电路LED项目报告 - 副本

附件二：《电路与电子线路基础》课外设计制作总结报告题目(A)：设计一台用LED发光二极管组成的灯组号：1二零一三年月日

报告目录实验方案原理图完成过程实验结果及分析等设计心得与体会团队分工合作情况一、实验方案（1）目标：设计一个驱动LED组的电路并制成LED灯，分别加6V直流电压和36V交流电压时，灯均亮。由于每颗LED发光二极管工作电压3.2V左右，电流20mA，需设计电路使每颗LED灯两端的电压不超过额定电压并尽可能的接近额定电压，以提高转换效率。我们采用电容器降压后再整流滤波的方法，将交流电转换为低压直流。（2）要求：a）、充分理解明白直流电压和交流电压的特性和差别；电压，电流和功率的关系以及如何估算电路的效率。b）、设计的原路电路简单合理，能量损耗最少。c）、小组合理分工合作，共同完成。（3）材料：12颗LED发光二极管，白光（工作电压3.2V左右，电流20mA）；1N4007整流二极管4个；开关两个；电容两个（6.8μf，47μf）；滑动变阻器一个（5k）；电阻（20Ω、250Ω、100k、200k）；（4）工作条件1：输入电压AC36V。（5）工作条件2：输入电压DC6V。（6）电路设计思路：①LED灯节能分析：a）Led灯的发光原理：LED灯又叫发光二极管，它是一种固态的半导体器件，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。b)Led灯与普通灯及节能灯的能耗比较：日光灯管和节能灯管都是靠着灯管的汞原子，由气体放电的过程释放出紫外光(主要波长为2537埃=2537×10^-10m)。所消耗的电能约60%可以转换为紫外光。其他的能量則转换为热能。而led灯可以直接将电转化为光能，所以更加节能。接下来进行数据分析。综上，各种光源灯具的实际效率：LED计算：80×0.95×0.85×0.9=58.14流明/瓦荧光灯计算：80×0.65×0.6×0.6=18.72流明/瓦普通灯泡计算：20×0.6×0.6=7.2流明/瓦高压钠灯计算：100×0.5×0.55×0.51=14流明/瓦可见，LED灯具实际效率是一般荧光灯的3倍，是普通白炽灯泡的8倍，是高压钠灯的4倍。即：LED灯与节能灯与白炽灯之间功率可换算为：5W=14W=40W，3W=9W=30W由此可知led非常高效节能：一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时）电路设计过程中的驱动电路的比较与分析：镇流电阻方案此方案的原理电路图见图1。这是一种极其简单，自LED面世以来至今还一直在用的经典电路。LED工作电流I按下式计算：（1）I与镇流电阻R成反比；当电源电压U上升时，R能限制I的过量增长，使I不超出LED的允许范围。此电路的优点是简单，成本低；缺点是电流稳定度不高；电阻发热消耗功率，导致用电效率低，仅适用于小功率LED范围。一般资料提供的镇流电阻R的计算公式是：(2)按此公式计算出的R值仅满足了一个条件：工作电流I。而对驱动电路另两个重要的性能指标：电流稳定度和用电效率，则全然没有顾及。因此用它设计出的电路，性能没有保证。本组成员摸索出一种新的设计计算方法，取名叫“电压系数法”。它是从电流稳定度和用电效率的要求出发，再计算出镇流电阻R和电源电压U的值。这样设计出来的电路，就能满足三个条件：电流稳定度；用电效率η和工作电流I。电压系数法的内容如下：（公式中用到的符号见图1）首先建立电压系数定义：（3）（电源电压与LED工作电压之比）;根据原始公式（1），经数学推导（过程省略）可得下列计算公式：电流稳定度:(％)（4）（假定）；用电效率η=(％)（5）;镇流电阻R=(Ω)（6）；电源电压U=（V）（7）为简化计算，电流稳定度与用电效率两项的计算结果据选定的K值，可快速查出对应的和η值。设计选取K值时，应兼顾这两者的不同要求，取一个折中值。据资料查阅用稳压电源供电，K值取1.3～1.4;而电源电压波动较大的条件下，K值取1.5～1.6。在实际应用中，单只小功率LED仅能做信号灯。要想做成LED灯具，有时要用到几十甚至数百只超高亮度小功率LED，才能达到使用的要求。为便于供电，通常将许多LED串联后，再串一只镇流电阻组成一条支路，最后将若干条支路并联起来构成整个灯具电路（见图2右），这种接法简称为“串并”接法。此接法有一个明显的缺点是支路中的任一只LED断路时，该支路所有LED都不亮，故障影响面大。一种经改进的“串并串”接法对这问题解决得较好（见图2左）。所谓“串并串”是先用少量LED串联再串镇流电阻组成一条支路，再将若干条支路并联组成“支路组”，最后将若干“支路组”再串联构成整个灯具电路。此种接法不仅缩小了断一只LED的故障影响面，而且将镇流电阻化整为零，将几只大功率电阻变成几十只小功率电阻，由集中安装变成分散安装，这样既利于电阻散热，又可以将灯具设计得更紧凑。根据经验：支路串联LED数不宜多，一般取3—6只；支路并联数不宜少，至少应大于5条。这样当1条支路断路时，其余4条支路电流都将增加25％，因此在选定LED正常工作电流时要留出过载余量。镇流电容方案此方案的原理电路见图3。电路的工作是基于在交流电路中，电容存在容抗XC也有镇流作用的原理。另外电容消耗无功功率，不发热；而电阻则消耗有功功率，会转化为热能耗散掉，所以镇流电容比镇流电阻，能节省一部分电能，并能设计成将LED灯直接接到～36V上，使用更为方便。此方案的优点是简单，成本低，供电方便；缺点是电流稳定度不高，效率也不高。仅适用于小功率LED范围。当LED的数量较多，串联后LED支路电压较高的场合更为适用。电路设计计算：直流输出电压和支路镇流电阻R:可按“电压系数法”的公式（7）和公式（6）计算。直流输出电流:(N—支路数；0.8—安全系数)（8）镇流电容容抗：(Ω)（9）（近似估算）电容：C=(μF)（10）（近似估算）因电路输入侧是交流，输出侧经整流滤波成直流，很难计算。公式（10）计算出的C值精度很低，只能作为参考值，准确值只有通过试验来确定。电容C1起滤波作用，这点非常重要。如果取消它，用示波器从R两端观察到LED将会承受很高的尖峰电流，威胁LED的使用安全。有了它可降低电流的峰值，提高平均值。C1的值也是通过实验来确定：使峰值系数=.（峰值与平均值之比）控制在1.2～1.3比较合适。电阻R1是为限制合闸冲击电流而设置的，其值不宜大。电阻R2、R3是电容C、C1的放电电阻。保证断电后，电容C、C1存储的电荷能迅速泄放掉，避免触及遭电击。全波整流的原理：a)桥式整流电路的原理：当交流顺时方向如左图是上正下负时，D1、D3加的是正向电压而导通，D2、D4加的是反向电压而截止。负载电流方向是从上向下。当交流瞬时方向如右图是上负下正时，D1、D3反向电压而截止，D2、D4加的是正向电压而导通。负载电流方向是从上向下。这样，在二极管的作用下无论交流的哪个半波的电流流过负载，方向都是从上向下，就是说负载的电流的方向是不变的，是直流电不是交流电，电路完成整流作用。降压电容、滤波电容与整流部分的协作：36V交流电经C1降压电容降压后经全桥整流再通过C2滤波后给混联的12颗LED提供恒流电源.LED的额定电流为20mA,但是我们在制作节能灯的时候要考虑很多方面的因素对LED的影响,包括光衰和发热的问题,我们在做这种灯的时候因为LED的安装密度比较高,热量不容易散出,LED的温度对光衰和寿命影响很大,如果散热不好很容易产生光衰,因为LED的特性是温度升高电流就会增大,所以一般在做大功率照明时散热的问题是最重要的,将影响到LED的稳定性,小功率一般都采取自散热方式,所以在电路设计时电流不宜过大.R2是电容C1的卸放电阻,R1是限流电阻防止电压升高和温度升高LED的电流增大,C2是滤波电容,C2是用来防止开灯时的冲击电流对LED的损害,开灯的瞬间因为C1的存在会有一个很大的充电电流,该电流流过LED将会对LED产生损伤,有了C2的介入,开灯的充电电流完全被C2吸收起到了开灯防冲击保护.降压电容原理：其基本原理就是利电容的交流阻抗，在电路中起到限流的作用。理想电容的阻抗为存虚的阻抗，因此并不消耗功率。在输入电源电压和频率确定的情况下，电容越大，允许的电流越大。为什么选用全波整流：1.全波整流与桥式整流输出的波形和效率是一样的，全波整流比桥式整流有使用整流器（二极管）少的优点，但全波整流对变压器要求高，要求是对称的双绕组，而桥式整流无此要求，使用应用比较方便。2.全波整流与半波整流相比没有波的损失，相对来说更加节能。降压电阻的原理分析：工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，在接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。滤波电容的原理分析：整流电路输出的直流电压脉动较大，一般不能满足实际需要，必须用滤波电路滤除交流分量，得到平滑的直流电压。其工作原理是利用电容两端的电压在电路状态改变时不能跃变的特性。经滤波电容作用之后可以得到以下波形：综合以上分析可得到我们小组认为的本次项目的最优方案。见下面原理图。原理图完成过程查阅资料及搜集资料选好这个项目之后，我们组进行了第一次小组会议，会议上大家对这个项目都很茫然，有种无从下手的感觉，经过一番讨论后小组最终决定分工完成本项目相关原件及led灯相关知识的资料收集与研究。电路方案的设计与分析经过小组一周的材料搜集与研究，小组成员们都对本项目有了一定的认识，接下来就要开始本项目的关键环节——电路设计部分。经过了小组成员一周的昼夜狂补，每个人的进步都在第二次会议中得到淋漓尽致的展现，组员们积极地表述他们对于本项目项目要求的理解和对电路设计方面的想法。经过了4个小时的激烈讨论，小组最终基本确定了交流电路部分要包括限流，降压，整流，滤波几个部分，之后又进行了接下来工作的分工过程。在3,4周我们整个小组都在进行着忙碌的电路设计，期间曾向资深学长询问，组队泡图书馆，夜宿自习室，而且有进行了4次会议。在小组的电路设计过程中，总共设计了十多种电路图，最终均因不符合项目要求中的简单合理耗能最少而被遗弃，我们确立的最终电路图如上原理图。器材规格的计算确定好电路图之后，我们小组又开始进行着器材规格的计算，秉承着耗能最少及电路安全可靠和最少电路成本的原则，我们得出了最终器材的规格，如上原理图中的数据。电路的仿真：在设计好电路图之后，我们小组又开始进行电路的仿真工作，期间经过了Multisim软件的学习过程，电路的仿真测试过程。时间已经到了第六周，我们小组的项目仍在紧张而有序的进行着。在第六周周末我们又进行了一次小组讨论，确定了第七周的电路焊接方面的任务分配问题。电路的焊接随着焊接的进行项目开始又动脑过程向着动手过程进行着转变，因为大家都对焊接没有亲身体验过，所以我们在第七周的前几天主要是向学长咨询了焊接方面已注意的问题和组员们亲自进行焊接的体验，等到第七周的周四，小组成员基本都能比较熟练的进行焊接。我们的电路焊接真正的开始了。因为之前做了非常充分的准备，所以在接下来的焊接过程非常顺利，虽然有过部分灯泡不亮等小问题，但都在我们强大的小组合作下轻松解决。本次焊接电路还特地的布置了一下各原件的整体布局，并且焊接点十分的美观大方电路的调试进过了七周的奋战，我们小组的电路板终于在登上了亮丽的荧屏。但是小组成员们都清楚接下来的电路调试起着不容忽视的总用，前面工作的异常顺利也许已经向我们预示了接下来必然会有一场暴风雨吧，果然，在前一分钟还正常发光的led灯在这一刻由于组员对测量仪器的陌生已经悄然熄灭。在困难面前一个小组的举动才最能体现他们的小组品质，我们没有灰心而是对各个原件进行测试，最终清楚是由于测电压时没有将万用表的红线由电流接孔换到电压接孔。换完灯泡后，我们很顺利的完成了调试。项目总结：当之前的工作全部完成之后，我们小组再一次进行了会议，讨论中，我们总结了项目过程中的得与失，进行了接下来项目报告书写的分工，及答辩的准备。实验结果及分析等A）交流电压工作环境：经过电路的实际测量，发现我们的实际结果与软件仿真出来的结果有一定的差距，但都在可控范围内。（下面所用的数据都是将led灯的亮度调到与直流电工作环境下亮度相同时测出来的结果）在此设小灯泡并联干路总电流为i=26mA，总电压为u=5.5v，电路输入的总电压为U36v,总电流为I=30mA，能耗为w，效率为n。将w=UI-ui，n=ui/UI,带入测量数据：w=40*0.030-5.5*0.026=1.06j，n=5.5*26/36*30=13.2%B）直流电压工作环境：在此设小灯泡并联干路总电流为i=18mA，总电压为u=5.4v，电路输入的总电压为U6v,总电流为I=18mA，能耗为w，效率为n。将w=UI-ui，n=ui/UI,带入测量数据：w=6*0.018-5.4*0.018=0.0108j，n=5.4*18/6*18=90%C）led灯的寿命估算，及与白炽灯，节能灯相比的亮度比较：日光灯管和节能灯管都是靠着灯管的汞原子，由气体放电的过程释放出紫外光(主要波长为2537埃=2537×10^-10m)。所消耗的电能约60%可以转换为紫外光。其他的能量則转换为热能。而led灯可以直接将电转化为光能，所以更加节能。接下来进行数据分析。综上，各种光源灯具的实际效率：LED计算：80×0.95×0.85×0.9=58.14流明/瓦荧光灯计算：80×0.65×0.6×0.6=18.72流明/瓦普通灯泡计算：20×0.6×0.6=7.2流明/瓦高压钠灯计算：100×0.5×0.55×0.51=14流明/瓦可见，LED灯具实际效率是一般荧光灯的3倍，是普通白炽灯泡的8倍，是高压钠灯的4倍。即：LED灯与节能灯与白炽灯之间功率可换算为：5W=14W=40W，3W=9W=30W由此可知led非常高效节能：一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时）设计心得与体会在完成组队确认我们小组5个人的名单后，我们是欣喜的但也是迷茫的。我们一直都很期待做电路实验课外设计，因为它需要创新思维的灵活运用，也还需要动手实践，这是一份难得的体验。可是由于我们目前掌握的知识很少，对完成这样的项目有很大难度，我们感觉有点无从下手。还没拿到实验材料，我们组就各自开始搜集资料了。对于许多我们将要用到的元件都无法从课本中直接寻找答案，我们在网上查询，泡图书馆以及向学长学姐请教，了解了元件基本功能及用法后，就开始设计电路图了。这部分我们投入了很多零碎的时间，现在感觉到那段时间好充实，就像鲁迅说的，时间是海绵里的水，只要愿意挤，总还是有的，我们挤出时间去搜集理解，我们把这些零碎时间积分后发现我们有了一大把平时被忽略的时间，也再次学会利用时间了。我们开始理解了世界上最快而又最慢，最长而又最短，最平凡而又最珍贵，最容易被忽视而又最令人后悔的就是时间。我们在多次的小组讨论后终于设计出了第一张电路图，为了确保电路图的正确性，我们组成员又借书自学Multisim软件，然后在软件上进行模拟