项目四 初识LED景观工程

项目四初识LED景观工程项目描述从LED夜景工程的发展现状与趋势入手，介绍了LED在夜景景观照明工程中的设计与应用，并通过LED变色灯的实例，使得读者能够对LED景观工程有初步的了解，在本项目的最后将介绍LED夜景施工组织流程。知识目标对LED开关驱动电路和LED变色灯原理的认知。技能目标学会如何组建LED变色彩灯电路。任务一开关型驱动电路分析任务任务二变色彩灯的制作任务一开关型驱动电路分析LED灯是一种新型光源，与普通的霓虹灯比，其特点是不产生光污染和热辐射、耗能低（节能60%以上，维护成本节约80%以上），在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的竞争力,优势明显;且具有色彩丰富逼真、图形多变等优点，目前已被不少大城市用来装饰街道和标志性建筑物。一、LED夜景工程1.LED夜景工程发展现状及趋势近几年,随着技术的突破，应用的拓展，发光二极管(LED)半导体在城市景观照明中的应用也越来越多。半导体照明符合现代社会对城市景观照明的新要求:环保、节能、经济及光色变化，因此作为新型半导体光源正成为景观照明中最佳选择的光源之一。我国也将把半导体照明作为一个重大工程进行推动。“十五”期间我国半导体照明领域的研究目标主要放在培育LED产业链上。目前我国在半导体照明领域已经初步形成从外延片生产、芯片制备和器件封装集成应用的比较完整的产业链。然而，由于半导体景观照明不同于半导体照明的其他领域，它对最终的实施效果有艺术化的要求，这就涉及到如何设计和使用的问题。2.LED景观照明的设计与应用LED是一种新型光源，代表着最新的照明科技。因此使用LED照明目前似乎正逐渐成为一种最为时髦的做法。似乎用了LED就贴上了科技领先的标签。然而，不考虑建筑原有风格形态。盲目使用LED照明，一味追求色彩变化也成为许多建筑照明设计的通病。LED灯具色彩可变。易于控制是其优于其他种类光源和灯具的特性。因此，在实际的工程中采用LED时大多会选择使用这一特性，设计变色的照明效果。此外，LED色彩变化的频率和速度也是应该进行设计的内容。变化过快的色彩方案，容易造成视觉疲劳，缺乏设计的图形色彩更会导致观者的烦躁情绪。尤其在一些重要的交通节点，频繁闪烁变化的LED照明，甚至会影响到道路的交通安全。LED技术在近两年发展得非常快，LED发光效率也大幅度地在提高。高亮度、超高亮度的LED都已广泛运用到实际工程中。但同样值得反思的是并不是LED亮度越高就越好。3.LED景观工程应用实例（1）水立方（2）上海东方明珠塔（3）费城艺术大道（4）杭州运河（5）英国伦敦眼（6）厦门中闽大厦二、开关电源驱动电路1.开关电源驱动的基本构成和原理目前，驱动LED中常用的直流稳压电源主要有线性电源和开关电源两类。根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。（1）开关电源驱动的基本构成与原理①基本构成②基本工作原理开关电源的基本工作原理：输入的交流电(市电)首先经整流滤波电路形成直流电压Vs，该直流电Vs，再经通／断状态由下图所示波形Vc控制的电子开关电路后，变换成脉冲状交流电压Vo。Vs再经电感、电容等储能元件构成的整流滤波电路平滑后，输出直流电压Vo。开关电源工作波形图（2）开关电源的优点开关电源具有功耗小效率高、体积小重量轻、稳压范围宽、电路形式灵活等多方面的优点。①功耗小、效率高、工作可靠稳定②体积小、重量轻③稳压范围宽，适用范围广④安全可靠⑤电路形式灵活多样、设计简便（3）专用控制器件PWM控制电路的基本构成可见，PWM控制电路由以下几部分组成：①基准电压稳压器，提供一个供输出电压进行比较的稳定电压和一个内部IC电路的电源；②振荡器，为PWM比较器提供一个锯齿波和与该锯齿波同步的驱动脉冲控制电路的输出；③误差放大器，使电源输出电压与基准电压进行比较；④以正确的时序使输出晶体管导通的脉冲倒相电路。振荡频率由外部电容(CEXT)和电阻(REXT)加以设定。2.双端驱动集成电路TL494及其应用TL494为双端输出的PWM脉冲控制驱动器，总体结构比同类集成电路SG3524更完善。TL494内部有两组误差放大器，以及由PWM比较器组成的主控系统、精度为5V土0~25V的基准电压输出。其两组时序不同的驱动脉冲输出端，内置发射极和集电极开路驱动缓冲器，以便于驱动NPN、PNP双极型开关管或N沟道、P沟道MOSFET管。TL494内部电路框图见下图。3.LED驱动电路的拓扑结构开关电源是目前能量变换中效率最高的，一般有BUCK型（降压型），BOOST（升压型），还有很少用到的BUCK-BOOST型（升降压型），效率可以达到90%以上。Buck、Boost和Buck-Boost等功率变换器都可以用于LED的驱动，只是为了满足LED驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。三种拓扑的输入输出电压关系拓扑结构输入电压总大于输出电压输出电压总大于输入电压输入电压输出电压和输入电压输入电压降压型√升压型√降压-升压型√三种拓扑的典型应用拓扑结构典型应用降压型车载、标牌、投影仪、建筑升压型车载、LCD背光、手电筒（闪光灯）降压-升压型医疗、车载照明灯、手电筒（闪光灯）、紧急照明灯、标牌（1）BUCK型（2）BOOST型（3）BUCK-BOOST型三、PWM调光知识介绍不管你用Buck,Boost,Buck-Boost还是线性调节器来驱动LED，它们的共同思路都是用驱动电路来控制光的输出。一些应用只是简单地来实现“开”和“关”地功能，但是更多地应用需求是要从0到100%调节光的亮度，而且经常要有很高的精度。使用脉冲宽度调制（PWM）来设置周期和占空度可能是最简单的实现数字调光的方法。首先介绍几个定义：1.占空比(DutyCycleorDutyRatio)（1）在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。例如：脉冲宽度1μs，信号周期4μs的脉冲序列占空比为0.25。（2）在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。（3）在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。其实归纳一下也就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比。2.LED调光比调光比则是按下面的方法计算：Foper=工作频率；Fpwm=调光频率；调光比率=Foper/Fpwm，（其实也就是调光的最低有效占空比）。比如Foper=100khz;Fpwm=200Hz,则调光比为：100k/200=500;这个指标在很多LED驱动芯片的规格书里都会做出说明。3.PWM调光其实也就是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及LED照明等许多领域中。PWM驱动的简单电路上图是一个可以使用PWM进行驱动的简单电路。图中使用9V电池来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms，灯泡在这段时间中将得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5V电池(9V的50%)上一样。这种情况下，占空比为50%，调制频率为10Hz。LED光源越复杂，就越要用PWM调光。这就需要设计者仔细思考LED驱动拓扑。Buck调节器为PWM调光提供了很多优势。如果调光频率必须很高或者信号转换率必须很快，或者二者都需要，那么Buck调节器就将是最好的选择。四、典型PWM集成驱动器市面上的PWM集成驱动器很多，在下面的内容中介绍一种单线数据传输3通道PWM-LED驱动器CYT3006。CYT3006引脚功能名称SOP8DFN8功能VCC11输入电压3.5v～5.5vDCCAP22芯片内部滤波电容GND33芯片地IN44级联数据输入OUT55级联数据输出PWM_B66PWM输出蓝色PWM_G77PWM输出绿色PWM_R88PWM输出红色3.方框图系统方框图4.应用信息串行总线方式可以有效的提高数据传输速度，每颗IC内部又增设串行驱动器，方便地址位寻址，可以兼容舞台灯光，采用计数移位模式和地址模式，双模式数据传送方式，便于大数据量高速率传输。PWM型驱动器与功率器件结合，有效的提高输出耐压，增强驱动能力。比如与三极管结合设计，输出串接多颗LED，提高像素点亮度。按照设计需求，选择合适的驱动管，达到符合设计的驱动电流和耐压，灵活选型，灵活配置。CYT3006外围器件简洁，除几颗滤波电容外，不再需要配置外围器件，即可满足工作条件。输出与功率器件桥接，根据功率器件所需要的激励电流，计算合适的电阻，匹配合适的输出阻抗。PWM输出电流能力是10mA，灌入电流能力是25mA，设计注意不要超过这个值，避免IC永久损坏。在满足功率器件推动参数时，尽量的减小激励电流，从而降低像素点功耗。复习思考题1．开关型驱动电路的典型结构是什么？2．LED驱动电路的拓扑结构分几类，分别是什么？它们之间有何区别？3．什么是PWM调光？任务二变色彩灯的制作大多数人的生活空间中，惨白或温暖的灯光，我们普遍都习惯了。而新的LED变色灯，顏色是活的，它们具备灵动，能够让各种空间的色彩影响我们的心情。同时，它也具备调光、调色机制的LED灯具，可产生能改变空间气氛的效果。一、LED变色灯普通的LED变色灯由稳压电源、LED控制器及G、R、B三基色LED阵列组成。变色灯的变色原理是三种基色LED分别点亮两个LED时，它可以发出黄、紫、青色(如红、蓝两LED点亮时发出紫色光)；若红、绿、蓝三种LED同时点亮时，它会产生白光。如果有电路能使红、绿、蓝光LED分别两两点亮、单独点亮及三基色LED同时点亮，则发出七种不同顏色的光来。外部灯泡必须采用乳白色的。这样才能较好的混色，不可采用透明的材料。1.变色的光学原理变色灯是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色LED组成的。双色LED是我们十分熟悉的。一般由红光LED及绿光LED组成。它可以单独发出红光或绿光。若红光及绿光同时亮点时，红绿两种光混合成橙黄色。变色灯的变色原理如图2.变色灯的结构框图LED变色灯的结构框图下所示。它由稳压电源、LED控制器及G、R、B三基色LED阵列组成。电源输出直流电压供LED阵列和LED控制器。其中LED控制器是变色灯的关键。有的厂家直接把程序烧写在控制器中，也有的厂家使用计算机控制，可进行编写修改。二、单灯头LED变色灯下面介绍一种使用CD4060和降压式稳压电源制作的简单LED变色灯。LED变色灯的电路如上图所示。它由电源部分、变色控制部分及三基色LED阵列组成，现分别介绍其工作原理：（1）电源部分由降压电容C1、全波整流D1～D4及稳压二极管D5组成的电容降压式电路是很典型的AC/DC转换电路。（2）变色控制部分变色控制部分由二进制记数器CD4060承担。（3）三基色LED阵列三基色LED(B、R、G)每串有4个LED串联而成。3.外形与印制板LED变色灯泡的部分PCB板图复习思考题1．简述变色灯变色的原理。2．变色彩灯共几种基色，分别是什么。3．变色彩灯的重要部件是什么，为什么。技能训练一变色LED灯的组装1.实训目的（1）认识LED变色灯的基本原理；（2）掌握变色灯硬件的连接；（3）初步了解变色效果的编程。2.实训器材按下表准备实训器材序号类型型号与规格数量1LED开关电源输入85～380VAC，输出12-24VDC12LED七彩控制驱动器输入12-24VDC，输出功率1-45（w）13LED变色灯1w34导线软导线若干3.实训内容与步骤（1）识别各组件逐一观察，并打开外壳初步了解开关电源和控制驱动器的各部分结构，分析系统框图（2）连接组装电路（3）演示效果检查电路连接无误后，通电演示变色效果。如芯片变色程序已固化则不可更改，如可通过上位机修改也可尝试进行。项目小结1．新型半导体光源是景观照明中最佳选择的光源之一。2．LED是最新的光源．但并不是万能的光源，使用时应注意场合。3．LED灯具色彩可变。易于控制是其优于其他种类光源和灯具的特性。4．开关电源电路主要由整流滤波电路、变换器、开关占空比控制及取样比较