一種新型的LED燈調(diào)光裝置

研究背景

有時晚上寫作業(yè)會感到燈光太暗，但是再打開一盞臺燈又會感到光線刺眼，沒有辦法讓光線達到我想要的亮度。目前，我國正大力推進環(huán)保及節(jié)能減排項目，更為節(jié)能的LED照明已經(jīng)得到越來越廣泛的應用。LED是一種新型的照明設備，其發(fā)光效率可達80%～90%，比普通節(jié)能燈還要節(jié)能1/4；加之其壽命長（可達10萬小時），因而LED燈具已成為最有市場應用前景的新型照明設備。具備可調(diào)光功能的LED燈具是一個重要發(fā)展趨勢，但目前具備良好調(diào)光功能的燈具仍不很多，借助專用調(diào)光芯片的產(chǎn)品成本較高。生活中的許多場合都需要靈活調(diào)節(jié)LED燈的亮度，以滿足我們對不同光照的要求。LED燈能否調(diào)光，又是如何調(diào)光的，這些調(diào)光方法又能否改進，帶著這些問題我開始了本項目的研究。

項目研究思路

設計目標

本文設計一種LED燈調(diào)光裝置，希望達到：

不改變原有照明系統(tǒng)開關、

線路、燈具就可以實現(xiàn)LED燈

調(diào)光；

LED燈具的起亮點為0，即

調(diào)光范圍從0-100%，且沒有

高頻閃爍；

成本要大大低于現(xiàn)有的調(diào)光裝置。

提出的調(diào)光方法

本文提出的LED調(diào)光方法能夠?qū)崿F(xiàn)如圖1所示的功能。

本方法（或裝置）有2種調(diào)光模式：模式1是平滑調(diào)光模式。用戶上電后，LED亮度將從0到100%平滑增大。模式2是恒定亮度照明模式。用戶上電后，LED以0-100%間的某個亮度恒定照明。

上述2種模式間互相切換的方法為：

模式1→模式2

在亮度從0-100%增大的過程中，關掉電源，當燈熄滅之后立即開啟開關，則LED將以掉電時LED的亮度恒定發(fā)光。

模式2→模式1

在模式2（恒定亮度照明）下的任意時刻斷電并在2秒鐘內(nèi)上電，則照明模式將會回到模式1。

實現(xiàn)過程

硬件組成

本調(diào)光裝置的硬件系統(tǒng)組成如圖2所示?，F(xiàn)成的整流模塊將220V交流電轉(zhuǎn)變成為LED燈珠提供驅(qū)動能力的350mA/3W恒流源，調(diào)光控制電路負責完成上述2種照明模式及其切換，并直接驅(qū)動LED燈。

具體說明如下：

整流模塊。本系統(tǒng)的整流模塊采用3個1W大功率LED恒流驅(qū)動電源，其輸入電壓范圍為90～264V，恒流輸出為350±10mA，可以驅(qū)動1－3個1W的大功率LED燈珠串聯(lián)使用。

LED燈。LED燈有多種功率等級，本系統(tǒng)采用的是3×1W（3個1W燈珠串聯(lián)）。

自己制作的調(diào)光控制電路?？刂齐娐防秒娙莸某浞烹妬砜刂芃OS管的開啟程度，進而控制流經(jīng)燈珠的電流大小，從而達到控制亮度的目的。充放電控制電路包括慢充電路、快充電路和放電電路，目的是靈活控制電容C上的電壓。掉電檢測用來檢測掉電后2秒內(nèi)上電時出現(xiàn)的電壓波谷。硬件電路主要由單片機（MCU）、充放電控制電路、電容C、MOS管、掉電檢測組成，其功能框圖如圖3所示。

軟件組成

上述調(diào)光功能的實現(xiàn)需要利用單片機的程序進行控制，本系統(tǒng)的軟件利用C語言編程實現(xiàn)。

結(jié)論

本項目設計制作了一種新穎的LED燈調(diào)光裝置，該裝置具有如下特點：

起亮點低，可以從0亮度開始緩慢變亮。

亮度變化平滑，無任何閃爍現(xiàn)象。

操作簡便：僅需操作普通照明開關上、掉電一次就可實現(xiàn)模式切換。

成本低：本方法無須采用任何集成的LED專用芯片，僅用低成本MCU及若干MOS管分立元件即可實現(xiàn)調(diào)光功能。

本調(diào)光裝置無須更改現(xiàn)有的照明開關（即無須使用旋鈕開關）、線路及LED燈具。只需在現(xiàn)有LED燈具與直流電源之間插入本調(diào)光裝置即可。

鑒于上述優(yōu)點，采用本文方法調(diào)光的LED燈可以廣泛用于工業(yè)、家庭、學校、醫(yī)院、車站等對光線要求靈活的場合，具有良好的市場應用前景。

創(chuàng)新點

解決了高頻閃爍問題。本人開發(fā)的裝置利用電容的充放電原理實現(xiàn)LED亮度控制，可以實現(xiàn)亮度的平滑變化，無任何閃爍現(xiàn)象。

解決了起亮點低的問題。利用脈寬調(diào)制方法難以獲得比較低的起亮點，采用本文的方法，可以較為容易地將LED的起亮點控制在一個非常低的水平。

操作簡單。利用普通電源開關即可實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。

成本低。因為本裝置不改變原有線路、設備，也不使用專門調(diào)光芯片。

節(jié)電。無調(diào)光裝置的LED燈都是以最大亮度照明的（最大功率），使用本裝置可任意設置所需亮度（或功率），實現(xiàn)電能節(jié)約。

展望

為了能夠?qū)⒃撗b置用到LED燈具中，需要將硬件電路做成一個很小的印刷電路板（PCB）。目前這一步也已經(jīng)完成，如果通過了可靠性測試，則可以用于批量生產(chǎn)，進行商業(yè)化推廣，具有良好的市場應用前景。

感想

這個項目的啟動是由于我在生活中遇到了小麻煩。在想要解決麻煩的心態(tài)的引導下，我開始有了這個構(gòu)思。這次活動使我的創(chuàng)新能力以及動手能力有了極大的提高，并且磨煉了我的意志力，使我勇于面對困難。

真正將這個想法付諸行動之時，是需要付出精力與汗水的。在我?guī)缀跸胍艞壍臅r候，老師和專家們總是會給予我支持與鼓勵，讓我堅持下來。通過整個研究，我學習到的不僅僅是與這個項目本身有關的具體知識，更有科學研究時所必需的嚴謹態(tài)度、堅持不懈的毅力和勇于探索、敢于面對挫折的精神。

雖然項目的研究過程十分艱辛，但是在老師與專家的幫助下，我最終完成了項目，讓想法變?yōu)榱爽F(xiàn)實，得到了想要的結(jié)果，讓“環(huán)保低碳”的思想能夠在生活中更好地體現(xiàn)，這次的經(jīng)歷將是我人生中一筆寶貴的精神財富。

圖1 兩種調(diào)光模式

圖2 硬件系統(tǒng)組成

圖3 硬件電路框圖

該項目獲得第26屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組物理學一等獎。

專家評語

該項目作者研究開發(fā)了一種LED燈的新的調(diào)光方法。作者不僅能掌握課堂上學到的科學知識，還能開拓和學習并接受新的知識，大膽設想，勇于實踐，具有一定的科技創(chuàng)新能力。