LED声控照明电路设计及实现Word文档格式.docx
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（3）最大反向电压VRm：
所允许加的最大反向电压。
超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:
发光二极管可正常工作的环境温度范围。
低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
2
技术特点
（1）发光效率高。
LED的发光效率高于传统灯具。
传统灯具大部分的电耗变成了热量损耗，而LED无需过滤可直接发出有色可见光，电耗直接转变成了光效,发光效率高。
（2）耗电量少。
LED采用直接驱动，反应速度快，可在高频操作。
在同样照明效果的情况下，LED耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯管的二分之一，是节电降耗的最佳选择。
（3）使用寿命长。
LED灯头体积小、重量轻，采用环氧树脂封装，可承受高强度冲击和震动，不易破碎。
LED灯具平均使用寿长于传统灯具。
（4）安全性强。
LED发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全接触；
能精确控制光型、发光角度和发光颜色；
不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。
（5）绿色环保。
LED为全固体发光体，废弃物可回收，对环境无污染，有利于环境保护。
LED与传统的照明设备比较
（1）传统的照明设备（）白炽灯：
白炽灯是历史最悠久的灯，应用极为广泛，它的发光原理基于真空或中性气体中的灯丝通过电流加热到白炽状态引起的热辐射发光现象。
它的优点是结构简单、价格低廉、使用方便、显色性好；
缺点是发热大、发光效率较低、使用寿命较短、应特别注意，如果电源电压增加5，灯的寿命将缩短50％。
（）荧光灯：
荧光灯家族包括普通日光灯和紧凑型荧光灯。
它的原理是利用汞蒸气在外加电压作用下产生弧光放电，发出少许可见光和大量紫外线，紫外线又激励灯管内壁涂覆的荧光粉，使之发出大量的可见光。
紧凑型荧光灯可逐步替代白炽灯：
其节电率高，15W的紧凑型荧光灯亮度与75W的白炽灯相当。
寿命长，平均寿命8000小时，最长达20000小时，白炽灯只有1000小时～2000小时。
（）放电灯：
通过两电极放电使密封在灯泡内的气体发光，所有此类灯需加装镇流器限制电弧。
（2）新型的照明设备LEDLED（LightyEmittingDiode），又称发光二极管，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散，由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。
这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去这就是PN结发光的原理[7]-[11]。
LED灯具发光效率高光谱几乎全数集中于可见光，频率效率可达80%-90%，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。
表1-1发光效率的对比
灯具种类
光效/（流明/瓦）
白炽灯
5-10
卤钨灯
荧光灯
40-80
钠灯
40-110
LED灯
60-250
低功率的LED光源在一样照明效率情形下可替代高功率的一般能灯具。
如20W的LED灯可替代100W的一般能灯具30W的LED灯可替代150W的一般能灯具40W的LED灯可替代200W的一般能灯具LED单管采纳直流驱动，耗电量较小，可大幅度降低电费60%左右（具体能耗对照表2-2）。
一般LED灯具还可升级为太阳能供电，此方式适合供电困难的环境利用，可采纳光控和时控方式智能操纵开关，智能操纵开关可在必要时打开光源，减少在自然光充沛时开灯带来的电力浪费。
表2-2路灯的电耗对照
每天照明小时
年电量（千瓦时/年）
电费单价（元/每千瓦时）
年电费/元
3年电费/元
高压钠灯
10
54750
43800
131400
LED照明灯
21900
17520
52560
声光控电路概述声控延时开关是一种内无接触点，在特定环境光线下采纳声响成效激发拾音器进行声电转换来操纵用电器的开启，并通过延时后能自动断开电源的节能电子开关[12]。
特点及功能：
（1）发声启控：
在开关附近用手其他方式（或吹口哨、喊叫等）而发出一定声响，就能立即开启灯光及用电器，得心应手。
（2）自动测光：
采用光敏控制，该开关在白天或光线强时不会因声响而开启用电器。
（3）延时自关：
开关一旦受控开启便会延时数十秒后将自动关断，减少不必要的电能浪费，实用方便。
（4）延时用电器使用寿命。
（5）用途广泛：
本产品可用于各类楼道、走廊、卫生间、阳台、地下室车库等场所的自动延时照明。
2方案论证电源控制
图2-1整流稳压电路图
第一在上图能够看到，咱们日经常使用的220V加在4个二极管组成的单向桥式整流电路之间，220V的交流电通过整流以后送到R电阻处，通过R的电路进行限流，电容进行滤波和稳压管进行稳压，从而取得直流的稳固电压，以维持其后电路的正常工作。
（1）整流：
对于4个二极管而言，从左至右，从上至下，我们将其分为VD1，VD2，VD3，VD4。
当交流信号的正半周的时候，二极管VD2，VD3导电，VD1，VD4截止；
当信号变化为负半周的时候，VD1，VD4导电，VD2，VD3截止。
正、负半周均有电流流过后面的负载电阻，而且无论在正半周还是负半周，流过后面的负载电阻的电流方向是一致的，因而使输出电压的直流成分得到提高，脉冲成分被降低。
（2）滤波：
无论哪种整流电路，它们的输出电压都含有较大的脉动成分。
除了在一些特殊的场合可以直接用作放大器的电源外，通常都要采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动部分，另一部分又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压。
这样的措施就是滤波。
并联电容以后，在信号的正半周，当二极管VD2、VD3导电时，二极管导电时，除了有一个电流流向负载外，同时还有一个电流向电容充电，电容电压的极性为上正下负，如果忽略二极管的内阻，则在二极管导通时，输出电压等于输入电压。
当信号达到最大值以后开始下降，此时电容上的电压也将由于放电而逐渐下降。
当信号小于电容电压时，二极管VD2，VD3被反向偏置，因而不导电，于是电容电压以一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个半周，当信号的绝对值大于电容电压的时候，二极管VD1，VD4导通。
对于电容滤波可以得到下面几个结论：
①加了电容滤波以后，输出电压的直流成份提高了。
②加了电容滤波以后，输出电压中的脉动成份降低了。
这是由于电容的储能作用造成的。
当二极管导电时，电容被充电，将能量贮存起来，然后在慢慢放电，把能量传送给负载，因此输出波形比较滑腻。
③电容放电的时刻常数τ=RC愈大，放电进程愈慢，那么输出电压愈高，同时脉动成份也愈少，即滤波成效愈好。
④接入电容以后，整流二极管的导电时刻缩短了。
二极管的导电角〈180°
，而且电容放电时刻常数愈大，那么导电角愈小。
由于加了电容滤波以后，平均输出电流比原先提高了，而导电角却减小了，因此，整流管在短暂的导电时刻内流过一个专门大的冲击电流对管子的寿命不利，因此必需选择较大容量的整流二极管。
（3）稳压：
稳压二极管的稳压原理：
稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。
这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。
LED的驱动部份
恒流与恒压目前小功率LED产品普遍采纳两种驱动电路形式，即恒流驱动和恒电压驱动。
前者电路输出的电流是恒定的，输出电压随负载的转变而转变；
后者输出电压是固定的，输出电流随负载（LED数量）的增减而转变。
（1）恒电流驱动电路在恒电流驱动工作方式下，又有两种驱动工作方式，一种是一个恒压源供多个恒电流源，每个恒电流源单独给每路LED供电。
这种方式组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。
另一种是直接由恒电流源供电LED串联或并联运行。
它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。
LED的多路恒电流输出供电方式，在成本和性能方面会好些，LED采用恒电流驱动具有以下特点。
①利用恒电流驱动电路来驱动LED是很理想的，缺点确实是价钱较高;
②恒电流驱动电路尽管不怕负载短路，可是严禁负载完全开路;
③恒电流驱动电路的输出电流是恒定的，而输出直流电压却随着LED负载的大小不同在必然范围内转变;
④要限制LED的利用数量，因为它有最大经受电流及电压值的问题。
（2）恒电压驱动电路①在确信恒电压电路各项参数后，恒电压电路输出固定的直流电压，输出的直流电流随LED负载的转变而转变;
②恒电压电路尽管不怕负载开路可是严禁负载完全短路;
③整流输出的电压转变会阻碍LED的发光亮度;
④要使每串并联以恒电压电路驱动LED串发光亮度均匀，需加适合的电阻。
常规降压按应用来划分，LED的驱动IC市场有三大类，别离是消费类电子产品、车用照明、建筑装饰与家用照明。
消费类电子产品的应用特点是以电池为能源，电压一样为～，因此低电压、小电流的LED驱动最符合需求，而且是应用量大，应用面广的产品。
在车用照明产品方面，由于供电电源来自于汽车电池，一样为48V，因此需要较高电压降压的LED驱动IC。
至于建筑装饰照明和家庭照明，那么需要将AC电源直接转换成DC电源的LED驱动IC，也确实是将交流电转换为直流电源，并同时完成与LED电压及电流的匹配。
因此，不同应用处合的LED驱动IC也将有所不同。
在家用照明电路中，取得恒电压有以下几种方式：
（1）常规变压器降压这种电源的不足之处是重量偏重、体积较大，电源工作效率很低，一般在45%～60%，因为工作可靠性不高，所以一般很少使用。
（2）电子变压器降压这种电源结构不足之处是转换效率低，适应电压范围窄，一般在180～240V，波纹干扰大。
（3）电容器降压这种方式的LED驱动电源容易受电网电压波动的影响，电源工作效率低，不宜在LED发光闪动时使用，因为LED驱动电路通过电容器降压，在LED发光闪动使用时，由于电容器的充放电作用，通过LED的瞬间电流很大，容易损坏LED驱动控制芯片。
当然，采取适当的保护便可避免这种冲击。
（4）电阻降压这种供电方式电源工作效率很低，并且工作可靠性也很低。
因为电路通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，LED的工作电流受电网电压变化的影响较大。
并且降压电阻本身还要消耗很大部分的功率。
（5）RC降压式开关电源这种方式的LED驱动电源优点是稳压范围比较宽、电源工作效率比较高，一般可在70%～80%,应用较广。
缺点主要是开关频率不易控制，负载电压波纹系数较大，异常情况负载适应性差。
（6）PWM控制式开关电源
就目前而言，PWM操纵方式设计的LED驱动电源比较理想，因为这种开关电源的输出电压或电流都很稳固。
电源转换工作效率高，一样能够高达80%～90%，而且输出电压和输出电流都十分稳固。
这种方式的LED驱动电源要紧由四部份组成。
它们别离是:
主输入整流滤波部份、输出整流滤波部份、PWM稳压操纵部份、开关变换部份。
但它也是最昂贵及技术最复杂的LED电流操纵方案。
它们与线性稳压器及简单的电阻稳流方案不同，易受电磁干扰（EMI）阻碍，为设计人员带来了另外一项需要克服的挑战。
关于中到大功率方案而言，或应用需要处置宽输入电压范围，开关稳压器是唯一可行的选择[4][5]。
隔离与非隔离式依照电源输入与输出电路形式也可分为隔离驱动和非隔离驱动，前者以开关电源为代表，而后者要紧包括电容降压式和恒流/恒压IC。
其相关性能、功耗、本钱和要紧应用如表2-1所示。
表2-1小功率LED驱动方案比较
种类
性能
功耗及成本
主要应用
隔离式驱动
电泵式开关电源
输入输出隔离，安全稳定，无电磁干扰，输出电流较大，但电压相对较低
功耗适中，需控制Ic，成本较高
适合于数量较少的大功率LED应用
电感式开关电源
输入输出隔离，安全稳定，体积小，效率高，多路输出，控制性能好，可进行调光，可恒压、恒流、但存在电磁干扰
功耗较大，且成本高
大功率或电流在几百毫安的应用
非隔离式驱动
电容降压器
输入输出不隔离，有安全隐患，效率低，无电磁干扰，恒流驱动，LED亮度一致，但不适合负载变化场合
功耗低，成本低廉
适合小功率或电流较小的应用
恒流/恒压Ic
输入输出不隔离，有安全隐患，效率相对电容降压式高，可恒压、恒流，无电磁干扰
功耗小，成本适中
所连接LED数目较少，小功率LED应用
由于LED是电流随电压转变显著的器件，当LED正向导通时，其正向电压的微小转变即可引发LED电流的庞大转变。
关于稳压式LED驱动电源而言，当负载转变时，电流波动较大，LED在大电流下工作较长时刻会损坏。
实验说明当流经LED的实际电流为其许诺的最大电流的70%时，LED的发光效能为最正确。
同时，由于发光二极管PN结的电压温度系数为-2mV/℃左右，当LED散热不良致使温度升高时，其工作电流也会较初始时期有明显转变，这也是市面上各类LED产品快速老化的要紧缘故。
显然，保证LED的驱动电流稳固关于LED的防老化显得尤其重要。
因此，恒流式驱动电源是比较理想的LED驱动方式。
通常驱动LED均采纳专用恒流源或驱动芯片，当受体积和本钱等因素的限制时，最经济有效的方式确实是采纳电容降压式电源。
用它驱动小功率LED具有不怕负载短路、电路简单等优势，而且一个电路能驱动1～70个小功率LED。
可是，这种电源电路启动时的电流冲击,尤其是频繁启动，会给LED造成破坏。
固然，采取适当的爱惜即可幸免这种冲击。
电容降压式电源的典型电路如下图所示，C1为降压电容器（采用金属化聚丙烯电容）,R1为C1提供放电回路。
电容C1为整个电路提供恒定的工作电流。
电容C2为电解电容，其耐压值取决于所串联的LED的个数（约为其总电压的倍以上），它的主要作用是抑制通电瞬间引起的电压突变，从而降低电压冲击对LED寿命的影响。
R4为电容C2的泄流电阻，其阻值应随着LED个数的增加适当增加。
图2-2电容降压式电源的典型电路图
需要注意的是，必需依照负载的电流大小选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率，通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似以为:
C=，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。
限流电容必需采纳无极性电容，而且电容的耐压值须在630V以上。
爱惜电路由于电容降压电源是一种非隔离式电源，在通电刹时会产生专门大的电流，也确实是所谓的浪涌电流。
另外，由于外界环境的阻碍如雷击的感应，从电网系统会侵入各类浪涌信号，有些浪涌会致使LED的损坏。
而LED抗浪涌电流和抗反向电压能力都比较，增强这方面的爱惜也超级重要，尤其是有些LED灯装在户外，如LED路灯。
因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，爱惜LED不被损坏的能力。
本电路采纳NTC（负温度系数热敏电阻）来限制电流的突变，利用PTC（正温度系数热敏电阻）自动调剂电流大小使之趋于某个特定的转变范围，同时在电源输入端并有TVS（瞬态电压抑制器）以幸免电压过载。
（1）NTC保护NTC是NegativeTemperatureCoefficient的缩写，意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。
限制浪涌电流的最简单有效的方法是在线路输入端串联一只NTC热敏电阻，如图2-2中的R2。
由于在冷启动时，NTC热敏电阻呈现高阻抗，因而使浪涌电流得到限制。
而当电流的热效应使NTC热敏元件的温度升高，NTC阻值急剧下降时，对系统的电流限制作用会较小。
由于NTC热敏电阻在热态下的阻抗并不是零，故会产生功率损耗，当然这种损耗是很小的[6]。
（2）PTC保护PTC（PositiveTemperatureCoefflCient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料。
为使电路中的电流在正常工作下趋于稳定，本电路还采用了PTC热敏电阻,如图1中的R3。
电流通过PTC热敏电阻后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻增加，从而限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能。
PTC元件串接在电路中，正常情况下，呈低阻状态，保证电路正常工作；
当电路发生短路或窜入异常大电流时，PTC元件的自热使其阻抗增加把电流限制到足够小，起到过电流保护作用。
当产生过电流的故障得到排除，PTC元件自动复原到低阻状态。
既避免了维护更换，也避免了可能引起电路损坏的持续循环的开闭状态[16]。
（3）TVS保护瞬态电压抑制器（TransientVoltageSuppressor），简称TVS，是在稳压管基础上发展起来的一种高效保护器件，主要用于对电路元件进行快速过压保护。
当TVS管两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10～12秒量级的速度将两极间的高阻抗变为很低的阻抗，吸收高能量的浪涌，将两极间的电压箝位于一个预定值，保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲的冲击而损坏。
对于过压保护这一方面，本电路就是在电源输入端并联了TVS，如图2-2中的D2，这样可以将电压维持在TVS最大承受范围之内，当出现电压高于TVS击穿点的过压的现象时，可以让电流流经TVS，藉此保护LED照明灯具。
实验表明，将指针万用表串入电路后，在电路通电瞬间，指针突然偏转大角度的现象得到明显的改善，有效地防止了浪涌电流对LED的冲击。
同时，启动一段时间后，电流有所下降，并逐渐趋于稳定。
用1W的金属膜电阻或绕线电阻代替NTC也可达到要求，过压保护选用TVS或者压敏电阻均可[14][15]。
声光操纵部份
图2-3声光操纵部份电路框图
555按时器
图2-4555按时器内部框图
555按时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一样用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单按时器外，还有对应的双按时器556/7556。
555按时器的电源电压范围宽，可在~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因此其输出可与TTL、CMOS或模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图所示。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ的电阻而得名。
此电路后来竟盛行世界。
目前，流行的产品要紧有4个：
BJT两个：
555，556（含有两个555）；
CMOS两个：
7555，7556（含有两个7555）。
555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。
两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。
此外还有输出级和放电管。
输出级的驱动电流可达200mA。
比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入，可判定出RS触发器的输出状态。
当复位端为低电平常，RS触发器被强制复位。
假设无需复位操作，复位端应接高电平。
555按时器的应用：
图2-5555按时器的典型应用电路图
（1）组成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；
（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；
如上图，振荡周期：
（）（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等[13]。
单向可控硅的操纵在分析其工作原理前，先来介绍一下单向可控硅的工作原理。
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=β2Ib2。
因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，因此Ib1=Ic2。
现在，电流Ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流Ic1=β1Ib1=β1β2Ib2。
那个电流又流回到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所组成的正反馈作用，因此一旦可控硅导通后，即便操纵极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，因此这种可控硅是不可关断的。
图2-6单向可控硅
由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，因此它具有开关特性，这种特性需要必然的条件才能转化，具体转换条件详见表2-2可控硅导通和关断条件表所示：
表2-2可控硅导通和关断条件表
状态
条件
说明
从关断到导通
1、阳极电位高于阴极电位2、控制极有足够的正向电压和电流
两者缺一不可
维持导通
1、阳极电位高于阴
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