觸摸開關的研究

1、江 西 理 工 大 學 南 昌 校 區(qū) 畢 業(yè) 設 計（論文） 題 目：觸摸開關的研究 系 ：信息工程系 專 業(yè)：應用電子技術(shù) 班 級： 學 生： 學 號： 指導教師： 職稱：講 師 摘 要 市場經(jīng)濟的發(fā)展，人們對開關的需求越來越高，開關的種類也因此越來越 齊全。聲控開關、機械開關、光控開關等產(chǎn)品逐步進入生活中。但由于機械開 關屬于有觸點開關元件，它有接觸不良、故障率高、使用不便等缺點，且摩擦 較大容易損壞；盛開開關嚴重浪費了電力資源，干擾了環(huán)境安寧；光控開關是 采用光線的強弱來實現(xiàn)對用電器電源自動控制的電子開關，它對光線強弱的要 求苛刻。針對以上開關的各種缺點，促使我們尋求更為理想的開關電器

2、設備替 代元件，方便人們生活。 觸摸開關是一種新型的電子節(jié)能開關，可廣泛應用于多層住宅和辦公室外 的走廊、門廳、樓梯間、電梯間、過道等公共場所，也可以在家庭安裝。本次 設計利用模擬電路和數(shù)字電路，以直流穩(wěn)壓電源電路、ne555 單穩(wěn)態(tài)電路、和 繼電器控制電路為核心設計延時觸摸開關。需要開關燈時，手指觸摸開關感應 區(qū)，電燈自動點亮，延時約一分鐘，電燈自動熄滅。該操作簡單，使用節(jié)能， 又沒有聲控開關有聲音就亮的弊端。主要由 ne555 定時器，直流穩(wěn)壓電路和繼 電器控制電路組成。具備以下功能特點：節(jié)約電能，無觸點，無污染，安全可 靠。 關鍵詞：觸摸開關；模擬電路；延時；感應；節(jié)能 abstract

3、 the development of market economy, people to switch the demand is higher and higher, the types and therefore less switch is complete. sonic switch, mechanical switch, optical switch etc. product has gradually taken into life. but due to mechanical switch belong to have switch components, it has bad

4、 contacts, failure rate high, use inconvenience of faults, and friction larger damage easily; blooming switch power resources, serious waste to interfere with the environmental tranquility, optical switch is using the strength of the light to achieve with electric power automatic control of electron

5、ic switch, it is so light intensity requirements harsh. in view of the above switch, prompting flaws we seek more ideal switch electrical equipment replacement components, convenient for people to life. corridor delay touch switch is a new type of electronic energy saving switch, can be widely used

6、in multi-storey residential and office corridors outside, vestibular, stair, elevator, corridor in public places, also can be in home installation. this design using analog and digital circuit, in order to direct current voltage-stabilized source circuit, ne555 single state circuit, and relay contro

7、l circuit as the core design delay touch switch. need to turn off the lights when open fingers switch inductive zone, lights automatic light, delay about a minute, electric automatic extinguished. the operation is simple, use energy-saving, again have no voice sounds light switch has the drawbacks.

8、mainly by ne555 timer, dc voltage circuit and relay control circuit composed. have the following function characteristics: save electric energy, non-contact, clean, safe and reliable. keywords: touch switch；analog circuit；delay；induction；energy conservation 目 錄 第一章 設計思路與方案設計.1 1.1 設計思路.1 1.2 方案設計.1

9、第二章 系統(tǒng)組成與工作原理.2 2.1 系統(tǒng)組成的總原理圖.2 2.2 系統(tǒng)的工作原理.2 2.1.1 單穩(wěn)態(tài)電路 .4 2.2.2 對稱雙穩(wěn)態(tài)電路 .5 2.2.3 無穩(wěn)態(tài)電路 .5 2.3 三種節(jié)能觸摸開關 .6 2.3.1 無靜態(tài)功耗電子觸摸開關 .6 2.3.2 微靜態(tài)功耗觸摸延熄開關 .7 2.3.3 無靜態(tài)功耗觸摸延熄開關 .8 第三章 單元模塊電路設計.9 3.1 整流電路.9 3.3 指示燈.11 3.4 觸發(fā)電路.11 3.5 晶閘管的開關作用.11 3.6 傳感器及元器件的選用 .15 3.6.1 觸摸信號輸入電路 .15 3.6.2 74 ls00 的簡介 .17 第 4

10、 章 產(chǎn)品制作安裝與調(diào)試.19 4.1 產(chǎn)品制作設計.19 4.1.1 元件布局規(guī)則.19 4.1.2 元件布線規(guī)則.19 4.2 元器件檢測 .20 4.3 原件安裝與硬件調(diào)試 .22 第五章 總 結(jié).24 致 謝.25 參考文獻.26 附 錄.27 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 設計思路與方案設計 1.1 設計思路 隨著社會的進步，人類生活水平的不斷提高，各種電子開關出現(xiàn)，為了設 計一款方便使用，簡單可靠的的單鍵觸摸開關，我特意選擇了單鍵觸摸開關作 為我的課程設計課題。 單鍵觸摸開關由觸摸信號輸入電路，ic cd4017 信號處理電路，電子開關 驅(qū)動電路及電

11、源組成。首先由觸摸片把人體的觸摸信號轉(zhuǎn)化成市電同頻的標準 的 mos 電平，然后輸入 iccd4017 的十進制的計數(shù)器進行信號處理,最后由 iccd4017 處理后的結(jié)果決定是否驅(qū)動電子開關導通燈泡或其他使用設備工作。 1.2 方案設計 方案框圖 圖 1-1 方案圖 觸摸信 號輸入 電路 電子開關 電路 電子開關 驅(qū)動電路 電源 ic cd4017 信 號處理電 路 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 2 第二章 系統(tǒng)組成與工作原理 2.1 系統(tǒng)組成的總原理圖 r4 100k r7 1m r1 1m r2 270k r3 100k m座座座 rg r cl en q1 q9 v

12、dd vss ic cd 4017 v1 v2v3v4v5v6 v1-v6in4007*6 hd c1 22uf v7 9v c3 100uf c2 0.68u f r81m v6 9013 r5 30k r6 1k 座座 vt 220v 圖 2-1 總原理圖 2.2 系統(tǒng)的工作原理 用 cd4017 組成的單鍵觸摸開關，該開關為單觸摸電極控制方式，每觸摸一 次電極，開關即動作（開或關）一次，與普通機械開關功能相同，使用非常方 便。電路原理圖中 hd 為管式氖泡，它與光敏電阻 rg 組成“自制光電耦合器” ， 并與觸摸電極 m、r1 形成觸摸信號輸入通路。cd4017 的 q1、q3、q5、q

13、7、q9 等奇數(shù)輸出端分別接二極管 v2v6，當其中之一輸出高電平時，v8 導通并觸發(fā) 雙向可控硅 vt 導通，接入插座的負載得電工作，此時 q2、q4偶數(shù)輸出端懸 空；反之，當偶數(shù)輸出端其中之一為高電平時，v8、vt 均截止，插座負載斷電， 該觸摸開關剛通電時，因 c1、r4 微分作用，cd4017 自動復位清零，插座為斷 電狀態(tài)。首次觸摸 m 后，hd 啟輝發(fā)光，rg 阻值減小，cd4017 的 cl 端變?yōu)楦唠?平，q1 輸出高電平；而再觸摸一次 m 后，cd4017 計數(shù)一次，q1 變?yōu)榈碗娖剑?q2 輸出高電平，依次類推，從而實現(xiàn)觸摸開關功能，市電兩輸入線分別通過 r7、r8 接至觸

14、摸通路，因此無需分相線、零線，均可保證電路正常工作。 采用分立元器件制作的觸摸式電子開關，它具有簡單易制、使用安全可靠 等特點，可用于控制照明燈、排風扇等家用電器。 電路工作原理： 該觸摸式電子開關電路由電源電路、觸發(fā)控制電路和控制執(zhí)行電路 (開關 電路)組成，如圖 2-2 所示 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 3 圖 2-2 電源電路由電源變壓器 t、整流橋堆 ur 和濾波電容器 c 組成。觸發(fā)控制電 路由觸摸電極片 al、a2、晶體管 vl-v4 和電阻器 rl-r4 組成，其中 v3、v4 和 rl-r4 組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 控制執(zhí)行電路由晶體管 v5、電阻器 r5、二

15、極管 vd、繼電器 k 和發(fā)光二極 管 vl 組成。交流 220v 電壓經(jīng) t 降壓、ur 整流及 c 濾波后，為觸發(fā)控制電路和 控制執(zhí)行電路提供 9v 直流電壓。在接通電源瞬間，v4 截止，v3 導通，v5 截止， k 處于釋放狀態(tài)，負載不工作。 當用手觸摸飽極片 al 時，人體感應信號經(jīng) vl 放大后使 v4 受觸發(fā)而導通， v3 截止，v5 導通，k 吸合，其常開觸頭將負載的工作電源接通。再用手觸摸一 下電極片 a2 時，人體的感應信號經(jīng) v2 放大后，使 v3 導通，v4 和 v5 截止，k 釋放，將負載的工作切斷。 vl 在 k 吸合、負載通電工作時點亮，在 k 釋放時熄滅。 元器件

16、選擇： rl-r5 選用 1/4w 的碳膜電阻器或金屬膜電阻器。 c 選用耐壓值為 16v 的鋁電解電容器。 vd 選用 in4001 型硅整流二極管或 2cplo 型硅普通二極管。 ur 選用 la、5ov 的整流橋堆，也可用 4 只 1n4001 或 2cplo 橋接后代替。 vl 選用 5mm 發(fā)光二極管。 vl-v4 均選用 sg013 或 3dg6 型硅 npn 晶體管;v5 選用 3dgl2 或 s805o 型 npn 晶體管。 t 選用 1-3w、二次電壓為 gv 的電源變壓器。 k 選用 jrx-13f 型 9v 直流繼電器。若控制較大的功率負載，則可用 k 的常 開觸頭通過控

17、制交流接觸器來控制負載。 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 4 2.1.1 單穩(wěn)態(tài)電路 圖 2-3 圖 2-3 是典型的單穩(wěn)態(tài)電路。與雙穩(wěn)態(tài)電路相比，電路中的一個耦合電阻 rb1 換成了耦合電容 c1。所以，開機后 vt1 截止，vt2 飽和導通（穩(wěn)態(tài)） 。給它 一個觸發(fā)信號（負脈沖）后，電路翻轉(zhuǎn)，變?yōu)?vt1 導通，vt2 截止（暫穩(wěn)態(tài)） 。 暫穩(wěn)態(tài)是不會長時間穩(wěn)定存在的，經(jīng)過一定時間 t 后，電路會自動返回原來的 狀態(tài)穩(wěn)態(tài)（vt1 截止，vt2 導通） ，也就是電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)。 暫穩(wěn)態(tài)維持時間的長短取決于 c1 和 rb1：t = 0.7rc。 江西理工大學 2

18、011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 5 2.2.2 對稱雙穩(wěn)態(tài)電路 圖 2-4 圖 2-4 是典型的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。注意圖中的 led1、led2 和 rc12、rc22 只是為了方便觀察 vt1 和 vt2 兩管導通、截止狀態(tài)的附加加電路，它并非雙穩(wěn) 電路必須的部分。本圖雙穩(wěn)電路的觸發(fā)方式為計數(shù)觸發(fā)。如果我們按一下 sa 電 路就會從一種穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為另一種穩(wěn)態(tài)，設電源接通后 vt1 飽和導通（led1 亮） ， vt2 截止。按下 sa 后，就變成 vt1 截止，vt2 飽和（led2 亮） 。如果再按一次， 電路又變?yōu)?vt1 飽和，vt2 截止。總之，每按一下觸發(fā)電路，或者說每收到一 個觸發(fā)

19、脈沖，電路的狀態(tài)就翻轉(zhuǎn)一次。這種觸發(fā)方式我們稱之為計數(shù)觸發(fā)。 2.2.3 無穩(wěn)態(tài)電路 無穩(wěn)態(tài)電路也是由兩管交叉耦合而成，不過，兩只耦合電阻都換成了耦合 電容。它沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，所以兩管輪流導通截止。我們常用 它來產(chǎn)生方波或脈沖信號源，所以也可以稱這種電路為多諧振蕩電路，其振蕩 周期：t = 0.7rb1c1+0.7r.b2c2 兩管元件數(shù)據(jù)對稱時，公式可簡化為：t = 1.4rbc 或者說振蕩頻率：f = 1/（21.4rbc）這里，我們?yōu)榱吮阌谟^察發(fā)光二極管 的閃光，所以 r、c 都用得較大。如果振蕩頻率太高，那么看起來兩只發(fā)光管都 是亮著的，就看不出翻轉(zhuǎn)的過程了。 江西理工大學

20、2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 6 圖 2-5 無穩(wěn)態(tài)電路電路圖 2.3 三種節(jié)能觸摸開關 經(jīng)過對市場上出現(xiàn)的多種電子開關(包括延熄開關)進行分析測試，筆者發(fā) 現(xiàn)這些開關都有六七百毫瓦以上的靜態(tài)功耗，一年下來每個電子開關靜態(tài)耗電 就在 5、6 度以上。每個廠家每年都生產(chǎn)出大量這種開關供人們使用，可想而知 有多大的浪費。為此，筆者利用一種很普通的小電流觸發(fā)晶閘管(具有控制極觸 發(fā)電流很小的特點，觸發(fā)電流多小于 200a，目前額定電流為 1a 的這種晶閘 管的售價只有四、五毛錢)，設計制作了三種實用的電子觸摸開關，這幾種開關 具有電路簡單、成本低廉、元件易購、工作可靠、使用方便等特點，更主要的

21、 是沒有任何靜態(tài)功耗或只有極微功耗。使用時無需區(qū)分兩根引出線，可隨便與 電器或電燈串聯(lián)，只是注意整個開關必須接在交流電火線上。 2.3.1 無靜態(tài)功耗電子觸摸開關 目前，大多數(shù)電子觸摸開關都需要在開關內(nèi)部設計一個直流低壓工作電源， 這樣不僅電路復雜，而且存在靜態(tài)功耗。本電子觸摸開關采用的技術(shù)方案是： 由橋式整流二極管、單向晶閘管、三極管、電阻、電容和觸摸金屬片組成電子 觸摸開關，觸摸開的控制是通過一個小電流觸發(fā)晶閘管實現(xiàn)的。首先整流二極 管把交流市電變成單向脈動電，然后經(jīng)一個單向晶閘管進行電源通斷控制，觸 摸開控制的小電流觸發(fā)晶閘管接在起電源通斷控制作用的晶閘管的陽極和控制 極之間。觸摸開金屬

22、片通過限流電阻接在小電流觸發(fā)晶閘管的控制極上。 本開關可以在無任何靜態(tài)功耗的情況下，對家用電器特別是照明燈具進行 交流電源觸摸通斷的控制。 小電流觸發(fā)晶閘管 vs2 實現(xiàn)觸摸開控制，三極管 vt 實現(xiàn)觸摸關控制。電容 c2 通過電阻 r2 接在 vs1 的控制極和陰極之間，可使晶閘管 vs1 一旦被觸發(fā)導 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 7 通后能一直維持導通。平時晶閘管 vs1 和 vs2 均處于關斷狀態(tài)，整個電路沒有 任何功耗。當人體(如手指)觸摸一下金屬片 m 時，人體的感應信號使 vs2 導通， 結(jié)果 vsl 得到觸發(fā)電流也導通，電器得電工作。vs1 導通后，vs2

23、隨即沒有工作 電壓，此時對應電容 c2 兩端電壓約為 08v。需要關掉電器電源時，觸摸一下 金屬片 m，對應三極管 vt 導通，c2 上的電荷被釋放，vs2 在交流市電過零時關 斷。圖中電容 c1 和 c3 起抗干擾作用。由于采用橋式整流，通過晶閘管控制， 可確保流過電器電流是正弦波，因此適用于各種電器的電源控制。 2.3.2 微靜態(tài)功耗觸摸延熄開關 此觸摸延熄開關具有靜態(tài)功耗極微的特點。靜態(tài)電流約 55a，靜態(tài)功耗 約 12mw，一年下來靜態(tài)耗電僅約 01 度，比現(xiàn)有觸摸延熄開關降耗 98以上。 電路如圖 5 所示，vs1、vs2 為單向晶閘管。其中 vs2 為小電流觸發(fā)晶閘管。交 流電經(jīng)二

24、極管 vd1vd4 橋式整流后變成脈動直流電，一路直接加到 vs1 的陽、 陰極之間，另一路通過電阻 r1 加到 vs2 的陽極。由于無觸發(fā)信號，vs1 和 vs2 均處于關斷狀態(tài)。當人體(如手指)觸摸一下金屬片 m 時，人體的感應信號使 vs2 導通，結(jié)果 vs1 也導通，對應電燈得電發(fā)光。由于 c2 的作用，vs1 將一直 保持導通狀態(tài)，這是本開關的一個獨特之處。二極管 vd5 起提升電容 c2 上電壓 的作用。vs1 導通后，對應 c2 兩端電壓實測約為 16v。此電壓經(jīng)電阻 r3 向電 容 c4 充電。一定時間后，對應三 極管 vt1 導通，結(jié)果 c2 上的電荷被釋放， vs1 關斷，

25、電燈熄滅。 三極管 vt2 為電容 c4 提供放電回路，當延熄結(jié)束后，vs1 截止，220v 的直 流脈動電壓通過電阻 r1、r7 加到 vt2 基極，vt2 飽和導通，c4 上電荷被快速釋 放，為再次的延熄做好準備。此觸摸延熄開關所帶負荷的大小由 vs1 和 vd1vd4 二極管決定。vs1 采用 1a600v，vd1vd5 采用 1n4007，對應燈泡功 率在 100w 以內(nèi)。vs2 采用小型的 mcr00-6。r1r8 電阻阻值分別為 100k、22k、220k、15m、15m、22k、39k、39k，功率均為 116w。c1、c3 為瓷片電容，容量分別為 01 和 001。c2、c4

26、為電解 電容，分別為 4725v 和 47016v。 2.3.3 無靜態(tài)功耗觸摸延熄開關 此觸摸延熄開關沒有任何靜態(tài)功耗。電路中的 r8 處串聯(lián)了一個耐壓 400v 以上的小容量電容 c5，平時沒有任何靜態(tài)電流。每次延熄過程中，此小容量電 容通過 r8、r9 放電；延熄結(jié)束后，200 多伏脈動直流電向此小容量電容快速充 電。由于 vt1、vt2 導通后，c4 上電壓會快速降到 06v 左右，要把 c5 上不多 的電荷放掉，對于所串聯(lián)的此小容量電容只要幾千皮法即可，c5 為 3900pf500v。三極管 vt1、vt2 構(gòu)成模擬單向晶閘管，一旦導通，就快速進入 江西理工大學 2011 屆本科生畢

27、業(yè)設計（論文） 8 飽和狀態(tài)，對應 c2 上的電荷快速被釋放，結(jié)果 vs1 快速關斷。由于采用了模擬 單向晶閘管，觸發(fā)電流極小，不到 1a，因此 r3 阻值可以取得很大，對應 c4 容量可以很小，讓 c4 電荷放掉的 r8 支路電流也可相應降低。如果三極管 vt3 電流放大倍數(shù)大于 50，c5 容量還可減小。經(jīng)實驗，c5 取 2200pf，r8 取 33m，也能正常工作。r3 取 15m，c4 取 100f，延熄時間為 68 秒。 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 9 第三章 單元模塊電路設計 3.1 整流電路 電路中采用四個 in4007 二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管

28、的電流導 向作用，在交流輸入電壓 u 的正半周內(nèi)，二極管 vd1、vd3導通，vd2、vd4截止， 在負載 rl上得到上正下負的輸出電壓；在負半周內(nèi)，正好相反，vd1、vd3截止， vd2、vd4導通，流過負載 rl的電流方向與正半周一致。因此，利用四個二極管， 使得在交流電源的正、負半周內(nèi)，整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流 電壓和電流。 橋式整流電路： (1)單相橋式整流電路的組成 單相橋式整流電路由四只二極管組成，其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊 電壓 u2正、負半周內(nèi)正確引導流向負載的電流，使其方向不變。設變壓器副邊 兩段分別為 a 和 b，則 a 為“” 、b 為“”時應有電流留出

29、 a 點，a 為“-” 、 b 為“”時應有電流流入 a 點；相反，a 為“” 、為“”時應有電流流 入點，為“” 、為“”時應有電流流出點；因而和點均應分別 接兩只二極管，以引導電流；如圖 3-1 所示。 圖 3-1 橋式整流原理 (2).工作原理 設變壓器副邊電壓，u2為其有效值。tuusin222 當2為正半周時，電流由 a 點流出，經(jīng)過 v1、rl、d3流入 b 點，因而負載 電阻 rl上的電壓等于變壓器副邊電壓，即，v2和 v4管承受的反響電壓為2uuo u2。當 u2為負半周時，電流由 b 點流出，經(jīng) v2、rl、v4流入 a 點，負載電阻 rl上的電壓等于u2，即，v1、v3承受

30、的反向電壓為 u2。2uuo 這樣，由于 v1、v3和 v2、v4兩對二極管交替導通，致使負載電阻 rl上在 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 10 u2的整個周期內(nèi)都有電流通過，而且方向不變，輸出電壓。如tuuosin22 圖 3-2 所示為單相橋式整流電路各部分的電壓和電流的波形。 圖 3-2 橋式整流電路電流、電壓波形 (3).輸出電壓平均值 uo(av)和輸出電流平均值 io(av) 根據(jù)圖 3-2 中所示 uo的波形可知，輸出電壓的平均值 )(sin2 1 2 0 )(ttduuavo 解得 2 2 )(9 . 0 22 u u uavo 由于橋式整流電路實現(xiàn)了全波整

31、流電路，它將 u2的負半周也利用起來，所 以在變壓器副邊電壓有效值相同的情況下，輸出電流的平均值（即負載電阻中 的電流平均值） ll avo avo r u r u i 2)( )( 9 . 0 在變壓器副邊電壓相同、且負載也相同的情況下，輸出電流的平均值也是 半波整流電路的兩倍。 根據(jù)諧波分析，橋式整流電路的基波 uoim的角頻率是 u2的 2 倍，即 100hz，。故脈動系數(shù) 2 22 3 2 u uoim 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 11 67 . 0 3 2 )( avo oim u u s 與半波整流電路相比，輸出電壓的脈動減小很多。 3.3 指示燈 vd1vd

32、4、vs 組成開關的主回路。平時， vs 處于關斷狀態(tài)，燈不亮。 vd1vd4輸出 220v 脈動直流電經(jīng) r1限流，vd5穩(wěn)壓，c2濾波輸出約 8v 左 右的直流電供 vt3使用。此時 led 發(fā)光，指示開關位置，便于夜間尋找開關。 3.4 觸發(fā)電路 觸摸燈的觸摸開關是通過人體接觸后產(chǎn)生的電流泄露而工作的。當用手觸 摸一下觸摸開關的電極片 m 時，人體泄漏電流使 vt3 導通。此時，電容 c2 開始 充電，vt2、vt1 隨即導通，晶閘管門極得到正向觸發(fā)電流導通。 （其中泄露的 電流十分微小，只有多少微伏。而人體本身帶的靜電都有幾千幾萬伏。所以觸 摸開關對人體的影響是微乎其微的幾乎沒有） 。

33、 3.5 晶閘管的開關作用 (1).晶閘管的開關作用 晶閘管是一種開關組件，廣泛的應用在各種電路，以及電子設備中。典型 的小電流控制大電流的組件，通過一個電流很小的脈沖觸發(fā)，當晶閘管處于導 通狀態(tài)時它的電阻變得很小相當于一跟導線。 (2).晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理 晶閘管是四層三端器件，它有 j1、j2、j3三個 pn 結(jié),可以把它中間的 np 分 成兩部分，構(gòu)成一個 pnp 型三極管和一個 npn 型三極管的復合管。如圖圖 3-3 所示： 圖 3-3 等效圖 當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導通，必須使承受反向電壓的 pn 結(jié) j2失去阻擋作用。每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管

34、的基極 電流。因此是兩個互相復合的晶體管電路，當有足夠的門極電流 ig 流入時，就 會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導通。 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 12 設 pnp 管和 npn 管的集電極電流分別為 ic1和 ic2，發(fā)射極電流相應為 ia 和 ik，電流放大系數(shù)相應為 1=ic1/ia 和 2=ic2/ik，設流過 j2結(jié)的反相漏電流為 ico，晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和： (1)(1) cok cocc +iiia+ = +i+i=ii 21 21 若門極電流為 ig，則晶閘管陰極電流為： gakiii 得出晶閘管陽極電流為： (2)

35、(2) )(121 gcoii i 硅 pnp 管和硅 npn 管相應的電流放大系數(shù) 1和 2隨其發(fā)射極電流的改變 而急劇變化。當晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未接受電壓的情況下，式(2)(2) 中 ig=0，(1+2)很小，故晶閘管的陽極電流 iaico，晶閘管處于正向阻斷 狀態(tài)；當晶閘管在正向門極電壓下，從門極 g 流入電流 ig，由于足夠大的 ig流 經(jīng) npn 管的發(fā)射結(jié)，從而提高放大系數(shù) 2，產(chǎn)生足夠大的集電極電流 ic2流過 pnp 管的發(fā)射結(jié)，并提高了 pnp 管的電流放大系數(shù) 1，產(chǎn)生更大的集電極電流 ic1流經(jīng) npn 管的發(fā)射結(jié)，這樣強烈的正反饋過程迅速進行。 當 1和 2

36、隨發(fā)射極電流增加而使得(1+2)1時，式(2)(2)中的分母1- (1+2)0，因此提高了晶閘管的陽極電流 ia。這時，流過晶閘管的電流完 全由主回路的電壓和回路電阻決定，晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導通 后，式(2)(2)中1-(1+2)0，即使此時門極電流 ig=0，晶閘管仍能保持原來的 陽極電流 ia 而繼續(xù)導通，門極已失去作用。在晶閘管導通后，如果不斷地減小 電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流 ia 減小到維持電流 ih以下時，由于 1 和 2迅速下降，晶閘管恢復到阻斷狀態(tài)。 (3).晶閘管的工作條件 晶閘管承受反向陽極電壓時，無論門極承受何種電壓,晶閘管都處于關斷 狀態(tài)。 晶閘管

37、承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才 導通。 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓,無論門極電壓如何， 晶閘管保持導通,即晶閘管導通后，門極失去作用。 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓或電流減小到接近于零時，晶閘管 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 13 關斷。 (4).晶閘管的管腳鑒別 單、雙晶閘管的判別： 先任測兩個極，若正、反測指針均不動（r1擋） ，可能是 a、k 或 g、a 極 （對單向晶閘管）也可能是 t2、t1或 t2、g 極 （對雙向晶閘管） 。若其中有一 次測量指示為幾十至幾百歐，則必為單向晶閘管。且紅筆所接為 k 極，黑筆接 的為

38、 g 極，剩下即為 a 極。若正、反向測批示均為幾十 至幾百歐，則必為雙向 晶閘管。再將旋鈕撥至 r1或 r10擋復測，其中必有一次阻值稍大，則稍大 的一次紅筆接的為 g 極，黑筆所接為 t1極，余下是 t2極。 圖3-4 晶閘管管腳 性能的差別： 將旋鈕撥至 r1擋，對于16a 單向晶閘管，紅筆接 k 極，黑筆同時接通 g、a 極，在保持黑筆不脫離 a 極狀態(tài)下斷開 g 極，指針應指示幾十歐至一百歐， 此時可控硅已被觸發(fā)， 且觸發(fā)電壓低（或觸發(fā)電流?。?。然后瞬時斷開 a 極再 接通，指針應退回位置，則表明可控硅良好。 對于16a 雙向晶閘管，紅筆接 t1極，黑筆同時接 g、t2極，在保證黑

39、筆 不脫離 t2極的前提下斷開 g 極，指針應指示為幾十至一百多歐（視晶閘管電流 大 小、廠家不同而異） 。然后將兩筆對調(diào)，重復上述步驟測一次，指針指示還 要比上一次稍大十幾至幾十歐，則表明晶閘管良好，且觸發(fā)電壓（或電流）小。 若保持接通 a 極或 t2極時斷開 g 極，指針立即退回位置，則說明晶閘管 觸發(fā)電流太大或損壞?？砂磮D2方法進一步測量，對于單向晶閘管，閉合開關 k，應發(fā)亮，斷開 k 燈仍不息滅，否則說明晶閘管損壞。 對于雙向晶閘管，閉合開關 k，燈應發(fā)亮，斷開 k，燈應不息滅。然后將電 池反接，重復上述步驟，均應是同一結(jié)果，才說明是好的。否則說明該器件已 損壞。 三極管： （1）共射

40、電流放大系數(shù) 和 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 14 在共射極放大電路中，若交流輸入信號為零，則管子各極間的電壓和電流 都是直流量，此時的集電極電流 ic 和基極電流 ib 的比就是三極管的放大倍數(shù) （=ic/ib, 表示變化量）， 稱為共射直流電流放大系數(shù)。 當共射極放大電路有交流信號輸入時，因交流信號的作用，必然會引起 ib 的變化，相應的也會引起 ic 的變化，兩電流變化量的比稱為共射交流電流放大 系數(shù) 。 上述兩個電流放大系數(shù) 和 的含義雖然不同，但工作在輸出特性曲線 放大區(qū)平坦部分的三極管，兩者的差異極小，可做近似相等處理，故在今后應 用時，通常不加區(qū)分，直接互相

41、替代使用。 由于制造工藝的分散性，同一型號三極管的 值差異較大。常用的小功率 三極管， 值一般為 20100。 過小，管子的電流放大作用小， 過大，管 子工作的穩(wěn)定性差，一般選用 在 4080 之間的管子較為合適。 （2）極間反向飽和電流 icbo 和 iceo 集電結(jié)反向飽和電流 icbo 是指發(fā)射極開路，集電結(jié)加反向電壓時測得的集 電極電流。常溫下，硅管的 icbo 在 na（10-9）的量級，通常可忽略。 集電極-發(fā)射極反向電流 iceo 是指基極開路時，集電極與發(fā)射極之間的反向 電流，即穿透電流，穿透電流的大小受溫度的影響較大，穿透電流小的管子 熱穩(wěn)定性好。 （3）極限參數(shù) 集電極最大

42、允許電流 icm 晶體管的集電極電流 ic 在相當大的范圍內(nèi) 值基本保持不變，但當 ic 的 數(shù)值大到一定程度時，電流放大系數(shù) 值將下降。使 明顯減少的 ic 即為 icm。為了使三極管在放大電路中能正常工作，ic 不應超過 icm。 集電極最大允許功耗 pcm 晶體管工作時、集電極電流在集電結(jié)上將產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生熱量所消耗的功 率就是集電極的功耗 pcm。功耗與三極管的結(jié)溫有關，結(jié)溫又與環(huán)境溫度、管 子是否有散熱器等條件相關。功耗線的左下方為安全工作區(qū)，右上方為過損耗 區(qū)。手冊上給出的 pcm 值是在常溫下 25時測得的。硅管集電結(jié)的上限溫度為 150左右，鍺管為 70左右，使用時應注意不要超

43、過此值，否則管子將損壞。 反向擊穿電壓 ubr（ceo） 反向擊穿電壓 ubr（ceo）是指基極開路時，加在集電極與發(fā)射極之間的最 大允許電壓。使用中如果管子兩端的電壓 uceubr（ceo），集電極電流 ic 將 急劇增大，這種現(xiàn)象稱為擊穿。管子擊穿將造成三極管永久性的損壞。三極管 電路在電源 ec 的值選得過大時，有可能會出現(xiàn)，當管子截止時， 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 15 uceubr（ceo）導致三極管擊穿而損壞的現(xiàn)象。一般情況下，三極管電路的電 源電壓 ec 應小于 1/2 ubr（ceo）。 （4）溫度對三極管參數(shù)的影響 幾乎所有的三極管參數(shù)都與溫度有關，因

44、此不容忽視。溫度對下列的三個參 數(shù)影響最大。 對 的影響： 三極管的 隨溫度的升高將增大，溫度每上升 l， 值約增大 0.51，其結(jié)果是在相同的 ib 情況下，集電極電流 ic 隨溫度上升而增大。 對反向飽和電流 iceo 的影響： iceo 是由少數(shù)載流子漂移運動形成的，它與環(huán)境溫度關系很大，iceo 隨溫 度上升會急劇增加。溫度上升 10，iceo 將增加一倍。由于硅管的 iceo 很小， 所以，溫度對硅管 iceo 的影響不大。 對發(fā)射結(jié)電壓 ube 的影響： 和二極管的正向特性一樣，溫度上升 1，ube 將下降 22.5mv。 綜上所述，隨著溫度的上升， 值將增大，ic 也將增大，uc

45、e 將下降，這 對三極管放大作用不利，使用中應采取相應的措施克服溫度的影響。 3.6 傳感器及元器件的選用 3.6.1 觸摸信號輸入電路 hd 為管式氖泡，它與光敏電阻 rg 組成“自制光電耦合器” ，并與觸摸電 極 m、r1 形成觸摸信號輸入通路, 人體帶電與市電同頻，當人體接觸觸摸片時， 經(jīng)輸入電阻和 hd 管式氖泡及光敏電阻 rg 后成為標準的 mos 電平。觸摸持續(xù)時 間大于 32 毫秒、小于 332 毫秒時，控制邏輯部分控制電路呈開關工作狀態(tài)。當 觸摸持續(xù)時間大于 332 毫秒時，控制邏輯部分控制電路呈調(diào)光工作狀態(tài)，輸出 觸發(fā)脈沖相位角在 41159之間連續(xù)周期變化，并根據(jù)人眼的感受

46、力，分 為快、慢和暫歇三個過程。當觸摸結(jié)束時，亮度記憶對該時相位角進行記憶， 若再施與大于 32 毫秒、小于 332 毫秒的觸摸，電路呈關狀態(tài)時，相位角仍由該 部分記憶，保證電路在下一次開狀態(tài)時，保持原選定相位角，光源保持原亮度。 觸發(fā)脈沖與市電的同步，由鎖相環(huán)保證電路的工作時鐘，也均由其產(chǎn)生。電路 圖如下： 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 16 r4 100k r7 1m r2 270k r3 100k r cl en q1 q9 vdd vss ic cd 4017 v1 c1 22uf v7 9v c3 100uf c2 0.68u f r81m 座座 220v 圖 3

47、-5 觸摸信號輸入電路圖 （1）cd4017 工作原理及應用電路圖如下: 圖 3-6 十進制計數(shù)分頻器 cd4017，其內(nèi)部由計數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯 碼輸出實現(xiàn)對脈沖信號的分配，整個輸出時序就是 o0、o1、o2、o9 依次出 現(xiàn)與時鐘同步的高電平，寬度等于時鐘周期。 cd4017 有 10 個輸出端（o0o9 ）和個進位輸出端o5-9。每輸入 10 個計數(shù)脈沖，o5-9 就可得到 1 個進位 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 17 正脈沖，該進位輸出信號可作為下一級的時鐘信號。cd4017 有 3 個輸入（mr、 cp0 和cp1），mr 為清零端，當在 mr 端上加

48、高電平或正脈沖時其輸出 o0 為高 電平，其余輸出端（o1o9）均為低電平。cp0 和cp1 是 2 個時鐘輸入端，若 要用上升沿來計數(shù)，則信號由 cp0 端輸入；若要用下降沿來計數(shù)，則信號由c p1 端輸入。設置 2 個時鐘輸入端，級聯(lián)時比較方便，可驅(qū)動更多二極管發(fā)光。 由此可見，當 cd4017 有連續(xù)脈沖輸入時，其對應的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài) ，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。ic cd4017 的引腳圖如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 13 14 15 16 17 18 19 20g 1q 1d 2d 2q 3q 3d 4d 4q gn d oe 5q 5d 6

49、d 6q 7q 7d 8d 8q vcc 5.08mm 7.62mm 25.4mm 74ls373 圖 3-7 74ls373 的引腳圖 （2）74ls373的功能說明 74ls373 是一種 8d 鎖存器，具有三態(tài)驅(qū)動輸出，該鎖存器由 8 個 d 門組成， 有 8 個輸入端 1d 8d，八個輸出端 1q 8q，2 個控制端（g 和 oe） ，使能端 g 有效時，將 d 端數(shù)據(jù)打入鎖存器中 d 門，當輸出允許端有效時，將鎖存器中 鎖存的數(shù)據(jù)送到輸出端 q。 當使能端 g 為高電平時，同時輸出允許端 為低電平，則輸出 q 等于輸入 d；當使能端 g 為低電平，而輸出允許端也為低電平時，則輸出 q

50、=qo(原狀態(tài)， 即使能端 g 由高電平變?yōu)榈碗娖角?，輸出?q 的狀態(tài)，這就是“鎖存”的意義)： 當輸出允許端 為高電平時，不論使能端 g 為何值。輸出端 q 總為高阻態(tài)。 3.6.2 74 ls00 的簡介 74ls00 為四組 2 輸入端與非門，其主要電特性的典型值如表 3-8 所示 表 3-8 74ls00 主要特性 tplhtphlpd 9ns10ns9mw （1）邏輯門 74ls00 芯片的引腳排列如圖 3-9 所示 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 18 a1 1 b1 2 y4 8 y2 6 a2 4 b2 5 y1 3 vcc 14 a3 13 b3 12 y

51、3 11 a4 10 b4 9 gnd 7 74ls00 . . . . 圖 3-9 74ls00 芯片的引腳圖 （2）74ls00 芯片的接線圖如圖 3-10 所示 . 1 2 3 a . . a 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 a a a a b bb b y y y y gnd v . 1 2 3 a . 1 2 3 a 1 2 3 a 74ls00 1 1 2 3 4 1 2 2 3 3 4 4 cc . . . . 圖 3-10 74ls00 芯片的接線圖 （3）74ls00 芯片邏輯符號圖如圖 3-11 所示， 1 2 3 a 74ls00 . .

52、. . 圖 3-11 74ls00 邏輯符號圖 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 19 第 4 章 產(chǎn)品制作安裝與調(diào)試 4.1 產(chǎn)品制作設計 4.1.1 元件布局規(guī)則 (1) 按電路模塊進行布局，實現(xiàn)同一功能的相關電路稱為模塊，電路模塊中的 元件應采用就近集中原則，同時數(shù)字電路和模擬電路分開。 (2) 定位孔、標準孔等非安裝孔周圍 1.27mm 內(nèi)不得貼裝元件，螺釘?shù)劝惭b孔周 圍 3.5mm 內(nèi)不得貼原器件。 (3) 臥裝電阻、電感、電解電容等元件的下方避免布過孔，以免波峰焊后過孔 與元件殼體短路。 (4) 元器件的外側(cè)距板邊的距離為 5mm。 (5) 貼裝元件焊盤的外側(cè)與相鄰

53、插裝元件的外側(cè)距離大于 2mm。 (6) 金屬殼體元件與金屬件不能與其他殼體相碰，不能緊貼印制線、焊盤，其 間距應大于 2mm；定位孔、緊固件安裝孔、橢圓孔及板中其他方孔外側(cè)距 板邊的尺寸應大于 3mm。 (7) 發(fā)熱元件不能緊鄰導線和熱敏元件；高熱器件要均勻分布。 (8) 電源插座要盡量布置在印制板的四周，電源插座與其相連的匯流條接線端 應布置在同側(cè)。 (9) 所有 ic 元件單邊對齊，有極性元件極性標示明確，同一印制板上極性標示 不得多于兩個，出現(xiàn)兩個方向時，兩個方向互相垂直。 (10) 板面布線應疏密得當，當疏密差別太大時應以網(wǎng)狀填充，網(wǎng)格大于 8mil； (11) 貼片焊盤上不能有通孔

54、，以免焊膏流失造成元件虛焊。 (12) 貼片單端對齊，字符方向一致，封裝方向一致。 (13) 有極性的器件在以同一板上的極性標示方向一致。 4.1.2 元件布線規(guī)則 (1) 畫定布線區(qū)域距 pcb 板邊1mm 的區(qū)域內(nèi)，以及安裝孔周圍 1mm 內(nèi)，禁止 布線。 (2) 電源線應盡可能的寬，不應低于 18mil；模擬信號線寬不應低于 12mil；cpu 入出線不應低于 10mil；線間距不應低于 10mil。 (3) 正常過孔的焊盤不應低于 30mil；孔徑不低于 14mil。 (4) 雙列直插：焊盤 60mil；孔徑 40mil。 (5) 注意電源線與地線應盡可能呈放射狀，以及信號線不能出現(xiàn)回

55、環(huán)走線。 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 20 4.2 元器件檢測 (1) 三極管的判別方法： 基極的確定：先用任意一支萬用表筆， 設為黑點 ， 任某個電極不動，再用另一支表筆紅色分別去點其它兩個極，如果分別 點測兩次中，其阻值相同，則黑表筆點的為基極；若只有一次有阻值，或兩 次都沒有阻值，說明急木找到； 在確定基極過程中，兩次測量阻值中， 兩次測量阻值不相等，阻值大的為發(fā)射極，阻值小的為集電極。 (2) 電子元器件的極性：電解電容上標有白色箭頭的一極是負極；玻璃封裝二 極管上標有黑色環(huán)的一端，塑料封裝二極管上標有白色環(huán)的一端為負極；某 些三極管的管腳上非標準排列，在其外殼的

56、柱面上用紅色點表示發(fā)射極等； (3) 發(fā)光二極管的判測：由于“二極管”擋能夠提供 3v、1ma 的電源，所以 可直接測光管（led）的正向?qū)▔航?，一般顯示在 2v 以下，同時管子 會發(fā)出微光；反向顯示為“1” 。紅色 led 導通壓降約為 1.759v 橙色 led 為 1.686v，綠色 led 為 1.767v。指針式萬用表由于使用 1.5v 電池，故不 能測量發(fā)光二極管。 (4) 電位器的檢測：檢查電位器時，首先要轉(zhuǎn)動旋柄，看看旋柄轉(zhuǎn)動是否平滑， 開關是否靈活，開關通、斷時“喀噠”聲是否清脆，并聽一聽電位器內(nèi)部接 觸點和電阻體摩擦的聲音，如有“沙沙”聲，說明質(zhì)量不好。用萬用表測試 時，

57、先根據(jù)被測電位器阻值的大小，選擇好萬用表的合適電阻擋位，然后 可按下述方法進行檢： a 用萬用表的歐姆擋測“1”、 “2”兩端，其讀數(shù)應為電位器的標稱阻值，如萬 用表的指針不動或阻值相差很多，則表明該電位器已損壞。 b 檢測電位器的活動臂與電阻片的接觸是否良好。用萬用表的歐姆檔測“1”、 “2”(或“2”、 “3”)兩端，將電位器的轉(zhuǎn)軸按逆時針方向旋至接近“關”的位置， 這時電阻值越小越好。再順時針慢慢旋轉(zhuǎn)軸柄，電阻值應逐漸增大，表頭 中的指針應平穩(wěn)移動。當軸柄旋至極端位置“3”時，阻值應接近電位器的標 稱值。如萬用表的指針在電位器的軸柄轉(zhuǎn)動過程中有跳動現(xiàn)象，說明活動 觸點有接觸不良的故障。

58、(5) 電源變壓器的檢測： a 直接測量法。將次級所有繞組全部開路，把萬用表置于交流電流 (500ma)，串入初級繞組。當初級繞組的插頭插入 220v 交流市電時， 萬用表所指示的便是空載電流值。此值不應大于變壓器滿載電流的 1020。一般常見電子設備電源變壓器的正常空載電流應在 100ma 左右。如果超出太多，則說明變壓器有短路性故障。 江西理工大學 2011 屆本科生畢業(yè)設計（論文） 21 b 間接測量法。在變壓器的初級繞組中串聯(lián)一個 10/5w 的電阻，次級仍全 部空載。把萬用表撥至交流電壓擋。加電后，用兩表筆測出電阻 r 兩端的 電壓降 u，然后用歐姆定律算出空載電流 i 空，即 i

59、空=u/r。 c 一般小功率電源變壓器允許溫升為 4050，如果所用絕緣材料質(zhì)量 較好，允許溫升還可提高。 d 檢測判別各繞組的同名端。在使用電源變壓器時，有時為了得到所需的次 級電壓，可將兩個或多個次級繞組串聯(lián)起來使用。采用串聯(lián)法使用電源變 壓器時，參加串聯(lián)的各繞組的同名端必須正確連接，不能搞錯。否則，變 壓器不能正常工作。 e 電源變壓器短路性故障的綜合檢測判別。電源變壓器發(fā)生短路性故障后的 主要癥狀是發(fā)熱嚴重和次級繞組輸出電壓失常。通常，線圈內(nèi)部匝間短路 點越多，短路電流就越大，而變壓器發(fā)熱就越嚴重。檢測判斷電源變壓器 是否有短路性故障的簡單方法是測量空載電流(測試方法前面已經(jīng)介紹)。

60、存在短路故障的變壓器，其空載電流值將遠大于滿載電流的 10。當短路 嚴重時，變壓器在空載加電后幾十秒鐘之內(nèi)便會迅速發(fā)熱，用手觸摸鐵心 會有燙手的感覺。此時不用測量空載電流便可斷定變壓器有短路點存在。 f 空載電壓的檢測。將電源變壓器的初級接 220v 市電，用萬用表交流電壓 接依次測出各繞組的空載電壓值(u21、u22、u23、u24)應符合要求值，允 許誤差范圍一般為：高壓繞組10，低壓繞組5，帶中心抽頭的 兩組對稱繞組的電壓差應2。 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管的外形與普通小功率整流二極管的外形基本相似。當其殼體上 的型號標記清楚時，可根據(jù)型號加以鑒別。當其型號標志脫落時，可使用萬用