本科生創新實踐課程建設探索

袁登科 牙生·合力力

【摘要】創新實踐課程是面向本科生開展的激發學生能動性與創造性的一門課程，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動，還能深入理解節能照明的實際應用與社會效益，培養了學生參與創新實踐活動的興趣。

【關鍵詞】LED球形燈泡 課程建設 創新實踐

【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計劃開設了創新實踐課程，要求同學們積極參與創新實踐活動并獲得相應的2個學分。各類創新實踐活動包括：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。本文旨在將一次創新實踐課程的內容進行總結，作為對已有創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

創新實踐課程給本科生提供了參與創新實踐活動的機會，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、調試與組裝。第四步進行上電測試并記錄試驗數據，最后撰寫總結報告。

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種半導體固體發光器件。當它兩端加上正向電壓時，半導體中的載流子發生復合引起光子發射而產生光。LED具有體積小、電壓低、壽命長、響應快、無頻閃、耗能少、發熱少等優點，正逐漸成為新一代綠色、節能、環保、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串聯使用），為了穩定其工作狀態，需要采用恒流方式驅動。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、符合安全規范和電磁兼容的要求、驅動電路的壽命要與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.系統結構

課題選擇UC5910作為主控芯片，它是PWM工作模式的LED驅動控制集成電路。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安內調節。該芯片的主要應用場合有RGB背光LED驅動、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，市電經共模電感及濾波電路后，通過整流橋輸出直流電壓，再經過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信號驅動主電路MOSFET，進而控制BUCK電路的輸出電流，從而實現LED恒流驅動。

圖1LED燈泡電路原理圖

圖2 LED球形燈泡實物 圖3 現場試驗調試

2.器件選型

本次LED球形燈泡直接工作在工頻電網中，總共有40只LED，兩組并聯，每組20只串聯，LED驅動電流大約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.上電調試

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

三、創新實踐課程小結

本課程設計是一次帶有驗證性質的創新設計，學生從中可以取得一些收獲：

（1）熟悉LED的恒流驅動方式。LED恒流驅動是技術發展的必然趨勢，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焊接，容易導致器件脫落。