编号： 15
校级大学生创新性实验计划项目
申 报 书
项 目 名 称： 通用LED照明节能及智能控制系统 申 请 者： 刘贵亚
所 在 院 系： 电子科学与技术学院 专 业 年 级： 2008级电子信息工程专业 指 导 教 师： 许先璠
起 止 时 间： 2010年5月—2010年10月 联 系 电 话： 15155113504 电 子 信 箱： 745372533@qq.com 申 报 时 间： 2010年5月15号
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项目名称 通用LED照明节能及智能控制系统 项目类别 发明制作 起止日期 2010 年 5 月 —— 2010 年 10 月 申请经费 2800 元 申请者 情况 学 号 P10814090 P10814087 P10814013 P10814123 P10814050 姓 名 许先璠 其他指导教师 姓 名 刘贵亚 魏娟 王杰 陶有武 蔡旭文 年 级 2008级 2008级 2008级 2008级 2008级 所 在 单 位 安徽大学电子科学与技术学院 所在院系 电子学院电子信息 电子学院电子信息 电子学院电子信息 电子学院电子信息 电子学院电子信息 联系电话 15155113504 15856393479 15855173401 1505996576 15056901398 职 称 副教授 签 名 备注 高频电子线路 合作者 情况 第一指导教师 项目负责人获奖情况 刘贵亚：学习奖学金二等奖 魏 娟：学习奖学金二等奖，天大奖学金 王 杰：学习奖学金三等奖， 2
研究内容提要 1.我们研究的项目首先是LED的排列结构，我们的设计努力达到其中某个LED 因故障开路，电路中仅有1 个LED 的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。这个阶段要考虑照明环境和灯的尺寸等。 2.对于LED驱动电源的设计是我们此次研究的主要部分，提高LED驱动电源的效率是我们设计这一部分电路的主要考虑方向。采用开关电路来提高效率并在设计的过程中减少驱动电路的成本成了问题的关键。 3.这个项目的一大亮点是我们加入了节能断电保护电路。通过传感器接收一定范围内人体发出红外线信号和编程实现单片机控制电路，使电源在一定条件下对电路供电变化来实现节能断电保护的目的。 研究的目的和意义 1.目前LED的优点非常明显，是国家绿色节能照明工程重点开发的产品之一，我们的项目以提高LED照明电路的效率为主，目标是能够促进LED照明在家用方面的大规模普及。因此我认为我们的项目非常有实用价值，又很符合现代社会关于节能和可持续发展的要求。 2.作为大学二年级的学生，扎实基本的专业知识固然重要，而创新意识才更是21世纪对于人才的所要求的重要素质。对于此项目的研究能够很好的培养我们的创新意识，使我们将自己的专业知识运用到实际中发明创造。此外我们在研究项目的过程中锻炼了我们的团队合作能力，研究项目为我们以后步入社会参加到工作中提供了良好的锻炼实践平台。 3. 驱动LED 面临着不少挑战，如正向电压会随着温度、电流的变化而变化，而不同个体、不同批次、不同供应商的LED 正向电压也会有差异；另外，LED 的“色点”也会随着电流及温度的变化而漂移。而我们这个项目主要的研究目标是实现效率高的LED节能电路，做到尽量低成本的LED驱动电路。这在LED照明的发展上是一个技术瓶颈。因此，我们的此项研究具有十分长远的意义，可以推动LED在节能灯光源上的应用。 4.此项目涉及的内容都是本专业的重要知识，这对于我们今后对专业课的学习有着重要的意义，通过亲手设计并制作电路使我们对电路方面的知识有了更深的了解，提高了我们学习专业课的兴趣。 5.此外，我们还在实际电路中加入了节能智能保护系统，对于出门忘记关灯等情况，可以自动断电，从而达到节约用电跟保护电路的目的。这点对于家庭用灯非常实用，还可以大规模应用，比如一些公共场合，如阅览室或教室里的灯，在没有人的时候可以关掉，而不必手动关开关，这样可以节约很多电能，具有深远的意义。 3
国内外本项目的研究状况 目前，全球有近200家公司和300多所大学以及研究机构从事氮化镓基LED的材料生长、器件制作工作和相关装备制造的研究和开发工作，居于领先水平的公司主要有日本的Nichia、Toyota Gosei、索尼、三洋、美国的Cree Lumileds，欧洲的Osram、菲利普、中国台湾的芯片厂家主要有国联、晶元、光磊、广镓、灿元、连威等，封装方面主要有亿光电子、鼎元光电、佰鸿工业等。 这些跨国大公司多有原创性的专利，引领技术潮流，占有绝大多数的市场份额，其中日本的日亚公司是全世界研究和生产LED的\顶尖\单位，十余年来其氮化镓基LED的研究和开发水平一直领先其它单位2-3年。日亚公司在生产白色LED的荧光粉材料方面拥有多项专利，在InGaN白色LED芯片供应上一直占统治地位，但专利技术一直控制在内部使用。Lumileds公司也已开发出最大发光功率达120 lm的白光LED，美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出效率为200 lm/W的白光LED。 美国自2000年起投资5亿美元实施\国家半导体照明计划\。美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体照明所替代。通用电气、飞利浦、欧斯郎等世界三大照明巨头，全都启动大规模商用开发计划，与半导体公司合作或并购，成立半导体照明企业，他们还指出，要在2010年前使半导体灯的发光效率再提高8倍，价格降低到现在的1%。 我国台湾是世界LED生产的最重要基地，其产量超过全球LED产量的1/3，早在20世纪90年代初已经名列世界第三位。目前我国台湾LED产品市场占有率已达28%，超过了美国，位居世界LED市场第二位，产品80%以上外销，主要销往韩国、日本、美国和欧洲等地，目前台湾地区LED业主要是向全彩化、高亮度和大型化的方向发展，仅用于LED生产的MOCVD装备就多达200多台。 LED生产主要有3个环节，就是发光半导体外延片的生长、芯片制作和封装，目前国内3个环节都有，尤其是外延片的生长环节，我国与世界一流水平还有较大的差距。从产业价值链的情况看，高质量的外延片已经成为中国LED产业发展的主要制约环节，中国的LED产业面临一个巨大的问题就是技术水平太低，中国LED产业刚刚处于起步阶段，不但与日本、美国、欧洲有巨大的差距，即便是与中国台湾相比，也相去甚远，国内LED的产业规模在100亿左右，仅是日本日亚化学一家的一半多一点。目前国内有十几家作LED外延芯片和芯片封装的公司，产业规模较小，最大的也不过2、3亿的产值。 国家\计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相外延炉和MOCVD设备的研发（中科院半导体所、中电科技集团公司第四十八所），通过整机消化吸收，关键技术再创新等措施，填补了国内空白，使长期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。 参考文献： 《中国LED产业发展研究报告（2009—2010年度）》 《2009年中国半导体照明产业投资分析及预测报告》 《到底是采用恒压电源还是采用恒流电源给LED供电?》 《分析补偿及测量高功率LED驱动器的控制回路 》 《大功率LED器件封装材料的研究现状》 《LED照明亮度稳定性及节能探讨》 《传感器及其应用》 栾桂冬 张金铎 金欢阳编著 《单片机原理及接口技术》 胡健主编 《电子技术基础》 康华光 主编 4
项目的创新点 1.在LED驱动电路的设计上我们采用效率较高的开关电路，并尽量做到降低成本，进一步提高LED照明电路的性价比。 2.LED电路的设计体现了稳定性高，抗干扰性好的特点。 3．电压倍增电路保证了足够大的工作电流，可带动更多的LED。 4.考虑到亮度匹配，优化LED的排列结构，使LED照明电路亮度均匀。 5.加入节能断电保护电路的设计，通过传感器接收信号和单片机控制电路，使整个LED照明电路更加节能，并具有安全性高的优点。 研究详细内容、研究方案 总的来看，LED 照明设计需要考虑以下几方面的因素： 输出功率：涉及LED 正向电压范围、工作电流及LED 排列方式等 电源：AC-DC 电源、DC-DC 电源、直接采用AC 电源驱动 功能要求：调光要求、调光方式(模拟、数字或多级)、照明区控制 其他要求：能效、功率因数、尺寸、成本、故障处理(保护特性)、要遵从的标准及可靠性设计等 更多考虑因素：机械连接、安装、维修/替换、寿命周期等 一。LED灯的排列及计算所用灯的数目 先根据工作环境确定照明需求，并计算需要的LED数目。 确定实际需要的流明量，所需的实际流明=目标流明/(光学效率×热效率)=810/(91%×85%)=1,050lm 确定工作电流，工作电流在确定LED照明的效能和使用寿命时很重要。根据所需要的LED数目确定实际电路所需的工作电流，并根据实际能达到的工作电流调整LED的数目。 设计LED灯的布局，考虑实际照射面积，并且LED的排列采用交叉连接的结构。这样电路的稳定性高。如果其中某个LED 因故障开路，电路中仅有1 个LED 的驱动电流会加倍，从而尽量减少对整个电路的影响。 二。电路设计阶段 LED的基本简单电路如下图所示 图1.LED电路基本原理图 5