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手电筒电路相关基础知识
手电筒电路模式及相关基础知识
先说下手电筒的基本原理：
手电筒由发光体、电池、电路、外壳、反光杯、电路仓、开关等组成，基本原理是电流从电池出来，然后到达电路，经过电路调整电压和电流，然后输出到发光体，进行点亮照明。
下面是电路模型：
开关合上，灯炮发光，开关断开，灯泡熄灭。
一、电路
定义：
由实际元器件构成的电流的通路。
作用：
电力系统中的电路可对电能进行传输、分配和转换。
电子技术中的电路可对电信号进行传递、变换、储存和处理。
实际电路：
由电阻、电容、电感、变压器、半导体器件、集成电路、电源等元件连接而成的电路。
二、电路元件
无源电路元件：
电阻，电容，电感。
有源电路元件：
电压源，电流源。
电阻元件是一种只表示消耗电能的元件
电容元件是表示其周围空间存在着电场而可以储存电场能量的元件
电感元件是表示其周围空间存在着磁场而可以储存磁场能量的元件
三、电路模型
实际电路可以用一个或若干个理想电路元件经理想导体连接起来模拟,这便构成了电路模型。
四、发光体
手电用的发光体有：
LED、卤素灯、普通灯泡和氙气灯泡（分有钨丝充氙气的和只是充氙气的HID）等，其他手电不常用的发光体在这里就不说了。
至于我这里说明各个LED的亮度单位统一用流明（Lumens）标示，也就是通常说的光通量。
1、LED
最近最流行的就是LED了，中文全名就是“发光二极管”，小功率的LED一般都是多头用在1AA或者3AA,这个我就不多说了，功率实在太小，家用还可以，不过户外就差多了，主要说说户外使用的3W以上的大功率吧，主要代表也是目前最流行的是美国CREE的LED,寿命长，根据厂家数据最高可到10万小时。
说说主要型号的参数：
（1）P3，350mA亮度73.9-80.6Lumens，700mA亮度119.7-130.6Lumens
（2）P4，350mA亮度80.6-87.4Lumens，700mA亮度130.6-141.6Lumens
（3）Q2，350mA亮度87.4-93.9Lumens，700mA亮度141.6-152.1Lumens
（4）Q3，350mA亮度93.9-100.4Lumens，700mA亮度152.1-162.6Lumens
（5）Q4，350mA亮度100.4-107Lumens，最大电流1000mA
（6）Q5，350mA亮度107-114Lumens，最大电流1000mA（可达220-250lm）
虽然型号很多，我们最常用的也就是P4、Q2和Q5，其中现在最流行的莫过于Q5了，因为效率高，亮度大，电流可以到1A，亮度最高能到250流明。
LED的色温：
每种型号的LED，还根据色温不同分成了不同的种类比如Q5有Q5WB、Q5WC等，Q2有Q2WB、Q2WC、Q25A等等。
基本常用的色温从5000-10000K，根据K值分WJ、WD、WC、WB、WA等，通俗的讲就是色温越低越发黄，越高越白。
这里我只把市场上比较流行的几种色温作个简单说明：
（1）最流行的就是WC的色温了，6700K的色温，正白光适合大多数场合使用，刺眼的亮度也很适合亮骚。
（2）Q5WB，8000K的色温，白光略微的发蓝，因为看起来要比WC的更亮（因为WC的相比下略微发黄），实际用照度计检测亮度是一样的，被大多数厂家使用大批量生产手电筒，我们买的国内大部分厂家大功率手电都是WB色温的。
（3）Q25A，色温在4000K-4500K，属于暖白光系列，光色偏黄，因为黄色穿透力强，更适合户外使用。
说到LED在这里就还要说说超大功率的LED的了，刚才说的是3W的是最高能到250流明的了，现在韩国SSCP7LED也大量使用在国产手电筒上了，电流2.8A，最高可达900流明，目前国内比较成熟的就是WF-900,亮度确实高，超强刺眼，特点是散光好，但是远射不是很强，毕竟灯杯深度有限制；谈到远射，如果说想远射好又想用P7那就只能用C8－P7了，远射确实好，但是光斑的中心有轻微的黑心，这个就让那些完美主义的筒友不满意了，不过我最近联系厂家重新制作了批C8P7专用的光杯，调整了反光杯的弧度，据说没有黑心，还没有到货，到货以后在给大家说效果。
2、卤素灯泡
以前市场上很多，在LED还没有流行的时候很盛行，现在很少了，记得以前我有卖过COP的卤素手电，现在也不多见了。
3、普通的灯泡（白炽灯）。
这个就不用多说了，最具有代表性的就是我们常见的虎头手电了，从小伴随我们成长，不过现在有点赶不上时代了，不过低价位还是有很多市场的。
4、氙气灯泡。
分两种：
一种是钨丝灯泡，但是里面充的氙气，亮度提高很多，偏黄的光色，比较常见的有氙气501B上面用的G90（最高80流明），还有WF-500上面用的9V氙气灯泡（最高500流明）。
特点是亮度高，但是寿命短，也就最多40小时左右。
另外一种是我们平时说的HID（氙气体放电灯）。
灯泡里面充的氙气，高压点亮，亮度超高，功率常见的功率有10W、24W、35W，亮度在1000-3000流明，灯泡寿命最高的能有3000小时，是手电重点佼佼者。
优点是很多，缺点：
由于灯杯和安定等因素，体积下不来，体积比一般的单节18650的手电偏大，最要命的就是一个字“贵”，最便宜的也要1000多，不是一般玩家消费的。
五、电池
手电筒常用的电池有1AA（1节5号电池）、2AA（2节5号电池）、3AA（3节5号电池），5号电池又分碱性电池也就是通常说的不能充电的干电池（4.5V）和可以充电的镍氢电池（1.2V）;
还有就是锂电池了，电压2.45-4.20V，型号有14500、16340、18650等等，很多朋友看这些数字有些晕，说怎么区分啊，其实很简单，定型号的数字都是有原因的，比如14500电池的直径是14毫米，长度是50毫米；16340电池直径是16毫米，长度是34毫米，以此类推，18650电池就是直径18毫米，长度65毫米。
哈，明白了吧。
锂电池还分带保护电路的（防止过充过放的电路）和不带的，大家应该都知道锂电池是不能过充过放的，如果电池过充就是充满电了还在充电器不拿出来还长时间继续充会发生漏水或者爆炸，哦怕怕；如果过放，就是电池用到一点电也没有了才去充，这样都会导致电池报废的，现在加装了保护电路就不会有这样的问题了，但是缺点就是体积变大了，比不带保护电路的（就是上段说的电池尺寸）要大一点，直径增加1毫米左右，长度增加2毫米左右。
使得有些手电放电池的时候有些困难，需要慢慢摸索的才能塞进去，不过大部分手电都是可以轻松放进去的。
还有就是电池串联并联的问题，在这里讲一下，其实我们初中物理就学过的：
串联电流不变，电压为之前2倍。
并联电压不变，电流为之前2倍。
如果您的电池是带保护电路的（带防过充过放功能）就不用看以下介绍了，以下主要是针对没有保护电路锂电池讲解的。
新品电池的电量不是太多；要电池在第一次使用时，不需要充电时间太长，仅根据充电器的充电指示处理即可。
在充电时，根据充电器的充电快慢，当指示灯的颜色变化时就立即取出电池，不要过充，建议充电时间不要超过3-5小时。
充完电，要把电池从充电器里取出。
选择充电器，要使用有防过充的充电器。
在使用时，根据电筒对电压的要求使用电池，不要乱用，以防烧坏电筒。
在使用中，当电筒的亮度发生明显变化时就要关闭电筒，防止过放，（不能同手机电池那样，用到手机自动关机，这样电池就会过放，而不能再用）。
使用技巧：
电筒在使用过程中，要保证散热正常，用手拿着就是最好的方式，建议放着点亮时间要根据电筒的发热情况及时用手拿一下，以便散热。
电筒在使用时，建议每用30分钟后关闭2-3分钟，以便散热；注意电池的防水防潮防摔等。
六、电路
电池可以直驱（就是直接将电池的两端用导线链接到LED的正负接头上）大部分LED的，但是电流不稳定，有大有小，容易造成LED寿命缩短产生光衰，所以控制电压和电流的手电筒专用电路就诞生了，电路主要有下几种：
讲之前先说个几个常识，什么是输入电压、电流和输出电压、电流。
电筒的供电原理是电流从电池出来，经过电路调整，然后输入到LED进行工作，所以输入电流、电压就是指电池端链接电路之间的电压和电流；输出电流、电压就是指电路和LED之间的电流和电压。
1、升压电路。
主要用于使用1AA、2AA电池的手电，因为大部分LED的工作电压在3.6左右，AA电池电压在1.2-1.5，电压不够，需要将电压升到3.6才能使LED正常工作，也就产生了这种电路.
2、降压电路。
一般用在双锂电手电筒上的，比如用2节16340的手电筒，LED的工作电压在3.6，而2节16340串联的电压有7.5V左右，就需要把电路的输出电压降到3.6为LED供电。
3、自动升降压电路。
顾名思义就是当电池电压高于LED的工作电压的时候就把输出电压降到LED的工作电压，当电池电压低于LED工作电压的时候把输出电压升到LED的工作电压，这样就产生了恒压恒流，这就是最理想的电路了。
对于区分电路的水平，大家习惯用效率来区分，当然还有发热、体积等因素，我这里给新手讲一下什么是电路的效率，根据欧姆定律计算：
功率等于电流乘以电压，所以电路效率就是指输出功率（输出电流乘以输出电压）除以输入功率（输入电流乘以输入电压），一般一个好的电路效率在90％以上就是不错的了，那有人问了，那10％跑到那里去了，哈，这10％让电路本身给消耗了，所以说电路消耗的电量越小，电池的利用率越高，这个电路的档次也就越高。
七、筒身、反光杯
1、筒身。
高档手电大部分都是铝合金外壳，材质都差不多，主要区别在表面处理上，一般大部分手电只要没有特殊用途都是普通的氧化处理，以黑色、灰色为主。
有些手电要求能够抗磨表面不掉色的，那就采用三级氧化处理，处理后表面坚硬，用刀刮也不会出现痕迹，不过价格就高了。
2、灯杯。
常见的有橙面杯和光面杯，橙面杯的表面是凹凸不平的橘皮状，特点是反光均匀，照射出的光斑漂亮；光面杯的特点是反射效率高，聚光性能好，也就是远射效果好，但是照射出的光斑外圈有层光环让人感觉不完美。
LED手电筒及其驱动电路介绍
LED手电筒是以发光二极管作为光源的一种新型照明工具,它具有省电、耐用、亮度强等优点。
（一）LED发光原理（LED手电筒）
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即
λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
（二）LED手电筒的特性
1．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，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:
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，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
一般的LED手电筒前端为5～8个高亮度发光管，使用1～2节电池。
由于使用超高亮度发光管的原因，发光效率很高，工作电流比较小，实测使用一节五号电池5头电筒，电流只有100mA左右。
非常省电。
如果使用大容量充电电池，可以连续使用十几个小时，笔者就买了一个。
从前端拆开后，根据实物绘制了电路图，如图所示。
工作原理：
接通电源后，VT1因R1接负极，而c1两端电压不能突变。
VT1（b）极电位低于e极，VT1导通，VT2（b）极有电流流入，VT2也导通，电流从电源正极经L、VT2（c）极到e极，流回电源负极，电源对L充电，L储存能量，L上的自感电动势为左正右负。
经c1的反馈作用，VT1基极电位比发射极电位更低，VT1进入深度饱和状态，同时VT2也进入深度饱和状态，即Ib>Ic/β（β为放大倍数）。
随着电源对c1的充电，C1两端电压逐渐升高，即VTI（b）极电位逐渐上升，Ib1逐渐减小，当Ib1<=Ic1/β时，VT1退出饱和区，VT2也退出饱和区，对L的充电电流减小。
此时．L上的自感电动势变为左负右正，经c1反馈作用。
VT1基极电位进一步上升，VT1迅速截止，VT2也截止，L上储存的能量释放，发光管上的电源电压加到L上产生了自感电动势，达到升压的目的。
此电压足以使LED发光。
LED手电驱动电路原理图
LED（Lighy Emitting Diode），又称发光二极管，它们利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。
（一）LED的发展历史
应用半导体P•N结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。
直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。
1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。
LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。
但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。
近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。
曾经有人指出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后，最伟大的发明之一。
（二）LED发光原理
发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。
其发光体——晶片的面积为10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大晶片LED，晶片面积达40mil。
其发光过程包括三部分：
正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。
微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。
电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。
光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。
由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。
LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。
目前，已商品化的白光LED多是二波长，即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光。
未来较被看好的是三波长白光LED，即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光，它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。
（三）LED光源的基本特征
１、发光效率高
LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。
白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。
LED光效经改良后将达到达50～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。
目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。
２、耗电量少
LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作。
同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。
每年可节约相当于60亿升原油。
就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。
３、使用寿命长
采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。
而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。
平均寿命达10万小时。
LED灯具使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。
４、安全可靠性强
发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：
能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。
内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。
５、有利于环保
LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。
光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。
光学常识
狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics（光学）这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。
而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。
光学的发展简史
光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。
人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？
”之类问题。
约在公元前400多年（先秦的代），中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。
它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。
自《墨经）开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。
1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。
它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。
牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，当用白光照射时，则见透镜与玻璃平板接触处出现一组彩色的同心环状条纹；当用某一单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹，后人把这种现象称牛顿环。
借助这种现象可以用第一暗环的空气隙的厚度来定量地表征相应的单色光。
牛顿在发现这些重要现象的同时，根据光的直线传播性，认为光是一种微粒流。
微粒从光源飞出来，在均匀媒质内遵从力学定律作等速直线运动。
牛顿用这种观点对折射和反射现象作了解释。
惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。
提出“光同声一样，是以球形波面传播的”。
并且指出光振动所达到的每一点，都可视为次波的振动中心、次波的包络面为传播波的波阵面（波前）。
在整个18世纪中，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略地提了出来，但都不很完整。
19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。
菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。
在进一步的研究中，观察到了光的偏振和偏振光的干涉。
为了解释这些现象，菲涅耳假定光是一种在连续媒质（以太）中传播的横波。
为说明光在各不同媒质中的不同速度，又必须假定以太的特性在不同的物质中是不同的；在各向异性媒质中还需要有更复杂的假设。
此外，还必须给以太以更特殊的性质才能解释光不是纵波。
如此性质的以太是难以想象的。
1846年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。
他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。
1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。
这个结论在1888年为赫兹的实验证实。
然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。
到了1896年洛伦兹创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。
在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的媒质，其唯一特点是，在这种媒质中光振动具有一定的传播速度。
对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。
并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。
而事实上，1887年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了洛伦兹电子论时期，人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。
1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。
他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。
量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。
量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。
1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。
他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。
1905年9月，德国《物理学年鉴》发表了爱因斯坦的“关于运动媒质的电动力学”一文。
第一次提出了狭义相对论基本原理，文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远远小于光速的情况，而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。
这样，在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。
1922年发现的康普顿效应，1928年发现的喇曼效应，以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物
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