聲控、光控路燈控制器_模電研討

1、 Beijing Jiaotong University 模擬集成電路研討聲光路燈控制器學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院小組成員：指導(dǎo)教師：時 間：目錄1、 引 言32、總體設(shè)計方案32.1 設(shè)計思路32.2 總體設(shè)計框圖33、設(shè)計原理分析43.1聲控電路43.2光控電路43.3穩(wěn)壓電路53.4延時電路53.5被控電路63.6總體電路74、調(diào)試過程104.1 電阻的調(diào)試104.2 74芯片的調(diào)試105、總結(jié)與體會106、部分元件補充說明116.1、光敏電阻116.1.1 概述116.1.2 原理116.1.3 主要參數(shù)116.2 雙向可控硅126.2.1 概述126.2.2 原理126.2.3 特性1

2、27、參考文獻(xiàn)13摘 要介紹一種聲光控路燈控制器的組成、性能，適用范圍及工作原理，并給出了電路原理圖及元件參數(shù)選擇。聲光控路燈控制器可以自動實現(xiàn)白天光線較暗和晚上遇到聲響時，路燈自動點亮，從而實現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅，既方便又實用。不僅節(jié)約了電能，而且能延長燈泡使用壽命?？蓮V泛應(yīng)用于樓梯，走廊，衛(wèi)生間及生活小區(qū)等公共場所的照明控制。此控制器經(jīng)濟實用，即使一般的腳步聲也能出燈泡發(fā)光照明好。（1）具有光控功能，白天光線較亮，即使有聲音路燈也不亮，光線較暗，有聲時路燈點亮。（2）具有聲控功能，晚上光線較暗，有聲音時路燈點亮，聲音消失后延長。關(guān)鍵詞：光電開關(guān)自動控制延時電路1、 引 言聲光控節(jié)能路燈具有

3、許多實際意義：一是省電，燈泡不會長時間亮著，所以節(jié)電效率很高；二是便利，不需要接觸，全自動智能控制；三是安裝便利，接線簡略，是公共場所照明的首選。再者，隨著科技的發(fā)展，公共場所照明控制手段也將慢慢更新，除了現(xiàn)已有的聲光控開光，另有熱釋遠(yuǎn)紅外感應(yīng)開關(guān)。紅外感應(yīng)開關(guān)在安裝上比較穩(wěn)定，但安裝復(fù)雜，比較嬌氣，價格也比較高，比較合適在一些管理比較完善的場所，如賓館，大飯店樓道及居家走廊應(yīng)用。但在普通住宅樓、辦公樓道等場所的照明控制考慮到價格、管理及安裝方便等因素，在長一段時間內(nèi)，聲光控將是首選產(chǎn)品。2、總體設(shè)計方案2.1 設(shè)計思路整個電路由電源電路、聲控電路、光控電路等部分組成。電源由220V交流電提供

4、。光控電路對外界光亮程度進(jìn)行檢測，輸出與光亮程度相對應(yīng)的電壓信號，從而實現(xiàn)白天燈泡不亮，晚上遇見聲音時，通過聲控電路使燈泡自動點亮。聲控電路主要將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而實現(xiàn)自動控制。2.2 總體設(shè)計框圖 圖1 總體設(shè)計框圖143、設(shè)計原理分析3.1聲控電路圖2該電路如圖2所示，主要由柱極話筒（即聲音傳感器）連接電路及放大電路組成。話筒將聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號，但話筒轉(zhuǎn)化的電信號非常微弱，輸出阻抗極高。因此不能直接放大電路，用R1、C1組成話筒的鏈接電路，實現(xiàn)阻抗的變換以及放大電路的輸入變換，使得放大電路是對信號的電壓進(jìn)行放大，當(dāng)沒有聲音時，放大電路沒有輸入信號，三極管處于靜態(tài)工作狀態(tài)。此時三

5、極管輸出為高電平，經(jīng)過74LS00的1管腳，再經(jīng)過與非門以及555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后，為晶閘管輸入了高電平，就可在夜晚有聲音的情況下，使路燈變亮。 3.2光控電路圖3該電路如圖3所示，由電阻R4和光敏電阻R（現(xiàn)有滑動變阻器R8代替）,組成。白天或光照較強的情況下，光敏電阻阻值很小，輸出為低電平。此時就算是有聲音輸入，進(jìn)過與非門后輸出為高電平，不會觸發(fā)555觸發(fā)器,從而不會使晶閘管導(dǎo)通，燈泡不會亮。當(dāng)夜晚來臨或光照強度微弱的情況下，光敏電阻的阻值變大，在74LS00的2管腳處輸入為高電平，此時，如果有聲音傳入，經(jīng)過聲控放大電路后，兩者經(jīng)過與非門，輸出低電平,觸發(fā)555觸發(fā)器,為晶閘管輸入高電平，此時

6、晶閘管導(dǎo)通，為燈泡提供了電源，燈泡變亮。3.3穩(wěn)壓電路圖5該電路（圖5）由兩部分串聯(lián)組成，一部分是由4個1N4007組成的橋式整流器，把220V的交流電變成220V的直流電壓，為電路提供直流電源。另一部分是由電阻R7、肖特基二極管D3（BAS81）和極性電容C3組成，此部分經(jīng)過橋式電流整流后，為電路降壓，因為大部分器件尤其是74芯片不可能直接承受220V的電壓，所以該部分把220V的電壓將為7.5V左右的電壓，同時也穩(wěn)定了整個電路的電壓，使電壓的波動不會太大而燒毀器件。3.4延時電路集成定時器555電路，是一種數(shù)字、模擬混合型的中規(guī)模集成電路，應(yīng)用十分廣泛。它是一種產(chǎn)生時間延遲和多種脈沖信號的

7、電路，由于內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了三個5K電阻，故取名555電路。其電路類型有雙極性和CMOS型兩大類，二者的結(jié)構(gòu)和工作原理類似。二者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。555電路的引腳排列圖3如圖所示，其功能表如表1所示。555電路構(gòu)成，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，如圖4。輸出電壓Vo的脈寬t=RCln3555定時器內(nèi)部電路見圖5。 555定時器引腳排列圖555定時器的功能表6（高觸發(fā)端）2（低觸發(fā)端）4（復(fù)位端）3（輸出端）7（放電端）LL導(dǎo)通>>HL導(dǎo)通<>H不變不變<HH截止3.5被控電路BTA140為晶體閥,當(dāng)輸入高電平時,上下導(dǎo)通,電燈亮,反之則滅。整流橋的二極管是4

8、個1N4007，目的是為前面電路供應(yīng)電壓。3.6總體電路該電路如下圖所示白天時，光敏電阻阻值很低（把滑動變阻器調(diào)低），這時候即使有聲音輸入燈泡也不會亮。晚上或光亮較弱的時候，光敏電阻阻值增加(把滑動變阻器阻值調(diào)高)，這時候沒有聲音傳入（開關(guān)斷開），燈泡不會亮。晚上或光亮較弱的時候，光敏電阻阻值增加(把滑動變阻器阻值調(diào)高)，這時候有聲音傳入（開關(guān)閉合），燈泡變亮。當(dāng)人走遠(yuǎn)，也就是聲音變小的時候（開關(guān)斷開），這時候延時控制電路開始工作，此時555觸發(fā)器為晶閘管提供高電壓，燈泡繼續(xù)亮著。在經(jīng)過約一段時間后，555觸發(fā)器定時結(jié)束，不能給晶閘管提供高電壓了，燈泡熄滅。4、調(diào)試過程4.1 電阻的調(diào)試對電阻

9、R7進(jìn)行更換，當(dāng)用1M以上的電阻時，延時時間太長，在夜晚人走過后容易浪費電，經(jīng)過多次調(diào)整，所以我采用100K的電阻能夠延時近50s，足夠人走出燈光范圍。4.2 74芯片的調(diào)試74LS00芯片是由4個2輸入與非門組成，當(dāng)與非門兩端同時輸入高電平時，輸出端才能輸出高電平。在調(diào)試過程中，應(yīng)注意連接方法和線路的接觸，不然會出現(xiàn)接觸不良或連接錯誤，從而不會讓電路正常工作，在仿真時用測量探針來觀測整個電路的電壓變化。尤其是74芯片管腳連接處。5、總結(jié)與體會通過此次模電設(shè)計鍛煉了我們的思考能力，用所學(xué)知識設(shè)計生活中實用的電子產(chǎn)品，加深了對模擬電路的了解和利用。并對各電子器件有一個全面的認(rèn)識。認(rèn)識到了電工電子

10、技術(shù)對人們生活的影響，如果全社會都用這樣的節(jié)能開關(guān)燈的話，將節(jié)省很多的能源，是各個公共場所很好的選擇。6、部分元件補充說明6.1、光敏電阻6.1.1 概述光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。6.1.2 原理光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀

11、。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。6.1.3 主要參數(shù)（1）光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電

12、壓下，當(dāng)有光照射時，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。（2）暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。（3）靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值。（4）光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應(yīng)的曲線。（5）光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的電信號隨光照度而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著的

13、光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進(jìn)一步增大光照強度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非線性。（6）伏安特性曲線。伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對于光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。（7）溫度系數(shù)。光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。（8）額定功率。額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當(dāng)溫度升高時，其消耗的功率就降低。6.2 雙向可控硅6.2.1 概述一種以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件，創(chuàng)制于1957年，由于它特性類似于真空閘

14、流管，所以國際上通稱為硅晶體閘流管，簡稱可控硅T。又由于可控硅最初應(yīng)用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件，簡稱為可控硅SCR。在性能上，可控硅不僅具有單向?qū)щ娦?，而且還具有比硅整流元件（俗稱“死硅”）更為可貴的可控性。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)?？煽毓枘芤院涟布夒娏骺刂拼蠊β实臋C電設(shè)備，如果超過此頻率，因元件開關(guān)損耗顯著增加，允許通過的平均電流相降低，此時，標(biāo)稱電流應(yīng)降級使用?？煽毓璧膬?yōu)點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點運行，無火花、無噪音；效率高，成本低等等?？煽毓璧娜觞c：靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差；容易受干擾而誤導(dǎo)通。可控硅從

15、外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。6.2.2 原理1.可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成。當(dāng)陽極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=2ib2。因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic。2。此時，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=1ib1=12ib2。這個電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可

16、控硅使飽和導(dǎo)通。由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋作用，所以一旦可控硅導(dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，條件如下：A、從關(guān)斷到導(dǎo)通1、陽極電位高于是陰極電位，2、控制極有足夠的正向電壓和電流，兩者缺一不可。B、維持導(dǎo)通1、陽極電位高于陰極電位，2、陽極電流大于維持電流，兩者缺一不可。C、從導(dǎo)通到關(guān)斷1、陽極電位低于陰極電位，2、陽極電流小于維持電流，任一條件即可。觸發(fā)導(dǎo)通。在控制極G上加入正向電壓時因J3正偏，P

17、2區(qū)的空穴時入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進(jìn)入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在可控硅的內(nèi)部正反饋作用的基礎(chǔ)上，加上IGT的作用，使可控硅提前導(dǎo)通，導(dǎo)致伏安特性O(shè)A段左移，IGT越大，特性左移越快。6.2.3 特性反向特性當(dāng)控制極開路，陽極加上反向電壓時，J2結(jié)正偏，但J1、J2結(jié)反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接差J3結(jié)也擊穿，電流迅速增加，特性開始彎曲，彎曲處的電壓URO叫“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向。正向特性當(dāng)控制極開路，陽極上加上正向電壓時，J1、J3結(jié)正偏，但J2結(jié)反偏，這與普通PN結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓增加，特性發(fā)生了彎曲，彎曲處的是UBO叫：正向轉(zhuǎn)折電壓，由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后，J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子時入N1區(qū)，空穴時入P2區(qū)。進(jìn)入N