电梯LED照明恒流源控制系统

 
摘要：在当前全球能源短缺背景下，节约能源是我们面临的重要的问题。在照明领域，这种具有高节能、寿命长、多变换、环保的LED发光产品的应用正吸引着世人的目光。LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。LED照明的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，使LED照明更加稳定，满足各种场合的应用要求，同时可以延长LED的使用寿命。
本文介绍了一种用于提高LED光源稳定性的高精度恒流源控制系统, 该系统基于STC单片机设计, 由BUCK电路、BOOST电路、6V蓄电池充电电路和电压放大电路组成。除此之外，该系统还配备一个6V蓄电池作为应急备用电源。软件中采用多层分段控制策略。该系统输出10路恒定电流30mA,恒流精度达到±1mA。
关键词:  发光二极管；稳定性；恒流源
Abstract:In the current background of global energy shortages, energy conservation is the important issue we face. In the area of lighting, the application of LED products which has the advantage of high power conservation, long life, multi-transformation, environmental are attractive to the world's attention .As a new green lighting products, LED is the trend of development in the future .We Will enter a new lighting era which is represented by  the LED in the 21st century. LED drivers are necessary in the application of LED lighting. They can supply constant output current and make the LED light even, and also can make the LED’s life longer.
In this paper, we introduce the high-precision constant current source control system which can enhance the stability of the LED lighting source. The system is based on the STC single-chip processor, consists of the Buck circuit, and the BOOST circuit, and the rechargeable circuit of 6V batteries, and voltage amplifier circuit. In addition, the system is also equipped with a 6V battery power as an Emergency Backup Power. Multi-section control strategy is used in the software. This system outputs 10 channels of 30mA constant current, and constant current accuracy reaches    ± 1mA.
Key words:  LED；stability；constant-current source

1前  言
在当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。
半导体技术已经改变了世界，半导体照明技术将再一次改变我们的世界。随着半导体照明光源在城市景观、商业大屏幕、交通信号灯、手机及 PDA背光源等特殊照明领域的应用，以其饱满色光、无限混色、迅速切换、耐震、耐潮、冷温、超长寿、少维修优势，半导体光源已成为全球最热门、最瞩目的光源，特别是LED的发光效率正在大幅度提高，半导体照明被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源和最具发展前景的高技术领域之一。
面对这场产业革命和巨大的市场空间，美国、日本、欧盟、韩国、中国台湾等国家和地区相继推出了发展半导体照明产业的国家和地区计划。照明和世界级半导体公司纷纷抢占市场，世界三大照明厂商： Pillips、GE、Osram为代表的下游公司积极与上游半导体公司整合，成立了Lumileds、GElcore、Osram Opto Semiconductors等公司，纷纷投入到氮化镓基LED照明光源的研发和产业中来，一场技术、人才和市场的争夺战已经开始。 
　  我国是世界照明电器第一大生产国、第二大出口国，半导体照明产业有着一定的产业基础。 面对半导体照明的历史机遇， 2003年6月17日科技部联合信息产业部、中国科学院、建设部、轻工业联合会、教育部等部委以及北京、上海等十一个地方政府成立国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动国家半导体照明工程，目前协调领导小组成员单位已增至22家。
 LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在863计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。 
LED照明的应用离不开它所需要的驱动控制电路，通过驱动电路来获得良好而平稳的电流，使LED照明更加稳定，满足各种场合的应用要求，同时可以延长LED的使用寿命。
本文主要是分析和设计了一个供LED照明用的恒流源控制系统。该系统的设计指标：220V电网电压供电，输出30mA电流。正常情况下，电网对蓄电池限压充电，故障停电时备用照明由蓄电池供电。对蓄电池的充放电该系统设计有过冲保护，过放保护。在恒流控制电路中采用PWM控制的BUCK电路和BOOST电路。在软件控制策略中，采用智能分段控制策略，以确保系统输出响应速度快、超调量小、稳态精度高、调整时间小。本文的重点是对智能分段控制PWM的分析和讨论。
2   LED的简介
2.1  照明工程中LED的发展历史
LED(Light Emitting Diode),又称发光二极管，是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端施加正向电压时，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光、远红外、近红外光，在照明工程中只利用了LED的可见光。
1964年世界上第一支红色发光二极管研制成功，之后出现了黄光LED，绿光LED。1994年蓝光LED的研制成功使白光LED的开发成为可能。1996年日本Nichia(日亚)公司成功开发出二波长白光(基于蓝光单晶片衬底上加以YAG黄色荧光粉混合产生白光)LED并成功实现商品化，同年在世界范围内取得了该项技术的专利。目前发展的方向是无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光的三波长白光LED，实现商品化后它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯及二波长LED，成为新一代的光源[1]。 
2.2    LED光源的基本特征
   l、发光效率高
LED经过几十年的技术改良，发光效率有了较大的提高。HP公司开发的应用IP(Truncated Inverted Pyramid)晶粒结构的红光LED发光效率达到1 001m／w，绿光LED也可达到501m／w，单个功率LED的光通量达到了几十流明(白炽灯、卤钨灯光效为l 2—241m／w，荧光灯50～701m／w)，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。
2、耗电量少
LED单体功率0．03—0．06w，采用直流或脉冲直流驱动，单体驱动电压1．5—4V，工作电流10—18mA，响应时间微秒级，可高频操作。同样照明的效果下，其耗电量是白炽灯泡的八分之一、荧光灯管的二分之。就桥梁护栏灯为例，同样效果的一支日光灯每米耗电40多W，而采用LED每米的功率只有6—8W (以100只O5LED单体红、绿、蓝三色均布计算)。
3、使用寿命长
一般来讲，普通白炽灯的寿命约为lO00小时，荧光灯、高强度气体放电灯的寿命也不超过l万小时，LED的使用寿命可长达数万小时，而且体积小、重量轻，采用环氧树脂的封装结构可承受高强度的机械冲击和震动。LED灯具使用寿命可达5—l0年，可以大大降低灯具的维护费用。
4、安全可靠性高，控制方式灵活。
LED属冷光源发热量低，无热辐射，能精确控制光型及发光角度，光色柔和无眩光，不含汞、钠元素等可能危害环境的物质。通过微处理(CPU)系统可以控制发光强度，调整发光方式。红、绿、蓝三色组合亮灭可实现8种变化效果，如采用灰度控制，理论上能产生256*256*256(16777216)种颜色效果，真正意义上实现了光与艺术的完美结合。除此之外，LED作为照明用光源还有一些难能可贵的优点，例如：发光体接近点光源，便于灯具设计；发光响应时间短；易于做成薄型灯具，节省安装空间等[1]。