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1、自动化学院电子基础课程设计任务书 课题名称： LED驱动电路的设计与制作 课题要求：一、1、工作电源：交流220伏2、LED功率为3W 二、完成原理图、PCB图设计三、完成安装及调试。 四、写出设计报告。课题内容：第一周：查找相关资料；方案设计。第一周：设计原理图、PCB图。 第二周：完成安装及调试。撰写报告 主要参考资料：1. 2. 3. 自动化学院电子基础课程设计评分标准平时表现评分：（20%）优秀：（90-100）遵守纪律，尊敬老师，爱护设备，工作量饱满，动手能力强，无缺勤,很好按课题进度进行。良好：（80-89）遵守纪律，爱护设备，工作量饱满，动手能力较强，考勤情况良好，较好按课题进度
2、进行。中等：（70-79）遵守纪律，爱护设备一般，工作量一般，动手能力一般，偶尔缺勤，基本按课题进度进行。及格：（60-69）遵守纪律一般，人为因素损坏设备，工作量一般，动手能力差，偶尔缺勤，能按课题进度进行。不及格：（59以下）不遵守纪律，人为因素损坏设备，有技术安全事故，工作量不饱满，动手能力很差，经常迟到，早退，缺勤。课题完成情况评分：（50%）优秀：（90-100）全部完成任务书要求，完成质量优良、结果正确，所完成的设计有一定的独立见解。良好：（80-89）全部完成任务书要求，完成情况良好，所完成的设计正确，解决了一些实际问题，结果正确。中等：（70-79）基本完成任务书要求，完成质量
3、尚好，所完成的设计基本正确，但存在一些不足。及格：（60-69）基本完成任务书要求，完成质量尚好，所完成的设计基本正确，但有小错误。不及格：（59以下）未完成任务书要求，所作的设计有严重错误，基本概念不清。电子基础课程设计报告质量评分（30%）1、文献资料收集、整理、分析；对课题研究意义的阐述；文字精练、流畅、绘图整洁、符合标准规范、字体工整；2、基本概念、基本理论及专业知识掌握扎实，运用灵活；设计思路、设计内容、计算方法及结果、计算机运用正确无误；3、试验数据的获取（软件调试方法及过程）试验过程（调试过程）的正确性；4、电子基础课程设计的结论，存在的问题，研究结果的创新性；LED驱动电路的设
4、计与制作 摘要： LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。本次设计就是利用白色LED的发光效率高，寿命长等特点为普朗克常量测试仪设计一白色光源并详细介绍各部分电路的工作原理，电路中采用了LM317集成稳压芯片，与普通的分立元件稳压电路相比电路工作的稳定性更好，并且输出功率可以通过调节电位器来调节。关键词： LED LM317 驱动电路目录1 引言.41.1 国内、外本课题发展概况与目前的水平.41.2 研究背景.41.3 目的.5
5、1.4 意义.51.5 经济效益.52 LED驱动电路的设计与制作.63 器件的介绍.93.1 变压器.93.2 电容.103.3 二极管.113.4 LM317 .113.5 发光二极管.124 电路测试与调试.14 4.1 测试原理.14 4.2 测试步骤.15 4.3 数据处理.16 4.4 误差分析.19结论与总结.20致谢.20参考文献.20 1引言：白光LED是电流驱动的器件,其亮度与流过LED正向电流大小呈比例关系。虽然白光LED的发光效率正在逐步提高，但是与LED灯配套的驱动器性能不佳，故障率高，成了LED推广应用的瓶颈。文章分析和设计了一种用LM317稳压控制的具有较高电流控
6、制精度和匹配精度的并联白光LED驱动芯片,并 成功进行了测试。国内、外本课题发展概况与目前的水平：消费性电子产品的LED驱动器拥有比较成熟的技术、产品和相对成熟的市场。2007年全球手机市场使用LED驱动IC达6亿颗，2008年将继续增长。对于标准管芯（200-350m2），日本日亚公司报道的最高研究水平，紫光（400 nm）22 mW，其外量子效率为35.5%，蓝光(460 nm) 18.8 mW，其外量子效率为34.9%。美国Cree公司可以提供功率大于15 mW 的蓝色发光芯片(455475 nm)和最大功率为21 mW的紫光发光芯片（395410 nm），8 mW 绿光（505525
7、nm）发光芯片。台湾现在可以向市场提供6 mW左右的蓝光和4 mW左右的紫光芯片，其实验室水平可以达到蓝光10 mW和紫光78 mW的水平。国内的公司可以向市场提供34mW的蓝光芯片，研究单位的水平为蓝光6 mW左右，绿光12 mW，紫光12 mW。 随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量子效率己有了非常大的改善，如波长625 nm AlGaInP基超高亮度发光二极管的内量子效率可达到100%，已接近极限。AlGaInN基材料内存在的晶格和热失配所致的缺陷、应力和电场等使得AlGaInN基超高亮度发光二极管的内量子效率比较低，但也在3550%之间，半导体材料本身的光电转
8、换效率己远高过其它发光光源，因此提高芯片的外量子效率是提高发光效率的关键。过去认为有电感的升压式DC/DC变换器可输出较大的电流。近年来，电荷泵式驱动器可输出的电流已从几百毫安上升到1.2A并且两者在转换效率上面不相上下，对于采用LDO电路的驱动器，无需外围组件及价位低是它的优点，其缺点是转换效率略低，并且电池往往不能用到终止放电电压就要充电。这种驱动器主要用于一节锂电池的场合，并需用正向低压的白光LED。可以用作白光LED驱动电源的集成器件品种很多，大致分为恒流源、电荷泵和开关电源三种。研究背景：LED作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。LED使用寿命长、节能省电、应用简单方便、使用成本低
9、，因而在手机、MP3、MP4、PMP、DSC(数码相机)、PDA、GPS、PND、游戏机、学习机、笔记本电脑等的手持产品的LCD背光；led手电筒、矿灯便携照明；在建筑照明、装饰照明、标识牌照明；在汽车的仪器|仪表板背光、前后雾灯、第三刹车灯、方向灯、尾灯；以及将在家庭照明都会得到海量的应用。欧美等国在2007年2月和3月分别通过政府决议，在未来二年逐步取消白炽灯，提倡使用节能灯和LED照明灯。由此，LED照明灯进入千家万户揭开序幕，其市场需求量将是一天文数字。集成电路和灯具厂商纷纷开始行动，奔向这个巨大市场。大功率照明灯用LED制造技术突飞猛进，今天已经能大批量生产了，而且在向增加LED发光
10、效率(lm/W)方面努力；从AC到DC恒流源输出、经济而有效地驱动大功率照明灯用LED的芯片还需要更多的集成电路开发厂商投入。目的：本次设计就是在LED工作原理的理解基础上设计出满足普朗克常量测试仪运用的LED光源驱动电路。意义：为响应中央关于节能的号召，在电路中在满足设备要求的发光强度的前提下，LED光源与传统的白炽灯在节能方面相比有明显的优势。并且LED寿命长和环保的特点是它成为仪器光源的理想光源，并且随着LED技术的不断成熟，LED取代传统照明光源已成为必然之势。经济效益：采用LED光源可以节约电能，减少电能的消耗，并且也可以减少在仪器光源部分的投资。2 LED驱动电路的设计内容白光LE
11、D稳压限流电路整流滤波电路交流220V输入 本电路采用交流220V电压经降压稳压限流后驱动功率为3W的白光LED,其原理框图如下图示：驱动电路原理图如下图示：电路PCB布线图如下图示：生成3D PCB面板图如下图示：（正面视图）（背面视图）3.元器件的介绍及选用3.1变压器 变压器的种类很多，如图所示。根据变压器工作频率的不同，可分为低频变压器、中频变压器、高频变压器和脉冲变压器。其中低频变压器包括电源变压器，低频放大器用输入、输出变压器、扩音机的线间变压器、耦合变压器等;中频变压器包括收音机、电视机中频变压器以及检测仪器用中频变压器等;高频变压器的用场也很多，如收音机中的磁性天线，电视机中应
12、用的天线阻抗匹配器等;脉冲变压器主要用于脉冲电路中，如电视机中的行输出变压器就是种脉冲变压器。根据线圈之间穗合材料的不同，变压器又可分为空心变压器、磁心变压器及铁心变压器等。变压器的型号是根据变压器的用途来命名的，常见的变压器命名方法如下: 1.低频变压器的型号命名低频变压器的型号俞名由下列三部分组成: 第一部分：主称，用字母表示。如表列出了低频变压器型号主称字母及其代表的意义。 第二部分：功率，用数字表示。单位是W。第三部分：序号，用数字表示，用来区别不同的产品。 序号 功率 主称 低频变压器型号主称字母及意义：主称字母代表意义主称字母代表意义DB电源变压器HB灯丝变压器CB音频输出变压器S
13、B ZB音频（定阻式）输送变压器RB音频输入变压器SB EB音频（定压式或自耦式）输送变压器GB高压变压器电源变压器选用1、查看电源变压器的引线是否有脱焊、断线，铁心是否有松动等不牢固之处。 2、对所使用的电源变压器的输出功率、输入、输出电压的大小，以及所接负载所需功率能否满足等耍了解清楚后再使用。3、对新购电源变压器要进行通电检查，看输出电压是否与标称电压值相符。在条件允许的情况下也可用摇表查测电源变压器的绝缘电阻是否良好。其值应大于5OOM，对于要求较高的电路其值应大于10OOM。4、对应用于一般家用电器的电源变压器，选E型铁心即可;对应用于高保真音频功率放大电路的电源变压器应选C型铁心较
14、好;对大功率变压器选口字型铁心较容易散热。对电子设备中使用的电源变压器，应选用加静电屏蔽层的，以保证迸人变压器初级的干扰信号直接入地。 5、对接人电路的电源变压器要观察其温升等是否正常。当变压器工作时，不应有焦糊味，冒烟等现象，而且可用手摸一下铁心外部的温度，以不烫手为最好 (注意不要触碰输入引线脚，以避免触电)。3.2电容电容的分类： 电容的种类有很多，可以从原理上分为：无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等，从材料上可以分为：CBB电容（聚乙烯），涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。电容的选用常识：1、电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。在滤波电路
15、中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。使用电解电容的时候，还要注意正负极不要接反。2、不同电路应该选用不同种类的电容。揩振回路可以选用云母、高频陶瓷电容，隔直流可以选用纸介、涤纶、云母、电解、陶瓷等电容，滤波可以选用电解电容，旁路可以选用涤纶、纸介、陶瓷、电解等电容。3、电容在装入电路前要检查它有没有短路、断路和漏电等现象，并且核对它的电容值。安装的时候，要使电容的类别、容量、耐压等符号容易看到，以便核实。3.3二极管1、二极管的类型根据结构不同，常把二极管分为点接触和面接触型两种（见图10）。点接触型二极管由于接触面点小，不能通过大电流，故只适合用于小电流整流，又因为接触点小，所以
16、极间电容量也很小，故适用于高频电路检波。 面接触型二极管与点接触型二极管相反，由于接触面大，可以通过较大的电流，但极间电容量大，因此不能用于高频电路，而主要用做整流。2、二极管的选用选用检波二极管主要考虑工作频率高，反向电流小（极表明检波效率高）。常用的点接触型二极管有2AP12AP9、2AP92AP10、2AP112AP17等型号；对小功率整流二极管，主要考虑最大整流电流与最高工作电压应符合电路要求，一般采用面接触型2CP12CP6、2CP102CP20、2CP1A2CP1H等型号。 在业余条件下，损坏了一个PN结的高频晶体三极管可当作检波二极管使用，而损坏了一个PN结的低频三极管则可做小电
17、流整流二极管使用。3.4三端稳压器LM317的选用LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH、W317L等。电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo1.25（1R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo1.25V37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo1.25V45V），
18、所以R2/R1的比值范围只能是028.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时（如图所示），没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差
19、别较大。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。3.5发光二极管发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光
20、线，光的强弱与电流有关。1LED光源的特点1.电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。2.效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%3.适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境4.稳定性：10万小时，光衰为初始的50%5.响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级6.对环境污染：无有害金属汞原器件清单：Part TypeDesignatorFootprint0.1uFC4RAD0.40.1F C2RAD0.44.7KR2V
21、R410F 25VC3RB.3/.6100F 25VC5RB.3/.6240R1AXIAL0.42200 F35VC1RB.3/.69014Q1TO-18IN4007D2DIODE0.7LEDD1DIODE0.4LM317TU1SIP34 电路测试与调试由于本电路是用于普朗克常量测试仪用的LED光源驱动电路，所以该电路的成功与否不仅与电路本身有关而且与仪器测试数据的准确度与精度有关，在电路设计完毕后，接通电源，LED能正常发光，调节R2使其功率达到3W，将LED正确装入仪器开始测试普朗克常量并验证改造光源的可行性。4.1测试原理：在光的照射下，从金属表面释放电子的现象称为光电效应。光电效应的基
22、本规律可归纳为：光电流与光强成正比；入射光频率低于某一临界值时，不论光的强度如何，都没有光电子产生，称为截止频率；光电子的动能与光强无关，与入射光频率成正比。爱因斯坦突破了光的能量连续分布的观念，他认为光是以能量的光量子的形式一份一份向外辐射。光电效应中，具有能量的一个光子作用于金属中的一个自由电子，光子能量或者被完全电子吸收，或者完全不吸收。电子吸收光子能量后，一部分用于逸出功，剩余部分成为逸出电子的最大动能为 （611）此式称为爱因斯坦方程。式中为普朗克常数，公认值为6.62617610-34。即存在一截止频率，此时吸收的光子能量恰好用于电子逸出功，没有多余的动能。由上式可知，当时，则，存
23、在一截止频率，此时吸收的光子能量恰好用于电子逸出功，没有多余能量。因而当时没有光电流，只有入射光的频率时才有光电流。由于不同金属的逸出功数值不同，所以有不同的截止频率。当时，光电子具有较大动能，在阳极不加电压，甚至阳极电位低于阴极电位时，也会有光电子到达阳极，产生为光电流。本实验采用减速电场法，如图611所示。单色光透过光电管的玻璃口照射到阴极K上，从K发射出的光电子向阳极A运动，在阳极加上相对阴极为负的电压U0，以阻止光电子向阳极运动。随着反射电压U0的增加，到达阳极的电子数减少，光电流减少，当反向电压满足 （612）将没有光电子到达阳极，光电流为零。称U0为截止电压。由（611）和（612
24、）两式得即 （613）将代入（613）式有 （614）（614）式表明，对同一种光电阴极材料制成的光电管，其截止电压U0和入射光频率成线性关系。直线斜率k=h/e。当时，U0=0，没有光电子逸出。对于不同频率的光，可以得到与之对应的I-U特性（光电伏安特性）曲线和截止电压U0的值，可在方格坐标纸上作出U0图线，根据已知的电子电量e值和图线斜率k即可确定普朗克常数h的值。4.2 测试步骤1测试前的准备（1）认真阅读光电效应实验仪的使用说明书。（2）安放好仪器，用遮光罩罩住暗盒的光窗。插上电源预热2030分钟然后调整测量放大器的零点和满度。2测量光电管的暗电流（1）连接好光电暗盒与测量放大器之间的
25、屏蔽电缆、地线和阳极电源线。测量放大器的“倍率”旋钮置10-6档。（2）顺时针缓慢旋转“电压调节”旋钮，并适当地改变“电压量程”和“电压极性”开关。仔细记录在不同电压下的相应电流值（电流值=倍率电表读数微安）。此时所读得的即为光电管的暗电流。3测量光电管的I-U特性（1）让光尖锐出射孔对准暗盒窗口，并使暗盒离开光3050厘米。测量放大器“倍率”旋钮置10-6挡。撤去遮光罩，换上滤色片。“电压调节”从-3伏或-2伏调起，缓慢增加，先观察不同滤色片下的电流变化情况，记下电流明显变化的电压值以使精确测量。（2）在上述粗测的基础上进行精确测量记录。从短波长起小心地逐次换入滤色片，仔细读出不同频率入射光
26、照射下的光电流，并记录数据，注意在电流开始变化的地方多读几个值。（3）在方格纸（如2520厘米）上，仔细作出不同波长（频率）的I-U曲线。从曲线中认真找出电流开始变化的“抬头点”，确定IAK的截止电压U0。（4）把不同频率下的截止电压U0描绘在方格纸上。如果光电效应遵从爱因斯坦方程，则U0 =曲线应该是一条直线。求出直线的斜率k =U0/v，求出普朗克常数h =ek，计算出所测值与公认值之间的误差。（5）改变光源与暗盒的距离L和光阑孔，重复上述步骤次。4.3 数据处理： 4.3光电效应普朗克常数测定的实验数据及处理表1 520nm关系-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-8.2
27、-8.1-8.1-8.0-7.8-7.1-5.6-0.6-0.58-0.56-0.54-0.52-0.5-7.8-7.7-7.6-7.5-7.3-7.0图4.3 U-I曲线表2 550nm关系 -1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4 -6.9-6.9-6.9-6.8-6.7-6.4-5.4-0.5-0.48-0.46-0.44-0.42-0.4-6.4-6.3-6.1-5.8-5.6-5.2图4.4 U-I曲线表3 580nm关系-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-4.5-4.4-4.4-4.3-4.3-4.2-3.8-2.7-0.4-0.38-0.36
28、-0.34-0.32-0.3-3.8-3.7-3.5-3.2-2.9-2.5图4.5 U-I曲线表4 610nm关系 -1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1-2.1-2.1-2.1-2.1-2.0-1.9-1.8-1.6-0.32.6-0.3-0.28-0.26-0.24-0.22-0.2-1.6-1.4-1.2-1.0-0.7-0.2图4.6 U-I曲线表5 关系波长520550580610频率5.775.455.174.92截止电压-0.54-0.42-0.32-0.22图4.7 -U曲线根据上表的数据和公式： U0/v =h/e可得出普朗克常量h=
29、6.010-34 4.4误差分析：一、系统误差：1.仪表精度限制，包括电压表，微安表的精度 2.螺旋测微器调零精度不够高二、读数误差5 结论与总结 本次为普朗克常量测试仪设计的LED驱动电路在经过测试之后，得出的普朗克常量的测试值在允许的误差范围内，说明本次设计是成功的。经过三个星期的设计，让我学到了课本上无法学到的知识，理论与实际相结合将自己学到的知识运用到了实际问题中，锻炼了自己的动手能力，通过这三个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团
30、队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和团队人员这十几天的一起
31、工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！6.致谢致谢 本课题在选题及进行过程中得到了王庆老师的悉心指导。论文行文过程中，王老师多次帮助我们分析思路，开拓视角，在我们遇到困难想放弃的时候给予我们最大的支持和鼓励。王老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我们终生受益。再多华丽的言语也显苍白。在此，谨向周老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 7.参考文献:参考文献1.王庆主编. Protel99SE & DXP 电路设计教程. 电子工业出版, 2006.62.康华光等. 电子技术基础（模拟部分第五版）.高等教育出版社, 1999.63.康华光等. 电子技术基础（数字部分第五版）.高等教育出版社, 1999.6
