LED声控照明电路设计与实现

LED（Lighting Emitting Diode）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。

1.1 LED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]。
  1.1.2 LED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。
  1.1.3 LED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LED
LED（Lighty Emitting Diode），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]。
  1.1.4 LED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	40-110
LED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	10	54750	0.8	43800	131400
LED照明灯	10	21900	0.8	17520	52560

1.2 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。 　

2.2 LED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要消耗很大部分的功率。
（5）RC降压式开关电源
这种方式的 LED驱动电源优点是稳压范围比较宽、电源工作效率比较高，一般可在70%～80%,应用较广。缺点主要是开关频率不易控制，负载电压波纹系数较大，异常情况负载适应性差。
（6）PWM控制式开关电源
    就目前而言，PWM控制方式设计的LED驱动电源比较理想，因为这种开关电源的输出电压或电流都很稳定。电源转换工作效率高，一般可以高达80%～90%，并且输出电压和输出电流都十分稳定。这种方式的LED驱动电源主要由四部分组成。它们分别是:主输入整流滤波部分、输出整流滤波部分、PWM稳压控制部分、开关变换部分。但它也是最昂贵及技术最复杂的LED电流控制方案。它们与线性稳压器及简单的电阻稳流方案不同，易受电磁干扰(EMI)影响，为设计人员带来了另外一项需要克服的挑战。对于中到大功率方案而言，或者应用需要处理宽输入电压范围，开关稳压器是唯一可行的选择[4][5]。
  2.2.3 隔离与非隔离式
根据电源输入与输出电路形式也可分为隔离驱动和非隔离驱动，前者以开关电源为代表，而后者主要包括电容降压式和恒流/恒压IC。其相关性能、功耗、成本以及主要应用如表2-1所示。
表2-1小功率LED驱动方案比较
 

	种类	性能	功耗及成本	主要应用
隔 离 式 驱 动	电泵式开关电源	输入输出隔离，安全稳定，无电磁干扰，输出电流较大，但电压相对较低	功耗适中，需控制Ic，成本较高	适合于数量较少的大功率LED应用
	电感式开关电源	输入输出隔离，安全稳定，体积小，效率高，多路输出，控制性能好，可进行调光，可恒压、恒流、但存在电磁干扰	功耗较大，且成本高	大功率或电流在几百毫安的应用
非 隔 离 式 驱 动	电容降压器	输入输出不隔离，有安全隐患，效率低，无电磁干扰，恒流驱动，LED亮度一致，但不适合负载变化场合	功耗低，成本低廉	适合小功率或电流较小的应用
	恒流/恒压Ic	输入输出不隔离，有安全隐患，效率相对电容降压式高，可恒压、恒流，无电磁干扰	功耗小，成本适中	所连接LED数目较少，小功率LED应用

由于LED是电流随电压变化显著的器件，当LED正向导通时，其正向电压的微小变化便可引起LED电流的巨大变化。对于稳压式LED驱动电源而言，当负载变化时，电流波动较大，LED在大电流下工作较长时间会损坏。实验表明当流经LED的实际电流为其允许的最大电流的70%时，LED的发光效能为最佳。同时，由于发光二极管PN结的电压温度系数为-2mV/℃左右，当LED散热不良导致温度升高时，其工作电流也会较初始阶段有明显变化，这也是市面上各种LED产品快速老化的主要原因。显然，保证LED的驱动电流稳定对于LED的防老化显得尤为重要。因此，恒流式驱动电源是比较理想的LED驱动方式。通常驱动LED均采用专用恒流源或者驱动芯片，当受体积和成本等因素的限制时，最经济实用的方法就是采用电容降压式电源。用它驱动小功率LED具有不怕负载短路、电路简单等优点，而且一个电路能驱动1～70个小功率LED。但是，这种电源电路启动时的电流冲击,尤其是频繁启动，会给LED造成破坏。当然，采取适当的保护便可避免这种冲击。
电容降压式电源的典型电路如下图所示，C1为降压电容器(采用金属化聚丙烯电容),R1为C1提供放电回路。电容C1为整个电路提供恒定的工作电流。电容C2为电解电容，其耐压值取决于所串联的LED的个数(约为其总电压的1.5倍以上)，它的主要作用是抑制通电瞬间引起的电压突变，从而降低电压冲击对LED寿命的影响。R4为电容C2的泄流电阻，其阻值应随着LED个数的增加适当增加。

图2-2 电容降压式电源的典型电路图

需要注意的是，必须根据负载的电流大小选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率，通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为:C=14.5I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。限流电容必须采用无极性电容，而且电容的耐压值须在630V以上。
  2.2.4 保护电路
由于电容降压电源是一种非隔离式电源，在通电瞬间会产生很大的电流，也就是所谓的浪涌电流。此外，由于外界环境的影响如雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌信号，有些浪涌会导致LED的损坏。而LED抗浪涌电流和抗反向电压能力都比较，加强这方面的保护也非常重要，尤其是有些LED灯装在户外，如LED路灯。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。本电路采用NTC(负温度系数热敏电阻)来限制电流的突变，利用PTC(正温度系数热敏电阻)自动调节电流大小使之趋于某个特定的变化范围，同时在电源输入端并有TVS(瞬态电压抑制器)以避免电压过载。
（1）NTC保护
NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数,泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。限制浪涌电流的最简单有效的方法是在线路输入端串联一只NTC热敏电阻，如图2-2中的R2。由于在冷启动时，NTC热敏电阻呈现高阻抗，因而使浪涌电流得到限制。而当电流的热效应使NTC热敏元件的温度升高，NTC阻值急剧下降时，对系统的电流限制作用会较小。由于NTC热敏电阻在热态下的阻抗并不是零，故会产生功率损耗，当然这种损耗是很小的[6]。
（2）PTC保护
PTC(Positive Temperature CoefflCient)是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料。为使电路中的电流在正常工作下趋于稳定，本电路还采用了PTC 热敏电阻,如图1中的R3。电流通过PTC热敏电阻后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻增加，从而限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能。
PTC元件串接在电路中，正常情况下，呈低阻状态，保证电路正常工作；当电路发生短路或窜入异常大电流时，PTC元件的自热使其阻抗增加把电流限制到足够小，起到过电流保护作用。当产生过电流的故障得到排除，PTC元件自动复原到低阻状态。既避免了维护更换，也避免了可能引起电路损坏的持续循环的开闭状态[16]。
（3）TVS保护
瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor)，简称TVS，是在稳压管基础上发展起来的一种高效保护器件，主要用于对电路元件进行快速过压保护。当TVS管两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10～12秒量级的速度将两极间的高阻抗变为很低的阻抗，吸收高能量的浪涌，将两极间的电压箝位于一个预定值，保护电子线路中的元器件免受各种浪涌脉冲的冲击而损坏。
对于过压保护这一方面，本电路就是在电源输入端并联了TVS，如图2-2中的D2，这样可以将电压维持在TVS最大承受范围之内，当出现电压高于TVS击穿点的过压的现象时，可以让电流流经TVS，藉此保护LED照明灯具。
实验表明，将指针万用表串入电路后，在电路通电瞬间，指针突然偏转大角度的现象得到明显的改善，有效地防止了浪涌电流对LED的冲击。同时，启动一段时间后，电流有所下降，并逐渐趋于稳定。用1W的金属膜电阻或绕线电阻代替NTC也可达到要求，过压保护选用TVS或者压敏电阻均可[14][15]。

2.3 声光控制部分
 

图2-3声光控制部分电路框图

  2.3.1 555定时器
 

图2-4 555定时器内部框图

555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器 C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5kΩ的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。目前，流行的产品主要有4个：BJT两个：555，556（含有两个555）；CMOS两个：7555，7556（含有两个7555）。
555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。
两个比较器C1和C2各有一个输入端连接到三个电阻R组成的分压器上，比较器的输出接到RS触发器上。此外还有输出级和放电管。输出级的驱动电流可达200mA。
比较器C1和C2的参考电压分别为UA和UB，根据C1和C2的另一个输入端——触发输入和阈值输入，可判断出RS触发器的输出状态。当复位端为低电平时，RS触发器被强制复位。若无需复位操作，复位端应接高电平。
555定时器的应用：
 

图2-5 555定时器的典型应用电路图

（1）构成施密特触发器，用于TTL系统的接口，整形电路或脉冲鉴幅等；
（2）构成多谐振荡器，组成信号产生电路；如上图，振荡周期：
                                （2.1）
（3）构成单稳态触发器，用于定时延时整形及一些定时开关中。
555应用电路采用这3种方式中的1种或多种组合起来可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等[13]。　　
  2.3.2 单向可控硅的控制
在分析其工作原理前，先来介绍一下单向可控硅的工作原理。
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，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

 

图2-6 单向可控硅

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，具体转换条件详见表2-2可控硅导通和关断条件表所示：表2-2 可控硅导通和关断条件表

状态	条件	说明
从关断到导通	1、阳极电位高于阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流	两者缺一不可
维持导通	1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流	两者缺一不可
从导通到关断	1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流	任一条件即可

  2.3.3 光敏控制部分　
当白天或者亮度大于一定程度的时候，光敏电阻的阻值非常的小，这样对于光敏的支路来说，相当于直接接地，则相当于将后面的电路和前面的电路隔离开来，三极管B2就始终处于截止的状态，单向可控硅无触发电流就不会导通，电路就不会工作。当黑暗无光的情况下，光敏电阻呈现高阻值状态，不影响三极管B1和三极管B2之间的信号传送。此时，声控的部分才能够发挥作用。
  2.3.4 声控部分
当有足够信号的声音传入的时候，声控部位将声音信号转化为电信号，通过三极管B1将其信号放大，使的其信号的大小能够触发三极管B2。电路的第一级和第二级之间通过电阻和电容元件连接，故称为阻容耦合放大电路。阻容耦合的优点是，由于前、后级之间通过电容相连，所以各级的直流电路互不相通，每一级的静态工作点都是相互独立的，不致互相影响，这样就给分析、设计和调试带来很大的方便。而且，只要耦合电容选的足够大，就可以做到前一级的输出信号在一定的频率范围内几乎不衰减地加到后一级的输入端上去，使信号得到了充分的利用。
当声音信号消失的时候，二极管截止，三极管都不再工作，但是通过电容放电，使三极管仍然能够再导通一段时间，还能对单向可控硅提供电流。这样的延迟不至于在信号消失的时候灯就不亮了，可实用性高。当电容的电量放完之后，电路恢复最开始没有信号的时候。当声音信号再进来的时候，重复循环以上的情况。

3 设计过程论述
3.1 电路组成

图3-1  LED驱动电路图

LED驱动电路如图3-1所示。可分为主电路和控制电路两大部分。主电路为LED负载与单向晶闸管VT1的串联电路。控制电路又可分为直流电源和光声控制的单稳态触发器两部分。直流电源由半波整流电路，电容滤波电路和晶体管串联型稳压电路组成。光声控制的单稳态触发器由电阻R2和光敏电阻RG组成的光电转换电路，电阻R3、电位器RP和驻极体话筒MK组成的声电转换电路以及CMOS型7555定时器等元件组成的单稳态触发器组成。
3.2 工作原理
白天光线强时，光电转换电路输出低电平，送7555定时器的R端，迫使单稳态触发器输出低电平，使VT1处于关断状态，从而保证了白天光线强时灯泡不亮。晚上光线弱时，光电转换电路输出高电平送7555定时器的R端，不影响单稳态触发器的输出状态。此时，声电转换电路产生的足够强的声音电信号可通过7555定时器的TR端，使单稳态触发器由稳态的低电平输出翻转为暂态的高电平输出，使VT1导通，点亮灯。调节声电转换电路中的RP，可调整声控灵敏度。灯亮的持续时间TL就是单稳态触发器的暂态时间由电阻R3和电容C3确定。
图中的二极管VD2用于防止灯泡提前熄灭。如果没有VD2,当晚上光线弱且在声音控制下使灯泡点亮时，明亮的灯光照射在RG上，与白天光强时的情形一样，光电转换电路输出低电平送7555定时器的R端，迫使单稳态触发器输出低电平，使VT1在电流过零时关断，从而使灯泡达不到R3和C3所确定的时间而提前熄灭。有了VD2，可在单稳态触发器输出高电平期间将光电转换电路的输出锁定在高电平状态，从而确保灯亮的持续时间由R3和C3确定。
3.3 参数设计
照明光声控制电路的参数设计原则是在实现其控制动能和降低成本的前提下，尽可能减小功耗。电路中的单稳态触发器采用CMOC型7555定时器而不采用TTL型555定时器，其目的正是为了减小功耗。下面仅讨论各部分电路一些主要参数的设计要点。
  3.3.1 主电路的参数设计
主电路的参数设计很简单，只需根据被控灯泡的额定电压和额定电流确定交流电压UAC的电压等级和选择晶闸管VT1的具体型号即可。在选择晶闸管型号时，应尽可能选用触发电压和触发电流较小双向晶闸管，这样可以适当增大限流电阻R5的阻值，以减小单稳态触发器的动态功耗。
  3.3.2 参数设计
在进行这部分电路的参数设计时，首先应确定其工作电压。CMOS型7555定时器的工作电压范围为3～18V，考虑到大多数晶闸管的触发电压一般在2～5V之间，驻极体话筒的典型工作电压通常为4～5V，故工作电压可取5V左右。
降压电容值的选择：
对于负载所消耗的20mA的电流I0至少需要降压电容值为0.29μF,因图中增加高压稳压二极管降压，而二极管工作时也需要消耗较大的电流，另外为保证电容C可靠工作，其耐压选择应大于2倍的电源电压，因此应选择两个0.47uF/630V电容并联工作。
整流及滤波电路：
整流桥上单个二极管所承受的电压最大值  ( 为输入电压的有效值)=318.4V，因此选用常用的整流二极管1N4007(URM=1000V,IF=1A)。
为使输出端得到平滑的负载电压，一般取RLC≥(3～5)T/2，其中RL为负载阻抗，T为输入信号周期(0.02s)，可得C≥24.38μF。原则上，电容值取的越大，输出电压越平滑，其纹波值越小。但是随着电容容量的增大，一般其体积也随之增大，考虑到该电路板面积，实取47μF/160V的电解电容。
工作电压确定后，要特别考虑到以下几点。
   （1）光电转换电路中的RG应尽可能选择暗电阻较大的光敏电阻。对于用于路灯控制的照明光声控制电路一般可使环境光线在10XL左右,即可通过,声音控制使灯泡点亮。而CMOS型7555定时器R端的转换电压为VDD/2,故光电转换电路参数可按下式设计:
                       （3.1)
式中 为光线在10XL时光敏电阻RG的阻值。故应尽可能选择 较大的光敏电阻,因为 较大,按式(3.1)算得的 也较大,从而可减小光电转换电路的静态电流和功耗。
 

图 3-2声电转换部分

   （2）声电转换电路中的MK应尽可能选择工作电流IMK较小的驻极体话筒。上图为包括驻极体话筒内部电路的声电转换电路。由图可知,驻极体话筒的工作电流就是驻极体话筒内部场效应管的静态漏极电流 。因此,IMK越小,声电转换电路的静态功耗就越小。
   （3）定时元件R4的阻值取值要适当。灯亮的持续时间TL(即单稳态触发器的暂态时间)为
                                (3.2)
通常,取TL=30～50s。显然,R4的阻值取得越大,C3的电容量就可取得越小,这有利于减小体积和降低成本。同时，R2的阻值取得大一些，还可减小其功耗。但考虑到7555定时器内部运算放大器两个输入端电阻的平衡，R4的阻值不能取得太大，一般可取1MΩ左右。TL和R4的参数确定后，即可由式(3.2)求得C3的电容量。若R4取1M，则C3取47uF可延迟50s左右。

4 结论
按照电路图完成的电路设计，在光照下有声响LED灯不亮，在黑暗环境下，有声响LED灯亮，并延时50s。在电路图中，共接入了28只LED，可以达到的功率为了2W左右，可代替普通的20W的白炽灯，完全符合小功率LED照明需要。通过本次实验设计，了解了常用的降压的方法，熟悉了使用555定时器设计声控开关，并掌握了小功率LED的驱动。