LED（Lighting Emitting Diode）照明即是發(fā)光二極管照明，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過(guò)載流子發(fā)生復(fù)合放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。LED照明產(chǎn)品就是利用LED作為光源制造出來(lái)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(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I- N特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂埂舸┨匦浴４送猓谝欢l件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。
假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見(jiàn)光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù) 以?xún)?nèi)產(chǎn)生。
理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長(zhǎng) 與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即
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式中Eg的單位為電子伏特（ev）。若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63ev之間。比紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)的光為紅外光。現(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高，使用不普遍[2]。
? 1.1.2 LED照明的特性
1? 極限參數(shù)
（1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值，LED發(fā)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(guò)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(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。
（4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。
2? 技術(shù)特征
（1）發(fā)光效率高。LED的發(fā)光效率高于傳統(tǒng)燈具。傳統(tǒng)燈具大部分的電耗變成了熱量損耗，而LED無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光，電耗直接轉(zhuǎn)變成了光效,發(fā)光效率高。
（2）耗電量少。LED采用直接驅(qū)動(dòng)，反應(yīng)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(jié)電降耗的最佳選擇。
（3）使用壽命長(zhǎng)。LED 燈頭體積小、重量輕，采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，可承受高強(qiáng)度沖擊和震動(dòng)，不易破碎。LED燈具平均使用壽長(zhǎng)于傳統(tǒng)燈具。
（4）安全性強(qiáng)。LED發(fā)熱量低，無(wú)熱輻射，冷光源，可以安全接觸；能精確控制光型、發(fā)光角度和發(fā)光顏色；不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。
（5）綠色環(huán)保。LED為全固體發(fā)光體，廢棄物可回收，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，有利于環(huán)境保護(hù)。
? 1.1.3 LED與傳統(tǒng)的照明設(shè)備比較
（1）傳統(tǒng)的照明設(shè)備
（1.1）白熾燈：白熾燈是歷史最悠久的燈，應(yīng)用極為廣泛，它的發(fā)光原理基于真空或中性氣體中的燈絲通過(guò)電流加熱到白熾狀態(tài)引起的熱輻射發(fā)光現(xiàn)象。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用方便、顯色性好；缺點(diǎn)是發(fā)熱大、發(fā)光效率較低、使用壽命較短、應(yīng)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(chǎn)生弧光放電，發(fā)出少許可見(jiàn)光和大量紫外線(xiàn)，紫外線(xiàn)又激勵(lì)燈管內(nèi)壁涂覆的熒光粉，使之發(fā)出大量的可見(jiàn)光。緊湊型熒光燈可逐步替代白熾燈：其節(jié)電率高，15W的緊湊型熒光燈亮度與75W的白熾燈相當(dāng)。壽命長(zhǎng)，平均壽命8000小時(shí)，最長(zhǎng)達(dá)20000小時(shí)，白熾燈只有1000小時(shí)～2000小時(shí)。
（1.3）放電燈：通過(guò)兩電極放電使密封在燈泡內(nèi)的氣體發(fā)光，所有此類(lèi)燈需加裝鎮(zhèn)流器限制電弧。
（2）新型的照明設(shè)備LED
LED（Lighty Emitting Diode），又稱(chēng)發(fā)光二極管，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，PN結(jié)的端電壓構(gòu)成一定勢(shì)壘，當(dāng)加正向偏置電壓時(shí)勢(shì)壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散，由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會(huì)出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放出去這就是PN結(jié)發(fā)光的原理[7]-[11]。
? 1.1.4 LED燈具發(fā)光效率高
光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光，頻率效率可達(dá)80%-90%，而且其光的單色性好 光譜窄，無(wú)需過(guò)濾可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。
表1-1發(fā)光效率的對(duì)比

1.2 聲光控電路概述
聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)是一種內(nèi)無(wú)接觸點(diǎn)，在特定環(huán)境光線(xiàn)下采用聲響效果激發(fā)拾音器進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換來(lái)控制用電器的開(kāi)啟，并經(jīng)過(guò)延時(shí)后能自動(dòng)斷開(kāi)電源的節(jié)能電子開(kāi)關(guān)[12]。
特點(diǎn)及功能：
（1）發(fā)聲啟控：在開(kāi)關(guān)附近用手其他方式（或吹口哨、喊叫等）而發(fā)出一定聲響，就能立即開(kāi)啟燈光及用電器，得心應(yīng)手。
（2）自動(dòng)測(cè)光：采用光敏控制，該開(kāi)關(guān)在白天或光線(xiàn)強(qiáng)時(shí)不會(huì)因聲響而開(kāi)啟用電器。
（3）延時(shí)自關(guān)：開(kāi)關(guān)一旦受控開(kāi)啟便會(huì)延時(shí)數(shù)十秒后將自動(dòng)關(guān)斷，減少不必要的電能浪費(fèi)，實(shí)用方便。
（4）延時(shí)用電器使用壽命。
（5）用途廣泛：本產(chǎn)品可用于各類(lèi)樓道、走廊、衛(wèi)生間、陽(yáng)臺(tái)、地下室車(chē)庫(kù)等場(chǎng)所的自動(dòng)延時(shí)照明。
2 方案論證
2.1 電源控制

圖2-1 整流穩(wěn)壓電路圖

首先在上圖可以看到，我們?nèi)粘Ｓ玫?20V加在4個(gè)二極管組成的單向橋式整流電路之間，220V的交流電經(jīng)過(guò)整流之后送到R電阻處，通過(guò)R的電路進(jìn)行限流，電容進(jìn)行濾波和穩(wěn)壓管進(jìn)行穩(wěn)壓，從而得到直流的穩(wěn)定電壓，以保持其后電路的正常工作。
（1）整流：
對(duì)于4個(gè)二極管而言，從左至右，從上至下，我們將其分為VD1，VD2，VD3，VD4。當(dāng)交流信號(hào)的正半周的時(shí)候，二極管VD2，VD3導(dǎo)電，VD1，VD4截止；當(dāng)信號(hào)變化為負(fù)半周的時(shí)候，VD1，VD4導(dǎo)電，VD2，VD3截止。正、負(fù)半周均有電流流過(guò)后面的負(fù)載電阻，而且無(wú)論在正半周還是負(fù)半周，流過(guò)后面的負(fù)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(wú)論哪種整流電路，它們的輸出電壓都含有較大的脈動(dòng)成分。除了在一些特殊的場(chǎng)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(dòng)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(lián)電容以后，在信號(hào)的正半周，當(dāng)二極管VD2、VD3導(dǎo)電時(shí)，二極管導(dǎo)電時(shí)，除了有一個(gè)電流流向負(fù)載外，同時(shí)還有一個(gè)電流向電容充電，電容電壓的極性為上正下負(fù)，如果忽略二極管的內(nèi)阻，則在二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓等于輸入電壓。當(dāng)信號(hào)達(dá)到最大值以后開(kāi)始下降，此時(shí)電容上的電壓也將由于放電而逐漸下降。當(dāng)信號(hào)小于電容電壓時(shí)，二極管VD2，VD3被反向偏置，因而不導(dǎo)電，于是電容電壓以一定的時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，直到下一個(gè)半周，當(dāng)信號(hào)的絕對(duì)值大于電容電壓的時(shí)候，二極管VD1，VD4導(dǎo)通。
對(duì)于電容濾波可以得到下面幾個(gè)結(jié)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(dòng)成分降低了。這是由于電容的儲(chǔ)能作用造成的。當(dāng)二極管導(dǎo)電時(shí)，電容被充電，將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，然后在逐漸放電，把能量傳送給負(fù)載，因而輸出波形比較平滑。
③電容放電的時(shí)間常數(shù)τ=RC愈大，放電過(guò)程愈慢，則輸出電壓愈高，同時(shí)脈動(dòng)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(dǎo)電時(shí)間縮短了。二極管的導(dǎo)電角〈180°，而且電容放電時(shí)間常數(shù)愈大，則導(dǎo)電角愈小。由于加了電容濾波以后，平均輸出電流比原來(lái)提高了，而導(dǎo)電角卻減小了，因此，整流管在短暫的導(dǎo)電時(shí)間內(nèi)流過(guò)一個(gè)很大的沖擊電流對(duì)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(wěn)壓：
　　穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓二極管的特點(diǎn)就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動(dòng)，或其它原因造成電路中各點(diǎn)電壓變動(dòng)時(shí)，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。 　

2.2 LED的驅(qū)動(dòng)部分
? 2.2.1 恒流與恒壓
目前小功率LED產(chǎn)品廣泛采用兩種驅(qū)動(dòng)電路形式，即恒流驅(qū)動(dòng)和恒電壓驅(qū)動(dòng)。前者電路輸出的電流是恒定的，輸出電壓隨負(fù)載的變化而變化；后者輸出電壓是固定的，輸出電流隨負(fù)載 (LED數(shù)目)的增減而變化。
（1）恒電流驅(qū)動(dòng)電路
在恒電流驅(qū)動(dòng)工作方式下，又有兩種驅(qū)動(dòng)工作方式，一種是一個(gè)恒壓源供多個(gè)恒電流源，每個(gè)恒電流源單獨(dú)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(huì)略高一點(diǎn)。另一種是直接由恒電流源供電LED串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是成本低一點(diǎn)，但靈活性差，還要解決某個(gè)LED故障，不影響其他LED運(yùn)行的問(wèn)題。LED的多路恒電流輸出供電方式，在成本和性能方面會(huì)好些，LED采用恒電流驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)。
①利用恒電流驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)LED是很理想的，缺點(diǎn)就是價(jià)格較高;
②恒電流驅(qū)動(dòng)電路雖然不怕負(fù)載短路，但是嚴(yán)禁負(fù)載完全開(kāi)路;
③恒電流驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流是恒定的，而輸出直流電壓卻隨著LED負(fù)載的大小不同在一定范圍內(nèi)變化;
④要限制LED的使用數(shù)量，因?yàn)樗凶畲蟪惺茈娏骷半妷褐档膯?wèn)題。
（2）恒電壓驅(qū)動(dòng)電路
①在確定恒電壓電路各項(xiàng)參數(shù)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(fù)載的變化而變化;
②恒電壓電路雖然不怕負(fù)載開(kāi)路但是嚴(yán)禁負(fù)載完全短路;
③整流輸出的電壓變化會(huì)影響LED的發(fā)光亮度;
④要使每串并聯(lián)以恒電壓電路驅(qū)動(dòng)LED串發(fā)光亮度均勻，需加合適的電阻。
? 2.2.2 常規(guī)降壓
按應(yīng)用來(lái)劃分，LED的驅(qū)動(dòng)IC市場(chǎng)有三大類(lèi)，分別是消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、車(chē)用照明、建筑裝飾與家用照明。消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)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(qū)動(dòng)最符合需求，并且是應(yīng)用量大，應(yīng)用面廣的產(chǎn)品。在車(chē)用照明產(chǎn)品方面，由于供電電源來(lái)自于汽車(chē)電池，一般為48V，所以需要較高電壓降壓的LED驅(qū)動(dòng)IC。至于建筑裝飾照明和家庭照明，則需要將AC電源直接轉(zhuǎn)換成DC電源的LED驅(qū)動(dòng)IC，也就是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電源，并同時(shí)完成與LED電壓及電流的匹配。因此，不同應(yīng)用場(chǎng)合的LED驅(qū)動(dòng)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(guī)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?yàn)楣ぷ骺煽啃圆桓撸砸话愫苌偈褂谩?br /> （2）電子變壓器降壓
這種電源結(jié)構(gòu)不足之處是轉(zhuǎn)換效率低，適應(yīng)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(qū)動(dòng)電源容易受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，電源工作效率低，不宜在LED發(fā)光閃動(dòng)時(shí)使用，因?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)電容器降壓，在LED發(fā)光閃動(dòng)使用時(shí)，由于電容器的充放電作用，通過(guò)LED的瞬間電流很大，容易損壞LED驅(qū)動(dòng)控制芯片。當(dāng)然，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)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?yàn)殡娐吠ㄟ^(guò)電阻降壓，受電網(wǎng)電壓變化的干擾較大，LED的工作電流受電網(wǎng)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(kāi)關(guān)電源
這種方式的 LED驅(qū)動(dòng)電源優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓范圍比較寬、電源工作效率比較高，一般可在70%～80%,應(yīng)用較廣。缺點(diǎn)主要是開(kāi)關(guān)頻率不易控制，負(fù)載電壓波紋系數(shù)較大，異常情況負(fù)載適應(yīng)性差。
（6）PWM控制式開(kāi)關(guān)電源
??? 就目前而言，PWM控制方式設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)電源比較理想，因?yàn)檫@種開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓或電流都很穩(wěn)定。電源轉(zhuǎn)換工作效率高，一般可以高達(dá)80%～90%，并且輸出電壓和輸出電流都十分穩(wěn)定。這種方式的LED驅(qū)動(dòng)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(wěn)壓控制部分、開(kāi)關(guān)變換部分。但它也是最昂貴及技術(shù)最復(fù)雜的LED電流控制方案。它們與線(xiàn)性穩(wěn)壓器及簡(jiǎn)單的電阻穩(wěn)流方案不同，易受電磁干擾(EMI)影響，為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了另外一項(xiàng)需要克服的挑戰(zhàn)。對(duì)于中到大功率方案而言，或者應(yīng)用需要處理寬輸入電壓范圍，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是唯一可行的選擇[4][5]。
? 2.2.3 隔離與非隔離式
根據(jù)電源輸入與輸出電路形式也可分為隔離驅(qū)動(dòng)和非隔離驅(qū)動(dòng)，前者以開(kāi)關(guān)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(guān)性能、功耗、成本以及主要應(yīng)用如表2-1所示。
表2-1小功率LED驅(qū)動(dòng)方案比較
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由于LED是電流隨電壓變化顯著的器件，當(dāng)LED正向?qū)〞r(shí)，其正向電壓的微小變化便可引起LED電流的巨大變化。對(duì)于穩(wěn)壓式LED驅(qū)動(dòng)電源而言，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，電流波動(dòng)較大，LED在大電流下工作較長(zhǎng)時(shí)間會(huì)損壞。實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)流經(jīng)LED的實(shí)際電流為其允許的最大電流的70%時(shí)，LED的發(fā)光效能為最佳。同時(shí)，由于發(fā)光二極管PN結(jié)的電壓溫度系數(shù)為-2mV/℃左右，當(dāng)LED散熱不良導(dǎo)致溫度升高時(shí)，其工作電流也會(huì)較初始階段有明顯變化，這也是市面上各種LED產(chǎn)品快速老化的主要原因。顯然，保證LED的驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定對(duì)于LED的防老化顯得尤為重要。因此，恒流式驅(qū)動(dòng)電源是比較理想的LED驅(qū)動(dòng)方式。通常驅(qū)動(dòng)LED均采用專(zhuān)用恒流源或者驅(qū)動(dòng)芯片，當(dāng)受體積和成本等因素的限制時(shí)，最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。用它驅(qū)動(dòng)小功率LED具有不怕負(fù)載短路、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且一個(gè)電路能驅(qū)動(dòng)1～70個(gè)小功率LED。但是，這種電源電路啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊,尤其是頻繁啟動(dòng)，會(huì)給LED造成破壞。當(dāng)然，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)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(gè)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(lián)的LED的個(gè)數(shù)(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(duì)LED壽命的影響。R4為電容C2的泄流電阻，其阻值應(yīng)隨著LED個(gè)數(shù)的增加適當(dāng)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(jù)負(fù)載的電流大小選取適當(dāng)?shù)碾娙荩皇且罁?jù)負(fù)載的電壓和功率，通常降壓電容C1的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)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(wú)極性電容，而且電容的耐壓值須在630V以上。
? 2.2.4 保護(hù)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(huì)產(chǎn)生很大的電流，也就是所謂的浪涌電流。此外，由于外界環(huán)境的影響如雷擊的感應(yīng)，從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌信號(hào)，有些浪涌會(huì)導(dǎo)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(qiáng)這方面的保護(hù)也非常重要，尤其是有些LED燈裝在戶(hù)外，如LED路燈。因此LED驅(qū)動(dòng)電源要有抑制浪涌的侵入，保護(hù)LED不被損壞的能力。本電路采用NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)來(lái)限制電流的突變，利用PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)自動(dòng)調(diào)節(jié)電流大小使之趨于某個(gè)特定的變化范圍，同時(shí)在電源輸入端并有TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)以避免電壓過(guò)載。
（1）NTC保護(hù)
NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫(xiě)，意思是負(fù)的溫度系數(shù),泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。限制浪涌電流的最簡(jiǎn)單有效的方法是在線(xiàn)路輸入端串聯(lián)一只NTC熱敏電阻，如圖2-2中的R2。由于在冷啟動(dòng)時(shí)，NTC熱敏電阻呈現(xiàn)高阻抗，因而使浪涌電流得到限制。而當(dāng)電流的熱效應(yīng)使NTC熱敏元件的溫度升高，NTC阻值急劇下降時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的電流限制作用會(huì)較小。由于NTC熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會(huì)產(chǎn)生功率損耗，當(dāng)然這種損耗是很小的[6]。
（2）PTC保護(hù)
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(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料。為使電路中的電流在正常工作下趨于穩(wěn)定，本電路還采用了PTC 熱敏電阻,如圖1中的R3。電流通過(guò)PTC熱敏電阻后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)超過(guò)居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)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(fù)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(tài)，保證電路正常工作；當(dāng)電路發(fā)生短路或竄入異常大電流時(shí)，PTC元件的自熱使其阻抗增加把電流限制到足夠小，起到過(guò)電流保護(hù)作用。當(dāng)產(chǎn)生過(guò)電流的故障得到排除，PTC元件自動(dòng)復(fù)原到低阻狀態(tài)。既避免了維護(hù)更換，也避免了可能引起電路損壞的持續(xù)循環(huán)的開(kāi)閉狀態(tài)[16]。
（3）TVS保護(hù)
瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor)，簡(jiǎn)稱(chēng)TVS，是在穩(wěn)壓管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高效保護(hù)器件，主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)TVS管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10～12秒量級(jí)的速度將兩極間的高阻抗變?yōu)楹艿偷淖杩梗崭吣芰康睦擞浚瑢蓸O間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，保護(hù)電子線(xiàn)路中的元器件免受各種浪涌脈沖的沖擊而損壞。
對(duì)于過(guò)壓保護(hù)這一方面，本電路就是在電源輸入端并聯(lián)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(nèi)，當(dāng)出現(xiàn)電壓高于TVS擊穿點(diǎn)的過(guò)壓的現(xiàn)象時(shí)，可以讓電流流經(jīng)TVS，藉此保護(hù)LED照明燈具。
實(shí)驗(yàn)表明，將指針萬(wàn)用表串入電路后，在電路通電瞬間，指針突然偏轉(zhuǎn)大角度的現(xiàn)象得到明顯的改善，有效地防止了浪涌電流對(duì)LED的沖擊。同時(shí)，啟動(dòng)一段時(shí)間后，電流有所下降，并逐漸趨于穩(wěn)定。用1W的金屬膜電阻或繞線(xiàn)電阻代替NTC也可達(dá)到要求，過(guò)壓保護(hù)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(shí)器
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圖2-4 555定時(shí)器內(nèi)部框圖

555 定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱(chēng)為555，用CMOS工藝制作的稱(chēng)為7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器556/7556。555定時(shí)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(qū)動(dòng)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(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555 定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖所示。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電管T及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC/3和2VCC/3。
555定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng)5腳懸空時(shí)，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(fā)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(fā)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(shí)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(fā)器置0，使輸出為0電平。
美國(guó)Signetics公司1972年研制的用于取代機(jī)械式定時(shí)器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計(jì)有三個(gè)5kΩ的電阻而得名。此電路后來(lái)竟風(fēng)靡世界。目前，流行的產(chǎn)品主要有4個(gè)：BJT兩個(gè)：555，556（含有兩個(gè)555）；CMOS兩個(gè)：7555，7556（含有兩個(gè)7555）。
555定時(shí)器可以說(shuō)是模擬電路與數(shù)字電路結(jié)合的典范。
兩個(gè)比較器C1和C2各有一個(gè)輸入端連接到三個(gè)電阻R組成的分壓器上，比較器的輸出接到RS觸發(fā)器上。此外還有輸出級(jí)和放電管。輸出級(jí)的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。
比較器C1和C2的參考電壓分別為UA和UB，根據(jù)C1和C2的另一個(gè)輸入端——觸發(fā)輸入和閾值輸入，可判斷出RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。當(dāng)復(fù)位端為低電平時(shí)，RS觸發(fā)器被強(qiáng)制復(fù)位。若無(wú)需復(fù)位操作，復(fù)位端應(yīng)接高電平。
555定時(shí)器的應(yīng)用：
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圖2-5 555定時(shí)器的典型應(yīng)用電路圖

（1）構(gòu)成施密特觸發(fā)器，用于TTL系統(tǒng)的接口，整形電路或脈沖鑒幅等；
（2）構(gòu)成多諧振蕩器，組成信號(hào)產(chǎn)生電路；如上圖，振蕩周期：
??????????????????????????????? （2.1）
（3）構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用于定時(shí)延時(shí)整形及一些定時(shí)開(kāi)關(guān)中。
555應(yīng)用電路采用這3種方式中的1種或多種組合起來(lái)可以組成各種實(shí)用的電子電路，如定時(shí)器、分頻器、脈沖信號(hào)發(fā)生器、元件參數(shù)和電路檢測(cè)電路、玩具游戲機(jī)電路、音響告警電路、電源交換電路、頻率變換電路、自動(dòng)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(lái)介紹一下單向可控硅的工作原理。
可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè)PN結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成，當(dāng)陽(yáng)極A加上正向電壓時(shí)，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時(shí)，如果從控制極G輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號(hào)，BG2便有基流Ib2流過(guò)，經(jīng)BG2放大，其集電極電流Ic2=β2Ib2。因?yàn)锽G2的集電極直接與BG1的基極相連，所以Ib1=Ic2。此時(shí)，電流Ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流Ic1=β1Ib1=β1β2Ib2。這個(gè)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(huán)的結(jié)果，兩個(gè)管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。 由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔茫砸坏┛煽毓鑼?dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號(hào)只起觸發(fā)作用，沒(méi)有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。

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圖2-6 單向可控硅

由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開(kāi)關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，具體轉(zhuǎn)換條件詳見(jiàn)表2-2可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件表所示：表2-2 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件表

3 設(shè)計(jì)過(guò)程論述
3.1 電路組成

圖3-1? LED驅(qū)動(dòng)電路圖

LED驅(qū)動(dòng)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L(zhǎng)ED負(fù)載與單向晶閘管VT1的串聯(lián)電路。控制電路又可分為直流電源和光聲控制的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)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(lián)型穩(wěn)壓電路組成。光聲控制的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由電阻R2和光敏電阻RG組成的光電轉(zhuǎn)換電路，電阻R3、電位器RP和駐極體話(huà)筒MK組成的聲電轉(zhuǎn)換電路以及CMOS型7555定時(shí)器等元件組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成。
3.2 工作原理
白天光線(xiàn)強(qiáng)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換電路輸出低電平，送7555定時(shí)器的R端，迫使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平，使VT1處于關(guān)斷狀態(tài)，從而保證了白天光線(xiàn)強(qiáng)時(shí)燈泡不亮。晚上光線(xiàn)弱時(shí)，光電轉(zhuǎn)換電路輸出高電平送7555定時(shí)器的R端，不影響單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。此時(shí)，聲電轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的足夠強(qiáng)的聲音電信號(hào)可通過(guò)7555定時(shí)器的TR端，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)的低電平輸出翻轉(zhuǎn)為暫態(tài)的高電平輸出，使VT1導(dǎo)通，點(diǎn)亮燈。調(diào)節(jié)聲電轉(zhuǎn)換電路中的RP，可調(diào)整聲控靈敏度。燈亮的持續(xù)時(shí)間TL就是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)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(méi)有VD2,當(dāng)晚上光線(xiàn)弱且在聲音控制下使燈泡點(diǎn)亮?xí)r，明亮的燈光照射在RG上，與白天光強(qiáng)時(shí)的情形一樣，光電轉(zhuǎn)換電路輸出低電平送7555定時(shí)器的R端，迫使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平，使VT1在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷，從而使燈泡達(dá)不到R3和C3所確定的時(shí)間而提前熄滅。有了VD2，可在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平期間將光電轉(zhuǎn)換電路的輸出鎖定在高電平狀態(tài)，從而確保燈亮的持續(xù)時(shí)間由R3和C3確定。
3.3 參數(shù)設(shè)計(jì)
照明光聲控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)原則是在實(shí)現(xiàn)其控制動(dòng)能和降低成本的前提下，盡可能減小功耗。電路中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器采用CMOC型7555定時(shí)器而不采用TTL型555定時(shí)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(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
? 3.3.1 主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)
主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，只需根據(jù)被控?zé)襞莸念~定電壓和額定電流確定交流電壓UAC的電壓等級(jí)和選擇晶閘管VT1的具體型號(hào)即可。在選擇晶閘管型號(hào)時(shí)，應(yīng)盡可能選用觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流較小雙向晶閘管，這樣可以適當(dāng)增大限流電阻R5的阻值，以減小單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)功耗。
? 3.3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)
在進(jìn)行這部分電路的參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定其工作電壓。CMOS型7555定時(shí)器的工作電壓范圍為3～18V，考慮到大多數(shù)晶閘管的觸發(fā)電壓一般在2～5V之間，駐極體話(huà)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(duì)于負(fù)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(wěn)壓二極管降壓，而二極管工作時(shí)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(yīng)大于2倍的電源電壓，因此應(yīng)選擇兩個(gè)0.47uF/630V電容并聯(lián)工作。
整流及濾波電路：
整流橋上單個(gè)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(fù)載電壓，一般取RLC≥(3～5)T/2，其中RL為負(fù)載阻抗，T為輸入信號(hào)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(shí)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(diǎn)。
?? （1）光電轉(zhuǎn)換電路中的RG應(yīng)盡可能選擇暗電阻較大的光敏電阻。對(duì)于用于路燈控制的照明光聲控制電路一般可使環(huán)境光線(xiàn)在10XL左右,即可通過(guò),聲音控制使燈泡點(diǎn)亮。而CMOS型7555定時(shí)器R端的轉(zhuǎn)換電壓為VDD/2,故光電轉(zhuǎn)換電路參數(shù)可按下式設(shè)計(jì):
?????????????????????? （3.1)
式中 為光線(xiàn)在10XL時(shí)光敏電阻RG的阻值。故應(yīng)盡可能選擇 較大的光敏電阻,因?yàn)?較大,按式(3.1)算得的 也較大,從而可減小光電轉(zhuǎn)換電路的靜態(tài)電流和功耗。
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圖 3-2聲電轉(zhuǎn)換部分

?? （2）聲電轉(zhuǎn)換電路中的MK應(yīng)盡可能選擇工作電流IMK較小的駐極體話(huà)筒。上圖為包括駐極體話(huà)筒內(nèi)部電路的聲電轉(zhuǎn)換電路。由圖可知,駐極體話(huà)筒的工作電流就是駐極體話(huà)筒內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管的靜態(tài)漏極電流 。因此,IMK越小,聲電轉(zhuǎn)換電路的靜態(tài)功耗就越小。
?? （3）定時(shí)元件R4的阻值取值要適當(dāng)。燈亮的持續(xù)時(shí)間TL(即單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)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(shí)，R2的阻值取得大一些，還可減小其功耗。但考慮到7555定時(shí)器內(nèi)部運(yùn)算放大器兩個(gè)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(shù)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(jié)論
按照電路圖完成的電路設(shè)計(jì)，在光照下有聲響LED燈不亮，在黑暗環(huán)境下，有聲響LED燈亮，并延時(shí)50s。在電路圖中，共接入了28只LED，可以達(dá)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(guò)本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，了解了常用的降壓的方法，熟悉了使用555定時(shí)器設(shè)計(jì)聲控開(kāi)關(guān)，并掌握了小功率LED的驅(qū)動(dòng)。