基于Multisim的LED花样电路的设计

陕西国防工业职业技术学院　程晓芳

基于Multisim的LED花样电路的设计

陕西国防工业职业技术学院程晓芳

鉴于Multisim软件操作简单、界面直观、仿真功能全面等许多显著的优点，选用Multisim11软件仿真提出了两种设计思路，都由晶体管控制LED花样电路，并且针对仿真测试电路时存在的问题，对电路做了一些改进，使改进后的电路性能更加稳定，花样更加丰富。

计算机仿真；花样电路；三极管；电路设计

Multisim软件是专门用于电路仿真和设计的EDA工具软件，具有高度交互性、元器件库齐全、虚拟测试仪器种类丰富、运行速度快、仿真分析功能强大等一系列优点［1］。当今，快捷、便利、高效的Multisim电子设计仿真技术，已经取代了传统的以电子电路实验为基础的电路设计分析方法，实现了真正意义上的电子设计自动化［2］。本文基于模电知识［3］，使用Multisim软件仿真设计了LED灯花样电路，由晶体管控制，与单片机控制的LED电路［4］相比，电路结构简单，使用元器件数目少，花样丰富，成本相对较低。

与传统电光源相比，LED灯具有发光效率高、节能、绿色环保、寿命长、体积小、工作安全可靠等一系列独特的优点，已经成为照明产品的主流，其应用非常广泛［5］。鉴于LED灯发光色彩丰富，多用在以显示、指示、色彩变化多的照明领域［6］。用LED灯制作的小型花样流水灯花样丰富，结构简单，成本相对较低；同时，对应用电子相关专业的初学者提供一些入门引导，能激发他们学习基础课程的学习兴趣，开发了花样流水灯项目。

本电路主要由三个晶体管和三组共18只LED灯组成，提出了两种设计思路。靠晶体管组成的振荡电路来控制LED灯的亮灭，三组灯可以按照需要进行布线进从而制作成不同花样的流水灯。

1.电路一

此电路先将每6只LED灯并联起来再并接在一个晶体管的集电极和发射极之间，电源电压通常取5-8V，在具体的花样流水灯的套件测试过程中，所要的电压可能要更小一些，通常可用手机电池代替电源。每当电源刚接通的瞬间，3个晶体管要争先导通，但由于元器件存在差异，只有某一个晶体管先导通。假设晶体管Q1先导通，则Q1集电极电压降低，导致第一组（LED1-LED6）阳极电压降低，没有被点亮；与此同时，与Q1集电极连接的电容C1的左端电压接近0V，由于电容器两端的电压不能突变，所以与电容C1连接的晶体管Q2基极也被拉到近似0V，导致Q2截止。这时，晶体管Q2的集电极电压较高，与之连接的第二组（LED7-LED12）阳极电压高于阴极，被全部点亮；同时，与Q2集电极相连的电容C2使晶体管Q3基极电压升高，Q3也将快速导通，则Q3集电极电压降低，导致与其链接的第三组LED（LED13-18）阳极电压降低，全被熄灭。在这短暂时间内，晶体管Q1与Q3的集电极均为低电压，只有与Q2集电极相连的第三组 （LED7-LED12）全被点亮，而其余两组LED灯熄灭。仿真效果见图1。

图1　电路1仿真图

随着电源通过电阻R3对电容C1的充电，使晶体管Q2基极电压逐渐升高，当超过0.5V左右时，晶体管Q2导通，集电极电压下降，第二组（LED7-LED12）熄灭。与此同时Q2集电极电压的下降通过与之连接的电容器C2使晶体管Q3的基极电压也降低，Q3截止，接在Q3集电极上的第三组（LED13-18）被全部点亮。Q3集电极电压的升高通过与之连接的电容C3使Q1导通，则Q1集电极电压下降，进而导致第一组（LED1-LED6）熄灭。通过电路中3只晶体管轮流导通和截止，总是一组6个LED灯被点亮，另外两组不亮，三组LED灯就不停地循环发光。

2.电路二

为了让电路1中更多的LED灯被点亮，提出了一些改进。如图2所示，分别将每组的6只LED灯（例如，第一组LED1-LED6）并联起来再并接在二极管D1和三晶体管的集电极电阻（例如，R2）之间，D1在电路中起保护作用。LED灯循环点亮原理和电路1类似，通过晶体管的轮流导通和截至实现。

每当电源接通的瞬间，假如晶体管Q1最先导通，则第一组LED1-LED6点亮，则Q1集电极电压降低，导致与电容C1相连的晶体管Q2截止，会引起第二组LED7-LED12熄灭。通过与Q2相连的电容C2使晶体管Q3迅速导通，引起第三来LED13-LED18被点亮，仿真效果见图2。

图2　电路二仿真图

随着电源通过电阻R3对电容C1的充电，晶体管Q2导通， 第二组LED7-LED12点被亮。同时，引起晶体管Q3截止，第三组LED13-LED8熄灭；晶体管Q1导通，第一组LED1-LED6点亮。短暂时间过后，第二组LED7-LED12和第三组LED13-18被点亮，LED1-LED6熄灭。照此循环，电路中3只三极管便轮流导通和截止，引起三组LED灯就不停地循环发光。

3.改进后的电路

电路1和电路2都看不到三组18个LED灯全被点亮效果，对电路2做了些改进，在第一组LED1-LED6两端并联一个极性电容C5，如图3所示。每当刚接通电源的瞬间，电源对电容C5进行充电，此时三组LED灯全部处于导通状态，三组18只LED灯全被点亮。当电容C5达到最大值后，Q1导通，导致第一组LED1-LED6被点亮，同时Q2截止，第二组LED7-LED12被点亮；Q3迅速导通，第三组LED13-LED18熄灭。随着电源通过电阻R3对电容C1的充电，第二组LED7-LED12和第三组LED13-LED18被点亮，LED1-LED6熄灭。接下来的时间内，第一组LED1-LED6和第三组LED13-LED18被点亮，第二组LED7-LED12熄灭。如此往复循环，3组LED灯便会被两两轮流点亮。

通过仿真实验发现，电容并接在任何一组LED两侧，都可产生相似的结果，先全部点亮然后两组亮一组灭。

4.结论

本文基于Multisim提出两套不同效果的由晶体管控制的LED花样流水灯，电路所用的元器件较少，工作原理相对简单，方便制作。电路1出现一组6只LED灯被点亮，两组12只LED灯熄灭；电路2出现两组12只LED灯亮，一组6只LED灯灭，改进后的电路出现三组18只LED灯全部被点亮。本文提出的流水灯的电路花样丰富，其对生产实际中更大规模，花样更加丰富的LED灯花样电路的设计和改进能够提供一些借鉴。

［1］颜芳，宋焱翼，谢礼莹.基于Multisim的电路原理课程仿真实验设计［J］.实验技术与管理，2013，30（5）：1-10.

［2］王荔芳，余磊，周晓华.放大电路的Multisim10仿真分析［J］.现代电子技术，2011，34（18）：172-174.

［3］苏丽萍.电子技术基础［M］.陕西西安：西安电子科技大学出版社，2012.03.

［4］黄辉，邬智江，区永源，等.基于单片机的智能LED灯照明系统［J］.电子设计工程，2011，19（18）：154-156.

［5］窦林平.国内LED照明应用探讨［J］.照明工程学报，2011，22（6）：51-58.

［6］路秋生.LED照明与应用［J］.灯与照明，2009，33（4）：24-28.