声控LED节能照明灯设计

/目录TOC\o"1-3"\h\z\u摘要 1关键词 1一、绪言 2（一）课题背景 2（二）课题探讨的目的和意义 2二、LED灯的优点 2（一）发光效率高 2（二）运用寿命长 2（三）平安牢靠性强 3三、LED灯的发光原理 3四、LED的主要参数 3（一）主要参数 3（二）LED电学特性 31.正向死区 32.正向工作区 33.反向死区 44.反向击穿区 4（三）最大允许功耗PFm 4五、方案选择 4（一）LED利用门电路来完成声光控的调整 4（二）接受LM317供电 5（三）运用了数字集成电路cd4011 5六、总体方案 5（一）课题分析 6（二）设计方案 6（三）电路的工作原理 61.滤波稳压电路 62.声光控电路 73.延时电路 74.显示电路 7七、总结 7参考文献 8摘要灯是指引心灵的方向标。在生活中，我们无时不在地运用着灯，诸如台灯、路灯、日光灯、探照灯、彩灯等等，但不管是什么样式的灯，它们的作用都是一样的——照明。因此，设计一个既好用又便利的照明灯则是我们人类共同的愿望。而生活中我们用的最为平常的灯则是楼道里的照明灯，住过居民楼的人都应当知道，楼道很窄，晚上行走很不便利，假如让楼道的照明灯始终亮着，则难免会奢侈国家资源，因此设计一种既不奢侈国家电力又很便利好用的照明灯系统是很有好用价值意义的一件事。该设计主要介绍的是关于声光控的电路设计。声光控是通过光敏电阻来实现的，当光敏电阻在背光的的时候灯就会慢慢的熄灭，即这时也是人走过了的时候。在有的电路中这种原理也可以通过声音的振动来实现，当人走过是只需用手轻排一下灯就会自动的亮，人离开后又熄灭。这样就给路人供应了相应的便利，同时，也达到了节电和节能的目的；延长灯的寿命。在实际生活中节电节能，能够实现更多的自动化。在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象特别普遍，这造成了能源的极大奢侈。另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了修理量、奢侈了资金。同时，为了加强我们对模拟电子技术，数字电子技术，电子工艺的理解和巩固，我花了一个月的时间进行毕业设计，而我设计的课题是声光限制照明灯的设计，我设计了一种电路新颖 、平安节电、结构简洁、安装便利、运用寿命长的声光双控白炽灯节能照明灯。

在本设计中介绍了多种声光控路灯限制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果特别明显，同时也大大削减了修理量、节约了资金，运用效果良好。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过数十秒后又自动熄灭，节能节电。关键词：和非门放大，光敏二极管，可控开关，延迟电路一、绪言随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。声光控电路已成为人们日常生活中必不行少的必需品，它不须要开关，当有人经过时会自动的亮；广泛应用于走廊、楼道款待所等公共场所，给人们的生活、带来极大的便利。因此，得到了广泛的应用。声光控电路是声音和光限制电路工作的电子开关。它将声音（如击掌声）和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去限制各种电器的工作，在自动限制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。由于，本电路广泛应用于人们的日常生活中，所以，有很大的重用作用。该电路在设计时应用了仿真软件，来进行仿真然后才确定下来的，虽然用的仅仅是EWB软件，但是在论文中也是比较有特色。能够使人们在不知不觉中感受便利。（一）课题背景随着千年钟声的敲响,历史的车轮被推动了一个新的世纪──21世纪。站在新世纪的门槛上，我们感受到的是高速发展的现代科技。也因如此，照明灯的需求也在不断地发展，人类有意识地接受各种方法改进它。照明，不仅变更了人们“日出而作，日落而息”的生活方式，也充斥丰富了我们的精神世界。是的，或许你不禁要问：“为什么一个小小的照明灯有如此奇异的功效”。我想这要归功它的结构及独创原理啊！这当中原委包含了多少值得我们去探究，发觉的奇异呢？带着这个问题，我们共同选择了这个课题，一起从课题探讨中找到答案！（二）课题探讨的目的和意义探讨目的：通过这次的课题探讨我们希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的独创原理，将平常所学习的学问运用到试验探究上，这对提高我们的动手实力，创新意识，及熬炼思维活动无疑是一个莫大的帮助。同时我们也希望这次的探讨能让同学进一步地了解照明灯，而不是仅局限和课本学问以内。从小的突破点入手，驾驭又一项科技学问，从而实现课堂外的又一次提高,为现代教化科学尽一份力气！探讨意义：用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，供应照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作简洁、工作牢靠等优点，适合于各种楼房走廊的照明设备。降低能耗、节约能源、留意环保是当今世界的主潮流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。继公布“欧盟后年封杀白炽灯”的时辰表后，世界各地接连抛弃白炽灯已成定局，环保型节能荧光灯是白炽灯的替代者。节能荧光灯VS白炽灯，胜券在握已无悬念，但楼道照明却限制了荧光灯的运用，因为楼道照明是非持续性的，有人经过才须要光亮，而不断的开关通断会影响荧光灯的运用寿命，所以声光控白炽灯在楼道照明领域得到广泛应用。二、LED灯的优点（一）发光效率高LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/W，荧光灯50-70lm/W，钠灯90-140lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到100-200lm/W，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可干脆发出有色可见光。目前，世界各国都加紧了提高LED光效方面的探讨，在不远的将来其发光效率将有更大提高。（二）运用寿命长LED接受电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而接受LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和振动，不易裂开。单个LED发光二极管，当亮度减半时，理论寿命可达到10万小时。LED灯具运用寿命可达7-10年，可以大大降低灯具的维护费用，避开经常换灯之苦。而且，LED照明器材的整体封装材料(如灯带塑料和灯壳)在日晒雨淋下简洁损坏，也干脆影响LED照明器材的整体寿命。（三）平安牢靠性强LED发热量低，无热辐射，冷光源，可以平安接触；能精确限制光型及发光角度，光色松软，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质；内置微处理器可以限制发光强度，调整发光方式，实现光和艺术的结合。LED尺寸小、重量轻、不易裂开、防震以及24V的工作电压等特点，所以在各种环境下都显得特别平安牢靠。三、LED灯的发光原理发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以干脆把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至7个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料确定的。四、LED的主要参数LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。它具备pn结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。（一）主要参数一般单色发光二极管的发光颜色和发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。红色发光二极管的波长一般为670~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~670nm，橙色发光二极管的波长一般为610~630nm左右，黄色发光二极管的波长一般为777nm左右，绿色发光二极管的波长一般为777~770nm。（二）LED电学特性I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。LED的I-V特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。I-V特性曲线1.正向死区（图oa或oa′段）a点对于V0为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.7V，GaN为2.7V。2.正向工作区电流IF和外加电压呈指数关系IF=IS(eqVF/KT–1)IS为反向饱和电流。V＞0时，V＞VF的正向工作区IF随VF指数上升IF=ISeqVF/KT3.反向死区V＜0时pn结加反偏压V=-VR时，反向漏电流IR（V=-7V）时，GaP为0V，GaN为10uA。4.反向击穿区V＜-VR，VR称为反向击穿电压；VR电压对应IR为反向漏电流。当反向偏压始终增加使V＜-VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。（三）最大允许功耗PFm当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IFLED工作时，外加偏压、偏流确定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温上升。若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P=KT（Tj–Ta）。五、方案选择从试验的主要内容和要求中可以看出该电路可以有以下几个方案：（一）LED利用门电路来完成声光控的调整电路图如下：（图一）LM317做LED的恒流源。本系统中4.7uF/400V的电解电容滤波后得到7V电压供应应4011，白天有光时，光电二极管D7选用2CU2A，暗电流小于等于0.2uA，光电流大于30uA，灵敏度大于等于0.7uA/Uw，呈低阻状态，IC1A中的1，2脚为低电位，3脚为高电位，白天不论有无声音，也不论IC1B中的4脚电位如何，IC1D中的13脚始终钳位于高电位，12脚也为高电位，因此11脚则为低电位，可控硅截止，LED灯不亮。D7夜晚无光照时，呈高阻状态，IC1A中的3脚为低电位，IC1D中的11脚为高，触发可控硅SCR导通，LED被点亮。同时10uF电容充电，充电之初IC1C中7，9脚为高电位，使12脚为低电位。声音一分钟之后IC1D中的13脚复原高电位，但由于12脚为低电位，所以11脚接着保持高电位，灯接着被点亮。10uF电容接着充电，一分钟之后，IC1C中的7，9脚为低电位，11脚也翻转为低电位，可控硅截止，灯灭。（二）接受LM317供电LED要恒流供电，不然简洁老化损坏。可以用LM317，原理是利用317的启探控电压不变，再除电阻，就是恒流值。电路如下图。灯可以依据需求接多少个。变更R1可变更电流，电流=1.27/R1。（三）运用了数字集成电路cd4011其内部含有4个独立的和非门IC1A~~IC1D，使电路结构简洁，工作牢靠性高。电路图如下：图三在这几个方案中，由于我在学校学了数字电路和门电路，而且这个方法比较简洁，又好用，能充分体现出我在校期间对所学学问驾驭的程度，然而此系统成本低、易于实现为恒流电路，假如接受恒压电路则电压高不稳定，故此我选择了第三种方案。六、总体方案（一）课题分析整流、稳压二极管；话筒；光敏二极管；可控硅开关等。能够通过调整电阻和电容的大小来变更灯亮的时间长短，假如时间过长就应当减小电阻或电容的值，反之则增大。光敏二极管和话筒的高度也会使灯的时间受到影响。声光控节电开关,在白天或光线较亮时,节电开关呈关闭状态,灯不亮；夜间或光线较暗时，节电开关呈预备工作状态，当有人经过该开关旁边时，脚步声、说话声、拍手声等都能开启节电开关。灯亮后经过40秒左右的延季节电开关自动关闭，灯灭。该开关适用于楼道、走廊、洗涮间、厕所等公共场合，能节电并延长灯泡运用寿命。给人们的生活带来了很多的便利，受到了广泛的应用。本电路是接受分分别元件的声控延时电路，其电路原理图如下图所示（电路图见方案三），原理图说明：220V的灯充电干脆整流。在输入端串联27W灯泡，输出端接可控硅（负载）供电电路稳压电路，稳压电路是给话筒放大，音频放大等供应7.2V直流电，话筒放大，可以把声音信号转换为电信号并放大，然后，经过音频放大器使信号达到足够大；检波音频信号的正半周，即：把音频信号转换为直流信号。经过延时电路以后送到限制电路，由限制电路去限制可控硅，若可控硅断开，则整流电路负载断开，若导通，则整流电路负载导通。光敏限制电路把光照变成电信号，从而去限制音频信号往后边输送状况。可见：本电路灯泡要受可控硅的限制，可控硅受话筒取得的音频信号和光敏电阻的限制，从而可以实现声控和光控；灯亮的时间由延时电路的时间长度确定。（二）设计方案利用门电路来完成声光控的调整（见图一）（三）电路的工作原理声光控延时开关的电路原理图见图三所示。电路中的主要元器件是运用了数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的和非门IC1A~~IC1D，使电路结构简洁，工作牢靠性高。顾名思义，声光控延时开关就是用声音来限制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒MIC接收并转换成电信号，经c3耦合到ICIB基集进行电压放大，放大的信号送到和非门(IC1A)的2脚，r7偏置电阻，c6是电源滤波电容。

为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电二极管等元件组成光控电路，r9和D7组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏二极管的压降很大，D7两端的电压高，即为高电平间t=2πr7c1，变更r9或c1的值，可变更延时时间，满足不同目的。ICIC和ICID4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当c2充电到确定电平常，信号经和非门ICIC、ICID后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；c2充溢电后只向r2放电，当放电到确定电平常，经和非门IC1C、ICID输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。

二极管D1～D4将沟通220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经r1降压，D6滤波后即为电路的直流电源，为bm、vt、ic等供电。直流稳压电源的组成框图各种电器设备内部均是由不同种类的电子电路组成，电子电路正常工作须要直流电源，为电器设备供应直流电的设备称为直流稳压电源。直流稳压电源可以将200V的沟通输入电压转变成稳定不变的直流电压，直流稳压电源的组成框图如下所示。图中变压电路的作用是将220V的沟通电变换成电路所需的低压沟通电。整流电路的作用是将输入的沟通电变换成单向脉动的直流电，利用半波整流或桥式整流电路均可以实现整流的目的。1.滤波稳压电路滤波电路的作用是平滑整流输出的单向脉动电压，最简洁的滤波电路是电容器，稳压电路的作用是稳定电源的输出电压，常接受稳压管稳压电路。稳压管稳压电路虽然结构简洁，但稳压电路的输出电流较小，输出电压不行调，在很多场合下不适用，利用三极管输出电压可调的特点也可以实现稳压的目的。2.声光控电路声控电路由可控硅SCR、话筒MIC及声控电路，LED灯负载RL和可控硅SCR串接后和电源相连，话筒将声音信号转换成电信号，声控电路通过声音信号限制可控硅SCR的导通状态，其特征在于，所述声控电路包括电源部分，谐振放大部分及触发器，电源部分通过电容降压、整流及稳压供应声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包括多极三极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合，一个由电感和电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上，放大后的信号影响触发器的翻转，并最终限制可控硅的限制极的电位。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应，当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸取光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消逝，电子-空穴对慢慢复合，电阻也慢慢复原原值，电流也慢慢减小。3.延时电路声光控延时开关就是用声音来限制开关的“开启”，若干分钟后延时开关“自动关闭”。因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后．变为电子开关的开关动作。10管

脚输出低电平，由ICID反相缓冲后经R6触发可控硅导通，电灯正常点亮。（此时则由

2

向电路供电）如此后无声被MICR接收，则ICIB输出复原为高电平，C2通过

R6

缓慢放电，当

C2电压下降到低于

1/2

电源电压时（按图中参数约一分钟）ICIC反转、ICID反转，可控硅（SCR）截止电灯关闭，等待下次触发。4.显示电路LED的发光原理是利用半导体中的电子和电洞结合而发出光子，不同於灯泡须要在3000度以上的高温下操作，也不必像日光灯需运用高电压激发电子束，LED和一般的电子元件相同，只须要2～4伏特（V）的电压，在常温下就可以正常动作，因此其寿命也比传统光源来得更长。LED所发出的颜色，主要是取决於电子和电洞结合所释放出来的能量凹凸，也就是由所用的半导体材料的能隙所确定。同一种材料的波长都很接近，因此每一颗LED的光色都很纯正，和传统光源都混有多种颜色相比，LED可说是一种数位化的光源。LED晶片大小可以因用途而