LED声控照明电路设计与实现

LED声控照明电路设计与实现LED（LightingEmittingDiode）照明即是发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。1.1LED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（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即???（1.1）式中Eg的单位为电子伏特（ev）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63ev之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍[2]。1.1.2LED照明的特性1极限参数（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2技术特征（1）发光效率高。LED的发光效率高于传统灯具。传统灯具大部分的电耗变成了热量损耗，而LED无需过滤可直接发出有色可见光，电耗直接转变成了光效,发光效率高。（2）耗电量少。LED采用直接驱动，反应速度快，可在高频操作。在同样照明效果的情况下，LED耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯管的二分之一，是节电降耗的最佳选择。（3）使用寿命长。LED灯头体积小、重量轻，采用环氧树脂封装，可承受高强度冲击和震动，不易破碎。LED灯具平均使用寿长于传统灯具。（4）安全性强。LED发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全接触；能精确控制光型、发光角度和发光颜色；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。（5）绿色环保。LED为全固体发光体，废弃物可回收，对环境无污染，有利于环境保护。1.1.3LED与传统的照明设备比较（1）传统的照明设备（1.1）白炽灯：白炽灯是历史最悠久的灯，应用极为广泛，它的发光原理基于真空或中性气体中的灯丝通过电流加热到白炽状态引起的热辐射发光现象。它的优点是结构简单、价格低廉、使用方便、显色性好；缺点是发热大、发光效率较低、使用寿命较短、应特别注意，如果电源电压增加5，灯的寿命将缩短50％。（1.2）荧光灯：荧光灯家族包括普通日光灯和紧凑型荧光灯。它的原理是利用汞蒸气在外加电压作用下产生弧光放电，发出少许可见光和大量紫外线，紫外线又激励灯管内壁涂覆的荧光粉，使之发出大量的可见光。紧凑型荧光灯可逐步替代白炽灯：其节电率高，15W的紧凑型荧光灯亮度与75W的白炽灯相当。寿命长，平均寿命8000小时，最长达20000小时，白炽灯只有1000小时～2000小时。（1.3）放电灯：通过两电极放电使密封在灯泡内的气体发光，所有此类灯需加装镇流器限制电弧。（2）新型的照明设备LEDLED（LightyEmittingDiode），又称发光二极管，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散，由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去这就是PN结发光的原理[7]-[11]。1.1.4LED灯具发光效率高光谱几乎全部集中于可见光，频率效率可达80%-90%，而且其光的单色性好光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。表1-1发光效率的对比灯具种类光效/（流明/瓦）白炽灯5-10卤钨灯5-10荧光灯40-80钠灯40-110LED灯60-250低功率的LED光源在同等照明效率情况下可替代高功率的普通能灯具。如20W的LED灯可替代100W的普通能灯具30W的LED灯可替代150W的普通能灯具40W的LED灯可替代200W的普通能灯具LED单管采用直流驱动，耗电量较小，可大幅度降低电费60%左右（具体能耗对比表2-2）。普通LED灯具还可升级为太阳能供电，此方式适合供电困难的环境使用，可采用光控和时控方式智能控制开关，智能控制开关可在必要时打开光源，减少在自然光充足时开灯带来的电力浪费。表2-2路灯的电耗对比每天照明小时年电量（千瓦时/年）电费单价（元/每千瓦时）年电费/元3年电费/元高压钠灯10547500.843800131400LED照明灯10219000.817520525601.2声光控电路概述声控延时开关是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关[12]。特点及功能：（1）发声启控：在开关附近用手其他方式（或吹口哨、喊叫等）而发出一定声响，就能立即开启灯光及用电器，得心应手。（2）自动测光：采用光敏控制，该开关在白天或光线强时不会因声响而开启用电器。（3）延时自关：开关一旦受控开启便会延时数十秒后将自动关断，减少不必要的电能浪费，实用方便。（4）延时用电器使用寿命。（5）用途广泛：本产品可用于各类楼道、走廊、卫生间、阳台、地下室车库等场所的自动延时照明。2方案论证2.1电源控制图2-1整流稳压电路图首先在上图可以看到，我们日常用的220V加在4个二极管组成的单向桥式整流电路之间，220V的交流电经过整流之后送到R电阻处，通过R的电路进行限流，电容进行滤波和稳压管进行稳压，从而得到直流的稳定电压，以保持其后电路的正常工作。（1）整流：对于4个二极管而言，从左至右，从上至下，我们将其分为VD1，VD2，VD3，VD4。当交流信号的正半周的时候，二极管VD2，VD3导电，VD1，VD4截止；当信号变化为负半周的时候，VD1，VD4导电，VD2，VD3截止。正、负半周均有电流流过后面的负载电阻，而且无论在正半周还是负半周，流过后面的负载电阻的电流方向是一致的，因而使输出电压的直流成分得到提高，脉冲成分被降低。（2）滤波：无论哪种整流电路，它们的输出电压都含有较大的脉动成分。除了在一些特殊的场合可以直接用作放大器的电源外，通常都要采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动部分，另一部分又要尽量保留其中的直流成分，使输出电压接近于理想的直流电压。这样的措施就是滤波。并联电容以后，在信号的正半周，当二极管VD2、VD3导电时，二极管导电时，除了有一个电流流向负载外，同时还有一个电流向电容充电，电容电压的极性为上正下负，如果忽略二极管的内阻，则在二极管导通时，输出电压等于输入电压。当信号达到最大值以后开始下降，此时电容上的电压也将由于放电而逐渐下降。当信号小于电容电压时，二极管VD2，VD3被反向偏置，因而不导电，于是电容电压以一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个半周，当信号的绝对值大于电容电压的时候，二极管VD1，VD4导通。对于电容滤波可以得到下面几个结论：①加了电容滤波以后，输出电压的直流成分提高了。②加了电容滤波以后，输出电压中的脉动成分降低了。这是由于电容的储能作用造成的。当二极管导电时，电容被充电，将能量储存起来，然后在逐渐放电，把能量传送给负载，因而输出波形比较平滑。③电容放电的时间常数τ=RC愈大，放电过程愈慢，则输出电压愈高，同时脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。④接入电容之后，整流二极管的导电时间缩短了。二极管的导电角〈180°，而且电容放电时间常数愈大，则导电角愈小。由于加了电容滤波以后，平均输出电流比原来提高了，而导电角却减小了，因此，整流管在短暂的导电时间内流过一个很大的冲击电流对管子的寿命不利，所以必须选择较大容量的整流二极管。（3）稳压：稳压二极管的稳压原理：稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。2.2LED的驱动部分2.2.1恒流与恒压目前小功率LED产品广泛采用两种驱动电路形式，即恒流驱动和恒电压驱动。前者电路输出的电流是恒定的，输出电压随负载的变化而变化；后者输出电压是固定的，输出电流随负载(LED数目)的增减而变化。（1）恒电流驱动电路在恒电流驱动工作方式下，又有两种驱动工作方式，一种是一个恒压源供多个恒电流源，每个恒电流源单独给每路LED供电。这种方式组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接由恒电流源供电LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。LED的多路恒电流输出供电方式，在成本和性能方面会好些，LED采用恒电流驱动具有以下特点。①利用恒电流驱动电路来驱动LED是很理想的，缺点就是价格较高;②恒电流驱动电路虽然不怕负载短路，但是严禁负载完全开路;③恒电流驱动电路的输出电流是恒定的，而输出直流电压却随着LED负载的大小不同在一定范围内变化;④要限制LED的使用数量，因为它有最大承受电流及电压值的问题。（2）恒电压驱动电路①在确定恒电压电路各项参数后，恒电压电路输出固定的直流电压，输出的直流电流随LED负载的变化而变化;②恒电压电路虽然不怕负载开路但是严禁负载完全短路;③整流输出的电压变化会影响LED的发光亮度;④要使每串并联以恒电压电路驱动LED串发光亮度均匀，需加合适的电阻。2.2.2常规降压按应用来划分，LED的驱动IC市场有三大类，分别是消费类电子产品、车用照明、建筑装饰与家用照明。消费类电子产品的应用特点是以电池为能源，电压一般为4.2～8.4V，因此低电压、小电流的LED驱动最符合需求，并且是应用量大，应用面广的产品。在车用照明产品方面，由于供电电源来自于汽车电池，一般为48V，所以需要较高电压降压的LED驱动IC。至于建筑装饰照明和家庭照明，则需要将AC电源直接转换成DC电源的LED驱动IC，也就是将交流电转换为直流电源，并同时完成与LED电压及电流的匹配。因此，不同应用场合的LED驱动IC也将有所不同。在家用照明电路中，得到恒电压有以下几种方式：（1）常规变压器降压这种电源的不足之处是重量偏重、体积较大，电源工作效率很低，一般在45%～60%，因为工作可靠性不高，所以一般很少使用。（2）电子变压器降压这种电源结构不足之处是转换效率低，适应电压范围窄，一般在180～240V，波纹干扰大。（3）电容器降压这种方式的LED驱动电源容易受电网电压波动的影响，电源工作效率低，不宜在LED发光闪动时使用，因为LED驱动电路通过电容器降压，在LED发光闪动使用时，由于电容器的充放电作用，通过LED的瞬间电流很大，容易损坏LED驱动控制芯片。当然，采取适当的保护便可避免这种冲击。（4）电阻降压这种供电方式电源工作效率很低，并且工作可靠性也很低。因为电路通过电阻降压，受电网电压变化的干扰较大，LED的工作电流受电网电压变化的影响较大。并且降压电阻本身还