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)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過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)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，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)。進入對方區(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，不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近PN結(jié)面數(shù) 以內(nèi)產(chǎn)生。
理論和實踐證明，光的峰值波長 與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg有關(guān)，即
??? （1.1）
式中Eg的單位為電子伏特（ev）。若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光～780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3.26～1.63ev之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(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它的電流之積的最大值。超過此值，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(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無需過濾可直接發(fā)出有色可見光，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，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。LED 燈頭體積小、重量輕，采用環(huán)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(tǒng)燈具。
（4）安全性強。LED發(fā)熱量低，無熱輻射，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，對環(huán)境無污染，有利于環(huán)境保護。
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)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便、顯色性好；缺點是發(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)出少許可見光和大量紫外線，紫外線又激勵燈管內(nèi)壁涂覆的熒光粉，使之發(fā)出大量的可見光。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，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(nèi)的氣體發(fā)光，所有此類燈需加裝鎮(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)成一定勢壘，當(dāng)加正向偏置電壓時勢壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U散，由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴散，構(gòu)成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時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(fā)出有色可見光。
表1-1發(fā)光效率的對比
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(guān)是一種內(nèi)無接觸點，在特定環(huán)境光線下采用聲響效果激發(fā)拾音器進行聲電轉(zhuǎn)換來控制用電器的開啟，并經(jīng)過延時后能自動斷開電源的節(jié)能電子開關(guān)[12]。
特點及功能：
（1）發(fā)聲啟控：在開關(guān)附近用手其他方式（或吹口哨、喊叫等）而發(fā)出一定聲響，就能立即開啟燈光及用電器，得心應(yīng)手。
（2）自動測光：采用光敏控制，該開關(guān)在白天或光線強時不會因聲響而開啟用電器。
（3）延時自關(guān)：開關(guān)一旦受控開啟便會延時數(shù)十秒后將自動關(guān)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(chǎn)品可用于各類樓道、走廊、衛(wèi)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(wěn)壓電路圖
首先在上圖可以看到，我們?nèi)粘Ｓ玫?20V加在4個二極管組成的單向橋式整流電路之間，220V的交流電經(jīng)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(wěn)壓管進行穩(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(dāng)交流信號的正半周的時候，二極管VD2，VD3導(dǎo)電，VD1，VD4截止；當(dāng)信號變化為負(fù)半周的時候，VD1，VD4導(dǎo)電，VD2，VD3截止。正、負(fù)半周均有電流流過后面的負(fù)載電阻，而且無論在正半周還是負(fù)半周，流過后面的負(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(lián)電容以后，在信號的正半周，當(dāng)二極管VD2、VD3導(dǎo)電時，二極管導(dǎo)電時，除了有一個電流流向負(fù)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(fù)，如果忽略二極管的內(nèi)阻，則在二極管導(dǎo)通時，輸出電壓等于輸入電壓。當(dāng)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(dāng)信號小于電容電壓時，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間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律下降，直到下一個半周，當(dāng)信號的絕對值大于電容電壓的時候，二極管VD1，VD4導(dǎo)通。
對于電容濾波可以得到下面幾個結(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，輸出電壓中的脈動成分降低了。這是由于電容的儲能作用造成的。當(dāng)二極管導(dǎo)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(fù)載，因而輸出波形比較平滑。
③電容放電的時間常數(shù)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(dǎo)電時間縮短了。二極管的導(dǎo)電角〈180°，而且電容放電時間常數(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)電時間內(nèi)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(wěn)壓：
穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓原理：穩(wěn)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(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。
2.2 LED的驅(qū)動部分
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)動電路形式，即恒流驅(qū)動和恒電壓驅(qū)動。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)動電路
在恒電流驅(qū)動工作方式下，又有兩種驅(qū)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(lián)或并聯(lián)運行。它的優(yōu)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(qū)動具有以下特點。
①利用恒電流驅(qū)動電路來驅(qū)動LED是很理想的，缺點就是價格較高;
②恒電流驅(qū)動電路雖然不怕負(fù)載短路，但是嚴(yán)禁負(fù)載完全開路;
③恒電流驅(qū)動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，因為它有最大承受電流及電壓值的問題。
（2）恒電壓驅(qū)動電路
①在確定恒電壓電路各項參數(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)載開路但是嚴(yán)禁負(fù)載完全短路;
③整流輸出的電壓變化會影響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)用來劃分，LED的驅(qū)動IC市場有三大類，分別是消費類電子產(chǎn)品、車用照明、建筑裝飾與家用照明。消費類電子產(chǎn)品的應(yīng)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(qū)動最符合需求，并且是應(yīng)用量大，應(yīng)用面廣的產(chǎn)品。在車用照明產(chǎn)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(qū)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(zhuǎn)換成DC電源的LED驅(qū)動IC，也就是將交流電轉(zhuǎn)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(yīng)用場合的LED驅(qū)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(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(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)動電源容易受電網(wǎng)電壓波動的影響，電源工作效率低，不宜在LED發(fā)光閃動時使用，因為LED驅(qū)動電路通過電容器降壓，在LED發(fā)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(qū)動控制芯片。當(dāng)然，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo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(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降壓式開關(guān)電源
這種方式的 LED驅(qū)動電源優(yōu)點是穩(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。缺點主要是開關(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控制式開關(guān)電源
就目前而言，PWM控制方式設(shè)計的LED驅(qū)動電源比較理想，因為這種開關(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。它們與線性穩(wěn)壓器及簡單的電阻穩(wěn)流方案不同，易受電磁干擾(EMI)影響，為設(shè)計人員帶來了另外一項需要克服的挑戰(zhàn)。對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)動和非隔離驅(qū)動，前者以開關(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)動方案比較
離
式
驅(qū)
動 電泵式開關(guān)電源 輸入輸出隔離，安全穩(wěn)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(shù)量較少的大功率LED應(yīng)用 電感式開關(guān)電源 輸入輸出隔離，安全穩(wěn)定，體積小，效率高，多路輸出，控制性能好，可進行調(diào)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(yīng)用 非
隔
離
式
驅(qū)
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(qū)動，LED亮度一致，但不適合負(fù)載變化場合 功耗低，成本低廉 適合小功率或電流較小的應(yīng)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(shù)目較少，小功率LED應(yīng)用
由于LED是電流隨電壓變化顯著的器件，當(dāng)LED正向?qū)〞r，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(wěn)壓式LED驅(qū)動電源而言，當(dāng)負(fù)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(dāng)流經(jīng)LED的實際電流為其允許的最大電流的70%時，LED的發(fā)光效能為最佳。同時，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，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(chǎn)品快速老化的主要原因。顯然，保證LED的驅(qū)動電流穩(wěn)定對于LED的防老化顯得尤為重要。因此，恒流式驅(qū)動電源是比較理想的LED驅(qū)動方式。通常驅(qū)動LED均采用專用恒流源或者驅(qū)動芯片，當(dāng)受體積和成本等因素的限制時，最經(jīng)濟實用的方法就是采用電容降壓式電源。用它驅(qū)動小功率LED具有不怕負(fù)載短路、電路簡單等優(yōu)點，而且一個電路能驅(qū)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(dāng)然，采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo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(lián)的LED的個數(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?，而不是依?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(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)會侵入各種浪涌信號，有些浪涌會導(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(qū)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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)來限制電流的突變，利用PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)自動調(diào)節(jié)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(tài)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(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單有效的方法是在線路輸入端串聯(lián)一只NTC熱敏電阻，如圖2-2中的R2。由于在冷啟動時，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，對系統(tǒng)的電流限制作用會較小。由于NTC熱敏電阻在熱態(tài)下的阻抗并不是零，故會產(chǎn)生功率損耗，當(dāng)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(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(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，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(dāng)產(chǎn)生過電流的故障得到排除，PTC元件自動復(fù)原到低阻狀態(tài)。既避免了維護更換，也避免了可能引起電路損壞的持續(xù)循環(huán)的開閉狀態(tài)[16]。
（3）TVS保護
瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor)，簡稱TVS，是在穩(wěn)壓管基礎(chǔ)上發(fā)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(dāng)TVS管兩極受到反向瞬態(tài)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?yōu)楹艿偷淖杩梗崭吣芰康睦擞?，將兩極間的電壓箝位于一個預(yù)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(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擊穿點的過壓的現(xiàn)象時，可以讓電流流經(jīng)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(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(wěn)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
圖2-3聲光控制部分電路框圖
2.3.1 555定時器
圖2-4 555定時器內(nèi)部框圖
555 定時器是一種模擬和數(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為555，用CMOS工藝制作的稱為7555，除單定時器外，還有對應(yīng)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(qū)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(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。它也常作為定時器廣泛應(yīng)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(nèi)部電路框圖和外引腳排列圖分別如圖所示。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個RS觸發(fā)器，一個放電管T及功率輸出級。它提供兩個基準(zhǔn)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(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，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Signetics公司1972年研制的用于取代機械式定時器的中規(guī)模集成電路，因輸入端設(shè)計有三個5kΩ的電阻而得名。此電路后來竟風(fēng)靡世界。目前，流行的產(chǎn)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(shù)字電路結(jié)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(fā)器上。此外還有輸出級和放電管。輸出級的驅(qū)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(jù)C1和C2的另一個輸入端——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，RS觸發(fā)器被強制復(fù)位。若無需復(fù)位操作，復(fù)位端應(yīng)接高電平。
555定時器的應(yīng)用：
圖2-5 555定時器的典型應(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，用于定時延時整形及一些定時開關(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(fā)生器、元件參數(shù)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]?！ ?br />
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(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，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(dāng)陽極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流Ib2流過，經(jīng)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(jīng)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(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。 由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋作用，所以一旦可控硅導(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)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。
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
狀態(tài) 條件 說明 從關(guān)斷到導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通到關(guān)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 2.3.3 光敏控制部分
當(dāng)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(dāng)于直接接地，則相當(dāng)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(tài)，單向可控硅無觸發(fā)電流就不會導(dǎo)通，電路就不會工作。當(dāng)黑暗無光的情況下，光敏電阻呈現(xiàn)高阻值狀態(tài)，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(fā)揮作用。
2.3.4 聲控部分
當(dāng)有足夠信號的聲音傳入的時候，聲控部位將聲音信號轉(zhuǎn)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(fā)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(yōu)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(tài)工作點都是相互獨立的，不致互相影響，這樣就給分析、設(shè)計和調(diào)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(nèi)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)電容的電量放完之后，電路恢復(fù)最開始沒有信號的時候。當(dāng)聲音信號再進來的時候，重復(fù)循環(huán)以上的情況。
下載文檔
