声光控LED照明灯毕业设计论文.docx

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声光控LED照明灯毕业设计论文

声光控LED照明灯

摘要

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LED灯就会慢慢的熄灭，即这时也是人走过了的时候。

当人走过是只需用手轻排一下LED灯就会自动的亮，人离开后又熄灭。

这样就给路人提供了相应的方便，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。

关键词：

与非门放大，光敏二极管，可控开关，延迟电路

摘要………………………………………………………………………i

绪论……………………………………………………………………1

1声光控LED照明灯综述…………………………………………………2

课题研究的目的和意义…………………………………………………………2

选择LED等的原因…………………………………………………………2

LED灯的发展历史…………………………………………………………2

选择LED灯的优点…………………………………………………………3

2关于LED的介绍………………………………………………………………5

LED的发光原理与特性…………………………………………………………5

LED灯发光原理…………………………………………………………5

LED的特性………………………………………………………………5

LED的主要参数……………………………………………………………6

主要参数……………………………………………………………………6

LED电学特性………………………………………………………………6

最大允许功耗PFm…………………………………………………………7

响应时间……………………………………………………………………7

3总体方案设计……………………………………………………………………9

总体方案………………………………………………………………………9

课题分析………………………………………………………………9

方案论证………………………………………………………………9

方案选择……………………………………………………………………10

电路的工作原理………………………………………………………10

声光控电路的选择……………………………………………………10

照明电路的选择………………………………………………………11

4焊接电路…………………………………………………………………13

元件焊接…………………………………………………………………13

焊接的质量检查…………………………………………………………………13

结论………………………………………………………………………………14

参考文献…………………………………………………………………………15

附录：

电路原理图……………………………………………………………16

谢辞…………………………………………………………………………17

绪论

21世纪新光源，使得它越来越多地用在彩灯装饰和照明领域。

未来白光LED发光二极管的市场规模与应用将无限宽广，并将进入一般家庭，取代各种传统的室内外照明灯具。

LED最大的特点在于无须暖灯时间、开关次数对寿命无影响、反应速度快（约在10-9秒）、安全而且光源控制成本低，使频繁开关成为可能，及运用于声光控灯上的最佳光源。

在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，在灯种的研发上，更是趋向环保、节能的特性上著眼。

因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的光源对居家照明节能具有十分重要的意义。

由此LED灯的诸多优点在未来有可能取代传统的照明设备，尤其是白光LED，更被灯饰界寄以厚望，是照明产品的新兴光源，有[绿色照明]光源之称，未来将光芒耀眼，发展潜力无限。

白光LED具有体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、反应速度快等众多优点，却无白炽钨丝灯泡高耗电、发热量大，光效能低，易碎及萤光粉灯废弃物含汞污染环境等缺点，因此十分被灯饰业者看好。

因此，人们认为这是跨世纪的值得关注的电子革命大事，它既是科技专家争先抢占的高新技术领域的制高点，又是企业家获得巨大利润的战场。

半导体节能声光控照明灯在各个领域的新系统设计、研究等方面显示出了强有力的推广和应用前景。

声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动的亮；广泛应用于走廊、楼道招待所等公共场所，给人们的生活、带来极大的方便。

因此，得到了广泛的应用。

声光控电路是声音和光控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控制各种电器的工作，在自动控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LED作为发光装备，较白炽灯LED具有更高的发光效率，更低的耗电量，使用寿命也更长，在城市亮灯工程和家居照明当中起到了非常好的效果，在当前能源紧缺的环境下，LED节能技术将成为一项很重要的发展方向。

1声光控LED照明灯综述

课题研究的目的和意义

研究目的：

通过这次的课题研究我们希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的发明原理，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高我们的动手能力，创新意识，及锻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研究能让同学进一步地了解照明灯，而不是仅局限与课本知识以内。

从小的突破点入手，掌握又一项科技知识，从而实现课堂外的又一次提高,为现代教育科学尽一份力量！

研究意义：

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，提供照明，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、制作容易、工作可靠等优点，适合于各种楼房走廊的照明设备。

降低能耗、节约能源、注重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。

未来LED必定是主流。

选择LED灯的原因

LED灯的发展历史

LED是一种能够将电能直接转化为可见光的半导体发光器件，材料使用III-V族化学元素[如：

磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAs）等]，发光原理是将电能直接转换为光能，也就是对化合物半导体施电流，透过电子与电洞的结合，能量会以光的形式释出，形成发光的效果，属于冷性发光，理论寿命长达十万小时以上。

最早LED光源问世于20世纪60年代初。

当时所用的材料是砷磷化镓（GaAsP），发红光（=λp650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约流明/瓦。

70年代中期，引入元素铟（In）和氮（N），使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1lm/W。

到了80年代初，出现了砷铝化镓（GaAlAs）的LED光源，使得红色LED的光效达到10lm/W。

LED具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速率快、耐震性佳等优点，被广泛应用于信号指示、数码显示等领域。

随着技术的不断进步，超高亮LED的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，近年来又生产出用超高亮白光LED发光二极管组装的照明灯。

与传统的照明灯相比，在功耗、亮度与寿命方面以无与伦比的优势成为21世纪新光源，使得它越来越多地用在彩灯装饰和照明领域。

未来白光LED发光二极管的市场规模与应用将无限宽广，并将进入一般家庭，取代各种传统的室内外照明灯具。

LED最大的特点在于无须暖灯时间、开关次数对寿命无影响、反应速度快（约在10-9秒）、安全而且光源控制成本低，使频繁开关成为可能，及运用于声光控灯上的最佳光源。

LED声光控灯是及LED灯和声光控电路为一体，安装方便，使用寿命长，灯口采用国标E27。

LED采用高亮度白光LED，单颗亮度6lm以上，色温6500-7500，总能耗为W相当于40W白炽灯的亮度。

声光控电路是集声学、光学和延时技术为一体组成的自动照明开关，白天或光线较强时，开关电路为自锁状态，LED灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关进入预备工作状态，此时，当来人有脚步声、说话声、拍手声等声源时，开关自动打开，灯亮，延时一段时间后自动熄灭，从而实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，使得LED声光控灯低能耗、长寿命。

LED灯的优点

LED具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强、环保等优点。

（1）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，无需过滤可直接发出有色可见光。

目前，世界各国都加紧了提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大提高。

（2）耗电量少

LED的反应速度快，可在高频操作,同样明效果的情况下，耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯管的二分之一。

日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一般的白炽灯和荧光灯。

每年可节约资源相当于60亿升原油。

就桥梁护栏灯而言，同样效果的一只日光灯40W，而采用LED每只的功率只有8W，而且可以七彩变化。

（3）使用寿命长

LED采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。

而采用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震动，不易破碎。

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灯具使用寿命可达5-10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

而且，LED照明器材的整体封装材料

（如灯带塑料和灯壳）在日晒雨淋下容易损坏，也直接影响LED照明器材的整体寿命。

（4）安全可靠性强

LED发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全接触；能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质；内置微处理器可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术的结合。

LED尺寸小、重量轻、不易破碎、防震以及24V的工作电压等特点，所以在各种环境下都显得十分安全可靠。

（5）环保

LED为全固体发光体，抗震动、耐冲击、不易破碎、废弃物可回收,没污染。

光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

当然，节能也是我们考虑使用LED的主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4至9年中每年几倍的节能净收益期。

如果应用在夜景照明，可以以简洁明快的夜景照明方式突出建筑物的形状特点和使用功能，充分体现建筑师的设计风格及意图；通过相邻面间的亮度变化和颜色差异，突出建筑物的轮廓，保证建筑物的完整性并具有良好的立体感；避免大量使用大功率投光灯，以减少眩光和由此产生的光污染，使灯光对环境的干扰降低到最小值。

（6）其他

LED光源除了无汞、节能、节材、对环境无电磁干扰、无有害射线五项优点之外，在照明领域中，特别是在景观照明中，还有很多优势。

如：

低压供电——无高压环节，为了绝缘的开销要小得多，可靠性高。

附件简单——无启动器、镇流器或超高压变压器。

结构简单——具有固体光源的最大优点，不充气，无玻璃外壳，无气体密封问题，耐冲击。

可控性好——响应时间快（微秒数量级），可反复频繁亮灭，基本无惰性，不会疲倦。

色彩纯厚——由半导体PN结自身产生色彩，纯正，浓厚。

色彩丰富——三基色加数码技术，可演变任意色彩。

轻质结构——节材，节约费用；对灯具强度和刚度要求很低。

2关于LED的介绍

LED灯的发光原理与特性

LED的发光原理

（1）LED灯的发光原理

发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

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5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结的材料决定的。

（2）LED灯的发光机理

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。

（3）LED灯的发光效率

一般称为组件的外部量子效率，其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积。

所谓组件的内部量子效率，其实就是组件本身的电光转换效率，主要与组件本身的特性（如组件材料的能带、缺陷、杂质）、组件的垒晶组成及结构等相关。

而组件的取出效率则指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。

因此，关于取出效率的因素包括了组件材料本身的吸收、组件的几何结构、组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等。

而组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积，就是整个组件的发光效果，也就是组件的外部量子效率。

早期组件发展集中在提高其内部量子效率，主要方法是通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70%左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。

在这样的状况下，光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件的总光量的，因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题。

目前的方法主要是：

晶粒外型的改变——TIP结构，表面粗化技术。

LED的特性

（1）LED灯的光学特性

LED提供的是半宽度很大的单色光，由于半导体的能隙随温度的上升而减小，因此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长，即光谱红移，温度系数为+2~3A。

LED发光亮度L与正向电流近似成比例,K为比例系数。

电流增大，发光亮度也近似增大。

另外发光亮度也与环境温度有关，环境温度高时，复合效率下降，发光强度减小。

（2）LED灯电气特性

电流控制型器件，负载特性类似PN结的UI曲线，正向导通电压的极小变化会引起正向电流的很大变化（指数级别），反向漏电流很小，有反向击穿电压。

在实际使用中，应选择LED正向电压随温度升高而变小，具有负温度系数。

LED消耗功率，一部分转化为光能，这是我们需要的。

剩下的就转化为热能，使结温升高。

（3）LED热学特性

小电流下，LED温升不明显。

若环境温度较高，LED的主波长就会红移，亮度会下降，发光均匀性、一致性变差。

尤其点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响更为显著。

所以散热设计很关键。

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。

主要参数

普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，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650~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~650nm，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585nm左右，绿色发光二极管的波长一般为555~570nm。

LED电学特性

I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。

LEDI-V的特性具有非线性、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。

（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，GaP为，GaN为。

（2）正向工作区

电流IF与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/KT

图2-1特性曲线

（3）反向死区

V＜0时pn结加反偏压

V=-VR时，反向漏电流IR（V=-5V）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。

当反向偏压一直增加使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。

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×IF

LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。

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）

响应时间

响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢。

现有几种显示LCD（液晶显示）约~，CRT、PDP、LED都达到~（μs级）。

1响应时间从使用角度来看，就是LED点亮与熄灭所延迟的时间。

2响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容及电路阻抗。

不同材料制得的LED响应时间各不相同；如GaAs、GaAsP、GaAlAs其响应时间小于，GaP为。

因此它们可用在10~100MHZ高频系统。

3总体方案设计

总体方案

课题分析

整流、稳压二极管；话筒；光敏二极管；可控硅开关等。

能够通过调节电阻和电容的大小来改变灯亮的时间长短，如果时间过长就应该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，当有人经过该开关附近时，脚步声、说话声、拍手声等都能开启节电开关。

灯亮后经过40秒左右的延时节电开关自动关闭，灯灭。

原理图说明：

220V的灯充电直接整流。

在输入端串联LED照明电路，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，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控制电路，由控制电路去控制可控硅，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。

光敏控制电路把光照变成电信号，从而去控制音频信号往后边输送情况。

可见：

本电路LED照明电路要受可控硅的控制，可控硅受话筒取得的音频信号和光敏电阻的控制，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决定。

LED照明电路220V供电，由于LED比普通的白炽灯、节能灯更具有节能效果，二期发光率高，所以本设计选择LED（发光二极管）。

先经过C1，C2阻容降压，其中R2为泄压电阻，C1为降压电容，其耐压为400V以上。

之后经W1桥式整流块输出直流电，再经R4限流后，送给5只一串的LED而阻容降压接LED的负载不是纯电阻，而是近似稳压管特性，按其原理图参数选择原件，流经LED的电流大约为13毫安。

C2是滤波电容，可以防止开灯瞬间时的大电流对LED的冲击。

R1是NTC热敏电阻，当电路出现意外状况导致电流增大时，其阻值增大，促使电流降低，从而起到保护作用。

方案论证

整流电路采用桥式整流电路，二极管稳压电路加上滤波电容和电阻。

可控硅开关起开关作用，非常重要，由这个开关去控制整流电路的工作与否，从而控制灯的亮和熄。

为实现声控功能，要设制话筒放大电路，主要是由话筒拾音电路（就是把声音信号变为电信号电路，由于声音微小，所以加放大电路）和放大电路组成。

光敏控制电路实现光控的功能，可以有光敏电阻来实现。

音频放大电路因话筒输出的音频信号小，不能满足检波的需要，设制二极管音频放大电路，倍数几千上万倍。

检波电路音频信号是交流信号，不用交流信号控制可控硅，需转换为直流信号，才能控制可控硅，因是小信号，要反映信号的蜂值电路线变化。

延迟电路在灯点亮时需要有延迟，检波输出直流电压通过延迟电路是电压消失，保持一段时间，所保持时间的长短由延迟电路的参数决定，实际上延迟电路由RC电路组成，时间常数τ=RC，这是可控制电压。

控制电路是控制可控硅栅极的开关电路，它的输入由延时端的延时电路送来的电压控制，输出控制可控硅的导通情况。

由于LED比普通的白炽灯、节能灯更具有节能效果，二期发光率高，所以本设计选择LED（发光二极管）。

论证方案：

声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号，该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接控制负载动作。

方案选择

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使用了数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的与非门IC1A-IC1D，使电路结构简单，工作可靠性高。

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D5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，D5两端的电压高，即为高电平间t=2πr8c1，改变r9或c1的值，可改变延时时间，满足不同目的。

ICI3和ICID4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。

当c2充电到一定电平时，信号经与非门ICIC、ICID后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；c2充满电后只向r2放电，当放电到一定电平时，经与非门输出为低电平，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将交流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，电子电路正常工作需要直流电源，为电器设备提供直流电的设备称为直流稳压电源。

直流稳压电源可以将200V的交流输入电压转变成稳定不变的直流电压。

声光控电路的选择

声控电路由可控硅、话筒MIC及声控电路，LED灯负载RL与可控硅串接后与电源相连，话筒将声音信号转换成电信号，声控电路通过声音信号控制可控硅的导通状态，放大有与非门完成。

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，价带中的电子吸收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。

入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

声光控电路的选择：

图3-1声光控电路图

照明电路的选择

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，不同於灯泡需要在3000度以上的高温下操作，也不必像日光灯需使用高电压激发电子束，LED和一般的电子元件相同，只需要2～4V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，主要是取决於电子与电洞结合所释放出来的能量高低，也就是由所用的半导体材料的能隙所决定。

同一种材料的波长都很接近，因此每一颗LED的光色都很