实验题目：自动调光 LED 照明控制电路的设计

1. 课程简要信息

课程名称：电子线路课程设计课程学时：32适用专业：电子信息工程、通信工程学生年级：三年级，第五学期

2. 实验内容与任务（限 500字，可与“实验过程及要求”合并）

设计说明：智能调光台灯（护眼灯）是在自然环境亮度改变时能自动调整台灯亮度，维持书桌桌面亮度的稳定，灯光无闪烁，保护视力。本实验以此产品为背景，用光感元件和功率照明 LED 做原理性设计实验。

设计要求：（采用纯模拟电路实现以下功能）

1、LED 灯珠工作无闪烁现象；
2、根据 LED 照明元件特点，LED 灯珠需采用电流源控制方式供电
3、设计一个光线亮度检测电路，其输出电压能随光线近似线性变化；
4、该控制电路具有环境亮度检测和 LED 亮度控制功能，LED 亮度可跟随环境光照变化，保持桌面照度基本稳定。
5、增加适当的保护电路，防止元件损坏。
注：功率 LED 灯珠参数：额定电压： $3 . 0 \mathrm { V } { - } 3 . 5 \mathrm { V }$ ;额定电流： $3 0 0 \mathrm { m A ^ { - } 3 5 0 \mathrm { m A } }$ ；根据 LED 的工作原理，其输出功率和流过的电流近似成线性关系；为了演示方便，用一盏调光台灯模拟自然光，LED 照明的亮度可跟随调光台灯的
亮度反向变化。

3. 实验过程及要求（限 300 字）

1） 学习了解不同类型的光敏传感器的特性和使用方法；
2） 深入理解和掌握运算放大器工作原理，灵活拓展运算放大器的应用范围；
3） 关注元器件的多重参数特性，如运算放大器的输入输出特性，电阻的功率要求等；
4） 对设计出的电路灵活采用 CAD 技术，模拟实验结果；
5） 构建一个简易的测试环境，采用调光台模拟自然光线，观察光敏传感器输出电压的变化，以
及调光台灯的亮度对 LED 灯亮度的影响。
6）撰写设计总结报告，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

这是一个运用模拟电子技术解决现实生活和工程实际问题的典型案例，有较高的展示度。

完成实验需要运用传感器及检测技术、信号放大、功率驱动、反馈控制等相关知识与技术方法，模拟电路知识点覆盖面广；实验电路内部各单元之间层次结构分明，既有相对的独立性，又有一定关联性。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

在实验项目中实现完整的“理论计算-电路仿真-实验操作-电路调试”电子电路设计流程，引导学生根据项目需要设计电路、选择元器件，掌握电压控制电流源电路、传感器信号调理电路、保护电路的设计。熟悉单元电路调试、系统联调及故障排查技巧。

6. 教学设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1）LED 灯珠工作时无闪烁显现，则 LED 亮度不能采用 PWM 脉宽调制方式控制，而应该采用电流控制方式；
2） 学习光线强度测量的基本方法，了解随着光线强度测量范围与测量精度要求的不同，在传感器选择、测量方法等方面不同的处理方法。
3） 建议采用模拟输出的传感器，根据传感器数据指标和实验室环境确定电路参数值，以达到较好的实验效果。
4） 深入理解运算放大器的工作原理，可以简略地介绍反馈控制的基本原理，灵活应用运算放大器的特性（虚短、虚短、反馈、轨对轨）设计满足实验要求的电路，如电压控电流源，误差放大电路，并理解运算放大器的反馈信号不一定是实体电子元件，也可以为外部环境参数（光强、温度等）。
5）对于 LED 功率驱动要考虑到元件的功率容限问题，如电阻的功率、功率器件的电流及散热等；
6） 提出可靠性设计理念，引导学生在设计中加入保护电路
7） 在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量；需要根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，搭建较为稳定的测试环境。
8） 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、滤波电容对系统指标的影响以及电路工作的稳定性与可靠性；

7. 实验原理及方案

1） 系统结构

系统结构图

2） 实现方案

参考电路

本参考解决方案分为传感信号处理、误差放大、电压控制电流源、功率驱动以及过流保护电路5个部分。

对于传感器的选择而言，可供选择的传感器有光敏电阻，光敏二极管，光敏三级管，以及各类集成传感器等。因本设计性实验要求采用纯模拟电路完成，所以能够选择的传感器仅为电压或电流输出的光敏传感器。

U1A 完成误差放大功能，主要是将从传感器采集到的光线强度电压和设定的光强电压做比较，根据误差大小调整后续电流源的大小，从而增强或减弱 LED灯的发光强度。

U1B 实现了电压控制电流源电路，输出电流 $\mathrm { ( I ) = V _ { U 1 B - 5 } / R 7 }$ 。

为防止输出电流超过 LED 允许的最大工作电流，设置 D2 稳压器，限制 $\mathrm { V _ { U 1 B - 5 } }$ 最大电压，则限制了LED的最大电流。

8. 教学实施进程

设计准备：

1、了解项目工程背景；
2、 自主了解学习传感器相关知识；
3、 了解电压控制电流源的工作原理；
4、 复习运算放大器的相关基础知识以及相关参数计算方法；

设计引导：（以参考电路为例）

1、 确定本实验所需的最小供电电压 VCC： $\mathrm { V C C } > = \mathrm { V } _ { \mathrm { R 7 } } + \mathrm { V } _ { \mathrm { Q 2 C E } } + \mathrm { V } _ { \mathrm { L E D } }$ ；
2、 依据传感器输出电流对光线的特性，确定电阻取值范围；
3、 运算放大器的工作原理在设计中的应用；
4、 电压控电流源的计算方法，采样电阻R7的取值；
5、 理解运算放大器的光反馈。

可能出现的问题现象以及原因：

现象：

1、 LED 灯的亮度变化线性区很小，只有最亮（LED 电流最大）和最暗（LED 电流最小）两种状态；2、 环境光线很强的时候， LED 灯电流也不为零，LED 灯珠不能全部熄灭；

3、电阻R7 发热严重，易损毁；
4、LED 灯珠发热严重，易损毁；
5、Q2发热严重，易损毁。

原因：

1、和传感器相连的电阻 R1阻值选取不合适，此阻值需要根据光敏传感器在自然光线变化范围内的输出参数做调整，确保在自然光线变化过程中，UR1处于连续变化过程。
2、 由于运算放大器采用单电源供电，如果设计采用的是通用运算放大器（如 LM358 等），而非轨对轨输入输出的运算放大器（如TLC2262等），就会出现此现象，因为运放 U1A输出不为零，非轨对轨运算放大器输出有 0.3V 左右，则电压控电流源输出不会为零，造成LED灯珠无法完全关闭的现象；
3、学生初次设计实物电路，仅仅注重元件值的计算，忽视了功率计算，实验室提供的电阻一般是0.25W的功率，R7需要的功率明显大于 0.25W，可引导学生采用串并联方式利用实验室现有低功率电阻，得到所需的电阻。
4、 LED 灯珠发光效率高，但发热量也很大，需要配备散热器，另外，如果没有 D2 元件，在输入环境光线很弱时，会使 U1A 输出电压过高，造成 LED 灯珠过流，D2 可钳位电流源输出的最大电流。
5、除了要注意Q2承载的电流需大于 LED工作电流外，还要注意Q2耗散功率的要求，这点学生很容易忽视。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析；
2） 实现方案论证：传感器选择，典型电路
3） 理论推导计算：本电路最低的工作电压，采样电阻的阻值与功率要求，
4） 电路设计与参数选择：LED 灯工作电流的推导，传感器电路参数
5） 电路测试方法：按功能分区，分别独立测试
6） 实验数据记录：在自然光变化的条件下，LED 灯输出的最大功率和最小功率
7） 数据处理分析：自然光照度对 LED 亮度和传感器输出信号的影响
8） 实验结果总结

10.考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收：LED 灯光的亮度（输出功率）能跟随模拟自然光明显连续变化，传感器输出值基本保持稳定。
2）实验质量：电路方案的合理性，实验板元件分布合理，焊接点光滑，无虚焊，有测试点，重复性较好。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4）实验成本：在满足功能性能的前提下，合理选择实验室现有材料和元件，能提供成本和损耗清单。
5）实验数据：测试数据和测量误差。
6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目特色在于：以简化的实际产品为模板，通过极少的元器件数量和极简的电路，集中体现了模拟电路的特点，电路中融合了传感器感知、信号调理、自动控制、反馈等知识。

参赛信息表