅值為 )3/(242 ?V，角頻率為電源頻率的兩倍，即 2w。這些諧波分量總稱為紋波，它疊加于直流分量上。由式 (33)和式 (35)得出橋式整流電路的紋波系數(shù) ? ? 4 ???Kr。 (3)整流元件參數(shù)的計算 在橋式整流電路中，二極管是兩兩輪流導(dǎo)通的，所以流經(jīng)每個二極管的平均電流為 RVIILLD ?? (37) 一般電網(wǎng)電壓波動范圍為177。 橋式整流電路的特點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因 電源變壓