本科生创新实践课程建设探索

袁登科 牙生·合力力

【摘要】创新实践课程是面向本科生开展的激发学生能动性与创造性的一门课程，文章介绍了以高效率LED球形灯泡设计与制作课题的详细步骤，不仅促使学生更好地掌握恒流驱动，还能深入理解节能照明的实际应用与社会效益，培养了学生参与创新实践活动的兴趣。

【关键词】LED球形灯泡 课程建设 创新实践

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）03-0219-02

同济大学本科生培养计划开设了创新实践课程，要求同学们积极参与创新实践活动并获得相应的2个学分。各类创新实践活动包括：各类国家性竞赛、各级（包括校级、市级、国家级）大学生创新活动项目，还包括学校教师的各类科研项目。其中大部分同学的学分都是通过教师各类科研项目取得的，这也促进了教师将科研项目与教学活动结合起来，共同为本科生提供更加丰富多彩的教学资源。本文旨在将一次创新实践课程的内容进行总结，作为对已有创新实践课程的有益补充。

一、高亮度LED球形灯泡设计与制作课题简介

创新实践课程给本科生提供了参与创新实践活动的机会，让学生从不同的角度获得理论与实践等多方面收获。创新实践课程在不同类型项目中的要求是不同的：在仿真和理论设计中需要有学生自主设计的成分，并且需要独立完成相关电路的设计；在硬件电路设计中，需要考虑到实际电路的具体应用场合，因而设计的电路可能会带来许多误差甚至错误。在实际操作中，需要参考一些成熟的应用电路，然后在某一点上尝试进行新的设计。

“以高亮度LED球形灯泡设计与制作”课题为例，第一步需要学生查询关于LED灯泡特点和作用及其发展的资料，然后积累设计与制作LED灯泡所用的器件和芯片知识，包含了各种器件和芯片的作用与它们的工作原理等。第二步是利用软件设计电路的原理图与PCB文档。第三步是购置各种原材料后，进行电路各单元的焊接、调试与组装。第四步进行上电测试并记录试验数据，最后撰写总结报告。

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种半导体固体发光器件。当它两端加上正向电压时，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED具有体积小、电压低、寿命长、响应快、无频闪、耗能少、发热少等优点，正逐渐成为新一代绿色、节能、环保、长寿命、全固体照明光源，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

普通的白炽灯泡可以直接连接220V交流市电，LED则不然。它需要将220V交流电转换为低压直流电（单个LED需要2～3V直流电压，通常是多个LED串联使用），为了稳定其工作状态，需要采用恒流方式驱动。由于LED灯泡需要直接接入市电，所以需要灯泡具有如下特点：高可靠性、高效率、高功率因素、浪涌保護、符合安全规范和电磁兼容的要求、驱动电路的寿命要与LED寿命相适配等。

二、 LED球形灯泡设计与制作课题实施步骤

1.系统结构

课题选择UC5910作为主控芯片，它是PWM工作模式的LED驱动控制集成电路。它的直流供电电压为8～450VDC，它以固定开关频率控制外部MOSFET的开通与关断，开关频率可高达500kHz，该频率可由一个外接电阻器来控制。芯片控制LED串工作在恒流模式下，工作电流可以在几毫安到1安内调节。该芯片的主要应用场合有RGB背光LED驱动、逆光照明的平板显示器、通用恒流源、标识和装饰LED照明、汽车、充电器等。

如图1所示，市电经共模电感及滤波电路后，通过整流桥输出直流电压，再经过PPFC电路后作为BUCK电路的输入，UC5910通过检测当前电流的大小，输出合适宽度的PWM信号驱动主电路MOSFET，进而控制BUCK电路的输出电流，从而实现LED恒流驱动。

图1LED灯泡电路原理图

图2 LED球形灯泡实物 图3 现场试验调试

2.器件选型

本次LED球形灯泡直接工作在工频电网中，总共有40只LED，两组并联，每组20只串联，LED驱动电流大约120mA，灯泡的总功率大约5W，工作频率100kHz，电路各器件参数见表1。

3.PCB电路绘制

课程设计中要求学生利用Altium Designer软件对电路进行原理图和PCB的绘制。

4.焊接与组装

本次课题中，指导教师事先备好所有的元器件和焊接及测试工具等。由于实际的PCB电路板尺寸较小，并且从表1中可以看出很多元件是芝麻大小的贴片电阻和贴片电容，需要同学们事先了解一些焊接的技巧。焊好的PCB板子最终要放入很小的灯泡内部，这要求尽量降低装置的高度。在焊接时，尽量把元器件紧贴板子，缩短器件的引脚。同时为了便于焊接，先焊贴片元件，再焊直插元件。LED球形灯泡的半成品与最终的成品见图2。

5.上电调试

图3给出了现场试验调试的照片。为了进行安全的上电调试，首先进行直流稳压电源供电下的上电调试，然后不断提高交流电压进行交流供电测试，最后220V工频电网直接上电测试。功能测试正常以后，可以再根据实验室条件进行电气性能的详细测试。

三、创新实践课程小结

本课程设计是一次带有验证性质的创新设计，学生从中可以取得一些收获：

（1）熟悉LED的恒流驱动方式。LED恒流驱动是技术发展的必然趋势，有很强的实用性。

（2）熟悉贴片器件的焊接技术。注意不能对贴片器件进行长时间的持续焊接，容易导致器件脱落。