电气专业参考学年论文2

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宁波工程学院学年论文 1 LED灯用于汽车照明的驱动方案 XXX 宁波工程学院 电信学院

摘 要:LED灯主要是利用在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。LED的光输出与其流经的电流大小成比例,而且LED的动态电阻会随着正激电压VF而改变,所以我们在将多个LED灯串并联到一起时要考虑LED灯的工作电流是否分配均匀,其工作电压时否符合要求等因素。本文简单介绍了LED灯的原理及LED用于汽车照明的驱动电路的一种实验方案。

关键词:降压开关稳压器;PN结;注入式电致发光原理;车后组灯 Led lights led to the principles and the lighting of the plan XU Beibei (ningbo telecom college of engineering electrical 081,china)

Abstract:LED lights are mainly used in some semiconductor materials of PN into a few years, the flow and flow of the compound when it is the excess energy released by the light to carry electrica energy conversion mitsuyoshi.Led through the light of its output proportional to the current size, and led active resistance as being dared to change voltage vf, so we led a series of parallel to light when the lights led to consider whether the work of the current distribution of voltage in its work when appropriate for any other factors. this article describes the principles that led up the car and led to the driving circuit by an experimental scheme. Key words: a step-down switch 稳压器; PN knot; injection the principle of light after light; the set of light

引言:

LED是半导体发光器件,能让很小的通过电流几乎全部转化成可见光;它具有节能、环保、长寿命等优点,使得2010年中国产业面临前所未有的政策机遇、超乎预期的技术升级空间、巨大的市场潜力,发展前景十分广阔。当前,全球经济成长与生活形态的改变带动了照明的需求,节能减排成为全球议题。展望2010年,随着LED技术不断进步,成本持续降低,加上国家和地方政府会继续出台相应的政策法规支持该产业发展,中国LED灯市场的发展前景十分可观。本文简通过单介绍了LED的结构、工作原理及LED用于汽车照明的驱动电路的一种实验方案,让我们对LED灯的应用范围及LED灯工作时应注意的问题有所了解。 宁波工程学院学年论文 2 1 LED灯的结构及发光原理 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。 LED结构图如下图所示发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。而光的波长也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。

2 LED灯的种类 根据发光种类LED灯可分为单色LED灯,白色LED灯和全彩LED灯。其中全彩LED的主要工作原理是:是由红绿蓝三基色混色实现七种颜色的变化,采用输出波形的脉宽调制, 即调节LED灯导通的占空比,在扫描速度很快的情况下,利用人眼的视觉惰性达到渐变的效果。白光LED主要有三种:第一种通过组合红,绿,蓝不同颜色的LED获得混合白光。第二种利用紫外LED激发红,绿,蓝混合荧光粉获得白光。第三种是利用蓝色LED激发黄色荧光体,LED发出的部分蓝光与荧光粉发出的橙黄光混合获得白光。而且第三种方法是宁波工程学院学年论文 3 目前最常见的白光LED开发技术。单色LED灯发出光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。不过在这里我想主要介绍下单色LED灯汽车尾灯领域的应用。

3 LED的光源特点 3.1 电压:LED使用低压电源,供电电压在6-24V之间,根据产品不同而异,所以它是一 个 比使用高压电源更安全的电源,特别适用于公共场所。 3.2 效能:消耗能量较同光效的白炽灯减少80% 。 3.3 适用性:很小,每个单元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境 。 3.4 稳定性:10万小时,光衰为初始的50% 。 3.5 响应时间:其白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级 。 3.6 对环境污染:无有害金属汞 。 3.7 颜色:改变电流可以变色,发光二极管方便地通过化学修饰方法,调整材料的能带结构和带隙,实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED,随着电流的增加,可以依次变为橙色,黄色,最后为绿色。 3.8 价格:LED的价格比较昂贵,较之于白炽灯,几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当,而通常每组信号灯需由上300~500只二极管构成。

资料显示,LED光源比白炽灯节电87%、比荧光灯节电50%,而寿命比白炽灯长20~30倍、比荧光灯长10倍。LED光源因具有节能、环保、长寿命、安全、响应快、体积小、色彩丰富、可控等系列独特优点,被认为是节电降能耗的最佳实现途径。

4 LED灯在汽车尾灯领域的应用 LED照明在汽车领域的应用越来越普及,例如车后灯组(RCL)、头灯、日间行车灯、信号灯及第三煞车灯(CHMSL)等,而该趋势正同时出现在原设备制造商及零件市场灯具供应商领域。在驱动车用LED照明方面,市面上有不少适合的开关电源供应拓扑可以使用,但最终的选择还是取决于LED对电压和电流的需求,以及必须符合系统的整体目标。对于那些供电电压远高于负载电压的应用,降压转换器可以说是最理想的选择,原因是它可为LED负载提供稳定及持续不断的输出电流。相反地,假若总LED电压高于系统的供电电压时,系统设计人员便须运用升压/降压混合拓扑或纯升压拓扑。在下面我们主要简单介绍采用串联及并联安排的LED车后灯组。

4.1 串联及并联安排的LED车后灯组 LED在汽车方面的其中一种比较普遍的应用是尾灯/闪灯组合,也被称作车后灯组。对于那些典型正激电压(VF)为3V的LED,当流经它们的直流电压为12-14 Vdc时,便可能需要使用降压开关稳压器作为解决方案。在最低电压为12V下,只能让3个LED以串联方式连接,假若所有LED的总电压超过12V时,便需采用串联/并联方式(图1) 宁波工程学院学年论文 4 图 1. 同时运用串联/并联的排列方式

对于需要进行调光及闪灯的应用而言,有几种方法可以用来切断LED灯串的电源,最

常用的方式之一是脉冲宽度调制(PWM)调光控制,通常以专用信号来控制灯光的输出亮度,因为需要在线路系统中加一条专用线路作为调光的用途,因此不太适合汽车应用。另外一种方式是所谓双线调光,当中供给LED驱动器的电源会周期性地被中断以控制明暗。图2所示为LM3406(美国国家半导体)的应用电路图。

图 2. LM3406 的双线调光配置

这种方式有三大优点。第一,LM3406的输入电压感测引脚(VINS)可排除使用专用调光信号,使得LED灯串的PWM调光可通过调节LM3406的电源来实现。第二,至关重要的一点在于,阻流二极体(blocking diode)D2可允许电路保留输入电容器CIN,正如在非双线调光解决方案中一样,基于降压稳压器的非连续性输入电流,可保留输出电容器。第三,这种配置方式可让器件本身维持驱动状态,无需在调光周期完结后再完全重新启动。这种标准PWM调光方式所需的附加零件包括阻流二极管D2、VINS下拉电阻器 RPD及切断开关S1所需的零件。

12-14v VIN LED Driver

IOURT

FB 3*IF 宁波工程学院学年论文

5 4.2 采用升压/降压混合拓扑的串联LED车后灯组实例 将LED灯串以并排方式连接能够大幅简化设计,原因在于这种安排能使LED的功率级直接采用12-14Vdc直流电源轨进行运行。可是,这种将串联与并联结合在一起的配置方法也有其缺点。当阅读LED制造商的数据表时,有两个数据至关重要:一是LED的光输出与其流经的电流大小成比例,另一个是LED的动态电阻会随着正激电压VF而改变。制造商以bin值表示LED的VF、光通量、与颜色(或色温),例如一般VF bin值代表具有3.27 V至3.51 V(25 °C时)范围的LED,当涵盖整个bin值范围时可以变为2.8V至4.2V ,因为LED制造商一般都会向客户销售多种bin值的LED,对多数设计人员而言,假设所有LED都有接近的VF值是不切实际的。

图 3. 实验设计

VF变化的影响可从以下例子中看到。图3所示为一个实验,当中包含两个不同的设置。第一个设置采用四个LED,每一个均拥有独立的电流源,而另一个设置则将四个LED并排连接以共用一个电流源。表1和表2中的数据是于25°C下并于开启电源后5秒内录取,目的是把LED的自我加热效应降至最低。

表1多电流源设置录取的实验数据 LED# If Uf

1 1 3.83 2 1 3.41 3 1 3.59 4 1 3.52