西安电子科技大学电子产品制作省电的LED调光台灯的设计.doc

电子产品创作设计课程项目设计论文 省电的LED调光台灯的设计 院系: 电子工程学院 班级: 021231班 作者：西安电子科技大学关于LED调光台灯的研究 摘要： 随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是19%,我国也达到12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。LED 作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源基于白光LED 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点，代表着照明技术的未来，并符合当前政府提出的建设资源节约型和环境友好型社会的要求。可以预见不久的将来，LED 必然会进入普通照明领域取代现有的照明光源。目前，市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的台灯普遍存在着低效率、高能耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害；而且部分台灯产品功能单一，缺少亮度调节、时钟日历、温度显示等功能，无法适应现代家庭生活的实际需求。关键词：全球能源危机 绿色节能 LED目 录第一章 引言.3 1.1 LED照明台灯的发展潜力.3 1.2. LED照明台灯的不同构造.4 1.3. LED照明台灯的前景.4第二章LED调光台灯中设计的理论基础.52.1 电路原理. 52.2 三极管工作原理.62.3 双向可控硅的工作原理.7第3章 硅控调光器的缺点.8第4章 调试 .8第5章 学习体会.9第6章 总结.9参考文献.11第一章 引言 台灯一般用在阅读、书写、设计、批阅等办公或学习照明使用场所。对于做桌面工作的人来说，保证工作区的良好的视觉环境，对提高学习和办公的质量，提高工作效率，保护身体健康有很大的好处。目前，传统台灯的光源主要有白炽灯和荧光灯管两种：白炽台灯一般用40w60w，可以保证工作面上有足够的照度，而荧光台灯多用不透明而且能反光的金属罩，表面喷漆，放射光线能增加工作的照度，金属罩应有一定的遮光角度，这样既使工作面上的照度比较均匀，又能使灯管发出的光线不致直接刺激眼睛。但是，白炽灯的缺点是发热量大、耗电、发光效率较低、使用寿命短。而荧光灯管的缺点是显色性较差（光谱是断续的）特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，需要在设计上采取措施消除频闪效应，另外灯管内存在着有毒的汞蒸汽，不环保。 1.1 LED照明台灯的发展潜力以半导体发光二极管（LED）为光源的台灯，其光源具有低压直流驱动、无频闪、极低功耗、光线集中、环保、使用寿命长、易于控制等诸多优点。具体的说LED环保节能台灯的优点主要有： (1).LED是绿色照明理想的光源与传统的照明工具相比，LED照明工具，特别是GaN基白光LED照明，在功耗及寿命方面均有不可比拟的优越性。传统白炽灯采用热发光技术，浪费了的能源，而发光二极管的效能转换率却非常高。由于半导体照明具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯也是大势所趋；半导体LED越来越被认同是绿色照明的理想光源。 (2).LED环保节能台灯吸引点众多市场对于台灯的要求可以从两个方面划分：一是追求个性化，由于书桌在居住环境中的地位越来越重要，因此，书桌上的重要摆放也成为主人个性及爱好的体现；二是多功能性及保健性，无频闪。LED环保节能台灯将充分体现上述两大卖点。 (3).符合节能省电的理念我们知道电力供应紧张势必造成电价的提高及节能电器产品的热销。LED环保节能台灯最重要的一个特点，促成热销的一项便是其低耗省电性能。 2.2LED照明台灯的不同构造LED环保节能台灯作为局部照明如读书写字之用，要求的照度和照度均匀度比较高，需要把许多发光二极管串联或者串、并联结合使用，这就涉及到光源的分布问题。根据LED的发光强度、发光角度以及体积小等的特性，可以把多颗LED按照一定数组整合在一块适当的电路板上，再安装在相应的造型结构里，从表面上看整个平面就形成一个发光面，故把这样的一个装有LED的平板式的结构称之为LED发光板。LED属于低压直流器件，其正向导通电压的典型值3.0V4.0V，驱动电流为20mA。LED作为一种电流型器件，根据LED伏安特性可知道。为了使LED正常在稳定、可靠的工作状态，则必须为LED提供恒定电流。LED台灯光源的方向性与传统灯泡及荧光灯管的大面积照射不同。照度和照射范围跟采用的LED的参数、数量和排布有关。LED环保节能台灯功率一般在3W以内，如一个采用了20颗LED的台灯，其所耗的功率也仅仅为1.6W左右，远远比白炽台灯和荧光台灯要低。 当然，单只大功率LED器件的功率一般在0.9W2W之间，也可以用在台灯上。LED台灯与传统台灯结构构造区别最大的是光的重新分布部件。传统照明光源为白炽灯或荧光灯等，其发光特点是光辐射几乎占据整个空间，因此需要用反射器将其它方向上的光收集起来，投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器形成近似于平行的光束。而LED台灯，往往根据LED发光强度不同，在其中分布几个至几十颗LED。由于LED发出的光线集中于一个较小的立体角范围，在某些场所已经可以满足局部照明的需要，但如果需要更大的照射范围，那就要使这些LED产生的光在通过一系统透镜，而产生我们所要求的光分布。 1.3 LED照明台灯的前景目前大功率LED台灯正处在市场开拓阶段，价格偏高，且客户对其了解甚少。但其市场潜力巨大。考虑到它的诸多优点，如护眼、省电、环保和长寿命，它的生命力极强。可以预计，在不久的将来，随着大功率LED台灯成本的不断下降，它的市场会有爆炸性的发展。第二章LED调光台灯中设计的理论基础 硅控调光器-电子式调光器、遥控调光器装置成本高,又无统一标准,所以古老的硅控调光器采用量稍多。虽然硅控调光具有许多缺点,但是因为不用改变接线,装置成本较低,各厂牌硅控调光器的性能和规格差别不大,是许多LED照明厂目前选择的调光方案。电路原理图2.1电路原理电源取自变压器T，加上桥式整流D1-D4，将市电220V变成直流14V工作电源。运放A1与稳压器IC1组成基准电压，供运放A2以及外围电阻R3R6登组成触发器电路的同相输入基准电压。二反相输入经电阻R9取样，于同相输入作比较，使其输出端脉冲宽度由基准电位器RP调节，并经过驱动三极管BG1和功率三极管BF2放大后点亮LED1-LED15发光二极管组件，控制电位器RP即可控制电流大小，弯沉实际上的调光功能。这里，续流二极管D5与储能电感使输出电流平稳。 元器件要求T为电源变压器，市售规格8W/9V可以代用。发光二极管组件LED1-LED6和LED10-LED15为5mm草帽形自然光色，元器件要求T为电源变压器，市售规格8W/9V可以代用。发光二极管组件LED1-LED6和LED10-LED15为两边各12枚，少画6枚，总共24枚；LED7-LED8为1W大功率也是自然光色，以带散热片。但是组装时三枚合一，另加装合适条形铝材已增加散热效果。运放A1和A2为双运放LM358，如有LM324则完全通用，只是多了两个运放。IC1稳压器为TL31，稳压值为2.5V，其余电阻、电容为常规配置。 电感L1选取外径为 15mm高频磁环用 0.25mm漆包线穿绕40T即可。限流电阻R9功率为1W，阻值选取2.2-3.0。 2.2三极管工作原理 三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管,晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号, 也用作无触点开关。 晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。 对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。 当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。 由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic 这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：1=Ic/Ib 式中：1-称为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为： = Ic/Ib 式中-称为交流电流放大倍数，由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。 三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。2.3 双向可控硅的工作原理 （a）符合 （b）构造 可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化。硅控调光器主要构成元件包括： (1)硅控管-用来截取交流电压部分导通角度,以改变灯具的输入功率 (2) RtCt timer-Rt为可调电阻,用来改变硅控管导通角度 (3) Diac-一种击发硅控管的元件。注意：硅控管在击发之后就维持导通状态,直到流通的电流降到 hold-up current (维劳电流) 准位以下。硅控调光器原来是为纯电阻性负载的白炽灯专用的,通常是无法匹配萤光灯与省电灯泡 (CFL) 。第3章 硅控调光器的缺点硅控调光器会成为未来LED照明的主流调光方式吗?答案是相当不乐观的。硅控调光器的主要缺点包括：(1) 功率因数会变差,导通角愈短,功因就愈差。调到1/4亮时,功因将低于0.25。(2) 效率会变差,因为在调暗时,负载不足,会造成硅控管提早关闭,导致 RC timer与导通角错乱。更造成萤光灯或LED 灯操作无法稳定,而闪烁不定的问题。欲解决闪烁问题,通常要加装交流电阻 (bleeder or dummy load)。如此一来,用bleeder来消耗功率以维持硅控管的正常操作,就违背了原先调光节能的立意。(3) 匹配问题,要开发一种与市面上数十厂牌硅控调光器,都保证相容的可调光LED灯具,是相当困难的。硅控调光器的匹配问题,请参阅NXP Application Note AN10754。(4) 高装置成本,雇请一个电气工人来装置硅控调光器至少需要 $30至 $50。(5) 有限的既有市场,目前大部分办公室及商店照明都以萤光灯为主;而几乎所有的萤光灯都不能匹配硅控调光器。不管是在欧美,日本,或新兴国家,硅控调光器事实上都不普及。据统计,全美国包括家庭、商店、工厂与办公室,全部加起来约有七十亿灯管和灯泡。平均每个人备有28颗灯泡。但是装有调光器者,不到 1%。照明大厂对硅控调光器前景不看好的几个实例就是上述Philips、Sharp推出的遥控调光器。但是不管硅控调光器或是遥控调光器,整个照明产业,显然没有共识。或者是说,当消费者不能接受昂贵的调光方案,而品牌厂商只有兴趣生产高利润的遥控调光器时,调光节能环保的美意就无疾而终了。第4章 调试 开启电源之后，在电容C1两端可测得直流12.6V电压，满负荷时为9.5V。发光二极管组件总电流由R9决定，选取适当值，保证流过LED7-LED9工作电流不少于350mA，两边5mm草帽形的每路工作电流不大于20mA，可在LED1-LED6和LED10-LED15各串联一个20的小电阻，以保持工作电流正常。市电输入端应安装电源开关，规格自选。第5章 学习体会通过这次我们几位组员共同完成的电子产品设计制作实验，我们学到了很多。在团队协作与各组员分工中得到的高效工作令我们充满了成就感。而在实际操作本次制作过程中，我们学到了许多从书本上即使看到难以真正消化的知识。从确定课题，查找资料，到设计电路，购买电子元件，实际完成制作这一系列的过程，我们的收获寥寥数字不足以表达。在此次实践中，我们意识到，其实只要花上几元钱，买几个电子元件，就可以通过自己的努力在几个小时内创造出自己的电子作品，通过一个小小电子产品的制作，不仅证明了我们学习和动手的能力，更重要的是令我们感到收获很大，乐趣无穷。曾经我们担心过电的知识是否太奥秘，制作过程是否太复杂。的确不错，电的技术发展得很快。新型的家用电器琳琅满目，电脑、彩电和不少现代电器在生活、学习、工作中不可缺少。但实际上都是由一个个小小的电子元器件和小电路组成的。只有从基本的电的知识学起，学习用基本电子电路制作一些小的电子作品，才能逐步学习更多的知识，掌握更高级的技术，做更大更复杂更有意义的电子作品。就比如此次我们的设计制作。 在实验的最开始，小组成员无一不是由于缺乏经验而显得茫然无措。然而经过不久的思索和沉淀我们意识到，首先应当根据我们目前的条件(主要是所能找到的元器件)以及自己的能力来决定要制作的电子电路。先易后难，循序渐进。就这样，貌似完全陌生的内容在我们由此开始一步步的努力、探索和反复试验下逐渐看到了雏形。世上无难事，只怕有心人，不是吗？第6章 总结 创新意识：是创新能力的重要心理因素，只有在强烈的意识与意愿的指导下，个人才能有强烈的创新动机。 创新思维方式：创新需要的是新的突破，因此其思维方式也就有一定的特点，需要相异性、差异性思维非常优秀，同样一个问题，不同的人会有不一样思维。要创新就要不受现成的常规的思路的约束，寻求对问题的全新的独特性的解答和方式的思维过程，要全新的、独特的解决问题的思维方式。 知识基础：要创新就要有丰富的知识作为基础，要在某一方面有怕创新，必须对此知识系统有一定的了解和掌握。只有充分理解该方面已经取得的知识和问题，才能在此基础之上进行更进一步的突破。另外，获取知识和运用知识，科研能力等都是进行创新的必备条件。 科学创新态度：创新是创造的过程，需要有勇于怀疑和批判的精神，当面对创新过程中的挫折与失败时，要有勇于突破的精神和坚韧的态度，具备较强的独立性，远大的理想和无畏的胆识，以及浓厚的创新兴趣。根据本课程开设的目的，在本课程设计中主要由老师对项目设计的创新思维方式作的引导，同时介绍切合实际的创新方法，便于大家理解和便于实施，更好地实现创新知识的积累。“T型”人才：不但要具备一定深度的学科知识，更要具备一定宽度的创新精神和经营理念，这样才能团结其他学科的人才，更高效地工作，将想法付诸实践。无论在工作中充当什么角色，我们都会遇到一些问题，可能是我们日常生活中的小问题，也可能是困扰世界、需要更多人关注和投入的大问题，而具备创造性思想是解决问题的关键。事实上，创新力对学生的领导才