电子产品创作设计课程项目设计论文
省电的LED调光台灯的设计
院系: 电子工程学院
班级: 021231班
作者：
西安电子科技大学
关于LED调光台灯的研究
摘要：
随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是19%,我国也达到12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。LED 作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源基于白光LED 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点，代表着照明技术的未来，并符合当前政府提出的\"建设资源节约型和环境友好型社会\"的要求。可以预见不久的将来，LED 必然会进入普通照明领域取代现有的照明光源。
目前，市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的台灯普遍存在着低效率、高能耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害；而且部分台灯产品功能单一，缺少亮度调节、时钟日历、温度显示等功能，无法适应现代家庭生活的实际需求。
关键词：全球能源危机 绿色节能 LED
目
录
第一章 引言......................................................................................................................................3
1.1 LED照明台灯的发展潜力......................................................................................................3 1.2.LED照明台灯的不同构造....................................................................................................4 1.3.LED照明台灯的前景............................................................................................................4
第二章LED调光台灯中设计的理论基础........................................................................................5 2.1 电路原理…………………........……………………………………………………………5 2.2 三极管工作原理……….....…………………………………………………………………6 2.3 双向可控硅的工作原理.........................................................................................................7
第三章 硅控调光器的缺点……………………………………….…………………………8
第四章 调试 ....................................................................................................................................8
第五章 学习体会..............................................................................................................................9
第六章 总结......................................................................................................................................9
参考文献……………………………………………………………………………………….11
第一章 引言
台灯一般用在阅读、书写、设计、批阅等办公或学习照明使用场所。对于做桌面工作的人来说，保证工作区的良好的视觉环境，对提高学习和办公的质量，提高工作效率，保护身体健康有很大的好处。目前，传统台灯的光源主要有白炽灯和荧光灯管两种：
白炽台灯一般用40w～60w，可以保证工作面上有足够的照度，而荧光台灯多用不透明而且能反光的金属罩，表面喷漆，放射光线能增加工作的照度，金属罩应有一定的遮光角度，这样既使工作面上的照度比较均匀，又能使灯管发出的光线不致直接刺激眼睛。但是，白炽灯的缺点是发热量大、耗电、发光效率较低、使用寿命短。
而荧光灯管的缺点是显色性较差（光谱是断续的）特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，需要在设计上采取措施消除频闪效应，另外灯管内存在着有毒的汞蒸汽，不环保。
1.1 LED照明台灯的发展潜力
以半导体发光二极管（LED）为光源的台灯，其光源具有低压直流驱动、无频闪、极低功耗、光线集中、环保、使用寿命长、易于控制等诸多优点。具体的说LED环保节能台灯的优点主要有：
(1).LED是绿色照明理想的光源
与传统的照明工具相比，LED照明工具，特别是GaN基白光LED照明，在功耗及寿命方面均有不可比拟的优越性。传统白炽灯采用热发光技术，浪费了９０％的能源，而发光二极管的效能转换率却非常高。由于半导体照明具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯也是大势所趋；半导体LED越来越被认同是绿色照明的理想光源。
(2).LED环保节能台灯吸引点众多
市场对于台灯的要求可以从两个方面划分：一是追求个性化，由于书桌在居住环境中的地位越来越重要，因此，书桌上的重要摆放也成为主人个性及爱好的体现；二是多功能性及
3 保健性，无频闪。LED环保节能台灯将充分体现上述两大卖点。
(3).符合节能省电的理念
我们知道电力供应紧张势必造成电价的提高及节能电器产品的热销。LED环保节能台灯最重要的一个特点，促成热销的一项便是其低耗省电性能。 2.2LED照明台灯的不同构造
LED环保节能台灯作为局部照明如读书写字之用，要求的照度和照度均匀度比较高，需要把许多发光二极管串联或者串、并联结合使用，这就涉及到光源的分布问题。根据LED的发光强度、发光角度以及体积小等的特性，可以把多颗LED按照一定数组整合在一块适当的电路板上，再安装在相应的造型结构里，从表面上看整个平面就形成一个发光面，故把这样的一个装有LED的平板式的结构称之为LED发光板。
LED属于低压直流器件，其正向导通电压的典型值3.0V～4.0V，驱动电流为20mA。LED作为一种电流型器件，根据LED伏安特性可知道。为了使LED正常在稳定、可靠的工作状态，则必须为LED提供恒定电流。
LED台灯光源的方向性与传统灯泡及荧光灯管的大面积照射不同。照度和照射范围跟采用的LED的参数、数量和排布有关。
LED环保节能台灯功率一般在3W以内，如一个采用了20颗LED的台灯，其所耗的功率也仅仅为1.6W左右，远远比白炽台灯和荧光台灯要低。 当然，单只大功率LED器件的功率一般在0.9W～2W之间，也可以用在台灯上。
LED台灯与传统台灯结构构造区别最大的是光的重新分布部件。传统照明光源为白炽灯或荧光灯等，其发光特点是光辐射几乎占据整个空间，因此需要用反射器将其它方向上的光收集起来，投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器形成近似于平行的光束。而LED台灯，往往根据LED发光强度不同，在其中分布几个至几十颗LED。由于LED发出的光线集中于一个较小的立体角范围，在某些场所已经可以满足局部照明的需要，但如果需要更大的照射范围，那就要使这些LED产生的光在通过一系统透镜，而产生我们所要求的光分布。 1.3 LED照明台灯的前景
目前大功率LED台灯正处在市场开拓阶段，价格偏高，且客户对其了解甚少。但其市场潜力巨大。考虑到它的诸多优点，如护眼、省电、环保和长寿命，它的生命力极强。可以预计，在不久的将来，随着大功率LED台灯成本的不断下降，它的市场会有爆炸性的发展。
4 第二章LED调光台灯中设计的理论基础
硅控调光器 -- 电子式调光器、遥控调光器装置成本高,又无统一标准,所以古老的硅控调光器采用量稍多。虽然硅控调光具有许多缺点,但是因为不用改变接线,装置成本较低,各厂牌硅控调光器的性能和规格差别不大,是许多LED照明厂目前选择的调光方案。
电路原理图
2.1电路原理
电源取自变压器T，加上桥式整流D1-D4，将市电220V变成直流14V工作电源。运放A1与稳压器IC1组成基准电压，供运放A2以及外围电阻R3—R6登组成触发器电路的同相输入基准电压。二反相输入经电阻R9取样，于同相输入作比较，使其输出端脉冲宽度由基准电位器RP调节，并经过驱动三极管BG1和功率三极管BF2放大后点亮LED1-LED15发光二极管组件，控制电位器RP即可控制电流大小，弯沉实际上的调光功能。这里，续流二极管D5与储能电感使输出电流平稳。
元器件要求T为电源变压器，市售规格8W/9V可以代用。发光二极管组件LED1-LED6
5 和LED10-LED15为ψ5mm草帽形自然光色，元器件要求T为电源变压器，市售规格8W/9V可以代用。发光二极管组件LED1-LED6和LED10-LED15为
两边各12枚，少画6枚，总共24枚；LED7-LED8为1W大功率也是自然光色，以带散热片。但是组装时三枚合一，另加装合适条形铝材已增加散热效果。运放A1和A2为双运放LM358，如有LM324则完全通用，只是多了两个运放。IC1稳压器为TL31，稳压值为2.5V，其余电阻、电容为常规配置。
电感L1选取外径为 ψ15mm高频磁环用 ψ0.25mm漆包线穿绕40T即可。限流电阻R9功率为1W，阻值选取2.2Ω-3.0Ω。 2.2三极管工作原理
三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管,晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号, 也用作无触点开关。
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电
6 流了。
由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic 这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：β1=Ic/Ib 式中：β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：
β= △Ic/△Ib 式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
2.3 双向可控硅的工作原理
（a）符合 （b）构造
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，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到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所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极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
7 断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化。
硅控调光器主要构成元件包括： (1)硅控管--用来截取交流电压部分导通角度,以改变灯具的输入功率 (2) RtCt timer--Rt为可调电阻,用来改变硅控管导通角度 (3) Diac--一种击发硅控管的元件。注意：硅控管在击发之后就维持导通状态,直到流通的电流降到 hold-up current (维劳电流) 准位以下。硅控调光器原来是为纯电阻性负载的白炽灯专用的,通常是无法匹配萤光灯与省电灯泡 (CFL) 。
第三章 硅控调光器的缺点
硅控调光器会成为未来LED照明的主流调光方式吗?答案是相当不乐观的。硅控调光器的主要缺点包括：
(1) 功率因数会变差,导通角愈短,功因就愈差。调到1/4亮时,功因将低于0.25。
(2) 效率会变差,因为在调暗时,负载不足,会造成硅控管提早关闭,导致 RC timer与导通角错乱。更造成萤光灯或LED 灯操作无法稳定,而闪烁不定的问题。欲解决闪烁问题,通常要加装交流电阻 (bleeder or dummy load)。如此一来,用bleeder来消耗功率以维持硅控管的正常操作,就违背了原先调光节能的立意。
(3) 匹配问题,要开发一种与市面上数十厂牌硅控调光器,都保证相容的可调光LED灯具,是相当困难的。硅控调光器的匹配问题,请参阅NXP Application Note AN10754。
(4) 高装置成本,雇请一个电气工人来装置硅控调光器至少需要 $30至 $50。
(5) 有限的既有市场,目前大部分办公室及商店照明都以萤光灯为主;而几乎所有的萤光灯都不能匹配硅控调光器。不管是在欧美,日本,或新兴国家,硅控调光器事实上都不普及。据统计,全美国包括家庭、商店、工厂与办公室,全部加起来约有七十亿灯管和灯泡。平均每个人备有28颗灯泡。但是装有调光器者,不到 1%。
照明大厂对硅控调光器前景不看好的几个实例就是上述Philips、Sharp推出的遥控调光器。但是不管硅控调光器或是遥控调光器,整个照明产业,显然没有共识。或者是说,当消费者不能接受昂贵的调光方案,而品牌厂商只有兴趣生产高利润的遥控调光器时,调光节能环保的美意就无疾而终了。
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第四章 调试
开启电源之后，在电容C1两端可测得直流12.6V电压，满负荷时为9.5V。发光二极管组件总电流由R9决定，选取适当值，保证流过LED7-LED9工作电流不少于350mA，两边φ5mm草帽形的每路工作电流不大于20mA，可在LED1-LED6和LED10-LED15各串联一个20Ω的小电阻，以保持工作电流正常。市电输入端应安装电源开关，规格自选。
第五章 学习体会
通过这次我们几位组员共同完成的电子产品设计制作实验，我们学到了很多。在团队协作与各组员分工中得到的高效工作令我们充满了成就感。而在实际操作本次制作过程中，我们学到了许多从书本上即使看到难以真正消化的知识。从确定课题，查找资料，到设计电路，购买电子元件，实际完成制作这一系列的过程，我们的收获寥寥数字不足以表达。
在此次实践中，我们意识到，其实只要花上几元钱，买几个电子元件，就可以通过自己的努力在几个小时内创造出自己的电子作品，通过一个小小电子产品的制作，不仅证明了我们学习和动手的能力，更重要的是令我们感到收获很大，乐趣无穷。曾经我们担心过电的知识是否太奥秘，制作过程是否太复杂。的确不错，电的技术发展得很快。新型的家用电器琳琅满目，电脑、彩电和不少现代电器在生活、学习、工作中不可缺少。但实际上都是由一个个小小的电子元器件和小电路组成的。只有从基本的电的知识学起，学习用基本电子电路制作一些小的电子作品，才能逐步学习更多的知识，掌握更高级的技术，做更大更复杂更有意义的电子作品。就比如此次我们的设计制作。
在实验的最开始，小组成员无一不是由于缺乏经验而显得茫然无措。然而经过不久的思索和沉淀我们意识到，首先应当根据我们目前的条件(主要是所能找到的元器件)以及自己的能力来决定要制作的电子电路。先易后难，循序渐进。就这样，貌似完全陌生的内容在我们由此开始一步步的努力、探索和反复试验下逐渐看到了雏形。世上无难事，只怕有心人，不是吗？
第六章 总结
创新意识：是创新能力的重要心理因素，只有在强烈的意识与意愿的指导下，个人才能有强烈的创新动机。
创新思维方式：创新需要的是新的突破，因此其思维方式也就有一定的特点，需要相异
9 性、差异性思维非常优秀，同样一个问题，不同的人会有不一样思维。要创新就要不受现成的常规的思路的约束，寻求对问题的全新的独特性的解答和方式的思维过程，要全新的、独特的解决问题的思维方式。
知识基础：要创新就要有丰富的知识作为基础，要在某一方面有怕创新，必须对此知识系统有一定的了解和掌握。只有充分理解该方面已经取得的知识和问题，才能在此基础之上进行更进一步的突破。另外，获取知识和运用知识，科研能力等都是进行创新的必备条件。
科学创新态度：创新是创造的过程，需要有勇于怀疑和批判的精神，当面对创新过程中的挫折与失败时，要有勇于突破的精神和坚韧的态度，具备较强的独立性，远大的理想和无畏的胆识，以及浓厚的创新兴趣。根据本课程开设的目的，在本课程设计中主要由老师对项目设计的创新思维方式作的引导，同时介绍切合实际的创新方法，便于大家理解和便于实施，更好地实现创新知识的积累。
“T型”人才：不但要具备一定深度的学科知识，更要具备一定宽度的创新精神和经营理念，这样才能团结其他学科的人才，更高效地工作，将想法付诸实践。无论在工作中充当什么角色，我们都会遇到一些问题，可能是我们日常生活中的小问题，也可能是困扰世界、需要更多人关注和投入的大问题，而具备创造性思想是解决问题的关键。事实上，创新力对学生的领导才能、团队运作能力、谈判能力、革新精神、决策能力等生存技能的培养，都起着决定性作用。
我们思考的方式，随着年龄的增加、知识的获得、经验的丰富，通常会成为自己是自己的守卫，自己又是自己的囚犯。因此容易丧失从自我编织的囚笼中逃跑的能力，更为甚者，他们并不觉得自己深陷囫囵。
1.机遇无处不在。
只要注意观察，在任何时间、任何地点，都能发现很多亟待解决的问题。 2.无论问题大小，通常都能利用现有资源，找到解决的办法。
一个具有创造精神的人，一定能够发现问题，并将问题转化为机遇的人。他们会用一些创新的方法，利用有限的资源来实现他们的目标。然而大部分人遇到问题时，第一个想到的就是这个问题似乎无法解决，因此忽视了那些有创造性的方法，即使这方法摆在眼前，也都被他们错过了。
3.不要把问题禁锢在狭隘的框架中。
例如，当遇到在两个小时内赚到钱这样一个简单的问题时，大部分人马上就会想到那些
10 老套的“标准”答案。他们不会重新审视问题，也不能从更广阔的视角来观察问题。其实揭开这层蒙眼布，世界就会变得很不同，到处充满机遇。
如前所述,我们现在处于3G、4G世代的电子业对一个简单的调光功能却束手无策,实在很讽刺。事实上,无法提供调光功能,是照明业者长久以来的一个窘境。LED照明业者,必须果断地突破这个僵局。更佳者,若能开创出一种接近零成本,不需要改变接线,不需要遥控调光器,又能维持高效率与高功因,又能立即被普遍采用的调光方式,就能让LED照明更可以和省电灯泡竞争。调光功能的突破,对整个LED照明产业,是一个非常重要的关键。
参考文献：
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