聲光控延時開關(guān)節(jié)電燈說明書

/目錄TOＣ＼o”1-３”\h\uHＹPERLINK\l_Toc54631．設(shè)計要求與目的 2ＨYPERLＩNK\l_Ｔoc25421。1設(shè)計背景?2HＹPEＲＬINK\ｌ_Toc２87691．2設(shè)計目的 2HYPERLINK\ｌ_Toｃ98７52.方案論證?3HYＰERＬINK＼l_Ｔｏc２581１2.１原理方框圖?3HYＰEＲＬINＫ\ｌ_Toc24002。2晶閘管的工作原理 ３HYPＥＲＬINK\ｌ_Ｔoc133062.3各部分電路的分析?.62．3。1聲音放大電路……………2。3.2整流電路……………….。2.3．３光敏電路…………………2.３。4電子開關(guān)………………..2。３。5延時電路與交流開關(guān)…………..………2.3．5電源電路……………….．２．4方案選擇．。.．..。。。。...。.．。.。。。。.．.．.。.．．。.。。.。.。．．..。。..。。。。.。.．.。...．。..。．．．。。.。。..。。。。..．。。。.．。..。．.．。.．..．。.。。..．。。。。．．。．...。。..．...．。...．．..．.。..82．4。1主控電路……………….2．4。2電子元器件的選取……………………。2．5原理圖及原理……………………．…………9２。5。１電路原理圖……………。.……………。．．．92．5．２電路工作原理…………?！?．10HYＰERLＩNK＼ｌ＿Toc65７６3．元器件選取 。113。1元器件清單…………?！?23。2重要元器件的識別……………….…．…１２４。實驗論述……。…………………．.………………?！?.１44.1電路模擬仿真圖（附錄一）4。2測量參數(shù)…………………….……．……1５4.3電路調(diào)試………………．。?！?…….……１5ＨYPERＬINK\l_Toc１7135.結(jié)論分析?16ＨYPERLIＮK＼l_Toｃ１464１6．心得體會 1６HYPＥRＬINK\ｌ_Ｔoc31０63參考文獻 １61。設(shè)計要求與目的1.１設(shè)計背景公共場所和居民居住區(qū)的公共樓道普遍使用機械手動開關(guān),由于各種原因往往出現(xiàn)許多燈泡點亮長明的現(xiàn)象，故使燈泡壽命短,浪費電量，為國家、單位、個人造成經(jīng)濟損失。另外，由于頻繁開關(guān)或其他人為因素，墻壁開關(guān)的損壞率很高，既增大了維修量、浪費了資金,又容易造成事故隱患。因此，設(shè)計研究一種電路新穎、安全節(jié)電、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的聲光雙控白熾燈節(jié)能自動開關(guān)顯得相當(dāng)有必要。使公共場所和居民居住區(qū)的公共樓道燈在白天時不亮，晚上聞聲自亮,待人走后,幾十秒后自動關(guān)閉，既方便，又省電。用聲光控延時開關(guān)代替住宅小區(qū)的樓道上的開關(guān),只有在天黑以后,當(dāng)有人走過樓梯通道，發(fā)出腳步聲或其它聲音時,樓道燈會自動點亮,提供照明,當(dāng)人們進入家門或走出公寓，樓道燈延時幾分鐘后會自動熄滅。在白天，即使有聲音,樓道燈也不會亮,可以達到節(jié)能的目的。1.2設(shè)計目的要求電路能夠通過照明燈開關(guān)對光線強弱的感應(yīng)和通過照明燈開關(guān)對聲強的感應(yīng)設(shè)置兩級開關(guān)，控制照明燈的亮滅.要求電路能夠?qū)崿F(xiàn)有光線時滅，無光線時有聲亮,并且照明燈點亮一段后自動關(guān)斷。要求電路如果在照明燈點亮期間又有新的聲源出現(xiàn)，照明燈應(yīng)重新開啟。根據(jù)上述要求選定設(shè)計方案，畫出系統(tǒng)框圖,寫出詳細的設(shè)計過程.學(xué)習(xí)掌握焊接技術(shù)以及電路元件的裝配。熟悉手工焊錫的常用工具的使用及其維護與修理。針對原理電路，通過計算參數(shù)，選擇合適的元器件，搭建電路，并調(diào)試通過.2.方案論證2.1。原理方框圖聲光控延時開關(guān)就是用聲音和光來控制開關(guān)的“開啟"，若干分鐘后延時開關(guān)“自動關(guān)閉＂。因此，整個電路的功能就是將聲音信號和光信號進行處理后，變?yōu)殡娮娱_關(guān)的開動作.明確了電路的信號流程方向后,即可依據(jù)主要元器件將電路劃分為若干個單元。因為電子開關(guān)具有體積小、功耗小、壽命長、效率高等特點，而晶閘管剛好具備這些優(yōu)良特點，所以這次課設(shè)所選用的開關(guān)器件為普通的晶閘管其型號為ＭＣR10０-6.晶閘管就是晶體閘流管的簡稱，曾稱可控硅，它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，具有硅整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,且其工作過程可以控制，被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、變頻及保護等電子電路。晶閘管在電子電路中的文字符號符號用字母V或VT?、ＶTH表示。晶閘管根據(jù)其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式分類可分為單向晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管多種。按其引腳和極性可分為二級晶閘管、三級晶閘管和四級晶閘管等等分類。因為晶閘管在電路中起了非常關(guān)鍵的作用，所以這兩有必要將其結(jié)構(gòu)和特性作簡要介紹.晶閘管是一種性質(zhì)類似于閘流電子管的硅可控整流半導(dǎo)體器件。它有三個電極:陽極Ａ、陰極K和門極Ｇ。2.2晶閘管的工作原理２.2。1普通晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是PＮPN四層三端器件，共有三個PN結(jié)。分析原理時，可以把它看作是由一個PNP管和一個ＮPN管所組成，其等效圖解如圖1(a)所示，圖1(ｂ）為晶閘管的電路符號。(a）（b）圖1晶閘管等效圖解圖２．2。2晶閘管的工作過程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(fù)合管。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時,為使晶閘管導(dǎo)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的基極電流。因此是兩個互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)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(dǎo)通。設(shè)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(yīng)為Ia和Ik,電流放大系數(shù)相應(yīng)為α1＝IＣ１/Ｉa和α2＝IC２/Ik,設(shè)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：Ia=IC1+IＣ２+ICO＝α1Ｉa+α2Ik＋ＩCO（1）若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為：Ik=Iａ＋Ig.因此，可以得出晶閘管陽極電流為:硅ＰNP管和硅ＮPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)α1和α2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓,而門極未接受電壓的情況下,式(１）中Ig=０,（α1+α2）很小，故晶閘管的陽極電流Iａ≈ICO，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)；當(dāng)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)α2，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)α1，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(dāng)α１和α2隨發(fā)射極電流增加而使得（α1+α2）≈1時，式(１）中的分母1-（α1+α2）≈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(dǎo)通后，式（１）中1－（α1+α2）≈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(dǎo)通,門極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)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α1和α２迅速下降,晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。由于晶閘管只有導(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,此條件見表1。（1)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(guān)斷狀態(tài)。（2）晶閘管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(dǎo)通。（3）晶閘管在導(dǎo)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(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用.(4）晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。2．３各部分電路的分析2.３．1聲音放大電路:當(dāng)MIC獲取到聲音信號后,其會轉(zhuǎn)換成電信號,考慮到后面步驟需此信號控制電子開關(guān),所以必須加放大器放大該信號.為了獲得較高的靈敏度,VT1的2。3．2整流電路２．3.3光敏電路2．3.4電子開關(guān)2。３.５延時電路與交流開關(guān)圖中Ｃ5為抗干擾電容,用于消除燈泡發(fā)光抖動現(xiàn)象。R８、C5和單向可控制MＣR、VＤ5～ＶD８組成延時與交流開關(guān).C4通過R８把直流觸發(fā)電壓加到MCＲ控制端,MCR導(dǎo)通,燈泡點亮?？煽毓枳鳛殚_關(guān)元件的優(yōu)點，屬無觸點開關(guān)元件，因此使用壽命長。燈泡發(fā)光時間長短由C4、R８的參數(shù)決定。2。3。6電源電路2。4方案選擇2。4．1電路主控器件選為普通單向晶閘管MCR１００—6(市場價格2元）.因為控制主信號為聲音信號和光信號，并且只有在兩個條件都滿足的條件下(即晚上光線比較暗，并且有聲音信號）晶閘管才會導(dǎo)通。因此選用雙輸入與非門作為主控電路，選用四輸入與非門TC401１或CD401(市場價格2元）。為了給集成芯片和電路提供穩(wěn)定的工作電壓。電源部分采用二極管組成的不可控整流電路，再經(jīng)過濾波和穩(wěn)壓電路為電路提供穩(wěn)定的工作電壓(可以根據(jù)電路參數(shù)設(shè)定7．5Ｖ或９V都可以）。電燈選用功率為1５W的節(jié)能燈。這樣主控電路基本上已經(jīng)成型。借閱其他相關(guān)材料獲知，信號控制電路也可采用運放來代替與非門。但是要讓運放工作必須提供正負工作電壓，電路結(jié)構(gòu)比較麻煩而且成本比用與非門的成本高所以就采用與非門為信號控制電路的主電路圖。2．4。整流采用不可控整流電路,選用普通的IＮ4００７（耐壓值為100０V)二極管即可。穩(wěn)壓管可選擇7．5V或9.1Ｖ,具體電路可視情況而定。濾波電路采用耐壓值為25V的電解電容,容量為1０0μＦ。聲音采集器件用普通的駐極體話筒即可，光信號采集器將可用普通的光敏電阻型號為MG４2－0３。音頻信號放大器件90１4三級管，與非門用CＤ40１1.電子開關(guān)選取普通的單向晶閘管型號為MCR100－6。考慮到這次使用的電源為交流２２０V電壓，所以主電路的限流電阻采用功率為1W得色環(huán)電阻.主線路上的器件如果不做特殊說明都將采用功率較大,耐壓值較高的器件.2.5原理圖及原理２。５.１２.5.2電路工作原理聲光控延時開關(guān)的電路原理圖見圖1所示。電路中的主要元器件是使用了數(shù)字集成電路CD4０１１，其內(nèi)部含有4個獨立的與非門VD１～ＶD4，使電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高。顧名思義,聲光控延時開關(guān)就是用聲音來控制開關(guān)的“開啟”，若干分鐘后延時開關(guān)“自動關(guān)閉”。因此，整個電路的功能就是將聲音信號處理后,變?yōu)殡娮娱_關(guān)的開動作。明確了電路的信號流程方向后，即可依據(jù)主要元器件將電路劃分為若干個單元,由此可畫出圖2所示的方框圖。結(jié)合圖2來分析圖１。聲音信號（腳步聲、掌聲等)由駐極體話筒BＭ接收并轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)Ｃ1耦合到VT的基極進行電壓放大，放大的信號送到與非門(ＶD1）的2腳,R4、Ｒ７是VT偏置電阻，Ｃ2是電源濾波電容。為了使聲光控開關(guān)在白天開關(guān)斷開,即燈不亮，由光敏電阻RＧ等元件組成光控電路，R5和ＲG組成串聯(lián)分壓電路，夜晚環(huán)境無光時，光敏電阻的阻值很大,RG兩端的電壓高，即為高電平間T＝2πR8C３,改變Ｒ８或C3的值，可改變延時時間，滿足不同目的.ＶD3和ＶD4構(gòu)成兩級整形電路，將方波信號進行整形。當(dāng)Ｃ3充電到一定電平時，信號經(jīng)與非門VD3、ＶD4后輸出為高電平,使單向可控硅導(dǎo)通,電子開關(guān)閉合；C3充滿電后只向R8放電,當(dāng)放電到一定電平時，經(jīng)與非門ＶD3、ＶD４輸出為低電平，使單向可控硅截止,電子開關(guān)斷開，完成一次完整的電子開關(guān)由開到關(guān)的過程。二極管ＶD１～VＤ４將交流220v進行橋式整流，變成脈動直流電，又經(jīng)R1降壓,C2濾波后即為電路的直流電源，為ＢM、VT、IＣ等供電。工作原理：當(dāng)此電路周圍有聲音信號時，BＭ將聲音信號接收后經(jīng)VT1放大，再經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?當(dāng)有光照照在光敏電阻RGM上時，其阻值變小，對直流控制電壓衰減很大，導(dǎo)致V、R6、Ｄ１組成的電子開關(guān)截止。而Ｃ２中無電荷，使單向可控硅ＭCR處于截止?fàn)顟B(tài),燈泡不亮?！劢Y(jié)論1］有聲音有光時,燈泡不亮。同理:當(dāng)有聲音信號傳入而又無光照射在光敏電阻RGＭ時,RGM阻值很大,對直流控制電壓衰減很小。V、R3、VＤ5組成的電子開關(guān)導(dǎo)通,使C３充電。由于充滿電時間很迅速，Ｃ3充滿電荷后通過與非門把直流觸發(fā)電壓加到MCR控制端，MCR導(dǎo)通，燈泡點亮。當(dāng)C3中電荷放至零時,MＣR回復(fù)截止?fàn)顟B(tài),燈熄滅。→[結(jié)論２］有聲音無光時，燈泡亮。當(dāng)燈泡點亮過程中有新的聲源出現(xiàn)時，C３會重新充電后重新放電,即重新計算點亮?xí)r間。根據(jù)下表元件參數(shù)所致,燈泡亮的時長約為40秒左右。如果需要改變燈亮?xí)r長,只需更改C3或者R8的參數(shù)即可。3.元器件選取3．1元器件清單元器件參數(shù)元器件參數(shù)電阻２2ＫΩ元片電容０.1μF電阻2。7ＭΩ二極管IN４00７×4電阻33KΩ二極管IＮ４148電阻1０0KΩ三極管9014電阻４．7MΩ穩(wěn)壓管７．5V電阻56ＫΩ與非門ＣD４011光敏電阻MG42—03駐極體話筒BM電阻270KΩ燈泡１５Ｗ電解電容１00μF晶閘管MCR100－６電解電容１0μＦ３。2重要元器件的識別3.2。1單向可控硅（晶閘管）型號為MＣR100—63。2．2駐極體話筒(BM）光敏電阻3.2．4二極管不可控整流橋?qū)嶒炚撌鲭娐纺M仿真圖(附錄一)測量參數(shù)被測量U（v）被測量Ｕ(v)穩(wěn)壓管7.２Ｕr66。5Ucｅ０。12Ur７１７5Ｕbe0.60Urg(暗)6．5Ur15。1Uｒg（亮）o。64Ur24.7Uc10.２3Ur35．8Ｕc３5。3Ｕr４2。８Ｕｒ5２。2４。３電路調(diào)試在板子完成后,對其進行功能測試,步驟如下：1．?dāng)嚅_光敏電阻，電容Ｃ1，與非門IC（a)的2腳為高電平，1腳為低電平,3腳輸出為高電平,經(jīng)IC(b)、IC（ｄ）邏輯電平轉(zhuǎn)換，ＩC１1腳輸出為低電平，晶閘管q不被觸發(fā)，燈不亮。2。斷開三極管VT的集電極或發(fā)射極，同時斷開光敏電阻,與非門IＣ（ａ）１，２腳為高電平，3腳輸出為低電平，經(jīng)IC(ｂ)、IC(d）邏輯電平轉(zhuǎn)換，IC１1腳輸出為高電平,晶閘管ｑ被觸發(fā),燈亮。綜上兩步調(diào)試,圖２.4工作正常。3.斷開光敏電阻,接通電源,這時燈不亮。擊掌觸發(fā)聲控電路,燈亮。經(jīng)過一段時間延時，燈滅,說明圖2。３和2。５工作正常。4.最后檢查光控電路,電路全部復(fù)位,接通電源,燈不亮。用深色物品將光敏電阻遮住，擊掌觸發(fā)聲控電路，燈亮。至此電路調(diào)試完畢。結(jié)論分析聲光控總結(jié)聲光控電路的制作過程花的時間較長,剛開始研究原理圖時參看了好多資料，包括模電課本，數(shù)電課本，查閱了一些器件的用法,如晶閘管，之后對原理圖進行了仿真，仿真過程中對麥克風(fēng)和光敏電阻進行模擬，仿真成功后開始制作電路板,然后進行調(diào)試，在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)了好多問題：電路沒有焊好，有好幾處虛焊的地方，器件損壞,芯片沒有插好，晶閘管接反了，這些都導(dǎo)致電路沒能完全工作，剛開始沒有成功。本次課設(shè)中Ｒ5電阻為4.７M,C為10uF的極性電容,延時時間理論上為６0秒，而實際中為一分半鐘.電源設(shè)計根據(jù)其主體電路