本科生創(chuàng)新實踐課程建設探索

袁登科 牙生·合力力

【摘要】創(chuàng)新實踐課程是面向本科生開展的激發(fā)學生能動性與創(chuàng)造性的一門課程，文章介紹了以高效率LED球形燈泡設計與制作課題的詳細步驟，不僅促使學生更好地掌握恒流驅(qū)動，還能深入理解節(jié)能照明的實際應用與社會效益，培養(yǎng)了學生參與創(chuàng)新實踐活動的興趣。

【關鍵詞】LED球形燈泡 課程建設 創(chuàng)新實踐

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）03-0219-02

同濟大學本科生培養(yǎng)計劃開設了創(chuàng)新實踐課程，要求同學們積極參與創(chuàng)新實踐活動并獲得相應的2個學分。各類創(chuàng)新實踐活動包括：各類國家性競賽、各級（包括校級、市級、國家級）大學生創(chuàng)新活動項目，還包括學校教師的各類科研項目。其中大部分同學的學分都是通過教師各類科研項目取得的，這也促進了教師將科研項目與教學活動結(jié)合起來，共同為本科生提供更加豐富多彩的教學資源。本文旨在將一次創(chuàng)新實踐課程的內(nèi)容進行總結(jié)，作為對已有創(chuàng)新實踐課程的有益補充。

一、高亮度LED球形燈泡設計與制作課題簡介

創(chuàng)新實踐課程給本科生提供了參與創(chuàng)新實踐活動的機會，讓學生從不同的角度獲得理論與實踐等多方面收獲。創(chuàng)新實踐課程在不同類型項目中的要求是不同的：在仿真和理論設計中需要有學生自主設計的成分，并且需要獨立完成相關電路的設計；在硬件電路設計中，需要考慮到實際電路的具體應用場合，因而設計的電路可能會帶來許多誤差甚至錯誤。在實際操作中，需要參考一些成熟的應用電路，然后在某一點上嘗試進行新的設計。

“以高亮度LED球形燈泡設計與制作”課題為例，第一步需要學生查詢關于LED燈泡特點和作用及其發(fā)展的資料，然后積累設計與制作LED燈泡所用的器件和芯片知識，包含了各種器件和芯片的作用與它們的工作原理等。第二步是利用軟件設計電路的原理圖與PCB文檔。第三步是購置各種原材料后，進行電路各單元的焊接、調(diào)試與組裝。第四步進行上電測試并記錄試驗數(shù)據(jù)，最后撰寫總結(jié)報告。

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種半導體固體發(fā)光器件。當它兩端加上正向電壓時，半導體中的載流子發(fā)生復合引起光子發(fā)射而產(chǎn)生光。LED具有體積小、電壓低、壽命長、響應快、無頻閃、耗能少、發(fā)熱少等優(yōu)點，正逐漸成為新一代綠色、節(jié)能、環(huán)保、長壽命、全固體照明光源，二十一世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代。

普通的白熾燈泡可以直接連接220V交流市電，LED則不然。它需要將220V交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電（單個LED需要2～3V直流電壓，通常是多個LED串聯(lián)使用），為了穩(wěn)定其工作狀態(tài)，需要采用恒流方式驅(qū)動。由于LED燈泡需要直接接入市電，所以需要燈泡具有如下特點：高可靠性、高效率、高功率因素、浪涌保護、符合安全規(guī)范和電磁兼容的要求、驅(qū)動電路的壽命要與LED壽命相適配等。

二、 LED球形燈泡設計與制作課題實施步驟

1.系統(tǒng)結(jié)構

課題選擇UC5910作為主控芯片，它是PWM工作模式的LED驅(qū)動控制集成電路。它的直流供電電壓為8～450VDC，它以固定開關頻率控制外部MOSFET的開通與關斷，開關頻率可高達500kHz，該頻率可由一個外接電阻器來控制。芯片控制LED串工作在恒流模式下，工作電流可以在幾毫安到1安內(nèi)調(diào)節(jié)。該芯片的主要應用場合有RGB背光LED驅(qū)動、逆光照明的平板顯示器、通用恒流源、標識和裝飾LED照明、汽車、充電器等。

如圖1所示，市電經(jīng)共模電感及濾波電路后，通過整流橋輸出直流電壓，再經(jīng)過PPFC電路后作為BUCK電路的輸入，UC5910通過檢測當前電流的大小，輸出合適寬度的PWM信號驅(qū)動主電路MOSFET，進而控制BUCK電路的輸出電流，從而實現(xiàn)LED恒流驅(qū)動。

圖1LED燈泡電路原理圖

圖2 LED球形燈泡實物 圖3 現(xiàn)場試驗調(diào)試

2.器件選型

本次LED球形燈泡直接工作在工頻電網(wǎng)中，總共有40只LED，兩組并聯(lián)，每組20只串聯(lián)，LED驅(qū)動電流大約120mA，燈泡的總功率大約5W，工作頻率100kHz，電路各器件參數(shù)見表1。

3.PCB電路繪制

課程設計中要求學生利用Altium Designer軟件對電路進行原理圖和PCB的繪制。

4.焊接與組裝

本次課題中，指導教師事先備好所有的元器件和焊接及測試工具等。由于實際的PCB電路板尺寸較小，并且從表1中可以看出很多元件是芝麻大小的貼片電阻和貼片電容，需要同學們事先了解一些焊接的技巧。焊好的PCB板子最終要放入很小的燈泡內(nèi)部，這要求盡量降低裝置的高度。在焊接時，盡量把元器件緊貼板子，縮短器件的引腳。同時為了便于焊接，先焊貼片元件，再焊直插元件。LED球形燈泡的半成品與最終的成品見圖2。

5.上電調(diào)試

圖3給出了現(xiàn)場試驗調(diào)試的照片。為了進行安全的上電調(diào)試，首先進行直流穩(wěn)壓電源供電下的上電調(diào)試，然后不斷提高交流電壓進行交流供電測試，最后220V工頻電網(wǎng)直接上電測試。功能測試正常以后，可以再根據(jù)實驗室條件進行電氣性能的詳細測試。

三、創(chuàng)新實踐課程小結(jié)

本課程設計是一次帶有驗證性質(zhì)的創(chuàng)新設計，學生從中可以取得一些收獲：

（1）熟悉LED的恒流驅(qū)動方式。LED恒流驅(qū)動是技術發(fā)展的必然趨勢，有很強的實用性。

（2）熟悉貼片器件的焊接技術。注意不能對貼片器件進行長時間的持續(xù)焊接，容易導致器件脫落。