光控路燈的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目路燈光控開關(guān)的設(shè)計(jì)專業(yè)、班級(jí) 學(xué)號(hào)主要內(nèi)容：利用二極管,光電池,繼電器等器件設(shè)計(jì)一個(gè)可以通過(guò)光線變化自動(dòng)限制路燈開關(guān)的電路.根本要求：(1),能正確限制路燈開關(guān).(2),寫出相關(guān)設(shè)計(jì)原理.(3).畫出電路圖.主要參考資料：(1)傳感器與傳感器技術(shù)何道清編科學(xué)出版社(4)傳感器理論與設(shè)計(jì)根底單成祥編 國(guó)防工業(yè)出版社完成期限 指導(dǎo)教師簽名：課程負(fù)責(zé)人簽名：路燈光控開關(guān)的設(shè)計(jì)摘要: 光控路燈可以根據(jù)光線明暗自動(dòng)限制開關(guān)狀態(tài),主要用在樓道等公共場(chǎng)所.光電池是能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件,通過(guò)三極 管組成的多級(jí)放大電路可實(shí)現(xiàn)限制功能.此次實(shí)驗(yàn)的路燈限制器是由光 電池,放大器,繼電器,二

2、極管,電源電路等元件組成,核心是光電池 轉(zhuǎn)換光信號(hào),傳送到繼電器,然后由繼電器限制電路通斷.通過(guò)此次設(shè) 計(jì)了解常用路燈限制的各種方法,及各自的優(yōu)缺點(diǎn),通過(guò)相互的比擬, 確定設(shè)計(jì)方案.通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)能增強(qiáng)動(dòng)手水平和實(shí)際電路設(shè)計(jì)水平, 更深刻理解相關(guān)電路原理及光敏元件光電特性,繼電器限制通斷原理, 增強(qiáng)對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解.關(guān)鍵詞 :繼電器；光敏元件；照顧變化；限制1 .設(shè)計(jì)目的42 .根本要求43 .設(shè)計(jì)方案 43.1 路燈限制器原理43.2 電路分析53.3 器件選擇74 .電路原理圖 106 .元器件列表 127 .心得體會(huì) 138 .參考文獻(xiàn) 141 .設(shè)計(jì)目的利用二極管,光電池,繼電器

3、等器件設(shè)計(jì)一個(gè)可以通過(guò)光線變化自 動(dòng)限制路燈開關(guān)的電路.2 .根本要求(1),能正確限制路燈開關(guān)(2) .寫出相關(guān)設(shè)計(jì)原理(3) .畫出電路圖.3.設(shè)計(jì)方案3.1 路燈限制器原理此路燈限制器設(shè)計(jì)主要由電池,放大器,繼電器,二極管,電源電 路等元件組成,繼電器是一種當(dāng)輸入量電、磁、聲、光、熱到達(dá)一 定值時(shí),輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動(dòng)限制器件.在這個(gè)電路中隨著 光照的變化,繼電器會(huì)相應(yīng)的吸合或者斷開,即決定路燈工作與否.白 天有光照,光電池輸出電動(dòng)勢(shì),BG1加正向偏壓,BG1和BG2處于截止?fàn)?態(tài),繼電器J不吸合,燈L不亮.當(dāng)夜晚沒(méi)有光照,光電池?zé)o電動(dòng)勢(shì), BG1加反向偏壓,當(dāng)上升到一定程度后,

4、BG1導(dǎo)通,BG2隨之導(dǎo)通,繼電 器J吸合,燈L點(diǎn)亮.圖3-1光電開關(guān)以光電池為核心元件的帶繼電器限制輸出的光控開關(guān)電路有許多形 式,在本實(shí)驗(yàn)使用了簡(jiǎn)單的繼電器開關(guān)電路.具工作原理是：有光照時(shí) 由于光電池輸出電動(dòng)勢(shì),鼓勵(lì)電流使繼電器工作,常開觸點(diǎn)閉合,沒(méi)有 光照時(shí)光電池不輸出電動(dòng)勢(shì),常閉觸點(diǎn)斷開,實(shí)現(xiàn)對(duì)外電路的限制.線 路的主回路的相線由交流接觸器的三個(gè)常開觸頭并聯(lián)以適應(yīng)較大負(fù)荷的 TW攵0電路的分析利用光照為傳感器,目前最為常用且性價(jià)比擬高的就是光電池,利 用具有光線時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì),而無(wú)光線較時(shí)那么不輸出電動(dòng)勢(shì)的特點(diǎn),可將 光線信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再通過(guò)繼電器限制通斷可以有效地完成限制需 要.這

5、類設(shè)計(jì)中,只要能將光線信號(hào)取出,整個(gè)設(shè)計(jì)也便完成了大半, 至于限制局部的設(shè)計(jì),可采用繼電器輸出,這樣就算驅(qū)動(dòng)較大的路燈負(fù)載,只需再加交流接觸器便可完成.在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,如何提升系統(tǒng) 在光線臨界狀態(tài)的穩(wěn)定性,是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在.在設(shè)計(jì)中假設(shè)能用運(yùn)放 電路來(lái)完成處理,那么可將運(yùn)放接成電壓比擬器的方式,這樣可以完成較 為精確的起控；假設(shè)采用分立元件來(lái)處理,可以采用穩(wěn)壓管來(lái)穩(wěn)定工作 點(diǎn),只有當(dāng)分壓大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時(shí),電路才能起控.光控路燈控 制器可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)白天路燈自動(dòng)點(diǎn)亮晚上自動(dòng)關(guān)掉,既方便又實(shí)用.不 僅節(jié)約了電能,而且能延長(zhǎng)燈泡使用壽命.可廣泛應(yīng)用于樓梯,走廊小 區(qū)等公共場(chǎng)所的照明限制.繼電器

6、是一種當(dāng)輸入量電、磁、聲、光、熱到達(dá)一定值時(shí),輸 出量將發(fā)生跳躍式變化的自動(dòng)限制器件.繼電器的輸入信號(hào)x從零連續(xù)增加到達(dá)銜鐵開始吸合時(shí)的動(dòng)作值 xx,繼電器的輸出信號(hào)馬上從y=0跳 躍到y(tǒng)=yn即常開觸點(diǎn)從斷到通.一旦觸點(diǎn)閉合,輸入量x繼續(xù)增大,輸出信號(hào)y將不再起變化.當(dāng)輸入量x從某一大于xx值下降到xf,繼 電器開始釋放,常開觸點(diǎn)斷開.我們把繼電器的這種特性叫做繼電特性, 也叫繼電器的輸入一輸出特性.釋放值 xf與動(dòng)作值xx的比值叫做反應(yīng) 系數(shù),即Kf= xf /xx觸點(diǎn)上輸出的限制功率Pc與線圈吸收的最小功率 R之比叫做繼電器的限制系數(shù),即 Kc=PC/P.XY輸入輸出圖3-2繼電器的輸入

7、輸出特性器件的選擇半導(dǎo)體二極管幾乎在所有的電子電路中,都要用到半導(dǎo)體二極管,它在許多的電 路中起著重要的作用,它是誕生最早的半導(dǎo)體器件之一,其應(yīng)用也非常 廣泛.二極管種類有很多,作用也很多,主要作用包括整流,限幅,箝 位,隔離.我們?cè)O(shè)計(jì)所用的二極管組就是其中的整流二極管.二極管按 照所用的半導(dǎo)體材料,可分為錯(cuò)二極管Gdt和硅二極管Si管.根 據(jù)其不同用途,可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二 極管等.根據(jù)管芯結(jié)構(gòu),又可分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管及 平面型二極管.在綜合實(shí)踐中,我用的是整流二極管.1N4002t一種整流二極管,它是利用二極管單向?qū)щ娦?可以把方向交替變化的交流

8、電 變換成單一方向的脈動(dòng)直流電.三極管三極管按材料分有兩種：錯(cuò)管和硅管.而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式,但使用最多的是硅 NPN和錯(cuò)PNP兩種三極管, 對(duì)于NPN管,它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊 P型半導(dǎo)體所 組成,發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電集co三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的限制假設(shè) 電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話,并且基極電流很小的變化, 會(huì)引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電 流的變化量是基極電流變化量的 B倍,即電流變化被放大了 B倍,所以

9、我們把B叫做三極管的放大倍數(shù)B一般遠(yuǎn)大于1,例如幾十,幾百.如果我們將一個(gè)變化的小信號(hào)加到基極跟發(fā)射極之間,這就會(huì)引起基極 電流Ib的變化,Ib的變化被放大后,導(dǎo)致了 Ic很大的變化.如果集電 極電流Ic是流過(guò)一個(gè)電阻R的,那么根據(jù)電壓計(jì)算公式 U=R*I可以算 得,這電阻上電壓就會(huì)發(fā)生很大的變化.我們將這個(gè)電阻上的電壓取出 來(lái),就得到了放大后的電壓信號(hào)了.電容電容器的根本作用就是充電與放電,但由這種根本充放電作用 所延伸出來(lái)的許多電路現(xiàn)象,使得電容器有著種種不同的用途,用 在耦合電路中的電容稱為耦合電容,在阻容耦合放大器和其他電容耦合 電路中大量使用這種電容電路,起隔直流通交流作用. 用在濾

10、波電路中 的電容器稱為濾波電容,在電源濾波和各種濾波器電路中使用這種電容 電路,濾波電容將一定頻段內(nèi)的信號(hào)從總信號(hào)中去除.在分頻電路中的電容器稱為分頻電容,在音箱的揚(yáng)聲器分頻電路中,使用分頻電容 電路,以使高頻揚(yáng)聲器工作在高頻段,中頻揚(yáng)聲器工作在中頻段, 低頻揚(yáng)聲器工作在低頻段.在補(bǔ)償電路中的電容器稱為補(bǔ)償電容,在 卡座的低音補(bǔ)償電路中,使用這種低頻補(bǔ)償電容電路,以提升放音信號(hào) 中的低頻信號(hào),此外,還有高頻補(bǔ)償電容電路.發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱LER是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的特殊二極管,是 用半導(dǎo)體材料制作的正向偏置的 PN結(jié)二極管.發(fā)光二極管工作于正向偏 置狀態(tài),正向電流通過(guò)發(fā)光二級(jí)管,它會(huì)發(fā)

11、出光來(lái),光的顏色視發(fā)光管 的材料而定,用紅色,黃色,綠色等等顏色.正向工作電壓一般不超過(guò) 2v,正向電流為10mA右,其發(fā)光機(jī)理是當(dāng)在 PN結(jié)兩端注入正向電流 時(shí),注入的非平衡載流子電子-空穴對(duì)在擴(kuò)散過(guò)程中復(fù)合發(fā)光,這 種發(fā)射過(guò)程主要對(duì)應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過(guò)程.按光輸出的位置不同,發(fā)光二 極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型.我們最常用的 LED是InGaAsP/InP雙 異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光二極管.發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用 PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來(lái)解釋.制作 半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的,熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子,P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴.由于PN結(jié)阻擋層的限 制,在常態(tài)下,二者不能發(fā)生自

12、然復(fù)合,而當(dāng)給 PN結(jié)加以正向電壓時(shí), 溝區(qū)導(dǎo)帶中的電子那么可逃過(guò) PN結(jié)的勢(shì)壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè).于是在PN結(jié) 附近稍偏于P區(qū)一邊的地方,處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時(shí),便產(chǎn)生 發(fā)光復(fù)合.這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射,輻射光的波長(zhǎng)決定 于材料的禁帶寬度Eg.發(fā)光二極管具有可靠性較高,室溫下連續(xù)工作時(shí) 間長(zhǎng)、光功率-電流線性度好等顯著優(yōu)點(diǎn),而且由于此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開展 得比擬成熟,所以其價(jià)格非常廉價(jià).因此在一些簡(jiǎn)易的光纖傳感器的設(shè) 計(jì)中,如果LED能夠勝任,選用它作為光源即可大大降低整個(gè)傳感器的 本錢.然而LED的發(fā)光機(jī)理決定了它存在著很多的缺乏,如輸出功率小、 發(fā)射角大、譜線寬、響應(yīng)速度低等.因

13、此,在一些需要功率高、調(diào)制速 率快、單色性好的光源的傳感器設(shè)計(jì)中,就不得不以提升本錢為代價(jià), 選用其它更高性能的光源.3.3.5光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的器件,通 過(guò)磷或硼擴(kuò)散形成Pn結(jié)而制作成的,用摻雜的氧化硅來(lái)制作的, 摻雜的目的是為了影響電子或空穴的行為.在有光照的情況下就是一個(gè)電源.它是一個(gè)大面積的 PN結(jié),當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí),便在PN 結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì).當(dāng)P-N結(jié)受光照時(shí),樣品對(duì)光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生先生載流子.但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸 收所激發(fā)的少數(shù)載流子.因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴,N區(qū)產(chǎn)生的先生電子屬多子,都被勢(shì)壘阻擋而不能過(guò)結(jié).只有

14、P區(qū)的光生電子和 N區(qū)的先生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對(duì)少子擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)能 在內(nèi)建電場(chǎng)作用下漂移過(guò)結(jié).光生電子被拉向N區(qū),光生空穴被拉向P區(qū),即電子空穴對(duì)被內(nèi)建電場(chǎng)別離.這導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累,在 P區(qū)邊界附近有光生空穴積累.它們產(chǎn)生一個(gè)與 熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng),具方向由 P區(qū)指向 N區(qū).此電場(chǎng)使勢(shì)壘降低, 其減小量即光生電勢(shì)差,P端正,N端負(fù).于是有結(jié)電流由 P區(qū)流向N區(qū),其方向與光電流相反.如果這時(shí)分 別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線,接通負(fù)載,那么外電路便有電流 通過(guò),如此形成的一個(gè)個(gè)電池元件.4.電路原理圖路燈光電限制線路主回路相線由交流接觸器CJD-1

15、0的三個(gè)常開觸頭并聯(lián)以適應(yīng)較大負(fù)荷需要,接觸器觸頭的通斷由限制回路限制.當(dāng)天黑無(wú)光照時(shí)光電池2CR本身的電阻和R1, R2組成分壓器,使 BG1基極電位為負(fù),BG1導(dǎo)通,經(jīng)BG2 BG3 BG幽成多級(jí)直流放大,BG4 導(dǎo)通使繼電器J動(dòng)作,從而接通交流接觸器,使常開觸頭閉和,路燈亮. 當(dāng)天亮?xí)r,光電池受光照射后,產(chǎn)生 0.20.5V電動(dòng)勢(shì),使BG1在正偏壓 后截止,后面多級(jí)放大器不工作,BG4截止,繼電器J釋放使回路觸頭斷 開,燈滅.調(diào)節(jié)R1可調(diào)整BG1的截止電壓,以到達(dá)調(diào)節(jié)自動(dòng)開關(guān)的靈敏 度.圖3-3總電路圖5.元器件列表元件名稱元件參數(shù)R1470KR2200KR310KR457KR5KR62

16、5KR710KR8280KC1200UFC2200UFC3100UF6 .心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐練習(xí),通過(guò)此次課程設(shè)計(jì),我明白了路燈限制器的工作原理,即通過(guò)光電池將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成 電信號(hào),利用繼電器的通斷限制路燈相應(yīng)的開啟或關(guān)閉.也進(jìn)一步掌握 了電路設(shè)計(jì)的技巧,熟練了用制圖工具制圖的方法以及 WORD編輯文檔 的相關(guān)技巧,更深刻理解了光電池,繼電器,二極管,三極管的特性. 平時(shí)上課學(xué)到的理論運(yùn)用于實(shí)踐,理解的更直觀.穩(wěn)固與擴(kuò)充了光電傳 感器等課程所學(xué)的內(nèi)容,相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí),獨(dú)立思考的能 力也有了提升,也從中發(fā)現(xiàn)了自己平時(shí)學(xué)習(xí)的缺乏和薄弱環(huán)節(jié),從而加 以彌補(bǔ).在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中,我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,不斷改正,不斷領(lǐng)悟,不 斷獲取.培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動(dòng)手操作的水平,在各種其它水平上也都有 了提升.更重要的是,學(xué)會(huì)了很多平時(shí)理論課學(xué)不到的知識(shí).課