2.3 节能小夜灯电路
小夜灯是一种特定场合使用的照明灯具，它对亮度的要求不高，但需要通宵点亮。利用发光二极管作为电光源的小夜灯，具有亮度适当、功耗很低、使用寿命很长的特点，而且可以制成红、绿、黄、橙、蓝等多种颜色，还可以变色。
2.3.1 简易小夜灯
图2-26所示为发光二极管构成的简易小夜灯电路图，采用电容降压整流，有利于简化电路、缩小体积、提高可靠性。小夜灯工作电流仅为10mA，十分节能，若以每晚点亮8h计，连续使用两个月仅耗电1度。
图2-26 简易小夜灯电路图
电路中，VD3为发光二极管，作为小夜灯的电光源，可以按照各自喜好选用不同颜色的发光二极管。C1为降压电容，VD2为整流二极管，VD1为续流二极管。我们知道，电容器可以通过交流电，并存在一定的容抗，正是这个容抗限制了通过电容器的交流电流的大小。
在交流220V市电正半周时，电流经C1降压限流、VD2整流后通过发光二极管VD3使其发光。在交流220V市电负半周时，电流经续流二极管VD1和C1构成回路。C2为滤波电容，使通过发光二极管的电流为稳定的直流电流。R是降压电容C1的泄放电阻。
2.3.2 自动变色小夜灯
自动变色小夜灯不仅能够提供夜间微光照明，而且会自动改变颜色，别有一番趣味。自动变色小夜灯采用双色发光二极管作为电光源，由555时基电路进行驱动，电路如图2-27所示。
图2-27 自动变色小夜灯电路图
555时基电路（IC）与定时电阻R2和R3、定时电容C3等构成多谐振荡器，其输出端（第3脚）输出信号Uo为连续方波。
双色发光二极管的特点是可以发出两种颜色的光，它是将两种发光颜色（常见的为红色和绿色）的管芯反向并联后封装在一起，如图2-28所示。当工作电压为左正右负时，电流Ia通过管芯VDa使其发红光。当工作电压为左负右正时，电流Ib通过管芯VDb使其发绿光。
图2-28 双色发光二极管
双色发光二极管VD5接在555时基电路的输出端（第3脚），当输出电压Uo＝1（高电平）时，电流通过管芯VDa使其发红光。当输出电压Uo＝0（低电平）时，电流通过管芯VDb使其发绿光。R4、R5是VD5的限流电阻。由于555时基电路多谐振荡器的振荡周期约为“1s+1s”，因此小夜灯的实际效果是“红1秒”、“绿1秒”地自动变色。
降压电容C1、整流二极管VD1～VD4、滤波电容C2等，组成电容降压整流滤波电源电路，提供电路所需的直流电源。R1是降压电容C1的泄放电阻。
2.3.3 闪光小夜灯
闪光小夜灯发出的是间隙性闪亮的微光，既可以提供小夜灯式的照明，又具有醒目的提示作用，如将它设置在电灯开关旁，需要时可以使人迅速找到开关开启电灯。图2-29所示为闪光小夜灯电路图，电路包括振荡器、LED电光源和整流电源等组成部分。
图2-29 闪光小夜灯电路图
单结晶体管V等构成弛张振荡器，电阻R2和电容C3是定时元件，决定着电路的振荡周期，振荡周期T≈R2C3ln
，式中：ln为自然对数，即以e（2.718）为底的对数；η为单结晶体管的分压比。改变R2或C3即可改变振荡周期。
电路是利用单结晶体管的负阻特性工作的。刚接通电源后，C3上电压为“0”，单结晶体管V因无发射极电压而截止，串接在V第一基极的发光二极管VD3不亮。随着电源经R2向C3充电，C3上电压不断上升。当C3上电压大于单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管V迅速导通，发光二极管VD3点亮发光。
由于单结晶体管V的负阻特性，导通后其发射极与第一基极间电压急剧减小，接在发射极的C3被快速放电。当C3上电压小于单结晶体管的谷点电压时，单结晶体管V退出导通状态而截止，发光二极管VD3熄灭，电源重又开始经R2向C3充电。如此周而复始形成振荡，发光二极管VD3也就周期性地闪光，闪光周期约为0.8s。R3是限流电阻。
降压电容C1、泄放电阻R1、续流二极管VD1、整流二极管VD2、滤波电容C2等组成电容降压整流电路，将220V市电直接转换为直流电压供振荡闪光电路工作。比起变压器整流电路来说，电容降压整流具有电路简单、成本低廉、体积小、重量轻的优点。
知识链接12 发光二极管
发光二极管简称为LED，是一种具有一个P-N结的半导体电致发光器件。
1. 发光二极管的种类
发光二极管种类很多，外形如图2-30所示。按发光光谱可分为可见光发光二极管和红外光发光二极管两类，其中可见光发光二极管包括红、绿、黄、橙、蓝、白等多种颜色。按发光效果可分为固定颜色发光二极管和变色发光二极管两类，其中变色发光二极管包括双色和三色等。
图2-30 发光二极管
发光二极管还可分为普通型和特殊型两类。特殊型包括组合发光二极管、带阻发光二极管（电压型发光二极管）、闪烁发光二极管等。
2. 发光二极管的符号
发光二极管的文字符号为“VD”，图形符号如图2-31所示。
图2-31 发光二极管的符号
3. 发光二极管的引脚
发光二极管是一个有正、负极之分的半导体器件，使用前应先分清它的正极与负极。
发光二极管两引脚中，较长的是正极，较短的是负极。对于透明或半透明塑料封装的发光二极管，可以用肉眼观察到它的内部电极的形状，正极的内电极较小，负极的内电极较大，如图2-32所示。
图2-32 发光二极管的引脚
4. 发光二极管的参数
发光二极管的主要参数是最大工作电流和最大反向电压。
（1）最大工作电流IFM是指发光二极管长期正常工作所允许通过的最大正向电流。使用中不能超过此值，否则将会烧毁发光二极管。
（2）最大反向电压URM是指发光二极管在不被击穿的前提下，所能承受的最大反向电压。发光二极管的最大反向电压URM一般都不大，为5V左右，使用中不应使发光二极管承受超过5V的反向电压，否则发光二极管将可能被击穿。
5. 发光二极管的用途
发光二极管的特点是会发光。发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性，当有足够的正向电流通过P-N结时，便会发出不同颜色的可见光或红外光。发光二极管的主要用途是作为指示灯使用，也可构成显示屏，广泛应用在显示、指示、遥控和通信等领域。
2.4 白光LED照明电路
白光LED照明电路采用白色发光二极管作为电光源。LED照明灯可以说是本世纪最有发展前途的电光源之一，由于LED固体电光源具有绿色环保、节能高效的明显优点，LED照明电路的应用也越来越广泛。
2.4.1 LED台灯电路
利用多个白光LED组成LED阵列，即可构成LED台灯。图2-33所示为LED台灯电路，电路中采用了20个高亮度白光LED组成发光阵列，照明效果良好。
图2-33 LED台灯电路
（1）白光LED的发光原理
LED（发光二极管）是一种将电能直接转换成光能的半导体器件。早期的LED主要用作电子设备的指示灯。白光LED的开发成功，使得LED照明成为现实。
白光LED的基本结构如图2-34所示，由蓝光LED芯片与黄色荧光粉复合而成。蓝光LED芯片在通过足够的正向电流时会发出蓝光，这些蓝光一部分被荧光粉吸收激发荧光粉发出黄光，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，最终得到白光。
图2-34 白光LED基本结构
（2）驱动电路
电源变压器T和整流桥堆UR构成整流电路，将220V市电整流为18V直流电压，再经C滤波后作为照明电源。
20个LED每5个串联成一串，共4串并联，组成台灯的照明阵列。这样安排的好处，一是5个LED串联的总电流与一个LED的电流相等，有利于降低总电流；二是4串LED并联，如果有LED损坏，不影响其他串LED继续照明。
（3）恒流供电
为了进一步提高照明质量和效果，可以对LED照明阵列实行恒流供电。图2-35所示为具有恒流源的LED台灯电路，场效应管VT与电阻R构成恒流源。
图2-35 具有恒流源的LED台灯电路
结型场效应管可以方便地构成恒流源，如图2-36所示。恒流原理是，如果通过场效应管的漏极电流ID因故增大，源极电阻RS上形成的负栅压也随之增大，迫使ID回落；如果通过场效应管的漏极电流ID因故减小，源极电阻RS上形成的负栅压也随之减小，迫使ID回升，最终使电流ID保持恒定。恒定电流ID＝
，式中Up为场效应管的夹断电压。
图2-36 场效应管恒流源
我们知道，LED是电流驱动型器件，电流的变化会影响LED的发光强度和光色。采用恒流源供电后，电源电压的波动将不再影响LED的驱动电流，LED的发光强度和光色得到稳定，照明质量和效果大大改善。
知识链接13 场效应管
场效应晶体管通常简称为场效应管，是一种利用场效应原理工作的半导体器件，外形如图2-37所示。和普通双极型晶体管相比较，场效应管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大、功耗小、易于集成等特点，得到了越来越广泛的应用。
图2-37 场效应管
1. 场效应管的种类
场效应管的种类很多，主要分为结型场效应管和绝缘栅场效应管两大类，又都有N沟道和P沟道之分。
绝缘栅场效应管也叫做金属氧化物半导体场效应管，简称为MOS场效应管，分为耗尽型MOS管和增强型MOS管。
场效应管还有单栅极管和双栅极管之分。双栅场效应管具有两个互相独立的栅极G1和G2，从结构上看相当于由两个单栅场效应管串联而成，其输出电流的变化受到两个栅极电压的控制。双栅场效应管的这种特性，使得其用作高频放大器、增益控制放大器、混频器和解调器时带来很大方便。
2. 场效应管的符号
场效应管的文字符号为“VT”，图形符号如图2-38所示。
图2-38 场效应管的符号
3. 场效应管的引脚
场效应管一般具有3个引脚（双栅管有4个引脚），分别是栅极G、源极S和漏极D，它们的功能分别对应于双极型晶体管的基极b、发射极e和集电极c。由于场效应管的源极S和漏极D是对称的，实际使用中可以互换。常用场效应管的引脚如图2-39所示，使用中应注意识别。
图2-39 场效应管的引脚
4. 场效应管的参数
场效应管的参数很多，包括直流参数、交流参数和极限参数。主要参数有饱和漏源电流、夹断电压、开启电压、跨导、漏源击穿电压、最大耗散功率、最大漏源电流等。
① 饱和漏源电流IDSS是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压UGS＝0时的漏源电流。
② 夹断电压UP是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚截止时的栅极电压。
③ 开启电压UT是指增强型绝缘栅场效应管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。
④ 跨导gm是表示栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力，即漏极电流ID变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gm是衡量场效应管放大能力的重要参数。
⑤ 漏源击穿电压BUDS是指栅源电压UGS一定时，场效应管正常工作所能承受的最大漏源电压。这是一项极限参数，加在场效应管上的工作电压必须小于BUDS。
⑥ 最大耗散功率PDSM也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。
⑦ 最大漏源电流IDSM是又一项极限参数，是指场效应管正常工作时，漏源间所允许通过的最大电流。场效应管的工作电流不应超过IDSM。
5. 场效应管的特点与工作原理
场效应管的特点是由栅极电压UG控制其漏极电流ID。和普通双极型晶体管相比较，场效应管具有输入阻抗高、噪声低、动态范围大、功耗小、易于集成等特点。
（1）场效应管的工作原理
场效应管的基本工作原理如图2-40所示（以结型N沟道管为例）。由于栅极G接有负偏压（-UG），在G附近形成耗尽层。
图2-40 场效应管工作原理
当负偏压（-UG）的绝对值增大时，耗尽层增大，沟道减小，漏极电流ID减小。当负偏压（-UG）的绝对值减小时，耗尽层减小，沟道增大，漏极电流ID增大。
可见，漏极电流ID受栅极电压的控制，所以场效应管是电压控制型器件，即通过输入电压的变化来控制输出电流的变化，从而达到放大等目的。
（2）场效应管的偏置电压
和双极型晶体管一样，场效应管用于放大等电路时，其栅极也应加偏置电压。加偏置的方法有固定偏置法、自给偏置法、直接耦合法等。
结型场效应管的栅极应加反向偏置电压，即N沟道管加负栅压，P沟道管加正栅压。增强型绝缘栅场效应管应加正向栅压。耗尽型绝缘栅场效应管的栅压可正可负可为“0”。
6. 场效应管的用途
场效应管的主要用途是放大、恒流、阻抗变换、可变电阻和电子开关等。
2.4.2 LED路灯电路
图2-41所示为节能环保的LED路灯电路，采用电容降压全波整流电源电路，200个白光LED组成照明LED阵列。
图2-41 LED路灯电路
电路中，C1是降压限流电容，UR是整流全桥，C2是滤波电容，R是LED的限流电阻，FU是熔断器，S是电源开关。该电路简洁、可靠、效率高，工作原理如下。交流220V市电经C1降压限流、UR全波整流、C2滤波后，成为直流电压驱动LED阵列发光。
LED阵列的安排是，在空间排列上为20个×10列；在电气连接上每100个LED相串联，共两串再并联。这样连接的优点是充分利用电容降压整流电源的空载电压高、输出电流较小的特性，100个LED串联后管压降是单个LED的100倍，而工作电流与单个LED相同，提高了电源利用率，降低了总电流。
2.4.3 LED手电筒电路
LED手电筒是一种节能环保的便携式照明设备，它的前端安装有5～8个白光LED作为电光源，使用电池供电。
1.5V手电筒仅用一节电池供电，体积小、重量轻。由于LED自身具有近2V的管压降，1.5V并不能正常点亮LED，因此升压电路是必需的。图2-42所示为具有升压功能的1.5V手电筒电路。
图2-42 1.5V手电筒电路
PNP晶体管VT1、NPN晶体管VT2、储能电感L、反馈电容C、电阻R1和R2等构成升压电路，将电池提供的1.5V电压升压为3V电压，驱动LED发光。VD1～VD8为8个高亮度白光LED。
电路是利用储能电感L的自感电动势实现升压的，现在我们来分析升压电路的工作原理。
接通电源后，PNP晶体管VT1因R1提供基极偏流而导通，进而通过R2使VT2也导通，将电感L和电容C的右端接电源负端。由于电容C两端电压不能突变，致使VT1（PNP管）因基极电位更低而进入深度饱和状态，并向VT2提供更大的基极偏流使其也进入深度饱和状态。这时1.5V电源经VT1发射极-基极向C充电。
随着C充电的完成，VT1（PNP管）因基极电位升高而退出饱和状态，并使VT2也退出饱和状态，VT2集电极电位升高又通过C反馈到VT1基极，导致两管迅速截止，C开始放电。随着C放电的完成，两管退出截止，电路又回到初始状态。
如此周而复始形成振荡，晶体管VT2不断地导通、截止。在VT2导通时，电流流经电感L使其储能。在VT2截止时，电感L产生自感电动势，与1.5V电源电压叠加使LED发光。
知识链接14 电感器
电感器是储存电能的元件，通常简称为电感，是常用的基本电子元件之一，可分为固定电感器、可变电感器、微调电感器三大类，外形如图2-43所示。
图2-43 电感器
1. 电感器的种类
电感器种类繁多，形状各异。按其采用材料不同，可分为空心电感器、磁芯电感器、铁芯电感器、铜芯电感器等。线圈装有磁芯或铁芯，可以增加电感量，一般磁芯用于高频场合，铁芯用于低频场合。线圈装有铜芯，则可以减小电感量。
按用途可分为固定电感器、阻流圈、偏转线圈和振荡线圈等。固定电感器包括立式电感器、卧式电感器、片状电感器等。
2. 电感器的符号
电感器的文字符号为“L”，图形符号如图2-44所示。
图2-44 电感器的符号
3. 电感器的参数
电感器的主要参数是电感量和额定电流。
① 电感量是指电感器产生自感电动势的能力。电感量的基本单位是亨利，简称亨，用字母“H”表示。在实际应用中，一般常用毫亨（mH）或微亨（μH）作单位。它们之间的相互关系是：1H＝1000mH，1mH＝1000μH。
② 额定电流是指电感器在正常工作时，所允许通过的最大电流。使用中，电感器的实际工作电流必须小于额定电流，否则电感线圈将会严重发热甚至烧毁。
4. 电感器的特点
电感器的特点是通直流阻交流。直流电流可以无阻碍地通过电感器，而交流电流通过时则会受到很大的阻力。
电感器对交流电流所呈现的阻力称之为感抗，用符号“XL”表示，单位为Ω。感抗等于电感器两端交流电压（有效值）与通过电感器的交流电流（有效值）的比值。从图2-45所示电感器特性曲线可知，感抗XL分别与交流电的频率f和电感器的电感量L成正比，即XL＝2πfL。
图2-45 电感器特性曲线
5. 电感器的工作原理
电感线圈在通过电流时会产生自感电动势，自感电动势总是反对原电流的变化。
① 当通过电感线圈的原电流增加时，自感电动势与原电流反方向，阻碍原电流增加。当原电流减小时，自感电动势与原电流同方向，阻碍原电流减小。
② 自感电动势的大小与通过电感线圈的电流的变化率成正比。
直流电的电流变化率为“0”，所以其自感电动势也为“0”，直流电可以无阻力地通过电感线圈（忽略电感线圈极小的导线电阻）。
交流电的电流时刻在变化，它在通过电感线圈时必然受到自感电动势的阻碍。交流电的频率越高，电流变化率越大，产生的自感电动势也越大，交流电流通过电感线圈时受到的阻力也就越大。
6. 电感器的用途
电感器的主要用途是储能、分频、滤波、谐振和磁偏转等。
2.4.4 太阳能LED手电筒电路
太阳能LED手电筒利用光伏电池产生电能，储存于镍氢电池中，供白光LED照明用，是一种几乎不消耗能源的绿色清洁照明设备。图2-46所示为太阳能LED手电筒电路，采用6个高亮度白光LED作为电光源，两节镍氢电池组成蓄电池组。
图2-46 太阳能LED手电筒电路
在阳光照射下，光伏电池BP产生电能，经二极管VD7向蓄电池组GB充电。由于光伏电池产生的电流很小，属于涓流充电，因此省去了充电限流控制电路。VD7的作用是防止无光照时蓄电池组的电能向光伏电池倒流。
打开电源开关S后，蓄电池组GB便向白光LED（VD1～VD6）供电使其发光照明。R是VD1～VD6的限流电阻。太阳能LED手电筒在阳光、灯光下均能充电，甚至在阴雨天的光照下也能充电，使用十分方便。
2.4.5 LED应急灯
应急灯的功能是在市电电源发生故障而失去照明时，自动提供临时的应急照明。LED应急灯具有启动快、效率高的特点，广泛应用于机关、学校、商场、展览馆、影剧院、车站码头和机场等公共场所的应急照明。
图2-47所示为LED应急灯电路图，包括整流电源、充电电路、市电检测、光控、电子开关和LED照明灯等组成部分，图2-48所示为LED应急灯方框图。
图2-47 LED应急灯电路图
图2-48 LED应急灯方框图
（1）整流电源与充电电路
电源变压器T、整流全桥UR和滤波电容C1组成整流电源电路，将交流220V市电转换为9V直流电压，经R3、VD1向6V蓄电池GB充电。R3是充电限流电阻，VD1的作用是在市电停电时阻止蓄电池向整流电路倒灌电流。
（2）检测与控制电路
控制电路的核心是高速开关集成电路TWH8778（IC），其内部设有过压、过流、过热等保护电路，具有开启电压低、开关速度快、通用性强、外围电路简单的特点，并可方便地连接电压控制和光控等，特别适合电路的自动控制。
TWH8778的第1脚为输入端，第2脚为输出端，第5脚为控制端。当控制端有1.6V以上的开启电压时，TWH8778导通，电源电压从第2脚输出至后续电路。电阻R4、R5将输入端电压分压后，作为控制端的开启电压。
电阻R1、R2和晶体管VT1组成市电检测电路。市电正常时，滤波电容C1上的9V直流电压经R1、R2分压后，使晶体管VT1导通，将R5上的开启电压短路到地，TWH8778因无开启电压而截止。市电因故停电时，晶体管VT1因无基极偏压而截止，R5上的开启电压使TWH8778导通。
光敏晶体管VT2构成光控电路。白天光敏晶体管VT2有光照而导通，将R5上的开启电压短路到地，TWH8778因无开启电压而截止。夜晚光敏晶体管VT2无光照而截止，R5上的开启电压使TWH8778导通。
（3）LED照明光源
6个高亮度白光LED（VD2～VD7）组成照明灯，受电子开关TWH8778控制。在市电检测电路和光控电路的共同作用下，市电正常时应急灯不亮，蓄电池充电。白天市电断电时应急灯仍不亮。只有在夜晚市电断电时，电子开关TWH8778导通，应急灯才点亮。