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1、 新型多功能台灯设计New multi-function lamp design 作者： 指导教师：武汉大学东湖分校电子信息工程2010年05月目录前言 4第一章多功能台灯的整体构造7 1.1流程图的分析71.2本章小结8第二章 功放 2.1功放的分类9 2.2基于TDA2822的工作原理102.3TDA2822的两种使用电路13 2.4此台灯中功放电路详解14 2.5本章小结14第三章 调压电源 3.1调压电源的流程图15 3.2整流滤波15 3.3三极管原理及分类19 3.4此台灯中调压电路详解203.5本章小结21第四章 应急台灯 4.1高亮度二极管224.2应急台灯电路详解22 4.3
2、本章小结22第五章 摄像原理 5.1镜头原理235.5本章小结23总结23展望23参考文献23摘 要：科学技术是人类战胜自然、改造自然的武器，是推动社会生产力发展的重要力量。科技的每一次发展都是人类文明史上的飞跃，都是人类征服自然、征服自身的、跨时代的胜利。正是由于有以使用电器为主的第三次科学技术革命的影响，才极大地促使社会财富的迅速增加和人民生活的根本改善。因此，科技发展的有利之处是显而易见的。电脑已经成为我们现在的生活中必不可少的工具之一，其尾部的设备和我们照明设备经常将我们桌面摆的满满的。其外部线路多而复杂有时经常出错，搬动时也不方便。因此我设计一个能将电脑外部设备集中在一起的工具是很有
3、必要的。这样也能给我们工作和生活提供方便。本文详细介绍了一种新型多功能的设计，其特别之处在于集成了目前广泛使用的桌面的多种设备的功能，它带有的摄像头；带有功放，其音频信号输入通过音频线与电脑相连；台灯（灯泡采用高亮度发光二极管、内部有锂电电源当有外部电源220V电源时充电器跟锂电充电，冲满后自动停止充电。220V电源也可以给台灯提供电源）。Abstract: Science and technology are human beings over and transform the nature of the weapons, is to promote the development of
4、social productive forces, an important force. The development of science and technology every leap in the history of human civilization, is human nature to conquer, to conquer their own epoch-making victory. It is mainly due to the use of electrical appliances third the impact of scientific and tech
5、nological revolution, it has greatly contributed to the rapid increase of wealth and peoples lives fundamentally improved. Therefore, technological development The advantages are obvious. Computer has become essential to our present life tool, the tail of the equipment and lighting equipment, we alw
6、ays put our desktop, the full, its external routes are many and often complex and sometimes mistakes are not convenient when moving. So I designed this multi-functional lamp that he will our computer peripherals together, give us work and live with ease.This paper describes a new multi-functional de
7、sign, is unique in that integrates the widely used desktop features a variety of devices, which carries a camera; with a power amplifier, the audio signal input through the audio line connected to the computer; lamp (light bulb uses high-brightness light-emitting diode, an internal lithium power sup
8、ply when there is an external power supply - 220V power supply when the battery charger with rechargeable lithium, red filled automatically stop charging. 220V power supply can supply power to the lamp).第一章 多功能台灯的整体构造1.1流程图的分析本系统它集摄像头、功放、台灯、充电器于一体。它主要是与电脑配套使用。顾名思义它可以充当电脑的摄像头、功放，停电后台灯也可以发光照明。充电器可以调节充
9、电电压以适用对不同电源充电。它带有的摄像头（与普通的电脑摄像头一样，将它集中在台灯上并有输出线与电脑相连）;带有功放（它采用TDA2822的功放芯片由内部电源供电，其两个扬声器放在台灯的坐两边）其音频信号输入通过音频线与电脑相连；充电器（其内部充电电压可以通过调节滑动变阻器调节以适用于不同的充电电源）；台灯（灯泡采用高亮度发光二极管、内部有锂电电源当有外部电源220V电源时充电器跟锂电充电，冲满后自动停止充电。220V电源也可以给台灯提供电源）；外部结构（它有两根线，一根电源线220V、一根摄像输入线，插口有二个：一个USB接口一个音频输入接口）外观和普通台灯一样只是两侧有两个扬声器。以下为台
10、灯总体架构框图（1）：图1 总体架构框图对应上述电路图我们设计的电图如下，其相应的电路讲解将会在下文中一一分块加以说明图2 多功能台灯的总体设计电路1.2本章小结通过上图可以看出本设计的所有电路结构，其设计理论依据将会在下面的章节中逐个加以说明。第二章 功放功放俗称“扩音机”他的作用就是把来自音源或者前级放大器的微弱信号放大，推动扬声器发声。一套良好的音响系统,功放的作用功不可没。功放是音响系统中最基本的放大设备，它的任务是把来自信号源的微弱电信号进行放大，以驱动扬声器发出声音。功率放大器简称功放，可以说是各类音响器材中最大的一部分，其作用主要是将音源器材输入的较微弱信号进行放大后，产生足够大
11、的电流来推动扬声器进行声音的播放。由于考虑功率、阻抗、失真、动态、稳定性。不同的使用范围和控制调节功能将导致不同的功放在内部信号的处理，线路的设计和生产工艺上也各不相同。2.1功放的分类按功放中功放管的导电方式不同，可以分为甲类功放、乙类功放、甲乙类功放和丁类功放。甲类功放是指信号在整个周期内（正弦波的正负两个半周期），放大器的任何功率输出元件都不会出现电流截止（即停止输出）的一类放大器。甲类放大器工作时会产生高热，因此导致其效率很低，但固有的优点是它不存在交越失真。在一般情况下单端放大器都是采用甲类的工作方式，而推挽放大器可以是甲类，也可以是乙类或者是甲乙类。乙类功放是指正弦信号的正负两个半
12、周分别由推挽输出级的两“臂”轮流放大输出的一类放大器，每一“臂”的导电时间为信号的半个周期。乙类放大器的优点是效率高，缺点是会产生存在交越失真。甲乙类功放界于甲类和乙类之间，推挽放大的每一个“臂”导通时间大于信号的半个周期而小于一个周期。因此甲乙类放大就能有效解决了乙类放大器的交越失真问题，效率又比甲类放大器高，因此在功放一族中获得了极为广泛的应用。丁类功放也称数字式放大器，利用极高频率的转换开关电路来放大音频信号，具有效率高，体积小的优点。许多功率高达1000W的丁类放大器，体积只不过像VHS录像带那么大。这类放大器不适宜于用作宽频带的放大器，但在有源超低音音箱中有较多的应用。按功放输出级放
13、大元件的数量，可以分为单端放大器和推挽放大器。单端放大器的输出级由一只放大元件完成对信号正负两个半周的放大。单端放大机器只能采取甲类工作状态。推挽放大器的输出级有两个“臂”（两组放大元件），一个“臂”的电流增加时，另一个“臂”的电流则减小，二者的状态轮流转换。对负载而言，好像是一个“臂”在推，一个“臂”在拉，共同完成电流输出任务。尽管甲类放大器可以采用推挽式放大，但更常见的是用推挽放大构成乙类或甲乙类放大器。按功放中功放管的类型不同，可以分为胆机和石机。胆机是使用电子管的功放。石机是使用晶体管的功放。按功能不同，可以前置放大器（又称前级）、功率放大器（又称后级）与合并式放大器 功率放大器简称功
14、放，用于增强信号功率以驱动音箱发声的一种电子装置。不带信号源选择、音量控制等附属功能的功率放大器称为后级。前置放大器是功放之前的预放大和控制部分，用于增强信号的电压幅度，提供输入信号选择，音调调整和音量控制等功能。前置放大器也称为前级。将前置放大和功率放大两部分安装在同一个机箱内的放大器称为合并式放大器，我们家中常见的功放机一般都是合并式的。2.2基于TDA2822的工作原理 TDA2822是双声道音频功率放大电路，适用于在袖珍式盒式放音机（WALKMAN）、收录机和多媒体音箱中的音频放大器。从上面的功放的分类中我们可以知道TDA2822是AB类的功放，其交越失真小。在这我们设计的功放没有特殊
15、的要求，有考虑到体积和成本的问题，顾采用TDA2822做为功放芯片无疑为比较好的选择该电路的特点如下： 电源电压范围宽（1.815V），电源电压可低至1.8V 仍能工作，因此，该电路适合在低电源电压下工作；静态电流小,交越失真也小；适用于单声道桥式或立体声线路两种工作状态；（1） TDA2822的结构TDA2822外部结构谈到其内部结构首先就要了解其封装结构，如下图所示：图3TDA2822外部引脚分布图TDA2822的引脚符号及功能如下表所示：表1 TDA2822的8个引脚功能表引出端序号符号功能引出端序号符号功能1 OUT1 输出端15IN2（）反向输入端22VCC电源6IN2（+）正向输入
16、端23OUT2输出端27IN1（+）正向输入端14GND地8IN1（）反向输入端1通过上表我们对TDA2822的功能引脚有所了解，现在再来看其外部引脚所对应的内部电路图4TDA2822的内部元件其相应参数表如下：以下为TDA2822在工作中所需各种条件如下表所示：表2 TDA2822工作参数表3 TDA2822工作参数（续）TDA2822最大额定值表如下表4 TDA2822最大额定值表（三）TDA2822的优秀功能 TDA2822M是意法半导体早期专门为便携式录放音设备开发的双通道单片功率放大集成电路，具有低交越失真和低静态电流等特点，适用于立体声和桥式放大方式。TDA2822M还有一个独特之
17、处就是工作电压范围很宽，在1.8V-15V范围内都可以正常工作，除了用于耳机放大器情况下一般最好还是让TDA2822M工作于3V以上电压。在20世纪90年代初曾经被国内外家电厂商广泛应用于便携式收录机中，在一些功率稍大的，尤其是带有机身扬声器的随身听中也可以经常看到TDA2822M的身影。在当今电子市场上很多小型音响仍使用它，主要愿因是它的工作电压范围宽。也正是由于TDA2822M的供电范围很宽，并且音质很好，完全可以用于电脑的多媒体功放，听觉上不亚于一两百元的产品，如果觉得采用电池供电没有必要，也可以采用单独的变压器进行供电，6V9V的都适用，也可以从电脑中取电。当使用变压器供电时，可以采用
18、常见的有源滤波电路或者是采用三端稳压器，以提高信噪比。是输出的音效更好。正因为它有以上这几种特点所以我们设计的台灯中的功放也采用TDA2822的芯片。2.3TDA2822的两种使用电路TDA2822双声道的使用电路如下所示;图5TDA2822的双声道音频放大电路从上图中我们可以看见TDA2822在电路中做双声道功放时的最基本的电路连法，其中部分元件在电路中的作用将在下节中作详细的说明。TDA2822左单声道的使用电路如下所示：图6TDA2822左单声道的使用电路这种电路只有一个声道的单级放大，其6号引脚输入接地，1、3号引脚接扬声器或其它设备。其余各处与上述双声道的接法基本相同。但其在输出功率
19、上是上述双声道接法的两倍。一般不用于音响设备。但比较多的适用于单纯的放大电路或者是单纯声音放大电路。2.4 此台灯中功放电路详解：图7多功能台灯中功放电路 在上图中各元件的参数已经标在个元件附近。从图中大家可以看到它基本是个对称的。信号由上图标注的LIn、Rin进入经过Rv1aRv1b两个可调的滑动变阻器对输入的信号进行处理，使输入的信号达到一个理想的状态。经过处理后的信号在由6、7输送到放大快中进行放大在由1、3输出。放大的信号经过处理后在通过由C3、C8、R1组成的滤波器和C4、C7、R2组成的滤波器进行滤波再输出给扬声器。5、8接电容后再接地，在电路中起到反馈作用。2号引脚接电源正极，电
20、源电压可在313v之间，但一般我们用9V或者是12V。在我设计的台灯功放中采用12V电压。4号引脚接地。2.5本章小结通过此章的介绍我们大概了解了功放的工作原理，及TDA2822的运用。实际上相TDA2822这样的功放块还有很多，但大多都是差不多的原理。只要我们懂得了TDA2822的使用，在对其它的功放块时或运算放大块时就可以举一反三了。随着科技的发展类似于功放电路的使用也越来越集成化。如傻瓜系列的产品就是一个列子其外部就不用接其他元件。 第三章调压电源 3.1调压电元的流程图8调压电元的流程 电源变压器: 将交流电网上的电压变为合适的交流电压。 整流电路: 将交流电压变为脉动的直流电压。 滤
21、波电路: 将脉动直流电压转变为平滑的直流电压。 稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压的稳定。 调压电路：将输出的电压进行调节，得到用户所需的电压。 3.2整流滤波 （一）整流电路 整流电路的任务是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。下面主要介绍前三种。为分析简单起见，我们把二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。1、 单相半波整流电路 0时，二极管导通。忽略二极管正向压降：=0 时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:由+经D1RLD3-u2-T (T:电源电压的2周期)近似估算:U0=1.2
22、U2。(2) 流过二极管瞬时电流很大RLC越大U0越高,负载电流的平均值越大整流管导电时间越短i 的峰值电流越大故一般选管时，取IDF=-0.5I。(3) 、输出特性(外特性）如下：图13输出特性对比输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0和S也随之改变。如:RL愈小(I0越大),U0下降多,S增大。电容滤波电路适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。2、 电感滤波电路结构: 在桥式整流电路与负载间串入一电感L就构成了电感滤波电路。图14电感滤波电路（1）滤波原理：对直流分量( f=0):XL=0 相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量: f 越高,XL越大,电压大部分
23、降XL上。因此,在输出端得到比较平滑的直流电压。当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：U0=0.9U2（2） 电感滤波的特点： 整流管导电角较大,峰值电流很小,输出特性比较平坦,适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重,体积大,易引起电磁干扰。3、 形滤波电路 为了改善滤波特性，可采取多级滤波的办法, 如在电容滤波后再接一级RC滤波电路，或在电感滤波后面再接一电容。从而构成RC-型或L-C型滤波电路，其性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。图15形滤波电路3.3三极管工作原理 在这里我们简单的介绍以下三极管的原理。如果想跟进一步的了解可查询相应的书籍。三极管按材料
24、可以分为两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，两者除了电源极性不相同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成的，集电区与基区形成的PN结称为集电结,发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位又高于b点的电位几伏时，集电极此时就处于反偏状态，集电极的电源Ec就要高于基极电源Eb。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区
25、做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但是因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流就称之为发射极电流了。由于基区很薄,加上集电结的反偏，则注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区，从而形成集电集电流Ic，此时就只剩下很少的电子在基区的空穴中进行复合，被复合掉的基区空穴则由基极电源Eb来重新补给，因此就形成了基极电流Ibo。根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic 从面的公式可以看出只要在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，
26、这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是在一定的条件下总是维持特定的比例关系。1=Ic/Ib上述式中1称为直流放大倍数，集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为：= Ic/Ib式中称为交流电流放大倍数，由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流的放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。三极管的分类1按材质分: 硅管、锗管2按结构分: NPN 、 PNP。3按功能分：开关管、功率管、达林顿管、光敏管等。4 按功率分：小功率管、中功率管、大功率管5按工作频率分：低频管、高频管、超频管6
27、按结构工艺分：合金管、平面管7按安装方式:插件三极管、贴片三极管 3.4此台灯中调压电源电路详解 所谓调压电源既是将电源电压调到我们所需的大小的设备。如今的调压电压源有很多种，每一种多采用调压原理多不同，理所当然所采用的元件也不同。列入可以用三极管来制作，也可以用一些调压集成快如LM317T等等。 在此我们对本电路中的调压电路原理进行简单的说明。以下为本台灯中的调压电路原理详解。图16台灯中调压电源电路该充电器可用于小心摩托车、电动玩具的蓄电池和一般的可充电源。达到额定电压时自动停止充电并指示。原理：由发光二极管LED和大功率三极管构成的具有温度补偿的特性的恒流原电路，改变三极管C4下面那个电
28、阻的阻值可改变恒流源的电流。以确定充电电流的大小。通过看两个发光二极管来判断（其原理在这里不加以说明）是否已经充满。通过调节滑动变阻器可以来调节三极管基极电压来调节充电电源的电压。其原理我想在通过上面对三极管原理的介绍后，在这里应该不难理解。3.5本章小结:虽然目前关于电源的技术已经非常成熟了，但简单的本了解一下电源是非常的有必要的。本章我们介绍了一个完整的电源所学的流程也简单的了解每一个过程的原理及相关元件的原理和使用方法。并介绍了一下一个简单的可调电源的电路。相信读完后大家都可以自己动手制作一个简单的电源。第四章应急台灯在我们生活中我们经常为停电后无照明设备而烦恼。因此人们制作了应急灯。该
29、灯在有电时他将电能有效的储存起来，一旦停电就会释放储存的电能来照明。来给人们的生活提供方便。4.1高亮度发光二极管（一）高亮度发光二极管的优点随着发光二极管发光效能的不断提高,发光二极管无疑为近几年来最受重视的光源之一.一方面凭借其轻、薄、短、小的特性,另一方面借助其封装类型的耐摔、耐震及特殊的发光光形,发光二极管的确给了人们一个很不一样的光源选择,成为各国照明厂商在照明方面发展的重点.。（二）高亮度发光二极管制作材料高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管 高亮度单色发光二极管和超高亮度单色发光二极管使用的半导体材料与普通单色发光二极管不同，所以发光的强度也不同。通常，高亮度单色发光二极
30、管使用砷铝化镓等材料，超高亮度单色发光二极管使用磷铟砷化镓等材料，而普通单色发光二极管使用磷化镓或磷砷化镓等材料。正因为它的上述特点，所以本台灯中也采用高亮度发光二极管做为发光源。4.2应急台灯电路详解图17应急台灯电路从上图可也知道该应急台灯采用6v的蓄电瓶作为储电装置。通过三个三极管和二个稳压二极管组成的一个稳压充电电路。通过调节滑动变阻器来调节从点的快慢。当电灯关闭时绿灯还亮就证明电瓶以充满。电灯亮时绿灯也亮。4.3本章小结 通过上面所诉我们就对应急台灯的原理和相关元件的结构和用法有了个初步的了解。如出现一般问题相信在看了之后都可约解决。在现代社会高亮度二极管已经逐步的占领这灯类市场，其
31、运用之广泛已经毋庸置疑。因此对它的了解也是十分有必要的。如有读者对此感性趣可查询相应的资料，在这里就不做说明。第五章 摄像原理 摄像头(CAMERA)又称为电脑相机，电脑眼等，是一种视频输入设备，被广泛的运用于视频会议，远程医疗及实时监控等方面。普通的人也可以彼此通过摄像头在网络进行有影像、有声音的交谈和沟通。另外，人们还可以将其用于当前各种流行的数码影像，影音处理。5.1镜头 镜头的组成是透镜结构，由几片透镜组成，一般有塑胶透镜或玻璃透镜。通常摄像头用的镜头构造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、4G等。透镜越多，成本越高；玻璃透镜比塑胶贵。因此一个品质好的摄像头应该是采用玻璃镜头
32、，成像效果就相对塑胶镜头会好。因为在本台灯中我们不进行摄像头的研究所以就不做详细的说明了。5.5本章小结：众所周知摄像头已经成为交 警、工厂等等场合。可以说我们生活已经离不开它了。但有利也有弊随着它运用的推广，人们的隐私也受到威胁。因此我们要懂得合理的应用它来使我们生活变得更美好。而我们台灯中的摄像头就采用市场上一般的摄像头，集成在台灯中，不在做其它处理总结随着科技的进步和人们生活质量的提高，设备向集成化方向的发展是一个必然趋势，本系统正式基于这样一个目的研发出来的，但是在可控性方面还有许多工作要做，如电源的节能管理，各部件的协调工作以及基于无线的控制。展望目前因为体积问题设备采用有线装置，控
33、制方面采用开关，电压调节采用手动旋转调节，有望能采用电子显示，和按键调节，信号用无线电传递。电路尽量集成化来减小体积减小重量。参考文献（1） 王兆安黄俊。电力电子技术(第4版)北京：机械工业出版社，2003（2） 张明勋电力电子设备设计和应用手册北京：机械工业出版社，1990（3） （日）黑田 彻著，何中庸译，电子元器件应用技术。科学出版社，2005（4） 张占松蔡宣三著，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，2007年8月（5） 林渭勋编著现代电力电子技术。浙江大学出版社，2002年7月作者简介：单大丹：（1990），男，湖北洪湖人，电子信息工程学院，电子信息工程一班，学号：20090402501023；指导老师:张 轶：（1980），男，湖北荆州人，助教，硕士，研究方向为数字通信及信息处理； 陈燕婷：（ ），女，24