旋转灯

测试与光电工程学院
电子基础课程设计内容及要求
电子科学与技术系班学生：
课题名称： LED旋转灯的制作
课题要求：
一、LED旋转灯具有以下功能：
1、工作电源：直流3V~9V
2、发光二极管共三组（9只）不停的循环发光
二、完成原理图、PCB图设计
三、完成安装及调试。

四、写出设计报告。

电子基础课程设计评分标准
平时表现评分：（20%）
优秀：（90-100）
遵守纪律，尊敬老师，爱护设备，工作量饱满，动手能力强，无缺勤,很好按课题进度进行。

良好：（80-89）
遵守纪律，爱护设备，工作量饱满，动手能力较强，考勤情况良好，较好按课题进度进行。

中等：（70-79）
遵守纪律，爱护设备一般，工作量一般，动手能力一般，偶尔缺勤，基本按课题进度进行。

及格：（60-69）
遵守纪律一般，人为因素损坏设备，工作量一般，动手能力差，偶尔缺勤，能按课题进度进行。

不及格：（59以下）
不遵守纪律，人为因素损坏设备，有技术安全事故，工作量不饱满，动手能力很差，经常迟到，早退，缺勤。

课题完成情况评分：（50%）
优秀：（90-100）
全部完成任务书要求，完成质量优良、结果正确，所完成的设计有一定独立见解。

良好：（80-89）
全部完成任务书要求，完成情况良好，所完成的设计正确，解决了一些实际问题，结果正确。

中等：（70-79）
基本完成任务书要求，完成质量尚好，所完成的设计基本正确，但存在一些不足。

及格：（60-69）
基本完成任务书要求，完成质量尚好，所完成的设计基本正确，但有小错误。

不及格：（59以下）
未完成任务书要求，所作的设计有严重错误，基本概念不清。

电子基础课程设计报告质量评分（30%）
1、文献资料收集、整理、分析；对课题研究意义的阐述；文字精练、流畅、绘图整洁、符合标准规范、字体工整；
2、基本概念、基本理论及专业知识掌握扎实，运用灵活；设计思路、设计内容、计算方法及结果、计算机运用正确无误；
3、试验数据的获取（软件调试方法及过程）试验过程（调试过程）的正确性；
4、电子基础课程设计的结论，存在的问题，研究结果的创新性；
LED旋转灯的设计与制作
学生姓名：陈自波班级：110832
摘要：
LED 是英文light emitting diode （发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED 的抗震性能好。

LED作为一种新型的照明技术，其应用前景举世瞩目，尤其是高亮度LED更被誉为21世纪最有价值的光源，必将引起照明领域一场新的革命。

LED旋转灯套件是有3只三级管和9只LED组成的循环灯。

电路的基本工作原理是这样的：当电源一接通，三只三极管就要争先导通，但由于元器件有差异，只有某一只管子最先导通。

导通后由于三极管的导通、截止作用以及电容两端不允许电压突变的作用，导致与三级管连接的LED灯发光，因为一组LED导通后其他的两组无法导通而不会发光。

接着由于电源通过电阻对电容进行充电而是电容两端电压升高。

当达到0.6伏时由于三级管的导通、截止作用，原发光二极管熄灭，引起下一个三极管的导通与截止，导致下一组二极管的发光。

如此循环，电路中的三只三极管便轮流导通和截止，三组发光二极管就不停地循环发光。

本制作的原理简单，工作量也较小，所以本制作的关键在于是否恰当选用元器件，是否正确按照电路图进行安装及焊接点是否焊接牢固并导电。

关键词：LED 发光二极管三极管旋转灯
目录
一．概述 (5)
二．LED旋转灯电路设计 (6)
2.1电路工作原理 (6)
2.2性能参数 (7)
2.3电路原理图及PCB图 (7)
三．元器件简介 (8)
3.1 LED发光二极管 (8)
3.1.1LED特点…………………………………………………
（9)
3.1.2LED发光二极管极限参数的意义 (10)
3.2 三极管 (10)
3.2.1 三极管的原理 (11)
3.2.2 三极管电极和管型的判别 (13)
四.器件的选型 (14)
4.1 三极管的选用 (14)
4.2 LED发光二极管的选用 (15)
五.组装过程 (16)
六．设计方案的优缺点及改进方案 (20)
七．元器件清单 (20)
八．致谢 (21)
九．参考文献 (21)
十．收获和体会 (22)
一、概述：
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。

在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。

中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、
振荡或开关等作用的半导体电子器件。

二、LED旋转灯电路设计
2.1 电路工作原理：
LED旋转灯是一个由3只三极管和9只LED组成的循环灯。

电路是这样工作的，当外接的直流3~9 V电源一接通，3只三极管就要争先导通，但由于元器件有差异，只有某一只管子最先导通。

假如Q1最先导通，那么Q1集电极电压下降，使电容C1的左端接近零电压，由于电容器两端的电压不能突变，所以Q2基极也被拉到近似零电压，使Q2截止。

Q2集电极为高电压，那么接在它上面的发光二极管就亮了。

此刻Q2集电极上的高电压通过电容器C2使Q3基极电压升高，三极管Q3也将迅速导通。

因此在这一段时间内，Q1与Q3的集电极均为低电压，只有接在Q2集电极上的发光二极管亮，而其余两只发光二极管不亮。

随着电源通过电阻R3对C1的充电，使三极管Q2基极电压逐渐升高，当超过0.6伏时，Q2由截止状态变为导通状态，集电极电压下降，发光二极管熄灭。

与此同时三极管Q2集电极电压的下降通过电容器C2的作用使三极管Q3的基极电压也下跳，Q3由导通变为截止。

接在Q3集电极上的发光二极管就亮了。

如此循环，电路中3只三极管便轮流导通和截止，三只发光二极管就不停地循环发光。

改变电容的容量可以改变循环灯循环的速度。

2.2 性能参数：
工作电压：DC3V—9V
2.3 电路原理图（图一）和PCB图（图二）：
图一
图二
三、元器件简介：
3.1 LED发光二极管LED发光二极管实物图：
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

LED是利用化合物材料制成p-n结的光电器件。

它具备p-n 结结型器件的电学特性：I-V特性、C-V特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。

发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。

有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。

与小白炽灯和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制
通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。

由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。

把它的管心做成条状，用7条条状的发光管组成7段式半导体数码管，每个数码管可显示0～9十个数目字。

3.1.1 LED特点
LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。

体积小：LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。

耗电量低：LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。

工作流是0.02-0.03A。

这就是说：它消耗的电不超过0.1W。

使用寿命长：在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。

高亮度、低热量：比HID或白炽灯更少的热辐射。

环保：LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

红光LED含有大量的As（砷），剧毒坚固耐用：LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的。

可控性强：可以实现各种颜色的变化。

3.1.2LED发光二极管极限参数的意义
（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，LED 发光二极管可能被击穿损坏。

（4）工作环境topm:LED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，LED发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

3.2 三极管
三极管实物图
正常工作在放大状态时，因为基极电压高于发射极，电路正偏，有大量电子流入发射极，形成Ie，电子原本要通过基极回到电源正极，但是发射机电子进入基极后，由于集电极电压比基极还要高，于是电子被集电极强烈的电场吸引，从而电子不走基极回到电源正极，而进入集电极到达电源正极形成集电极电流Ic，但是，基极中还是有空穴的（比较少），发射极电子被集电极电场吸引进入集电极过程中，一小部分电子与基极空穴复合形成基极电流Ib。

这就是三级管电流走向。

3.2.1 三极管的原理
半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。

它最主要的功能是电流放大和开关作用。

三极管顾名思义具有三个电极。

二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。

其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。

由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。

三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。

三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。

实际上箭头所指的方向是电流的方向。

电子制作中常用的三极管有90××系列，包括低频小功率硅管9013(NPN)、9012(PNP)，低噪声管9014(NPN)，高频小功率管
9018(NPN)等。

它们的型号一般都标在塑壳上，而样子都一样，都是TO-92标准封装。

在老式的电子产品中还能见到3DG6(低频小功率硅管)、3AX31(低频小功率锗管)等，它们的型号也都印在金属的外壳上。

我国生产的晶体管有一套命名规则：
符号的第一部分“3”表示三极管。

符号的第二部分表示器件的材料和结构：A——PNP型锗材料；B——NPN型锗材料；C——PNP型硅材料；D——NPN型硅材料。

符号的第三部分表示功能：U——光电管；K——开关管；X——低频小功率管；G——高频小功率管；D——低频大功率管；A——高频大功率管。

另外，3DJ型为场效应管，BT打头的表示半导体特殊元件。

图3.2.1 常用三极管的管脚排列
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。

三极管有一个重要参数就是电流放大系数b。

当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流b 倍的电流，即集电极电流。

集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。

三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器。

3.2.2 三极管电极和管型的判别
（1）目测法
一般来说，管型是NPN还是PNP应从管壳上标注的型号来辨别。

依照部颁标准，三极管型号的第二位(字母)，A、C表示PNP管，B、D 表示NPN管。

例如：
3AX 为PNP型低频小功率管3BX 为NPN型低频小功率管
3CG 为PNP型高频小功率管3DG 为NPN型高频小功率管
3AD 为PNP型低频大功率管3DD 为NPN型低频大功率管
3CA 为PNP型高频大功率管3DA 为NPN型高频大功率管
此外有国际流行的9011～9018系列高频小功率管，除9012和9015为PNP管外，其余均为NPN型管。

（2）管极的判别
用万用表电阻档判别
三极管内部有两个PN结，可用万用表电阻档分辨e、b、c三个极。

在型号标注模糊的情况下，也可用此法判别管型。

①基极的判别
判别管极时应首先确认基极。

对于NPN管，用黑表笔接假定的基极，用红表笔分别接触另外两个极，若测得电阻都小，约为几百欧~几千欧；而将黑、红两表笔对调，测得电阻均较大，在几百千欧以上，此时黑表笔接的就是基极。

PNP管，情况正相反，测量时两个PN结都正偏的情况下，红表笔接基极。

实际上，小功率管的基极一般排列在三个管脚的中间，可用上述方法，分别将黑、红表笔接基极，既可测定三极管的两个PN结是否完好(与二极管PN结的测量方法一样)，又可确认管型。

②集电极和发射极的判别
确定基极后，假设余下管脚之一为集电极c，另一为发射极e，用手指分别捏住c极与b极(即用手指代替基极电阻Rb)。

同时，将万用表两表笔分别与c、e接触，若被测管为NPN，则用黑表笔接触c极、用红表笔接e极(PNP管相反)，观察指针偏转角度；然后再设另一管脚为c 极，重复以上过程，比较两次测量指针的偏转角度，大的一次表明IC 大，管子处于放大状态，相应假设的c、e极正确。

（3）．三极管性能的简易测量
①用万用表电阻档测ICEO和β
基极开路，万用表黑表笔接NPN管的集电极c、红表笔接发射极
e(PNP管相反)，此时c、e间电阻值大则表明ICEO小，电阻值小则表明ICEO
大。

用手指代替基极电阻Rb，用上法测c、e间电阻，若阻值比基极开路时小得多则表明β值大。

②用万用表hFE档测β
有的万用表有hFE档，按表上规定的极型插入三极管即可测得电流放大系数β，若β很小或为零，表明三极管己损坏，可用电阻档分别测两个PN结，确认是否有击穿或断路。

四、器件的选型
4.1三极管的选用
选用晶体管一要符合设备及电路的要求，二要符合节约的原则。

根据用途的不同，一般应考虑以下几个因素：工作频率、集电极电流、耗散功率、电流放大系数、反向击穿电压、稳定性及饱和压降等。

这些因素又具有相互制约的关系，在选管时应抓住主要矛盾，兼顾次要因素。

低频管的特征频率fT一般在2.5MHz以下，而高频管的fT都从几十兆赫到几百兆赫甚至更高。

选管时应使fT为工作频率的3～10倍。

原则上讲，高频管可以代换低频管，但是高频管的功率一般都比较小，动态范围窄，在代换时应注意功率条件。

一般希望β选大一些，但也不是越大越好。

β太高了容易引起自激振荡，何况一般β高的管子工作多不稳定，受温度影响大。

通常β多选40～100之间，但低噪声高β值的管子(如1815、9011~9015等)，β值达数百时温度稳定性仍较好。

另外，对整个电路来说还应该从各级的配合来选择β。

例如前级用β高的，后级就可以用β较低的管子；反之，前级用β较低的，后级就可以用β较高的管子。

集电极-发射极反向击穿电压UCEO应选得大于电源电压。

穿透电流越小，对温度的稳定性越好。

普通硅管的稳定性比锗管好得多，但普通硅管的饱和压降较锗管为大，在某些电路中会影响电路的性能，应根据电路的具体情况选用，选用晶体管的耗散功率时应根据不同电路的要求留有一定的余量。

对高频放大、中频放大、振荡器等电路用的晶体管，应选用特征频率fT高、极间电容较小的晶体管，以保证在高频情况下仍有较高的功率增益和稳定性。

4.2 LED发光二极管的选用
发光二极管在制作时，使用的材料有所不同，那么就可以发出不同颜色的光。

发光二极管的发光颜色有：红色光、黄色光、绿色光、
红外光等。

发光二极管的外形有：圆形、长方形、三角形、正方形、组合形、特殊形等。

常用的发光二极管应用电路有四种，即直流驱动电路、交流驱动电路、脉冲驱动电路、变色发光驱动电路。

使用LED作指示电路时，应该串接限流电阻，该电阻的阻值大小应根据不同的使用电压和LED所需工作电流来选择。

发光二极管的压降一般为1.5~2.0 V，其工作电流一般取10~20 mA为宜。

五.组装过程
(1)元器件准备
（2）焊接电阻(3）焊接三极管
（4）连接插线座
（5）焊接电解电容，注意电解电容的极性，阴影部分为负极（6）焊接导线
（6）最后焊接LED，LED也要注意极性，一般长的引脚为正极，短引脚为负极。

调试电路的方法及故障排除
焊接好元件后，仔细检查元件是否全部焊接正确。

检查正确后接入
5V电源，检查LED的亮、灭情况，同时用万用表测量三极管不同脚位
的电压变化情况。

常见的故障有2种：1、焊点接触不良；焊接时由于其他原因常会出现
虚焊，假焊等情况，如果万用表测试时出现某处没有电流绝大部分都
是焊点接触不良，此时应该重新将焊点融化重新焊接。

2、电子元器件在焊接时烧毁；有些元器件很容易在焊接时烧毁，比如三极管。

如果
万用表测试时出现某处没有电流并且重新焊接后仍然不行，那么就换
一个元器件。

六、设计方案的优缺点及改进意见
6.1 优缺点
旋转灯套件是对电路设计开发、制作、焊接、调试验证等整个实训过
程的一次全方位演练，其配套实训指导包括电路原理设计、PCB设计、焊接装配工艺、调试方法与技巧等方面知识，培养了学生进行电子产
品设计与制作的综合能力。

开阔了学生知识面。

6.2 改进意见
在实际的焊接中，我们首先应该布局好版面，画好图纸，才能做
的更美观建议应该配张图纸，以供参考。

这样在实际焊接中才能顺利且快速的完成。

建议应该要给出元器件能抵抗的温度，在焊接过程中就会注意它们的焊接先后。

七、元器件清单
位号名称规格数量
R1、R3、R5 电阻10K 3 R2、R4、R6 电阻470 3 C1、C2、C3 电解电容47uF 3 Q1、Q2、Q3 三极管9013 3 LED1-LED9 发光二极管红色9 J1、J2 导线（自备）
X1 接线座2P 1
PCB板50X50mm 1
八、致谢
本设计的完成是在陈常婷老师的细心指导下进行的。

在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。

从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了陈老师很多的宝贵时间和精力，在此向老师表示衷心地感谢！
还要感谢和我同一设计小组的同学，你在我平时设计中和我一起探讨问题，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。

此外我还的感谢其他组的谷佳烨和李荣涛同学，和你们一起讨论问题，解决了很多问题，你们使我的动手能力提高了，在此向你们表示感谢。

九、参考文献
参考文献
[1].王庆编. Protel 99 SE & DXP 电路设计教程.电子工业出版社.2006
[2].康华光主编.电子技术基础（模拟部分）.北京：高等教育出版社.2006
[3].刘修文编.实用电子电路图集.中国电力出版社.2006
[4].杨清德康娅编.LED及其工程应用.人民邮电出版社.2007
[5].康华光等. 电子技术基础（数字部分第四版）.高等教育出版社, 1999.6
十、收获和体会
电子制作是一项需要有一定的电子基础和动手能力的活动。

通过这次课程设计，锻炼了动手能力，同时也让我们把理论与实践结合起来对以后的学习及工作都有很大的帮助。

在这一周时间里，我们提高了我们个人的动手能力，让我们在独立思考解决问题。

同时也培养了我们团队精神，在这个分工越来越细的社会，分工合作成了社会的主流，而这次与组员合作正好给了我们这样的机会，以致顺利完成课程设计。

此次的课程设计和我们专业知识联系的很紧密，以前知识学习理论知识，没有进行设计操作，经过这次课程设计，我们对电子元器件有了深一步的理解，也掌握了一些我们书本上没有的知识，提高了我们团队合作精神这次课设也增长了学习的兴趣、激发了实践与创新的热情。

这个课程设计，我们在制作过程中也认识理论和实践的关系，他们是互相依存。

感谢老师的悉心指导，有我们组员的共同努力，已经和其他共同探讨，才有最后项目的顺利地完成。