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 學(xué)號 姓名 主要內(nèi)容： 利用二極管，光電池，繼電器等器件設(shè)計(jì)一個可以通過光線變化自動控制路燈開關(guān)的電路?；疽螅?1). 能正確控制路燈開關(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)基礎(chǔ) 單成祥編 國防工業(yè)出版社 完 成 期 限 指導(dǎo)教師簽名： 課程負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日路燈光控開關(guān)的設(shè)計(jì) 摘要:光控路燈可以根據(jù)光線明暗自動控制開關(guān)狀態(tài)，主要用在樓道等公共場所。光電池是能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件，通過三極管組成的多級放大電路可實(shí)現(xiàn)控

2、制功能。此次實(shí)驗(yàn)的路燈控制器是由光電池，放大器，繼電器，二極管，電源電路等元件組成，核心是光電池轉(zhuǎn)換光信號，傳送到繼電器，然后由繼電器控制電路通斷。通過此次設(shè)計(jì)了解常用路燈控制的各種方法，及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，通過相互的比較，確定設(shè)計(jì)方案。通過此次課程設(shè)計(jì)能增強(qiáng)動手能力和實(shí)際電路設(shè)計(jì)能力，更深刻理解相關(guān)電路原理及光敏元件光電特性，繼電器控制通斷原理，加強(qiáng)對相關(guān)理論知識的理解。關(guān)鍵詞：繼電器；光敏元件；關(guān)照變化；控制目 錄1.設(shè)計(jì)目的42.基本要求43.設(shè)計(jì)方案4 3.1 路燈控制器原理4 3.2 電路分析5 3.3 器件選擇74.電路原理圖106.元器件列表127.心得體會138.參考文獻(xiàn)141.設(shè)

3、計(jì)目的利用二極管，光電池，繼電器等器件設(shè)計(jì)一個可以通過光線變化自動控制路燈開關(guān)的電路。2.基本要求(1). 能正確控制路燈開關(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 路燈控制器原理此路燈控制器設(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）達(dá)到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。在這個電路中隨著光照的變化，繼電器會相應(yīng)的吸合或者斷開，即決定路燈工作與否。白天有光照，光電池輸出電動勢，BG1加正向偏壓，BG1和BG2處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器J不吸合，燈L不亮。當(dāng)夜晚沒有光照，光電池?zé)o電動勢，BG1加反向

4、偏壓，當(dāng)上升到一定程度后，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控制輸出的光控開關(guān)電路有許多形式，在本實(shí)驗(yàn)使用了簡單的繼電器開關(guān)電路。其工作原理是：有光照時由于光電池輸出電動勢，激勵電流使繼電器工作，常開觸點(diǎn)閉合，沒有光照時光電池不輸出電動勢，常閉觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)對外電路的控制。線路的主回路的相線由交流接觸器的三個常開觸頭并聯(lián)以適應(yīng)較大負(fù)荷的需要。3.2電路的分析利用光照為傳感器，目前最為常用且性價(jià)比較高的就是光電池，利用其有光線時輸出電動勢，而無光線較時則不輸出電動勢的特點(diǎn)，可將光線信號轉(zhuǎn)換成電信號，再通過繼電器控制通斷可以有效地

5、完成控制需要。這類設(shè)計(jì)中，只要能將光線信號取出，整個設(shè)計(jì)也便完成了大半，至于控制部分的設(shè)計(jì)，可采用繼電器輸出，這樣就算驅(qū)動較大的路燈負(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，如何提高系統(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)中若能用運(yùn)放電路來完成處理，則可將運(yùn)放接成電壓比較器的方式，這樣可以完成較為精確的起控；若采用分立元件來處理，可以采用穩(wěn)壓管來穩(wěn)定工作點(diǎn)，只有當(dāng)分壓大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，電路才能起控。光控路燈控制器可以自動實(shí)現(xiàn)白天路燈自動點(diǎn)亮晚上自動關(guān)掉，既方便又實(shí)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，走廊小區(qū)等公共場所的照明控制。繼電器是一種

6、當(dāng)輸入量（電、磁、聲、光、熱）達(dá)到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。繼電器的輸入信號x從零連續(xù)增加達(dá)到銜鐵開始吸合時的動作值xx，繼電器的輸出信號立刻從y=0跳躍到y(tǒng)=ym，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，也叫繼電器的輸入輸出特性。釋放值xf與動作值xx的比值叫做反饋系數(shù)，即 Kf= xf /xx 觸點(diǎn)上輸出的控制功率Pc與線圈吸收的最小功率P0之比叫做繼電器的控制系數(shù)，即Kc=PC/P0。圖3-2 繼電器的輸入輸出特性3.3器件的選

7、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。我們設(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，可分為鍺二極管（Ge管）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。按照管芯結(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。1N4002是一種整流二極管，它是利用二極管單向?qū)щ娦?，可以把方向交替變化的交流電變換成單一方向的脈動

8、直流電。三極管三極管按材料分有兩種：鍺管和硅管。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和鍺PNP兩種三極管，對于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c。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（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倍，即電流變化被放大了倍，所以我們把叫做三極管的放大倍數(shù)（一般遠(yuǎn)大于1，例

9、如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間，這就會引起基極電流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是流過一個電阻R的，那么根據(jù)電壓計(jì)算公式U=R*I可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。 電容電容器的基本作用就是充電與放電，但由這種基本充放電作用所延伸出來的許多電路現(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

10、用這種電容電路，濾波電容將一定頻段內(nèi)的信號從總信號中去除。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，以提升放音信號中的低頻信號，此外，還有高頻補(bǔ)償電容電路。 發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱LED，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)，正向電流通過發(fā)光二級管，它會發(fā)出光來，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

11、壓一般不超過2v，正向電流為10mA左右，其發(fā)光機(jī)理是當(dāng)在PN結(jié)兩端注入正向電流時，注入的非平衡載流子（電子空穴對）在擴(kuò)散過程中復(fù)合發(fā)光，這種發(fā)射過程主要對應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過程。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)生自然復(fù)合，而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時，溝區(qū)導(dǎo)帶中的電子則可逃過PN結(jié)的勢壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè)。于

12、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，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)工作時間長、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)發(fā)展得比較成熟，所以其價(jià)格非常便宜。因此在一些簡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傳感器的成本。然而LED的發(fā)光機(jī)理決定了它存在著很多的不足，如輸出功率小、發(fā)射角大、譜線寬、響應(yīng)速度低等。因此，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，就不得不以提高成本為代價(jià)，選用其它更高性能的光源。3

13、.3.5光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光信號轉(zhuǎn)變成電信號的器件，通過磷（或硼）擴(kuò)散形成Pn結(jié)而制作成的，用摻雜的氧化硅來制作的，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電源。它是一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)上時，便在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢。當(dāng)P-N結(jié)受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。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)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場附近時能在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié)。光生電子被拉向N區(qū)，光生

14、空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內(nèi)建電場分離。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)生一個與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，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。如果這時分別在P型層和N型層焊上金屬導(dǎo)線，接通負(fù)載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件。4. 電路原理圖路燈光電控制線路主回路相線由交流接觸器CJD-10的三個常開觸頭并聯(lián)以適應(yīng)較大負(fù)荷需要，接觸器觸頭的通斷由控制回路控制。當(dāng)天黑無光照時光電池2CR本身的電阻和R1，R2組成分壓器，使BG1基

15、極電位為負(fù)，BG1導(dǎo)通，經(jīng)BG2，BG3，BG4構(gòu)成多級直流放大，BG4導(dǎo)通使繼電器J動作，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電動勢,使BG1在正偏壓后截止，后面多級放大器不工作,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，以達(dá)到調(diào)節(jié)自動開關(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)R1470KR2200KR310KR457KR54.3KR625KR710KR8280KC1200UF C2200UF C3100UF6. 心得體會 課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，通過此次課

16、程設(shè)計(jì)，我明白了路燈控制器的工作原理，即通過光電池將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，利用繼電器的通斷控制路燈相應(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。平時上課學(xué)到的理論運(yùn)用于實(shí)踐，理解的更直觀。鞏固與擴(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高，也從中發(fā)現(xiàn)了自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。在課程設(shè)計(jì)過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。培養(yǎng)了獨(dú)立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，學(xué)會了很多平時理論課學(xué)不到的知識。課程設(shè)計(jì)過程中我也遇到了很多問