LED(Lighting Emitting Diode)照明即是發光二極管照明,是一種半導體固體發光器件。它是利用固體半導體芯片作為發光材料,在半導體中通過載流子發生復合放出過剩的能量而引起光子發射,直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明產品就是利用LED作為光源制造出來的照明器具。
1.1 LED概述
? 1.1.1 基本概念及照明原理
LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化鎵)、GaP(磷化鎵)、GaAsP(磷砷化鎵)等半導體制成的,其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I- N特性,即正向導通,反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發光特性。在正向電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發光。
假設發光是在P區中發生的,那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發光,或者先被發光中心捕獲后,再與空穴復合發光。除了這種發光復合外,還有些電子被非發光中心(這個中心介于導帶、介帶中間附近)捕獲,而后再與空穴復合,每次釋放的能量不大,不能形成可見光。發光的復合量相對于非發光復合量的比例越大,光量子效率越高。由于復合是在少子擴散區內發光的,所以光僅在靠近PN結面數 以內產生。
理論和實踐證明,光的峰值波長 與發光區域的半導體材料禁帶寬度Eg有關,即
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式中Eg的單位為電子伏特(ev)。若能產生可見光(波長在380nm紫光~780nm紅光),半導體材料的Eg應在3.26~1.63ev之間。比紅光波長長的光為紅外光。現在已有紅外、紅、黃、綠及藍光發光二極管,但其中藍光二極管成本、價格很高,使用不普遍[2]。
? 1.1.2 LED照明的特性
1? 極限參數
(1)允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值,LED發熱、損壞。
(2)最大正向直流電流IFm:允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管。
(3)最大反向電壓VRm:所允許加的最大反向電壓。超過此值,發光二極管可能被擊穿損壞。
(4)工作環境topm:發光二極管可正常工作的環境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍,發光二極管將不能正常工作,效率大大降低。
2? 技術特征
(1)發光效率高。LED的發光效率高于傳統燈具。傳統燈具大部分的電耗變成了熱量損耗,而LED無需過濾可直接發出有色可見光,電耗直接轉變成了光效,發光效率高。
(2)耗電量少。LED采用直接驅動,反應速度快,可在高頻操作。在同樣照明效果的情況下,LED耗電量是白熾燈的八分之一,熒光燈管的二分之一,是節電降耗的最佳選擇。
(3)使用壽命長。LED 燈頭體積小、重量輕,采用環氧樹脂封裝,可承受高強度沖擊和震動,不易破碎。LED燈具平均使用壽長于傳統燈具。
(4)安全性強。LED發熱量低,無熱輻射,冷光源,可以安全接觸;能精確控制光型、發光角度和發光顏色;不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質。
(5)綠色環保。LED為全固體發光體,廢棄物可回收,對環境無污染,有利于環境保護。
? 1.1.3 LED與傳統的照明設備比較
(1)傳統的照明設備
(1.1)白熾燈:白熾燈是歷史最悠久的燈,應用極為廣泛,它的發光原理基于真空或中性氣體中的燈絲通過電流加熱到白熾狀態引起的熱輻射發光現象。它的優點是結構簡單、價格低廉、使用方便、顯色性好;缺點是發熱大、發光效率較低、使用壽命較短、應特別注意,如果電源電壓增加5,燈的壽命將縮短50%。
(1.2)熒光燈:熒光燈家族包括普通日光燈和緊湊型熒光燈。它的原理是利用汞蒸氣在外加電壓作用下產生弧光放電,發出少許可見光和大量紫外線,紫外線又激勵燈管內壁涂覆的熒光粉,使之發出大量的可見光。緊湊型熒光燈可逐步替代白熾燈:其節電率高,15W的緊湊型熒光燈亮度與75W的白熾燈相當。壽命長,平均壽命8000小時,最長達20000小時,白熾燈只有1000小時~2000小時。
(1.3)放電燈:通過兩電極放電使密封在燈泡內的氣體發光,所有此類燈需加裝鎮流器限制電弧。
(2)新型的照明設備LED
LED(Lighty Emitting Diode),又稱發光二極管,它是利用固體半導體芯片作為發光材料,PN結的端電壓構成一定勢壘,當加正向偏置電壓時勢壘下降,P區和N區的多數載流子向對方擴散,由于電子遷移率比空穴遷移率大得多,所以會出現大量電子向P區擴散,構成對P區少數載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合,復合時得到的能量以光能的形式釋放出去這就是PN結發光的原理[7]-[11]。
? 1.1.4 LED燈具發光效率高
光譜幾乎全部集中于可見光,頻率效率可達80%-90%,而且其光的單色性好 光譜窄,無需過濾可直接發出有色可見光。
表1-1發光效率的對比
燈具種類 | 光效/(流明/瓦) |
白熾燈 | 5-10 |
鹵鎢燈 | 5-10 |
熒光燈 | 40-80 |
鈉燈 | 40-110 |
LED燈 | 60-250 |
表2-2路燈的電耗對比
? | 每天照明小時 | 年電量(千瓦時/年) | 電費單價(元/每千瓦時) | 年電費/元 | 3年電費/元 |
高壓鈉燈 | 10 | 54750 | 0.8 | 43800 | 131400 |
LED照明燈 | 10 | 21900 | 0.8 | 17520 | 52560 |
1.2 聲光控電路概述
聲控延時開關是一種內無接觸點,在特定環境光線下采用聲響效果激發拾音器進行聲電轉換來控制用電器的開啟,并經過延時后能自動斷開電源的節能電子開關[12]。
特點及功能:
(1)發聲啟控:在開關附近用手其他方式(或吹口哨、喊叫等)而發出一定聲響,就能立即開啟燈光及用電器,得心應手。
(2)自動測光:采用光敏控制,該開關在白天或光線強時不會因聲響而開啟用電器。
(3)延時自關:開關一旦受控開啟便會延時數十秒后將自動關斷,減少不必要的電能浪費,實用方便。
(4)延時用電器使用壽命。
(5)用途廣泛:本產品可用于各類樓道、走廊、衛生間、陽臺、地下室車庫等場所的自動延時照明。
2 方案論證
2.1 電源控制
圖2-1 整流穩壓電路圖
首先在上圖可以看到,我們日常用的220V加在4個二極管組成的單向橋式整流電路之間,220V的交流電經過整流之后送到R電阻處,通過R的電路進行限流,電容進行濾波和穩壓管進行穩壓,從而得到直流的穩定電壓,以保持其后電路的正常工作。
(1)整流:
對于4個二極管而言,從左至右,從上至下,我們將其分為VD1,VD2,VD3,VD4。當交流信號的正半周的時候,二極管VD2,VD3導電,VD1,VD4截止;當信號變化為負半周的時候,VD1,VD4導電,VD2,VD3截止。正、負半周均有電流流過后面的負載電阻,而且無論在正半周還是負半周,流過后面的負載電阻的電流方向是一致的,因而使輸出電壓的直流成分得到提高,脈沖成分被降低。
(2)濾波:
無論哪種整流電路,它們的輸出電壓都含有較大的脈動成分。除了在一些特殊的場合可以直接用作放大器的電源外,通常都要采取一定的措施,一方面盡量降低輸出電壓中的脈動部分,另一部分又要盡量保留其中的直流成分,使輸出電壓接近于理想的直流電壓。這樣的措施就是濾波。
并聯電容以后,在信號的正半周,當二極管VD2、VD3導電時,二極管導電時,除了有一個電流流向負載外,同時還有一個電流向電容充電,電容電壓的極性為上正下負,如果忽略二極管的內阻,則在二極管導通時,輸出電壓等于輸入電壓。當信號達到最大值以后開始下降,此時電容上的電壓也將由于放電而逐漸下降。當信號小于電容電壓時,二極管VD2,VD3被反向偏置,因而不導電,于是電容電壓以一定的時間常數按指數規律下降,直到下一個半周,當信號的絕對值大于電容電壓的時候,二極管VD1,VD4導通。
對于電容濾波可以得到下面幾個結論:
①加了電容濾波以后,輸出電壓的直流成分提高了。
②加了電容濾波以后,輸出電壓中的脈動成分降低了。這是由于電容的儲能作用造成的。當二極管導電時,電容被充電,將能量儲存起來,然后在逐漸放電,把能量傳送給負載,因而輸出波形比較平滑。
③電容放電的時間常數τ=RC愈大,放電過程愈慢,則輸出電壓愈高,同時脈動成分也愈少,即濾波效果愈好。
④接入電容之后,整流二極管的導電時間縮短了。二極管的導電角〈180°,而且電容放電時間常數愈大,則導電角愈小。由于加了電容濾波以后,平均輸出電流比原來提高了,而導電角卻減小了,因此,整流管在短暫的導電時間內流過一個很大的沖擊電流對管子的壽命不利,所以必須選擇較大容量的整流二極管。
(3)穩壓:
穩壓二極管的穩壓原理:穩壓二極管的特點就是擊穿后,其兩端的電壓基本保持不變。這樣,當把穩壓管接入電路以后,若由于電源電壓發生波動,或其它原因造成電路中各點電壓變動時,負載兩端的電壓將基本保持不變。
2.2 LED的驅動部分
? 2.2.1 恒流與恒壓
目前小功率LED產品廣泛采用兩種驅動電路形式,即恒流驅動和恒電壓驅動。前者電路輸出的電流是恒定的,輸出電壓隨負載的變化而變化;后者輸出電壓是固定的,輸出電流隨負載 (LED數目)的增減而變化。
(1)恒電流驅動電路
在恒電流驅動工作方式下,又有兩種驅動工作方式,一種是一個恒壓源供多個恒電流源,每個恒電流源單獨給每路 LED供電。這種方式組合靈活,一路LED故障,不影響其他LED的工作,但成本會略高一點。另一種是直接由恒電流源供電LED串聯或并聯運行。它的優點是成本低一點,但靈活性差,還要解決某個LED故障,不影響其他LED運行的問題。LED的多路恒電流輸出供電方式,在成本和性能方面會好些,LED采用恒電流驅動具有以下特點。
①利用恒電流驅動電路來驅動LED是很理想的,缺點就是價格較高;
②恒電流驅動電路雖然不怕負載短路,但是嚴禁負載完全開路;
③恒電流驅動電路的輸出電流是恒定的,而輸出直流電壓卻隨著LED負載的大小不同在一定范圍內變化;
④要限制LED的使用數量,因為它有最大承受電流及電壓值的問題。
(2)恒電壓驅動電路
①在確定恒電壓電路各項參數后,恒電壓電路輸出固定的直流電壓,輸出的直流電流隨LED負載的變化而變化;
②恒電壓電路雖然不怕負載開路但是嚴禁負載完全短路;
③整流輸出的電壓變化會影響LED的發光亮度;
④要使每串并聯以恒電壓電路驅動LED串發光亮度均勻,需加合適的電阻。
? 2.2.2 常規降壓
按應用來劃分,LED的驅動IC市場有三大類,分別是消費類電子產品、車用照明、建筑裝飾與家用照明。消費類電子產品的應用特點是以電池為能源,電壓一般為4.2~8.4V,因此低電壓、小電流的LED驅動最符合需求,并且是應用量大,應用面廣的產品。在車用照明產品方面,由于供電電源來自于汽車電池,一般為48V,所以需要較高電壓降壓的LED驅動IC。至于建筑裝飾照明和家庭照明,則需要將AC電源直接轉換成DC電源的LED驅動IC,也就是將交流電轉換為直流電源,并同時完成與LED電壓及電流的匹配。因此,不同應用場合的LED驅動IC也將有所不同。在家用照明電路中,得到恒電壓有以下幾種方式:
(1)常規變壓器降壓
這種電源的不足之處是重量偏重、體積較大,電源工作效率很低,一般在 45%~60%,因為工作可靠性不高,所以一般很少使用。
(2)電子變壓器降壓
這種電源結構不足之處是轉換效率低,適應電壓范圍窄,一般在180~240V,波紋干擾大。
(3)電容器降壓
這種方式的LED驅動電源容易受電網電壓波動的影響,電源工作效率低,不宜在LED發光閃動時使用,因為LED驅動電路通過電容器降壓,在LED發光閃動使用時,由于電容器的充放電作用,通過LED的瞬間電流很大,容易損壞LED驅動控制芯片。當然,采取適當的保護便可避免這種沖擊。
(4)電阻降壓
這種供電方式電源工作效率很低,并且工作可靠性也很低。因為電路通過電阻降壓,受電網電壓變化的干擾較大,LED的工作電流受電網電壓變化的影響較大。并且降壓電阻本身還要消耗很大部分的功率。
(5)RC降壓式開關電源
這種方式的 LED驅動電源優點是穩壓范圍比較寬、電源工作效率比較高,一般可在70%~80%,應用較廣。缺點主要是開關頻率不易控制,負載電壓波紋系數較大,異常情況負載適應性差。
(6)PWM控制式開關電源
??? 就目前而言,PWM控制方式設計的LED驅動電源比較理想,因為這種開關電源的輸出電壓或電流都很穩定。電源轉換工作效率高,一般可以高達80%~90%,并且輸出電壓和輸出電流都十分穩定。這種方式的LED驅動電源主要由四部分組成。它們分別是:主輸入整流濾波部分、輸出整流濾波部分、PWM穩壓控制部分、開關變換部分。但它也是最昂貴及技術最復雜的LED電流控制方案。它們與線性穩壓器及簡單的電阻穩流方案不同,易受電磁干擾(EMI)影響,為設計人員帶來了另外一項需要克服的挑戰。對于中到大功率方案而言,或者應用需要處理寬輸入電壓范圍,開關穩壓器是唯一可行的選擇[4][5]。
? 2.2.3 隔離與非隔離式
根據電源輸入與輸出電路形式也可分為隔離驅動和非隔離驅動,前者以開關電源為代表,而后者主要包括電容降壓式和恒流/恒壓IC。其相關性能、功耗、成本以及主要應用如表2-1所示。
表2-1小功率LED驅動方案比較
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? | 種類 | 性能 | 功耗及成本 | 主要應用 |
隔 離 式 驅 動 |
電泵式開關電源 | 輸入輸出隔離,安全穩定,無電磁干擾,輸出電流較大,但電壓相對較低 | 功耗適中,需控制Ic,成本較高 | 適合于數量較少的大功率LED應用 |
電感式開關電源 | 輸入輸出隔離,安全穩定,體積小,效率高,多路輸出,控制性能好,可進行調光,可恒壓、恒流、但存在電磁干擾 | 功耗較大,且成本高 | 大功率或電流在幾百毫安的應用 | |
非 隔 離 式 驅 動 |
電容降壓器 | 輸入輸出不隔離,有安全隱患,效率低,無電磁干擾,恒流驅動,LED亮度一致,但不適合負載變化場合 | 功耗低,成本低廉 | 適合小功率或電流較小的應用 |
恒流/恒壓Ic | 輸入輸出不隔離,有安全隱患,效率相對電容降壓式高,可恒壓、恒流,無電磁干擾 | 功耗小,成本適中 | 所連接LED數目較少,小功率LED應用 |
由于LED是電流隨電壓變化顯著的器件,當LED正向導通時,其正向電壓的微小變化便可引起LED電流的巨大變化。對于穩壓式LED驅動電源而言,當負載變化時,電流波動較大,LED在大電流下工作較長時間會損壞。實驗表明當流經LED的實際電流為其允許的最大電流的70%時,LED的發光效能為最佳。同時,由于發光二極管PN結的電壓溫度系數為-2mV/℃左右,當LED散熱不良導致溫度升高時,其工作電流也會較初始階段有明顯變化,這也是市面上各種LED產品快速老化的主要原因。顯然,保證LED的驅動電流穩定對于LED的防老化顯得尤為重要。因此,恒流式驅動電源是比較理想的LED驅動方式。通常驅動LED均采用專用恒流源或者驅動芯片,當受體積和成本等因素的限制時,最經濟實用的方法就是采用電容降壓式電源。用它驅動小功率LED具有不怕負載短路、電路簡單等優點,而且一個電路能驅動1~70個小功率LED。但是,這種電源電路啟動時的電流沖擊,尤其是頻繁啟動,會給LED造成破壞。當然,采取適當的保護便可避免這種沖擊。
電容降壓式電源的典型電路如下圖所示,C1為降壓電容器(采用金屬化聚丙烯電容),R1為C1提供放電回路。電容C1為整個電路提供恒定的工作電流。電容C2為電解電容,其耐壓值取決于所串聯的LED的個數(約為其總電壓的1.5倍以上),它的主要作用是抑制通電瞬間引起的電壓突變,從而降低電壓沖擊對LED壽命的影響。R4為電容C2的泄流電阻,其阻值應隨著LED個數的增加適當增加。
圖2-2 電容降壓式電源的典型電路圖
需要注意的是,必須根據負載的電流大小選取適當的電容,而不是依據負載的電壓和功率,通常降壓電容C1的容量C與負載電流Io的關系可近似認為:C=14.5I,其中C的容量單位是μF,Io的單位是A。限流電容必須采用無極性電容,而且電容的耐壓值須在630V以上。
? 2.2.4 保護電路
由于電容降壓電源是一種非隔離式電源,在通電瞬間會產生很大的電流,也就是所謂的浪涌電流。此外,由于外界環境的影響如雷擊的感應,從電網系統會侵入各種浪涌信號,有些浪涌會導致LED的損壞。而LED抗浪涌電流和抗反向電壓能力都比較,加強這方面的保護也非常重要,尤其是有些LED燈裝在戶外,如LED路燈。因此LED驅動電源要有抑制浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力。本電路采用NTC(負溫度系數熱敏電阻)來限制電流的突變,利用PTC(正溫度系數熱敏電阻)自動調節電流大小使之趨于某個特定的變化范圍,同時在電源輸入端并有TVS(瞬態電壓抑制器)以避免電壓過載。
(1)NTC保護
NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫,意思是負的溫度系數,泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件,所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數熱敏電阻器。限制浪涌電流的最簡單有效的方法是在線路輸入端串聯一只NTC熱敏電阻,如圖2-2中的R2。由于在冷啟動時,NTC熱敏電阻呈現高阻抗,因而使浪涌電流得到限制。而當電流的熱效應使NTC熱敏元件的溫度升高,NTC阻值急劇下降時,對系統的電流限制作用會較小。由于NTC熱敏電阻在熱態下的阻抗并不是零,故會產生功率損耗,當然這種損耗是很小的[6]。
(2)PTC保護
PTC(Positive Temperature CoefflCient)是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數的熱敏電阻現象或材料。為使電路中的電流在正常工作下趨于穩定,本電路還采用了PTC 熱敏電阻,如圖1中的R3。電流通過PTC熱敏電阻后引起溫度升高,即發熱體的溫度上升,當超過居里點溫度后,電阻增加,從而限制電流增加,于是電流的下降導致元件溫度降低,電阻值的減小又使電路電流增加,元件溫度升高,周而復始,因此具有使溫度保持在特定范圍的功能。
PTC元件串接在電路中,正常情況下,呈低阻狀態,保證電路正常工作;當電路發生短路或竄入異常大電流時,PTC元件的自熱使其阻抗增加把電流限制到足夠小,起到過電流保護作用。當產生過電流的故障得到排除,PTC元件自動復原到低阻狀態。既避免了維護更換,也避免了可能引起電路損壞的持續循環的開閉狀態[16]。
(3)TVS保護
瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor),簡稱TVS,是在穩壓管基礎上發展起來的一種高效保護器件,主要用于對電路元件進行快速過壓保護。當TVS管兩極受到反向瞬態高能量沖擊時,它能以10~12秒量級的速度將兩極間的高阻抗變為很低的阻抗,吸收高能量的浪涌,將兩極間的電壓箝位于一個預定值,保護電子線路中的元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊而損壞。
對于過壓保護這一方面,本電路就是在電源輸入端并聯了TVS,如圖2-2中的D2,這樣可以將電壓維持在TVS最大承受范圍之內,當出現電壓高于TVS擊穿點的過壓的現象時,可以讓電流流經TVS,藉此保護LED照明燈具。
實驗表明,將指針萬用表串入電路后,在電路通電瞬間,指針突然偏轉大角度的現象得到明顯的改善,有效地防止了浪涌電流對LED的沖擊。同時,啟動一段時間后,電流有所下降,并逐漸趨于穩定。用1W的金屬膜電阻或繞線電阻代替NTC也可達到要求,過壓保護選用TVS或者壓敏電阻均可[14][15]。
2.3 聲光控制部分
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圖2-3聲光控制部分電路框圖
? 2.3.1 555定時器
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圖2-4 555定時器內部框圖
555 定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555,用CMOS工藝制作的稱為7555,除單定時器外,還有對應的雙定時器556/7556。555定時器的電源電壓范圍寬,可在4.5V~16V工作,7555可在3~18V工作,輸出驅動電流約為200mA,因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。
555 定時器成本低,性能可靠,只需要外接幾個電阻、電容,就可以實現多諧振蕩器、單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555 定時器的內部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖所示。它內部包括兩個電壓比較器,三個等值串聯電阻,一個RS觸發器,一個放電管T及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC/3和2VCC/3。
555定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓,當5腳懸空時,則電壓比較器 C1的同相輸入端的電壓為2VCC/3,C2的反相輸入端的電壓為VCC/3。若觸發輸入端TR的電壓小于VCC/3,則比較器C2的輸出為0,可使RS觸發器置1,使輸出端OUT=1。如果閾值輸入端TH的電壓大于2VCC/3,同時TR端的電壓大于VCC/3,則C1的輸出為0,C2的輸出為1,可將RS觸發器置0,使輸出為0電平。
美國Signetics公司1972年研制的用于取代機械式定時器的中規模集成電路,因輸入端設計有三個5kΩ的電阻而得名。此電路后來竟風靡世界。目前,流行的產品主要有4個:BJT兩個:555,556(含有兩個555);CMOS兩個:7555,7556(含有兩個7555)。
555定時器可以說是模擬電路與數字電路結合的典范。
兩個比較器C1和C2各有一個輸入端連接到三個電阻R組成的分壓器上,比較器的輸出接到RS觸發器上。此外還有輸出級和放電管。輸出級的驅動電流可達200mA。
比較器C1和C2的參考電壓分別為UA和UB,根據C1和C2的另一個輸入端——觸發輸入和閾值輸入,可判斷出RS觸發器的輸出狀態。當復位端為低電平時,RS觸發器被強制復位。若無需復位操作,復位端應接高電平。
555定時器的應用:
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圖2-5 555定時器的典型應用電路圖
(1)構成施密特觸發器,用于TTL系統的接口,整形電路或脈沖鑒幅等;
(2)構成多諧振蕩器,組成信號產生電路;如上圖,振蕩周期:
??????????????????????????????? (2.1)
(3)構成單穩態觸發器,用于定時延時整形及一些定時開關中。
555應用電路采用這3種方式中的1種或多種組合起來可以組成各種實用的電子電路,如定時器、分頻器、脈沖信號發生器、元件參數和電路檢測電路、玩具游戲機電路、音響告警電路、電源交換電路、頻率變換電路、自動控制電路等[13]。
? 2.3.2 單向可控硅的控制
在分析其工作原理前,先來介紹一下單向可控硅的工作原理。
可控硅是P1N1P2N2四層三端結構元件,共有三個PN結,分析原理時,可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成,當陽極A加上正向電壓時,BG1和BG2管均處于放大狀態。此時,如果從控制極G輸入一個正向觸發信號,BG2便有基流Ib2流過,經BG2放大,其集電極電流Ic2=β2Ib2。因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連,所以Ib1=Ic2。此時,電流Ic2再經BG1放大,于是BG1的集電極電流Ic1=β1Ib1=β1β2Ib2。這個電流又流回到BG2的基極,表成正反饋,使Ib2不斷增大,如此正向饋循環的結果,兩個管子的電流劇增,可控硅使飽和導通。 由于BG1和BG2所構成的正反饋作用,所以一旦可控硅導通后,即使控制極G的電流消失了,可控硅仍然能夠維持導通狀態,由于觸發信號只起觸發作用,沒有關斷功能,所以這種可控硅是不可關斷的。
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圖2-6 單向可控硅
由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態,所以它具有開關特性,這種特性需要一定的條件才能轉化,具體轉換條件詳見表2-2可控硅導通和關斷條件表所示:表2-2 可控硅導通和關斷條件表
狀態 | 條件 | 說明 |
從關斷到導通 |
1、陽極電位高于陰極電位 2、控制極有足夠的正向電壓和電流 |
兩者缺一不可 |
維持導通 |
1、陽極電位高于陰極電位 2、陽極電流大于維持電流 |
兩者缺一不可 |
從導通到關斷 |
1、陽極電位低于陰極電位 2、陽極電流小于維持電流 |
任一條件即可 |
當白天或者亮度大于一定程度的時候,光敏電阻的阻值非常的小,這樣對于光敏的支路來說,相當于直接接地,則相當于將后面的電路和前面的電路隔離開來,三極管B2就始終處于截止的狀態,單向可控硅無觸發電流就不會導通,電路就不會工作。當黑暗無光的情況下,光敏電阻呈現高阻值狀態,不影響三極管B1和三極管B2之間的信號傳送。此時,聲控的部分才能夠發揮作用。
? 2.3.4 聲控部分
當有足夠信號的聲音傳入的時候,聲控部位將聲音信號轉化為電信號,通過三極管B1將其信號放大,使的其信號的大小能夠觸發三極管B2。電路的第一級和第二級之間通過電阻和電容元件連接,故稱為阻容耦合放大電路。阻容耦合的優點是,由于前、后級之間通過電容相連,所以各級的直流電路互不相通,每一級的靜態工作點都是相互獨立的,不致互相影響,這樣就給分析、設計和調試帶來很大的方便。而且,只要耦合電容選的足夠大,就可以做到前一級的輸出信號在一定的頻率范圍內幾乎不衰減地加到后一級的輸入端上去,使信號得到了充分的利用。
當聲音信號消失的時候,二極管截止,三極管都不再工作,但是通過電容放電,使三極管仍然能夠再導通一段時間,還能對單向可控硅提供電流。這樣的延遲不至于在信號消失的時候燈就不亮了,可實用性高。當電容的電量放完之后,電路恢復最開始沒有信號的時候。當聲音信號再進來的時候,重復循環以上的情況。
3 設計過程論述
3.1 電路組成
圖3-1? LED驅動電路圖
LED驅動電路如圖3-1所示。可分為主電路和控制電路兩大部分。主電路為LED負載與單向晶閘管VT1的串聯電路。控制電路又可分為直流電源和光聲控制的單穩態觸發器兩部分。直流電源由半波整流電路,電容濾波電路和晶體管串聯型穩壓電路組成。光聲控制的單穩態觸發器由電阻R2和光敏電阻RG組成的光電轉換電路,電阻R3、電位器RP和駐極體話筒MK組成的聲電轉換電路以及CMOS型7555定時器等元件組成的單穩態觸發器組成。
3.2 工作原理
白天光線強時,光電轉換電路輸出低電平,送7555定時器的R端,迫使單穩態觸發器輸出低電平,使VT1處于關斷狀態,從而保證了白天光線強時燈泡不亮。晚上光線弱時,光電轉換電路輸出高電平送7555定時器的R端,不影響單穩態觸發器的輸出狀態。此時,聲電轉換電路產生的足夠強的聲音電信號可通過7555定時器的TR端,使單穩態觸發器由穩態的低電平輸出翻轉為暫態的高電平輸出,使VT1導通,點亮燈。調節聲電轉換電路中的RP,可調整聲控靈敏度。燈亮的持續時間TL就是單穩態觸發器的暫態時間由電阻R3和電容C3確定。
圖中的二極管VD2用于防止燈泡提前熄滅。如果沒有VD2,當晚上光線弱且在聲音控制下使燈泡點亮時,明亮的燈光照射在RG上,與白天光強時的情形一樣,光電轉換電路輸出低電平送7555定時器的R端,迫使單穩態觸發器輸出低電平,使VT1在電流過零時關斷,從而使燈泡達不到R3和C3所確定的時間而提前熄滅。有了VD2,可在單穩態觸發器輸出高電平期間將光電轉換電路的輸出鎖定在高電平狀態,從而確保燈亮的持續時間由R3和C3確定。
3.3 參數設計
照明光聲控制電路的參數設計原則是在實現其控制動能和降低成本的前提下,盡可能減小功耗。電路中的單穩態觸發器采用CMOC型7555定時器而不采用TTL型555定時器,其目的正是為了減小功耗。下面僅討論各部分電路一些主要參數的設計要點。
? 3.3.1 主電路的參數設計
主電路的參數設計很簡單,只需根據被控燈泡的額定電壓和額定電流確定交流電壓UAC的電壓等級和選擇晶閘管VT1的具體型號即可。在選擇晶閘管型號時,應盡可能選用觸發電壓和觸發電流較小雙向晶閘管,這樣可以適當增大限流電阻R5的阻值,以減小單穩態觸發器的動態功耗。
? 3.3.2 參數設計
在進行這部分電路的參數設計時,首先應確定其工作電壓。CMOS型7555定時器的工作電壓范圍為3~18V,考慮到大多數晶閘管的觸發電壓一般在2~5V之間,駐極體話筒的典型工作電壓通常為4~5V,故工作電壓可取5V左右。
降壓電容值的選擇:
對于負載所消耗的20mA的電流I0至少需要降壓電容值為0.29μF,因圖中增加高壓穩壓二極管降壓,而二極管工作時也需要消耗較大的電流,另外為保證電容C可靠工作,其耐壓選擇應大于2倍的電源電壓,因此應選擇兩個0.47uF/630V電容并聯工作。
整流及濾波電路:
整流橋上單個二極管所承受的電壓最大值? ( 為輸入電壓的有效值)=318.4V,因此選用常用的整流二極管1N4007(URM=1000V,IF=1A)。
為使輸出端得到平滑的負載電壓,一般取RLC≥(3~5)T/2,其中RL為負載阻抗,T為輸入信號周期(0.02s),可得C≥24.38μF。原則上,電容值取的越大,輸出電壓越平滑,其紋波值越小。但是隨著電容容量的增大,一般其體積也隨之增大,考慮到該電路板面積,實取47μF/160V的電解電容。
工作電壓確定后,要特別考慮到以下幾點。
?? (1)光電轉換電路中的RG應盡可能選擇暗電阻較大的光敏電阻。對于用于路燈控制的照明光聲控制電路一般可使環境光線在10XL左右,即可通過,聲音控制使燈泡點亮。而CMOS型7555定時器R端的轉換電壓為VDD/2,故光電轉換電路參數可按下式設計:
?????????????????????? (3.1)
式中 為光線在10XL時光敏電阻RG的阻值。故應盡可能選擇 較大的光敏電阻,因為 較大,按式(3.1)算得的 也較大,從而可減小光電轉換電路的靜態電流和功耗。
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圖 3-2聲電轉換部分
?? (2)聲電轉換電路中的MK應盡可能選擇工作電流IMK較小的駐極體話筒。上圖為包括駐極體話筒內部電路的聲電轉換電路。由圖可知,駐極體話筒的工作電流就是駐極體話筒內部場效應管的靜態漏極電流 。因此,IMK越小,聲電轉換電路的靜態功耗就越小。
?? (3)定時元件R4的阻值取值要適當。燈亮的持續時間TL(即單穩態觸發器的暫態時間)為
??????????????????????????????? (3.2)
通常,取TL=30~50s。顯然,R4的阻值取得越大,C3的電容量就可取得越小,這有利于減小體積和降低成本。同時,R2的阻值取得大一些,還可減小其功耗。但考慮到7555定時器內部運算放大器兩個輸入端電阻的平衡,R4的阻值不能取得太大,一般可取1MΩ左右。TL和R4的參數確定后,即可由式(3.2)求得C3的電容量。若R4取1M,則C3取47uF可延遲50s左右。
4 結論
按照電路圖完成的電路設計,在光照下有聲響LED燈不亮,在黑暗環境下,有聲響LED燈亮,并延時50s。在電路圖中,共接入了28只LED,可以達到的功率為了2W左右,可代替普通的20W的白熾燈,完全符合小功率LED照明需要。通過本次實驗設計,了解了常用的降壓的方法,熟悉了使用555定時器設計聲控開關,并掌握了小功率LED的驅動。
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