IlzwfaLED控制电路设计(毕业论文)

秋风清，秋月明,落叶聚还散,寒鸦栖复惊。

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目

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摘要......错误！未定义书签。 Abstract ......错误！未定义书签。 1. 绪论 (1)

1.1 引言...... 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势...... 1 1.3 研究的内容...... 2 2. LED 控制电路总体方案...... 4 2.1 LED 光电特性...... 4 2.2 LED 的驱动方式...... 6 2.3 电源的设计方案...... 8 2.4 时间控制的设计方案...... 9 3. LED 控制电路设计...... 11 3.1 系统的功能...... 11 3.2 LED 驱动设计...... 11 3.3 电源的设计...... 12 3.4 时间控制的设计...... 21 3.5 总体电路设计...... 27 4. 结论...... 29 致谢...... 30 附录 (31)

参考文献 (33)

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LED 电路设计

摘要

随着信息时代高新技术的飞速发展，人们对及时获取并显示各类信息的愿望日益强烈，由此带动了信息传媒的飞速发展，发光二极管（LED）显示屏就是信息显示的重要传媒之一。LED 显示技术是将光电、计算机及控制等技术综合一体的现代新技术。由于它在工业、农业、医药和城市照明方面应用很广泛，因此对其驱动电路的设计显得尤为重要。本文详细的分析了 LED 的驱动方式，给出了 LED 显示控制系统具体的设计方案。整个系统分文电源设计部分和时间控制部分。电源部分采用 5V 直流稳压电源，电源设计采用了变压、滤波、稳压、整流这 4 个部分。每个部分都有不同的选择，选择不同的电路达到的目的和效果也和不同，因此本文通过仿真和实际详细分析了每个部分的功能和为什么选择这种连接方式。时间控制部分主要采用了 555 定时器，因为其灵活、功能强大、价格便宜受到很多人的喜欢。根据外围电路的不同连接可组成单稳态触发，多稳态触发和多谐振荡三种方式。本次设计主要采用多稳态触发方式达到定时的目的，定时部分采用二极管的亮灭来显示。总体实现一个定时系统，该系统可以控制 LED 亮灭时间。

关键词：电源；时间控制；定时；发光二极管显示关键词

I

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LED circuit design

Abstract

With the rapid development of high-tech information age,people have desire in acquiring and displaying all types of information timely strong , thus driving the rapid development of information media, light-emitting diode (LED) display is one of the important display information media. LED display technology is integrated optical-electronic, computer and control technologies as an modern technology. As its applications is very wide in industry, agriculture, medicine, and urban lighting. So the design of its driving circuit is very important. This paper analyse LED driving mode detailed, give the special design scheme in LED display control system. The whole system is divided in power design section and time control section. Part of the overall system power supply design dime and time control section. The power section adopt

5V DC regulated power supply and power design is made of four part such as transforming, filtering, voltage regulating and commutation. Every part have different choice and different choice in circuit get different object and effect. So this paper analyse detailed in function with every part and the reason of chosing this link mode through circuit simulation and actul. The 555 timer is the main part of time control, Owe to its flexible, powerful, inexpensive that many people like. According to the various peripheral circuits connected to the monostable trigger component, multi-trigger and multi-harmonic steady-state oscillation in three ways. This design is main adopt multi-steady trigger to get the purpose of timing, the part of timing adopt LED bright or not to display. The whole design get the realization of an timing system and this system can control the time for LED bright or not.

Keywords: power sourse; time control; timing; LED display

II

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1 绪论

1.1 引言

如今全世界对 LED 研究已经很成熟了，为什么科学家发明了 LED 这种光源呢？ LED 相比于热光源有很多优点：体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、坚固耐用、多变幻、高新尖。在城市工业中，城市夜景照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，小功率的 LED 产品应该能够找到他的用武之地。LED 发光角度小，方向性强，可作局部重点照明。问题是要给设计师提供有足够大的选择范围，外观上也应有美观的要求。可以肯定地说，LED 将会在未来引领照明的时尚与新潮。在设施农业中,通常所采用的人工光源是荧光灯与高压钠灯。近年来，随着光电技术的发展,发光二极管(LED)的亮度与效率也大幅度提高,使得这种光源在设施农业生产中的应用变为可行，尤其对封闭可调控的设施农业环境(如植物工厂，组织培养室、植物生长箱等) 是一种非常合适的人工光源.为此,主要介绍了LED 在设施农业中的应用及发展趋势[1]。市景观照明追求的不是亮度，而是艺术的创意设计，LED 产品应该能够找到它的用武之地。发光角度小的 LED 方向性强，可作局部重点照明；在封装材料中添入散射剂可以实现 175 度的发光角适合较大范围内的照明，问题是目前城市夜景照明中建设单位过于追求高亮度难以给设计师提供足够大的选择范围，目前在城市夜景照明工程中常用的 LED 光源主要有：线性发光灯具、装饰草坪灯、景观灯、球泡、水下灯、地面灯具：地埋灯、发光地砖、石灯、利用太阳能电池作为能源的 LED 灯具[2]。国际上 LED 的医学应用研究工作从 20 世纪 90 年代开始，1993 年美国太空总署（NASA）首先提出 LED 生物医学应用研究。其研究内容包括：利用 LED 照射舒缓宇航员运动疲劳、处理伤口，用于肿瘤的光动力治疗和消除皮肤炎症、溃疡，促进创伤愈合以及面部嫩肤、除皱、除斑，治疗座疮等等。相继推出 LED 医疗应用成果的还有以色列和英国。通过大量临床实践，各国生物医学界专家一致认为 LED 医疗器械是目前最能替代 He-Ne 激光器进行光疗的器械，在医学应用领域有着极其广泛的开发前景[3]。故 LED 电路的设计显得尤为重要，没有驱动 LED 永远发不了光。每个厂家所用 LED 都是一样的，不同之处在于驱动电路的不同，好的驱动电路能使其工作时间更长，发挥更多的作用，节约更多的能源，LED 相比于普通的白炽灯所用电量更少，但能发出同样的光芒，使用年限也更长，正因为有各种高性能高质量的电路使得 LED 能发挥其历史性的作用，来为我们照福，为国家照福，为人类照福。

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 国外 LED 电路发展现状

1

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半导体照明技术的开发研究引起了全球研究机构和企业的重视。国外共有近 200 家公司参与 GaN 器件、材料和设备的开发，近 300 所大学和研究所参与 GaN 的研发。目前，功率型白光 LED 光视效能（发光效率）已经达到 100 lm/W，研究水平达到 160 lm/W。经过技术发展和市场竞争，世界主要 LED 厂商已经形成各自的技术特色。日本日亚化学处于全球技术领先水平，垄断高端白色、蓝、绿色 LED 的市场，丰田合成在白光 LED 及车灯照明技术开发据国际前端；美国 Cree 的碳化硅衬底生长 GaN 外延片国际领先，传统照明巨头 Philips 绝对控股的美国 Lumileds 功率型白光 LED 国际领先；传统照明巨头Osram 欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型 LED 封装和车用 LED 灯具开发国际领先。 1.2.2 国内 LED 电路发展现状国内的外延片生长技术主要源于美国、基本上是进口美国的有机金属化学气相沉淀（MOCVD）装备，这些装备在美国就不是一流的装备，在整个 LED 产业外延片的生长、芯片、芯片封装 3 个环节中，外延片生长投资要占到 70%，外延片成本要占到封装成成品的 70%，同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏，简单的说，外延片的水平决定了整个 LED 产业水平，国内近几年也陆续引进了 50 多台 MOCVD 装备，均处理大生产工艺摸索阶段，一旦工艺成熟，则会上 10 倍地增大装备数量形成规模生产，市场需求巨大。国家“863”计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相外延炉和 MOCVD 设备的研发（中科院半导体所、中电科技集团公司第四十八所），通过整机消化吸收，关键技术再创新等措施，填补了国内空白，使长期制约我国 LED 产业发展的装备瓶颈得以突破。随着国家照明工程的起步，国内 LED 芯片设备的巨大需求再次引起了国外半导体设备生产商的积极响应，他们日益重视中国这个巨大的市场，但是，这里面也存在着一个隐忧，国外芯片设备高昂的价格，相对制约了国内企业的规模化、产业化发展，也消耗了国家大量宝贵的外汇。同样也挤占了国内设备生产商的发展空间。

[4]

1.3

研究的内容

论文在查阅了大量有关文献的基础上，详细的分析了LED光源特性和LED的驱动方

式，给出了LED显示控制系统具体的设计方案。整个系统分为电源部分和时间控制部分。

1.3.1 LED光源特性

了解LED光源特性及种类，不同种类LED应用于不同的场合。因为其发光效率高、耗电少、使用寿命长、安全可靠性强、环保。所以在恶劣的场合应使用寿命长、精度要求不需太高的LED发光管。在实验室或者精密测量的场合应使用精度高、电气特性好的LED 发光管。同时按照材料的不同LED的种类也很多，有单管、七段数码管、LED显示屏等等。可根据不同的要求选用不同的LED。 1.3.2 LED驱动方式

2

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了解LED的四种驱动方式直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动。并知道每种方式应用于什么场合。 1.3.3 LED电源部分

电源部分采用5V直流稳压电源。由于该电源主要由变压、滤波、稳压、整流这4部分组成。所以本文电源部分主要从这4部分入手，每部分都有不同的选择，主要通过仿真观看波形来最终选择合适的电路。选择该电源的主要原因是简单而且很实用，毕竟提供LED发光不需要太高的电压和电流，而且这次设计所用的是单管LED，因此对电源的要求很低。 1.3.4 时间控制部分时间控制部分主要采用555定时器。该芯片比较器灵敏度高、输出驱动电流大、功能灵活，因此在电子电路中获得广泛应用。555时基电路可用作：脉冲发生器、方波发生器、单稳态多谐振荡器、双稳态多谐振荡器、自由振荡器、内振荡器、定时电路、延时电路、

脉冲调制电路、仪器仪表的各种控制电路。在本次设计中仅用到其定时的功能，来控制LED 发光管的亮灭时间。该定时电路在日常生活中很常见，如电饭煲、空调等家用电器需要定时开关的。所以非常实用。

3

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2 LED控制电路总体方案

2.1

2.1.1LED光电特性

LED器件的发光原理发光二极管，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流通过它的时候，产生可视

的光。当在PN结上加以正向电压之后，P区的空穴注入至N区，N区的电子注入至P区，LED 显示屏接口电路设计相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在注入和复合中产生辐射而发光。利用这个特性来实现发光。如图2-1所示。通过电流的表达式见(2-1)式：

I =V+ ?V ? R

[8]

(2-1)

其中V代表二级管两端的电压，R代表限流电阻，I代表通过的电流。

+V

R

阳极 I

CED 阴极

图 2-1

LED 的工作原理

2.1.2

LED光源特点

(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。

4

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(6)对环境污染：无有害金属汞。 (7)颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。 (8)价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。 2.1.3 LED的分类

我们所说的 LED 知识一个概括的名词，其实随着 LED 在 60 年代进出商业后，经过几十年的发展已经发展了很多很多种类，其主流的大类有： (1) LED（Light emitting diode）我们有叫它 LAMP LED 产品的、有叫它 P2 产品的、也有叫它插件 LED 的，不管怎么样只要是直插式的都归与一种。而 LED 种类里面还有很多种类： 1)按胶体形状分：3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、方形、椭圆形、墓碑形、还有一些特殊形状等等。 2)按胶体颜色分：无色透明、有色透明、有色散射、无色散射等。 3)按颜色分：（red）橙色红色、（orange）

黄色、（yellow）黄绿色、（green yellow）、绿色（green）、蓝绿色（blue green）、蓝色（blue)、紫色（pink）、紫外线（uv）、白色（white）、红外线等等。 (2)SMD（Suface mount device）表面贴装二极管或表面贴装元器件都是他的叫法，这个里面也有多中类别：1)按形状大小分：0603、0805、1210、5060、1010 等等，一般 smd 都是菱形的，所以其叫法都是根据长*宽的尺寸来叫，行业善用的都是英寸，不是毫米，也有用毫米叫的，不如 1608（1.6*0.8mm)等。 2)发光颜色和胶体的种类和 LED 产品一样，只是产品的形状发生了很大的变化。 (3)食人鱼（Flux led）这个是因 LED 的发光效率不能满足汽车使用其要求，所以就开发了这个产品，是小功率产品，其驱动电流一般在 50MA、一般 LED 用的 20MA，最高电流可以达到 70mA，就是因为其散热比较好，一般用在汽车后尾灯。他的分类也是按胶体形状不同分的：3mm、5mm 平头的，还有，还有根据顶部的珠子不同满足不同客户角度的要求等等。你像 30、50、70、120 度等等。 (4)大功率（power led）这个大家应该都比较熟悉了，现在是这个行业炒的最热火的。都争先恐后的还取代现有照明的产品。不知道的看看图片是什么样子的： 1)按功率分：1w、3w、5w、等等。 2)按顶部发光透镜分:平头、聚光、酒杯形状等。

5

[5]

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3)按工艺还有铝基板的和防 luminous 的。 (5)数码管（Display）这个大家是最早用在来做显示屏和数码显示用的。 1)按外形分：1 位、2 位、3 位、4 位等等。 2)表面颜色：灰面黑胶的、也有黑面白胶的等等。 3)极性：共阴、共阳。 4)颜色也和 LED 一样可以做很多种类。 (6)点阵（LED Dot Matrix）从LED器件的发光机理可以知道，当向LED器件加正向电压时流过器件的正向电流使其发光。因此LED的驱动就是要使它的PN结处于正偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决正向电流的调节问题。具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等，本论文LED器件的驱动方式为直流驱动方式【6】。

2.2 LED的驱动方式

2.2.1 直流驱动直流驱动是最简单的驱动方法，由滑阻R2与发光二极管LED串联以后连接到电源Vcc 上，R1为限流电阻。如图2-2所示：

图2-2 LED的直流驱动

连接时令LED的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向。只要保证LED处于正偏置，发光二极管与电阻的位置是可以互换的。直流驱动时，LED的工作点由电源电压k、串联电阻R和LED器件的伏特性共同决定。对应于工作点的电压电流分别为vf和I，。改变R2 的值，可以调解I的值，从而调节LED的发光强度。如图2-3所示:

6

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图2-3 LED特性曲线

直流驱动方式适合于LED器件比较少、发光强度恒定的情况，例如目前有的公交车上用于固定显示“XX”字样的显示器上，就可以用这种驱动方式。一方面它显示的字数很少，另一方面它的显示内容固定不变。因此只要在需要显示字样的笔画上排列LED发光灯就可以了。这样一块屏上大约有100只管子。采用直流驱动可以简化电路，降低造价。 2.2.2 恒流驱动

由于LED器件的正向特性比较陡，加上器件的分散性，使得在同样电影电压和同样的限流电阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，引起发光强度的差异。如果能够对 LED正向电流直接进行驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近(同样存在着法光强度与正向电流之间各个器件的分散性，但是这种分散性没有伏安特性那么陡，所以影响也就小得多)。

晶体管输出特性具有恒流性质。如图2-4所示。

图2-4 LED恒流驱动

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2.2.3

脉冲驱动

脉冲驱动方式主要利用人眼视觉暂留现象驱动LED发光，利用该方式驱动LED可以通过改变驱动频率从而达到改变LED发光时间以及亮度。 2.2.4 扫描驱动

扫描驱动通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。如图2-5所示。

图2-5 LED扫描驱动

LED显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制：也可以按列扫描，按行控制。扫描就是指依次循环接通整行的LED器件，某一列的LED器件是否应该点亮，由列控制电路来负责。依据上述分析，本文由于控制一个发光二极管，故只用直流驱动，既简单又实用，所用元器件少。也可以用滑动变阻器代替定值电阻来调节LED的亮度。

2.3 电源的设计方案

2.3.1 开关电源开关电源主要采用开关式稳压电路，电路中的调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。由于管子饱和导通时管压降和截止时管子的电流都很小，管耗主要发生在状态开于关的状态转换过程中，电源效率可提高到 75%～95%。由于省去了电源变变压器和调整管的散热装置，所以其体积小、重量轻。它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子装备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件要求较高。但由于工艺已经成熟，而优点又突出，已成为宇航、计算机、通信、家用电器和功率较大的电子设备中电源的主流，应用日趋广泛【7】。 2.3.2 线性电源线性电源主要采用串联反馈式稳压电路，由于调整管工作在线性放大区，因此在负

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载电流较大时，调整管的集电极损耗先当大，电源效率较低，一般为 40%～60%，有时还要配备庞大的散热装置。但其电路结构简单，输出电压中所含纹波较小，所以广泛应用于小信号、小功率电路中。 2.3.3 比较与选取从上面对两种电源的分析并结合本次设计的要求，决定选用线性电源。理由如下： (1)输出电压方面开关电源输出电压纹波较大，线性电源较小。而本次设计是对 LED 和 555 提供电源，这些小型的器件对电压的稳定性要求较高，故选择线性电源。 (2)电路整体方面开关电源整体电路复杂，对元器件要求高，线性电源则相反。根据本次设计属于简单的定时电路。电路相对简单，故选取线性电源。 (3)电源转换效率方面开关电源转换效率高，功耗小，线性电源转换效率低，功耗高。但是由于 LED 的特性可知，其需要的电流很低，所以也不需要大功率的电源，线性电源足以。所以综上所述，选择线性电源。在设计过程中困难在于变压、整流、滤波、稳压这 4 个部分的选取和链接以及完成后对电路的仿真。

2.4 时间控制的设计方案

2.4.1 用555定时器组成的施密特触发器其功能主要是将输入任何波形转变为矩形波，由正、负阈值电压决定高低电平。可用于滤波电路，滤除噪声等等干扰。 2.4.2 用555定时器组成的单稳态触发器其功能是用作失落脉冲检测，或对电机转速或人体的心律进行监视，如果转速不稳或人体的心律不齐时，输出低电平可用作报警信号。如果将单稳态电路的电压控制端加入一个变化的电压，当控制电压升高时，电路的阈值电压升高，输出的脉冲

宽度随之增加；而当控制电压降低时，电路的阈值电压也降低，单稳的输出脉宽则随之减小。如果加入的控制电压是三角波，则在单稳的输出端便可得到一串随控制电压变化的脉宽调制波形。可用该电路作为定时电路【8】。 2.4.3 用555定时器组成的多谐振荡器其功能是产生多谐振荡，每隔一段时间就有电平触发，其占空比是根据外围RC元件的参数决定的，时间主要由电容的冲放电时间决定。因此改变RC的参数就可以改变触发时间。如果将电阻用滑动变阻器代替，则可实现频率可调的驱动电路。综上所述，结合本次设计要求应当选择555定时器组成的多谐振荡器和单稳态触发器。其优点在于比较器的灵敏度高、输出驱动电流大、功能活，在电子电路中获得广泛应用。但是选择该电路存在一个问题，就是定时时间不能太长，而且时间精度不高。不

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适于那些精密仪器的定时。当然，可以将做好后的电路通过精密的仪器测量其定时时间，也就是测量其触发电平时间间隔。也可以用示波器观看输出波形来计算时间。

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3 LED控制电路设计

3.1 系统的功能

系统的总体结构如图3-1所示，在该系统中以5V直流稳压电源为各器件提供电源，采用555定时器定时功能和波形产生功能驱动LED发光。该系统可控制LED发光时间及频率，达到定时预报的功能。

电源电路

定时电路

脉冲波形产生电路

LED 显示

图3-1 系统总体结构图

3.2

3.2.1

LED驱动设计

LED脉冲驱动

脉冲驱动方式，采用向LED器件重复通断供电的方法使之点燃．就是利用人眼的视觉暂留特性，采用这种方式时应该注意两个问题：脉冲电流幅值的确定和重复颇率的选择。首先，要想获得与直流驱动方式相当的发光强度的话，脉冲驱动电流的平均值Ia就应该与直流驱动的电流值相同。如图3-2所示，平均电流Ia是瞬时电流i的时间积分，对于矩形波来说，其表达式如(3-1)式所示：

T

I

其中Ia代表买中电流的平均值。

a

1 ? = ? ? ? t ?

∫

tdt

（3-1）

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图3-2 LED的脉冲驱动

脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大。其次是脉冲重复频率的问题，通过视觉暂留特性的分析，己经知道脉冲重复频率必须高于24Hz，否则会产生闪烁现象。脉冲驱动的主要应用有两个方面扫描驱动和占空比驱动。

3.3 电源的设计

线性电源（5V直流稳压电源）由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。其流程图如图3-3所示：

V1

电源变压器

V2

整流电路

VR

滤波电路

VF

稳压电路

VO

～220V 50HZ 交流电网电压 V1 V2 t VR VF VO

t

t

t

t

图3-3 5V直流稳压电源流程图

3.3.1

电源变压器

图3-4所示是一种简单的电源变压器降压电路。电路中S1是电源开关，T1是电源变压器，VD1是整流二极管。从T1一次绕组输入的是220V交流市电，二次绕组输出的是电压较低的交流电压，这一电压加到VD1正极。

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(1)电路分析这一电源变压器降压电路的工作原理是：在开关S1闭合时，220V交流市电经S1（图中未闭合）加到电源变压器T1的一次绕组两端，江流电流经T1一次绕组的上端流入，从一次绕组的下端流出。在T1一次绕组流有交流电流时，T1二次绕组两端输出一个较低的交流电压。这样，T1将220V交流市电电压降到合适的低电压。电路中的电源变压器T1只有一组二次绕组，所以T1输出一个交流电压，这一电压直接加到整流二极管VD1上。如图3-4所示。 (2)电路中的电源变压器有几组二次绕组，关系到这一电路能输出几组交流低电压，也关系到对电源电路工作原理的进一步分析（分析整流电路等）。上面的电源变压器降压电路中T1只有二次绕组，所以是最简单的电源变压器降压电路。其输出波形如图3-5 所示。

图3.4 电源变压器降压电路

图3.5 变压后的波形

3.3.2

整流电路

整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导

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电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率（1KW以下）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本文主要研究单相桥式整流电路。以下分析整流电路时，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。 (1)工作原理电路如图3-4所示，图中R1是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1-D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。通过负载R1的电流i1以及电压vl 的波形如图3-6 所示。显然它们都是单方向的全波脉动波形。

图3-6 输入输出仿真波形图

(2)负载上的直流电压VL和直流电流IL的计算用傅立叶级数对图3.7中vL的波形进行分解后可得

v

L

4 4 ?2 4 ? = 2V 2 ? ? cos 2 wt ? cos 4 wt ? cos 6 wt…… ? 15π 35π ? π 3π ?

（3-2）

式中恒定分量即为负载电压的平均值，因此有

V

直流电流为

L

=

2 2V 2

π

= 0.9V 2

（3-3）

I

L

=

0.9V 2

R

（3-4）

L

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由式(3-2)看出，最低次谐波分量的幅值为 4 2 V 2 /(3π ) ，角频率为电源频率的两倍，即2w。其他交流分量的角频率为4w、6w…偶次谐波分量。这些谐波分量总称为纹波，它叠加于直流分量上。常用纹波系数Kr来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小，即

V K = V

r

Lr L

=

V ?V V

2 2 L

2

（3-5）

式中VLr为谐波电压总的有效值，他表示为

V

纹波系数 K r = 除纹波电压。 (3)整流元件参数的计算

2

Lr

=

V

2 L2

+V L4 + … =

V ?V

2 2

2 L

（3-6）

式中VL2,VL4为二次，四次谐波的有效值。由式(3-3)和式(3-5)得出桥式整流电路的

(1 / 0.9 )? 1 ≈ 0.483 。由于v 中存在一定的纹波，故需用滤波电路来滤

L

在桥式整流电路中，二极管是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为

I

向电压VRM应留有大于10%的余量。

D

=

0.45V 2 1 IL = 2 RL

(3-7)

一般电网电压波动范围为±10%.实际上选用的二极管的最大整流电流IDM 和最高反桥式整流电路的特点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。 3.3.3 滤波电路滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图3-7所示。

（a）C形滤波电路

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（b）倒L形滤波电路

(c)∏形滤波电路

图3-7 滤波电路的基本形式

由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把电场能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把磁场能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式和电感输入式。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较

大功率电源中（而且当电流很大时仅用一电感器与负载串联）。本设计重点分析小功率整流电源中应用较多的电容滤波电路，然后再简要介绍其他形式的滤波电路。 (1)电容滤波电路图3-8所示为单相桥式整流、电容滤波电路。在分析电容滤波时，要特别注意电容器两端电压vc对整流元件导电的影响，整流元件只有受正向电压作用时才导通，否则便截止。

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图3-8 电容滤波电路

负载RL未接入（开关S断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周时，v2通过D1、D3向电容器C充电；v2为负半周时，经D2、D4向电容器C 充电；充电时间常数为

τ

c

=

R

int

C

(3-8)

式中Rint包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值 2 V 2 ，输出为一个恒定的直流电压。接入负载RL(开关S合上)的情况：设变压器二次电压v2从0开始上升（即正半周开始）时接入负载RL，由于电容器在负载未接入前充了电，故刚接入负载时V2

τ

c

= RL C

(3-9)

因τ d 一般较大，故电容两端的电压vc按指数规律慢慢下降。其输出电压vL=vc。与此同时，交流电压v2按正弦规律上升。当v2>vc，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时v2经二极管D1、D3一方面向负载RL提供电流，另一方面向电容器C充电。然后，v2又按正弦规律下降。当v2< vc时，二极管受反向电压作用而截止，电容器C又经RL放电，vc下降，电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便得到一近似锯齿波的电压v2=vc，使负载电压的波动大为减小。由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点： 1)二极管的导电角θ < π，流过二极管的瞬时电流很大。电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器二次电流的有效值

= (1.5 ~ 2) I L

17

I

2

(3-10)

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2)负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且R;LC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取τ

d

=

R

L

C ≥ (3 ~ 5)

T 2

(3-11)

式中T为电源交流电压的周期。 3)负载直流电压随负载电流增加 L减小）（R 而减小。L随IL的变化关系称为输出特性。 V 在整流电路内阻不太大和放电时间常数满足式(3-12)的关系时，电容滤波电路的负载电压VL与v2的关系约为

V

L

= (1.1 ~ 1.2)V 2

(3-12)

总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。滤波后的波形如图3-9所示。由图可看出波动大小由RC决定，RC越大波动越小，RC越小波动越大。

图3-9 滤波后仿真波形图

3.3.4

稳压电路

(1)稳压电源的质量指标稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、电压调整率、输出电阻、温度系数及纹波电压等。这些质量指标的含义，可简述如下[10]：由于输出直流电压的Vo随输入直流电压Vi、输出电流Io和环境温度T的变动而变动，即输出电压Vo=f(Vi,IO,T),因而输出电压变化量的一般式可表示为

V o =

V O ?V I

V I +

V O ?V I

V O +

V O ?T

T

(3-13)

式中的三个系数分别定义如下： 1)输入调整函数

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K

V

=

V O ? IO = 0 ? V ?T = 0

I

(3-14)

KV反映了输入电压波动对输出电压的影响，实用上常用输入电压变化时引起输出电压

的相对变化来表示，称为电压调整率。 2)输出电阻 RO反映负载电流IO变化对VO的影响。有时也用电流调整率来表示。 3)温度系数温度系数愈小，输出电压愈稳定，它们的具体数值与电路形式和电路参数有关。 4)纹波抑制比纹波电压是指稳压电路输出端交流分量的有效值，它表示输出电压的微小波动。常用纹波抑制比RR表示： RR = 20 lg V IP ? P dB V

(3-15)

OP ? P

式中VIP-P和VOP-P分别表示输入纹波电压峰-峰值和输出纹波电压的峰-峰值。 (2)串联反馈式稳压电路 1)电路组成和稳压原理图3-10是串联反馈式稳压电路的一般结构图，图中V1是整流滤波电路的输出电压， Q1为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管D1与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得， R2、 R3和R5组成反馈网络，是用来反映输出电压表华的取样环节。

图3-10 串联反馈式稳压电路结构图

这种稳压电路的主回路是起调整作用的BJT与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经比较放大电路放大后去控制调整管T的CE极间电压降，从而达到稳定输出电压的目的。

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从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于电压串联反馈电路调整管T连接成电压跟随器。。调整管T的调整作用时依靠VF和VREF之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。所以V0不可能达到绝对稳定，只能是基本稳定。所以图3.10所示系统是一个闭环有差自动调整系统。 2)输出电压及调节范围基准电压VREF、调整管T和A组成同相放大电路，输出电压

V

O

= V REF

F

(3-16)

V

输出电压V0与基准电压VREF近似成正比，反馈系数FV成正比。当VREF及FV一定时，V0也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。输出电压的调节范围： R3动端在最上端时，输出电压最小

V

O min

=

R +R +R V R +R

2 3 5 5 3

REF

(3-17)

R3动端在最下端时，输出电压最大

V

(3)三端集成稳压器

O max

=

R +R +R V R

2 3 5 2

REF

(3-18)

目前，电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端稳压器。其由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路和调整电路组成。如果在外围添加可变电阻则可改变其稳压值。其电路如图3-11所示。

图3-11 电压可调三端集成稳压器

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图3-12 稳压后仿真波形图

3.3.5

电源总体设计

将前述四种电路连接起来便得到直流稳压电源，其输出电压可由稳压电路调节。根据本设计要求将输出电压设计为5V。得到如图3-13所示电路图，其输出波形图如3-14所示。在上述4种电路连接好的情况下还应该在交流市电端加保险丝，以确保不会因为短路对电路造成的危害。

图3-13 5V直流稳压电源电路图

图3-14 5V直流稳压电源总输出波形

3.4 时间控制的设计

555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，其应用极为广泛。它不

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仅用于信号的产生和交换，还常用于控制与监测电路中。定时器有双极型和CMOS两种类型产品，它们的结构及工作原理基本相同，没有本质区别。一般说来，双极型定时器的驱动能力强，电源电压范围为5～16V，最大负载电流可达200mA.而CMOS定时器的电源电压范围为3～18V，最大负载电流在4mA以下，它具有功耗低、输入阻抗高等特点。 3.4.1 555定时器

(1)电路结构 555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、简单SR锁存器、放电三极管T 以及缓冲器G组成，其内部结构图如图3-15所示。

图3-15 555定时器的电路结构

三个5K的电阻串联组成分压器，为比较器C1、C5提供参考电压。当控制电压端（5）悬空时，比较器C1和C5的基准电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。 V11是比较器C1的信号输入端，称为阈值输入端；V12是比较器C2的信号输入端，称为触发输入端。如果控制电压端（5）外接电压VIC，则比较器C1、C2的基准电压就变为 VIC和VIC/2。比较器C1和C2的输出控制SR锁存器和放电三极管T的状态。放电三极管T为外接电路提供放电通路，在使用定时器时，该三接管集电极（7）一般都要外接上拉电阻。 RD为直接复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出端VO即为低电平。当V11>2VCC/3,V12>VCC/3时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，简单SR 锁存器Q端置0，放电三极管T导通，输出端VO为低电平。

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当V11<2VCC/3,V12VCC/3时，简

单SR锁存器R=1,S=1，锁存器状态不变，电路保持原状态不变。 (2)电路功能综上所述分析，可得555定时器功能表，如表3-1所示。

表3-1 555定时器功能表输入阈值输入（V11）触发输入（V12）复位（RD）输出（VO）输出放电管T 导通截止

[9]

× <

2V CC 3 2V CC 3 2V CC 3

× < V CC 3 > V CC 3 > V CC 3

0 1

0 1

1

导通

>

1

不变

不变

<

(3)用555定时器组成的单稳态触发器用555定时器组成的单稳态触发器如图3-16所示。没有触发信号时VI（2）处于高电平，如果接通电源后Q=0，T导通，电容通过放电三极管T放电，使Vc=0，Vo保持低电平不变。如果接通电源后Q=1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R1向电容C2充电，当 Vc上升到某值时，由于R=0,S=1,锁存器置0，Vo为低电平。此时放电三极管T导通，电容 C放电，Vo保持低电平不变。因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态Vo=0。如图3-17波形图所示。若触发输入端施加触发信号为低电平，电路的输出状态由低电平跳为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T 截止。此后电容C2充电，当C2充电至Vc=2VCC/3，电路的输出电压Vo由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容C放电，电路返回到稳定状态。如果忽略T的饱和压降，则 tW = RC ln 3 ≈ 1.1RC 。因此可用改电路作为定时器产生电路，定时时间通过R1和C2来设置，这种电路产生的脉冲宽度可从几个微秒到数分钟，精度可达0.1%。

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图3-16 555定时器组成的单稳态触发器

图3-17 555定时器单稳态触发器输出波形

(4)用555定时器组成的多谐振荡器用555定时器组成的多谐振荡器如图3-18所示。接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2Vcc/3时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C2通过R2和T放电，Vc 下降。当Vc下降到Vcc/3时，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为

= ≈ 0 .7 R 2 C 2

t

所需的时间为

pL

R ln 2

2

(3-19)

当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3 t

pL

= (R 2 + R1)C 2 ln 2 ≈ 0,7 ( R + R1)C 2

2

(3-20)

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当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如图3-19所示，其振荡频率为

f = 1 ≈ t pL + t pH 1.43 (R1 + 2R2 )C 2

(3-21)

图3-18 多谐振荡电路图

图3-19 多谐振荡输出波形图

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由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，用555定时器组成多谐振荡器的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。图3-18所示电路的 t pL ≠ t pH ，而且占空比固定不变。如果要实现占空比可调，可采用如图3-20所示电路。由于电路中二极管D1、D2的单向导电特性，使电容器C的充放电回路分开，调节电位器，就可调节多谐振荡器的占空比。图中，Vcc通过RA、D1向电容C 充电，充电时间为≈ 0 .7 R A C 2

t t

因而，振荡频率为

f =

pH

pL

(3-22)

电容器C通过D2、RB及555中的三极管T放电，放电时间为

≈ 0.7 R B C 2

(3-23)

1 ≈ t pL + t pH

1.43 (R A + RB )C 2

(3-24)

电路输出波形的占空比为

q(% ) =

R A + RB

R

A

× 100%

(3-25)

图3-20 占空比可调多谐振荡电路

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图3-21 占空比可调多谐振荡输出波形

说明：图3-21中滑动变阻器阻值为10K，滑动点设为中点，那么RA=7K，RB=7K，按式 (3-22) 和 (3-23) 计算得 Tpl=Tph=49ms 。但是通过 pspice 仿真后得到的波形图看 Tpl=Tph=63ms。发现其系数是0.9，与公式中的0.7不符。而图3-19中得出的结论与公式中的0.7相符。该电路可作为脉冲产生电路，可以脉冲驱动的方式驱动LED，频率由式（3-24）算得。同时也可以做为定时电路，定时时间可由式（3-23）算得。

3.5

总体电路设计

将上述各设计连接好后便得到本次设计所需要的电路图，初步设定该电路定时时间

为11S，LED发光频率为1kHz，电源电压为5V。该电路可用于很多简单的控制电路，在工业，医药，农业以及照明系统中也广泛应用，因为一块555芯片的造价很便宜，而且集成度也较高。因此，本次设计是个小型的但很实用的系统。完成后的系统电路图及PCB 图如3-22和3-23所示。

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图3-22 总体设计电路图

图3-23 总体设计PCB图

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结

论

随着国内外LED的高速发展，我们的世界越来越美丽精彩。从国外先进的LED技术到国内正在举办的世博会，LED是其主要元素，如此绚丽的光景更是前所未有。显然LED已经成为当今的主要研究对象。因此对LED的控制显得更为重要，对不不同功能的LED要选择合适的电路才能充分发挥其功能。本文详细介绍了LED时间控制电路系统的设计。从LED的驱动方式、电源的设计及555 时基电路的设计都做了较为详细地分析和设计。系统的电源部分包括：变压电路、整流电路、滤波电路及稳压电路。该部分主要为各芯片以及LED提供能源，使其能正常工作。系统的时间控制部分包括：由555定时器组成的单稳态触发电路和多谐振荡电路。单稳态触发电路主要是起定时的作用，控制LED发光的时间。多谐振荡电路主要提供LED 发光的工作频率，使其能更好的工作。系统总体设计电路相对简单，所具有的功能也相对单一。但是对一些简单实用的家用电器控制方面还是实用的，因为其使用元器件少，造价低，可广泛使用。尽管本论文对LED驱动电路系统已能实现基本的定时功能，并且也实现了LED驱动频率可调的要求，但由于作者水平和时间有限，离一个完全使用的，能够完全符合市场需求的LED驱动电路还有一定的差距。尤其在实际输出波形与理论上有差距方面还有大量工作需要完成。希望能与各位老师和同学交流、探讨，不断提高自己分析和解决问题的能力。

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致

谢

本文的设计工作是在我的导师何艳艳老师精心指导和悉心关怀下完成的，在我论文的研究和撰写过程中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师严谨的治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识、也

学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。然后还要感谢我的父母，他们在生活和学习上给予了我很大的帮助和鼓励，是他们给了我努力学习的信心和动力。对帮做过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！同时衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授！

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附

电路原理图：

录

电路PCB图：

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元器件清单：

Comment 220v Cap Bridge1 LED1 Diode 1N4148 Res2 RESVR 3K SW-SPST Trans Cupl LM317 555 Description Designator Footprint VSIN Cap Bridge1 LED1 Diode 1N4148 Res2 RESVR RESVR SW-SPST Trans Cupl LM317 555 LibRef 1 7 1 1 2 9 1 1 1 1 1 2 Quantity

Sinusoidal Voltage Source 50Hz Capacitor C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7 RAD-0.3 D-38 LED-1 DO-35

Full Wave Diode Bridge D1 Typical RED GaAs LED D2 High Conductance Fast Diode D3, D4 Resistor Potentiometer Potentiometer

R1, R2, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R11 AXIAL-0.4 R3 R10 VR VR SPST-2 TRF_4

Single-Pole, Single-Throw Switch S1 Transformer (Coupled Inductor Model) T1 3-Terminal Adjustable Positive Voltage Regulator U1 U2, U3 DIP-8

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