電路LED項目報告 - 副本

附件二：《電路與電子線路基礎》課外設計制作總結報告題目(A)：設計一臺用LED發(fā)光二極管組成的燈組號：1二零一三年月日

報告目錄實驗方案原理圖完成過程實驗結果及分析等設計心得與體會團隊分工合作情況一、實驗方案（1）目標：設計一個驅(qū)動LED組的電路并制成LED燈，分別加6V直流電壓和36V交流電壓時，燈均亮。由于每顆LED發(fā)光二極管工作電壓3.2V左右，電流20mA，需設計電路使每顆LED燈兩端的電壓不超過額定電壓并盡可能的接近額定電壓，以提高轉(zhuǎn)換效率。我們采用電容器降壓后再整流濾波的方法，將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流。（2）要求：a）、充分理解明白直流電壓和交流電壓的特性和差別；電壓，電流和功率的關系以及如何估算電路的效率。b）、設計的原路電路簡單合理，能量損耗最少。c）、小組合理分工合作，共同完成。（3）材料：12顆LED發(fā)光二極管，白光（工作電壓3.2V左右，電流20mA）；1N4007整流二極管4個；開關兩個；電容兩個（6.8μf，47μf）；滑動變阻器一個（5k）；電阻（20Ω、250Ω、100k、200k）；（4）工作條件1：輸入電壓AC36V。（5）工作條件2：輸入電壓DC6V。（6）電路設計思路：①LED燈節(jié)能分析：a）Led燈的發(fā)光原理：LED燈又叫發(fā)光二極管，它是一種固態(tài)的半導體器件，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由三部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子，中間通常是1至5個周期的量子阱。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。b)Led燈與普通燈及節(jié)能燈的能耗比較：日光燈管和節(jié)能燈管都是靠著燈管的汞原子，由氣體放電的過程釋放出紫外光(主要波長為2537埃=2537×10^-10m)。所消耗的電能約60%可以轉(zhuǎn)換為紫外光。其他的能量則轉(zhuǎn)換為熱能。而led燈可以直接將電轉(zhuǎn)化為光能，所以更加節(jié)能。接下來進行數(shù)據(jù)分析。綜上，各種光源燈具的實際效率：LED計算：80×0.95×0.85×0.9=58.14流明/瓦熒光燈計算：80×0.65×0.6×0.6=18.72流明/瓦普通燈泡計算：20×0.6×0.6=7.2流明/瓦高壓鈉燈計算：100×0.5×0.55×0.51=14流明/瓦可見，LED燈具實際效率是一般熒光燈的3倍，是普通白熾燈泡的8倍，是高壓鈉燈的4倍。即：LED燈與節(jié)能燈與白熾燈之間功率可換算為：5W=14W=40W，3W=9W=30W由此可知led非常高效節(jié)能：一千小時僅耗幾度電（普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時）電路設計過程中的驅(qū)動電路的比較與分析：鎮(zhèn)流電阻方案此方案的原理電路圖見圖1。這是一種極其簡單，自LED面世以來至今還一直在用的經(jīng)典電路。LED工作電流I按下式計算：（1）I與鎮(zhèn)流電阻R成反比；當電源電壓U上升時，R能限制I的過量增長，使I不超出LED的允許范圍。此電路的優(yōu)點是簡單，成本低；缺點是電流穩(wěn)定度不高；電阻發(fā)熱消耗功率，導致用電效率低，僅適用于小功率LED范圍。一般資料提供的鎮(zhèn)流電阻R的計算公式是：(2)按此公式計算出的R值僅滿足了一個條件：工作電流I。而對驅(qū)動電路另兩個重要的性能指標：電流穩(wěn)定度和用電效率，則全然沒有顧及。因此用它設計出的電路，性能沒有保證。本組成員摸索出一種新的設計計算方法，取名叫“電壓系數(shù)法”。它是從電流穩(wěn)定度和用電效率的要求出發(fā)，再計算出鎮(zhèn)流電阻R和電源電壓U的值。這樣設計出來的電路，就能滿足三個條件：電流穩(wěn)定度；用電效率η和工作電流I。電壓系數(shù)法的內(nèi)容如下：（公式中用到的符號見圖1）首先建立電壓系數(shù)定義：（3）（電源電壓與LED工作電壓之比）;根據(jù)原始公式（1），經(jīng)數(shù)學推導（過程省略）可得下列計算公式：電流穩(wěn)定度:(％)（4）（假定）；用電效率η=(％)（5）;鎮(zhèn)流電阻R=(Ω)（6）；電源電壓U=（V）（7）為簡化計算，電流穩(wěn)定度與用電效率兩項的計算結果據(jù)選定的K值，可快速查出對應的和η值。設計選取K值時，應兼顧這兩者的不同要求，取一個折中值。據(jù)資料查閱用穩(wěn)壓電源供電，K值取1.3～1.4;而電源電壓波動較大的條件下，K值取1.5～1.6。在實際應用中，單只小功率LED僅能做信號燈。要想做成LED燈具，有時要用到幾十甚至數(shù)百只超高亮度小功率LED，才能達到使用的要求。為便于供電，通常將許多LED串聯(lián)后，再串一只鎮(zhèn)流電阻組成一條支路，最后將若干條支路并聯(lián)起來構成整個燈具電路（見圖2右），這種接法簡稱為“串并”接法。此接法有一個明顯的缺點是支路中的任一只LED斷路時，該支路所有LED都不亮，故障影響面大。一種經(jīng)改進的“串并串”接法對這問題解決得較好（見圖2左）。所謂“串并串”是先用少量LED串聯(lián)再串鎮(zhèn)流電阻組成一條支路，再將若干條支路并聯(lián)組成“支路組”，最后將若干“支路組”再串聯(lián)構成整個燈具電路。此種接法不僅縮小了斷一只LED的故障影響面，而且將鎮(zhèn)流電阻化整為零，將幾只大功率電阻變成幾十只小功率電阻，由集中安裝變成分散安裝，這樣既利于電阻散熱，又可以將燈具設計得更緊湊。根據(jù)經(jīng)驗：支路串聯(lián)LED數(shù)不宜多，一般取3—6只；支路并聯(lián)數(shù)不宜少，至少應大于5條。這樣當1條支路斷路時，其余4條支路電流都將增加25％，因此在選定LED正常工作電流時要留出過載余量。鎮(zhèn)流電容方案此方案的原理電路見圖3。電路的工作是基于在交流電路中，電容存在容抗XC也有鎮(zhèn)流作用的原理。另外電容消耗無功功率，不發(fā)熱；而電阻則消耗有功功率，會轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，所以鎮(zhèn)流電容比鎮(zhèn)流電阻，能節(jié)省一部分電能，并能設計成將LED燈直接接到～36V上，使用更為方便。此方案的優(yōu)點是簡單，成本低，供電方便；缺點是電流穩(wěn)定度不高，效率也不高。僅適用于小功率LED范圍。當LED的數(shù)量較多，串聯(lián)后LED支路電壓較高的場合更為適用。電路設計計算：直流輸出電壓和支路鎮(zhèn)流電阻R:可按“電壓系數(shù)法”的公式（7）和公式（6）計算。直流輸出電流:(N—支路數(shù)；0.8—安全系數(shù))（8）鎮(zhèn)流電容容抗：(Ω)（9）（近似估算）電容：C=(μF)（10）（近似估算）因電路輸入側(cè)是交流，輸出側(cè)經(jīng)整流濾波成直流，很難計算。公式（10）計算出的C值精度很低，只能作為參考值，準確值只有通過試驗來確定。電容C1起濾波作用，這點非常重要。如果取消它，用示波器從R兩端觀察到LED將會承受很高的尖峰電流，威脅LED的使用安全。有了它可降低電流的峰值，提高平均值。C1的值也是通過實驗來確定：使峰值系數(shù)=.（峰值與平均值之比）控制在1.2～1.3比較合適。電阻R1是為限制合閘沖擊電流而設置的，其值不宜大。電阻R2、R3是電容C、C1的放電電阻。保證斷電后，電容C、C1存儲的電荷能迅速泄放掉，避免觸及遭電擊。全波整流的原理：a)橋式整流電路的原理：當交流順時方向如左圖是上正下負時，D1、D3加的是正向電壓而導通，D2、D4加的是反向電壓而截止。負載電流方向是從上向下。當交流瞬時方向如右圖是上負下正時，D1、D3反向電壓而截止，D2、D4加的是正向電壓而導通。負載電流方向是從上向下。這樣，在二極管的作用下無論交流的哪個半波的電流流過負載，方向都是從上向下，就是說負載的電流的方向是不變的，是直流電不是交流電，電路完成整流作用。降壓電容、濾波電容與整流部分的協(xié)作：36V交流電經(jīng)C1降壓電容降壓后經(jīng)全橋整流再通過C2濾波后給混聯(lián)的12顆LED提供恒流電源.LED的額定電流為20mA,但是我們在制作節(jié)能燈的時候要考慮很多方面的因素對LED的影響,包括光衰和發(fā)熱的問題,我們在做這種燈的時候因為LED的安裝密度比較高,熱量不容易散出,LED的溫度對光衰和壽命影響很大,如果散熱不好很容易產(chǎn)生光衰,因為LED的特性是溫度升高電流就會增大,所以一般在做大功率照明時散熱的問題是最重要的,將影響到LED的穩(wěn)定性,小功率一般都采取自散熱方式,所以在電路設計時電流不宜過大.R2是電容C1的卸放電阻,R1是限流電阻防止電壓升高和溫度升高LED的電流增大,C2是濾波電容,C2是用來防止開燈時的沖擊電流對LED的損害,開燈的瞬間因為C1的存在會有一個很大的充電電流,該電流流過LED將會對LED產(chǎn)生損傷,有了C2的介入,開燈的充電電流完全被C2吸收起到了開燈防沖擊保護.降壓電容原理：其基本原理就是利電容的交流阻抗，在電路中起到限流的作用。理想電容的阻抗為存虛的阻抗，因此并不消耗功率。在輸入電源電壓和頻率確定的情況下，電容越大，允許的電流越大。為什么選用全波整流：1.全波整流與橋式整流輸出的波形和效率是一樣的，全波整流比橋式整流有使用整流器（二極管）少的優(yōu)點，但全波整流對變壓器要求高，要求是對稱的雙繞組，而橋式整流無此要求，使用應用比較方便。2.全波整流與半波整流相比沒有波的損失，相對來說更加節(jié)能。降壓電阻的原理分析：工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。例如，在50Hz的工頻條件下，一個1uF的電容所產(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當220V的交流電壓加在電容器的兩端，則流過電容的最大電流約為70mA。雖然流過電容的電流有70mA，但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，應為如果電容是一個理想電容，則流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。根據(jù)這個特點，我們?nèi)绻谝粋€1uF的電容器上再串聯(lián)一個阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性。例如，我們將一個110V/8W的燈泡與一個1uF的電容串聯(lián)，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點亮，發(fā)出正常的亮度而不會被燒毀。因為110V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA，它與1uF電容所產(chǎn)生的限流特性相吻合。同理，我們也可以將5W/65V的燈泡與1uF電容串聯(lián)接到220V/50Hz的交流電上，燈泡同樣會被點亮，而不會被燒毀。因為5W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA。因此，電容降壓實際上是利用容抗限流。而電容器實際上起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負載兩端電壓的角色。濾波電容的原理分析：整流電路輸出的直流電壓脈動較大，一般不能滿足實際需要，必須用濾波電路濾除交流分量，得到平滑的直流電壓。其工作原理是利用電容兩端的電壓在電路狀態(tài)改變時不能躍變的特性。經(jīng)濾波電容作用之后可以得到以下波形：綜合以上分析可得到我們小組認為的本次項目的最優(yōu)方案。見下面原理圖。原理圖完成過程查閱資料及搜集資料選好這個項目之后，我們組進行了第一次小組會議，會議上大家對這個項目都很茫然，有種無從下手的感覺，經(jīng)過一番討論后小組最終決定分工完成本項目相關原件及l(fā)ed燈相關知識的資料收集與研究。電路方案的設計與分析經(jīng)過小組一周的材料搜集與研究，小組成員們都對本項目有了一定的認識，接下來就要開始本項目的關鍵環(huán)節(jié)——電路設計部分。經(jīng)過了小組成員一周的晝夜狂補，每個人的進步都在第二次會議中得到淋漓盡致的展現(xiàn)，組員們積極地表述他們對于本項目項目要求的理解和對電路設計方面的想法。經(jīng)過了4個小時的激烈討論，小組最終基本確定了交流電路部分要包括限流，降壓，整流，濾波幾個部分，之后又進行了接下來工作的分工過程。在3,4周我們整個小組都在進行著忙碌的電路設計，期間曾向資深學長詢問，組隊泡圖書館，夜宿自習室，而且有進行了4次會議。在小組的電路設計過程中，總共設計了十多種電路圖，最終均因不符合項目要求中的簡單合理耗能最少而被遺棄，我們確立的最終電路圖如上原理圖。器材規(guī)格的計算確定好電路圖之后，我們小組又開始進行著器材規(guī)格的計算，秉承著耗能最少及電路安全可靠和最少電路成本的原則，我們得出了最終器材的規(guī)格，如上原理圖中的數(shù)據(jù)。電路的仿真：在設計好電路圖之后，我們小組又開始進行電路的仿真工作，期間經(jīng)過了Multisim軟件的學習過程，電路的仿真測試過程。時間已經(jīng)到了第六周，我們小組的項目仍在緊張而有序的進行著。在第六周周末我們又進行了一次小組討論，確定了第七周的電路焊接方面的任務分配問題。電路的焊接隨著焊接的進行項目開始又動腦過程向著動手過程進行著轉(zhuǎn)變，因為大家都對焊接沒有親身體驗過，所以我們在第七周的前幾天主要是向?qū)W長咨詢了焊接方面已注意的問題和組員們親自進行焊接的體驗，等到第七周的周四，小組成員基本都能比較熟練的進行焊接。我們的電路焊接真正的開始了。因為之前做了非常充分的準備，所以在接下來的焊接過程非常順利，雖然有過部分燈泡不亮等小問題，但都在我們強大的小組合作下輕松解決。本次焊接電路還特地的布置了一下各原件的整體布局，并且焊接點十分的美觀大方電路的調(diào)試進過了七周的奮戰(zhàn)，我們小組的電路板終于在登上了亮麗的熒屏。但是小組成員們都清楚接下來的電路調(diào)試起著不容忽視的總用，前面工作的異常順利也許已經(jīng)向我們預示了接下來必然會有一場暴風雨吧，果然，在前一分鐘還正常發(fā)光的led燈在這一刻由于組員對測量儀器的陌生已經(jīng)悄然熄滅。在困難面前一個小組的舉動才最能體現(xiàn)他們的小組品質(zhì)，我們沒有灰心而是對各個原件進行測試，最終清楚是由于測電壓時沒有將萬用表的紅線由電流接孔換到電壓接孔。換完燈泡后，我們很順利的完成了調(diào)試。項目總結：當之前的工作全部完成之后，我們小組再一次進行了會議，討論中，我們總結了項目過程中的得與失，進行了接下來項目報告書寫的分工，及答辯的準備。實驗結果及分析等A）交流電壓工作環(huán)境：經(jīng)過電路的實際測量，發(fā)現(xiàn)我們的實際結果與軟件仿真出來的結果有一定的差距，但都在可控范圍內(nèi)。（下面所用的數(shù)據(jù)都是將led燈的亮度調(diào)到與直流電工作環(huán)境下亮度相同時測出來的結果）在此設小燈泡并聯(lián)干路總電流為i=26mA，總電壓為u=5.5v，電路輸入的總電壓為U36v,總電流為I=30mA，能耗為w，效率為n。將w=UI-ui，n=ui/UI,帶入測量數(shù)據(jù)：w=40*0.030-5.5*0.026=1.06j，n=5.5*26/36*30=13.2%B）直流電壓工作環(huán)境：在此設小燈泡并聯(lián)干路總電流為i=18mA，總電壓為u=5.4v，電路輸入的總電壓為U6v,總電流為I=18mA，能耗為w，效率為n。將w=UI-ui，n=ui/UI,帶入測量數(shù)據(jù)：w=6*0.018-5.4*0.018=0.0108j，n=5.4*18/6*18=90%C）led燈的壽命估算，及與白熾燈，節(jié)能燈相比的亮度比較：日光燈管和節(jié)能燈管都是靠著燈管的汞原子，由氣體放電的過程釋放出紫外光(主要波長為2537埃=2537×10^-10m)。所消耗的電能約60%可以轉(zhuǎn)換為紫外光。其他的能量則轉(zhuǎn)換為熱能。而led燈可以直接將電轉(zhuǎn)化為光能，所以更加節(jié)能。接下來進行數(shù)據(jù)分析。綜上，各種光源燈具的實際效率：LED計算：80×0.95×0.85×0.9=58.14流明/瓦熒光燈計算：80×0.65×0.6×0.6=18.72流明/瓦普通燈泡計算：20×0.6×0.6=7.2流明/瓦高壓鈉燈計算：100×0.5×0.55×0.51=14流明/瓦可見，LED燈具實際效率是一般熒光燈的3倍，是普通白熾燈泡的8倍，是高壓鈉燈的4倍。即：LED燈與節(jié)能燈與白熾燈之間功率可換算為：5W=14W=40W，3W=9W=30W由此可知led非常高效節(jié)能：一千小時僅耗幾度電（普通60W白熾燈十七小時耗1度電，普通10W節(jié)能燈一百小時）設計心得與體會在完成組隊確認我們小組5個人的名單后，我們是欣喜的但也是迷茫的。我們一直都很期待做電路實驗課外設計，因為它需要創(chuàng)新思維的靈活運用，也還需要動手實踐，這是一份難得的體驗?？墒怯捎谖覀兡壳罢莆盏闹R很少，對完成這樣的項目有很大難度，我們感覺有點無從下手。還沒拿到實驗材料，我們組就各自開始搜集資料了。對于許多我們將要用到的元件都無法從課本中直接尋找答案，我們在網(wǎng)上查詢，泡圖書館以及向?qū)W長學姐請教，了解了元件基本功能及用法后，就開始設計電路圖了。這部分我們投入了很多零碎的時間，現(xiàn)在感覺到那段時間好充實，就像魯迅說的，時間是海綿里的水，只要愿意擠，總還是有的，我們擠出時間去搜集理解，我們把這些零碎時間積分后發(fā)現(xiàn)我們有了一大把平時被忽略的時間，也再次學會利用時間了。我們開始理解了世界上最快而又最慢，最長而又最短，最平凡而又最珍貴，最容易被忽視而又最令人后悔的就是時間。我們在多次的小組討論后終于設計出了第一張電路圖，為了確保電路圖的正確性，我們組成員又借書自學Multisim軟件，然后在軟件上進行模擬