在单片机基础上的LED绿色低碳照明系统的研究

第一章绪论

1.1前言
在目前节能减排成为当前世界共同探讨的焦点话题。而我国目前的照明依旧是以低效率的照明灯具为主。可见照明节能意义深远。
现有的LED驱动电路存在着功率因数低和效率低的不足。因此LED驱动电路的进一步优化设计显得尤为重要。首先我们分析LED照明的特点，然后根据LED照明的特点选择合适的电源结构，从而制定合适的智能照明方案來实现恒流LED驱动。

1.2新型绿色照明LED
1.2.1发光机理LED是利用半导体PN结（或类似结构，通以正向电流时发出可见光或红外、紫外福射的电光源。PN结的P区带有过量的正电荷，常称为空穴，N区带有过量的负电荷，常称为电子；当正向导通的电压加在这个半导体材料的PN结上时，电子就会从N区向P区移动。在P区和N区的交界处电子和空穴发生复合，复合过程中能量就会以光子的形式从LED中发射出来。光子的频率是由半导体的禁带宽度决定的。
1.2.2LED优点：
节约能耗、保护环境(不含汞等有害物质)、寿命长、减少维护费用、提供更好的照明光质、改进灯光视觉效果和提高安全性。这些都使LED照明在众多基础设施建设中得到越来越多的应用。
1.2.3LED光源特性
图1-1为正向压降(Vf)和正向电流的(If)关系曲线。由曲线可知，当正向电压超过某个阈值(约为2V)，即通常所说的导通电压后，可近似认为，If与Vp成正比。当前超高亮LED的最高If可达1A， VF通常为2至4V.
LED通常采用恒流驱动。这是因为当LED正向压降变化范围比较大(最大可'达IV以上）时，由上图中的曲线中前向电压的较小变化可以引发较大的前向电流变化，进而引起光亮度的大变化。正因如此发光二极管的光特性通常被描述为电流的函数。采用恒流驱动可以更好地控制亮度。如果使用恒压驱动，它不能保证发光二极管发光亮度的一致性，而且会影响LED可靠性、寿命和光衰。
LED是对温度敏感型器件。LED的发光强度与工作温度有很大的关系，一般温度越低，发光则越强；反之则越弱。图1-2是LED发光强度随温度的变化曲线。可见，为了获得较高的光强度，应严格控制LED的温度。

1.3驱动电路
驱动电路是所有电子设备的动力模块，其性能的高低直接关系到整个系统的效率以及安全性和可靠性指标。一直以来都是稳压电源担当驱动电路的角色的。稳压电源可以根据调整管的工作状态分为两类：开关稳压电源和线性稳压电源。
1.3.1线性稳压电源
早期使用的线性稳压电源属于直流稳压电源。线性稳压电源通常由调整管、参考电压电路、取样电路和误差放大电路等基本部分组成。另外还可包括一些启动电路和保护电路等。大致原理为：输出电压通过取样电阻取样，然后该采样电压并与参考电压比较，再由误差放大器放大比较结果后控制调整管的导通程度，进而稳定输出电压保持。线性稳压电源的优点：响应速度快；输出电压比输入电压低；输出纹波较小；工作噪声低。它的缺点是效率较低；发热量大，间接地给系统增加热噪声。
1.3.2开关稳压电源
开关稳压电源(Switching Power Supply),简称开关电源，被视为为高效节能的电源Z并且它成为了稳压电源的主流产品。开关电源已经在电子、通信及计算机等领域得到了广泛应用。开关电源本身消耗的能量低是因为器件工作在高频开关状态，电源效率可达80%甚至更高；目前开关电源的需求量也越来越大，性能要求也逐渐提高，所以开关电源的设计工作也更具挑战性。

    1.4 智能照明 .............13-14
    1.5 本文的主要内容 .............14-16
第二章开关稳压电源 .............16-28
    2.1 拓扑结构 .............16-21
        2.1.1 非隔离式 .............16
        2.1.2 隔离式 .............16-21
    2.2 电压反馈控制和电流反馈控制 ........21-23
    2.3 两种调制方式 .............23-25
        2.3.1 PWM方式 .............23-24
        2.3.2 PFM方式 .............24-25
    2.4 功率因数校正 .............25-26
        2.4.1 功率因数的定义 .............25
        2.4.2 功率因数校正技术 .............25-26
    2.5 开关电源的发展趋势 .............26-28 
第三章驱动电路设计 .............28-50
    3.1 临界导通式单级PFC反激式变换器原理 .......28
    3.2 本论文的设计参数 .............28-29
    3.3 主电路设计 .............29-37
    3.4 控制电路设计 .............37-43
    3.5 驱动电路实物图 .............43-44
    3.6 测试结果 .............44-47
    3.7 EMC研究 .............47-48
        3.7.1 EMC设计 .............47-48
        3.7.2 EMI滤波器设计 48
    3.8 总结 .............48-50
第四章智能照明控制 .............50-62
    4.1 遥控及手动模块 .............50-54
        4.1.1 遥控发射电路 .............50-52
        4.1.2 遥控接收电路 .............52-53
        4.1.3 手动控制调光 .............53-54
    4.2 光控与时控模块 .............54-58
    4.3 继电器控制输出模块 .............58-60
        4.3.1 继电器控制部分电路组成 ..........58-59
        4.3.2 控制电路与主电源电路接口 .........59-60
    4.4 控制部分实物图 .............60-62

结论

本论文设计了一个高功率因数的开关电源为LED照明灯具提供电能，并且设计了控制电路，实现了电源的功率随外界信号或人为控制信号的改变，即实现了LED照明灯具智能照明控制。实验结果表明达到了设计的要求。
使用LED这种新型的光源的灯具或照明设施，具有寿命长，节约电能的优点。高效节能的LED灯具做为新型绿色照明光源，取代传统照明光源将会是一种必然趋势。
LED灯具由LED阵列，驱动电路和控制电路三部分构成，其中驱动电路性能的优良直接关系LED灯具的寿命和品质。因此LED驱动电路的设计显得尤为重要。现有的LED驱动电路存在着功率因数低和效率低的不足。功率因数低会对电网产生谐波污染，效率低下则会降低电能的利用率。