1、声控光控路灯控制器模电研讨 Beijing Jiaotong University 模拟集成电路研讨声光路灯控制器学 院：电子信息工程学院小组成员：指导教师：时 间：摘 要介绍一种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，并给出了电路原理图及元件参数选择。声光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。此控制器经济实用，即使一般的脚步声也能出灯泡发光照明好。（1）具有光控功能，白天光线较亮，即使有声音路灯也不亮，光线较暗
2、，有声时路灯点亮。（2）具有声控功能，晚上光线较暗，有声音时路灯点亮，声音消失后延长。关键词：光电开关自动控制延时电路1、 引 言声光控节能路灯具有许多实际意义：一是省电，灯泡不会长时间亮着，所以节电效率很高；二是便利，不需要接触，全自动智能控制；三是安装便利，接线简略，是公共场所照明的首选。再者，随着科技的发展，公共场所照明控制手段也将慢慢更新，除了现已有的声光控开光，另有热释远红外感应开关。红外感应开关在安装上比较稳定，但安装复杂，比较娇气，价格也比较高，比较合适在一些管理比较完善的场所，如宾馆，大饭店楼道及居家走廊应用。但在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等
3、因素，在长一段时间内，声光控将是首选产品。2、总体设计方案2.1 设计思路整个电路由电源电路、声控电路、光控电路等部分组成。电源由220V交流电提供。光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号，从而实现白天灯泡不亮，晚上遇见声音时，通过声控电路使灯泡自动点亮。声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而实现自动控制。2.2 总体设计框图 图1 总体设计框图3、设计原理分析3.1声控电路图2该电路如图2所示，主要由柱极话筒（即声音传感器）连接电路及放大电路组成。话筒将声音信号转化为电信号，但话筒转化的电信号非常微弱，输出阻抗极高。因此不能直接放大电路，用R1、C1组成话筒的链接电
4、路，实现阻抗的变换以及放大电路的输入变换，使得放大电路是对信号的电压进行放大，当没有声音时，放大电路没有输入信号，三极管处于静态工作状态。此时三极管输出为高电平，经过74LS00的1管脚，再经过与非门以及555单稳态触发器后，为晶闸管输入了高电平，就可在夜晚有声音的情况下，使路灯变亮。 3.2光控电路图3该电路如图3所示，由电阻R4和光敏电阻R（现有滑动变阻器R8代替）,组成。白天或光照较强的情况下，光敏电阻阻值很小，输出为低电平。此时就算是有声音输入，进过与非门后输出为高电平，不会触发555触发器,从而不会使晶闸管导通，灯泡不会亮。当夜晚来临或光照强度微弱的情况下，光敏电阻的阻值变大，在74
5、LS00的2管脚处输入为高电平，此时，如果有声音传入，经过声控放大电路后，两者经过与非门，输出低电平,触发555触发器,为晶闸管输入高电平，此时晶闸管导通，为灯泡提供了电源，灯泡变亮。3.3稳压电路图5该电路（图5）由两部分串联组成，一部分是由4个1N4007组成的桥式整流器，把220V的交流电变成220V的直流电压，为电路提供直流电源。另一部分是由电阻R7、肖特基二极管D3（BAS81）和极性电容C3组成，此部分经过桥式电流整流后，为电路降压，因为大部分器件尤其是74芯片不可能直接承受220V的电压，所以该部分把220V的电压将为7.5V左右的电压，同时也稳定了整个电路的电压，使电压的波动不
6、会太大而烧毁器件。3.4延时电路集成定时器555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极性和CMOS型两大类，二者的结构和工作原理类似。二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。 555电路的引脚排列图3如图所示，其功能表如表1所示。555电路构成，单稳态触发器，如图4。输出电压Vo的脉宽t=RCln3555定时器内部电路见图5。 555定时器引脚排列图555定时器的功能表6（高触发端）2（低触发端）4（复位端）3（输出端）7（放电端）LL导通HL导通H不变不变
7、HH截止3.5被控电路 BTA140为晶体阀,当输入高电平时,上下导通,电灯亮,反之则灭。 整流桥的二极管是4个1N4007，目的是为前面电路供应电压。3.6总体电路该电路如下图所示白天时，光敏电阻阻值很低（把滑动变阻器调低），这时候即使有声音输入灯泡也不会亮。晚上或光亮较弱的时候，光敏电阻阻值增加(把滑动变阻器阻值调高)，这时候没有声音传入（开关断开），灯泡不会亮。晚上或光亮较弱的时候，光敏电阻阻值增加(把滑动变阻器阻值调高)，这时候有声音传入（开关闭合），灯泡变亮。当人走远，也就是声音变小的时候（开关断开），这时候延时控制电路开始工作，此时555触发器为晶闸管提供高电压，灯泡继续亮着。在经
8、过约一段时间后，555触发器定时结束，不能给晶闸管提供高电压了，灯泡熄灭。4、调试过程4.1 电阻的调试对电阻R7进行更换，当用1M以上的电阻时，延时时间太长，在夜晚人走过后容易浪费电，经过多次调整，所以我采用100K的电阻能够延时近50s，足够人走出灯光范围。4.2 74芯片的调试74LS00芯片是由4个2输入与非门组成，当与非门两端同时输入高电平时，输出端才能输出高电平。在调试过程中，应注意连接方法和线路的接触，不然会出现接触不良或连接错误，从而不会让电路正常工作，在仿真时用测量探针来观测整个电路的电压变化。尤其是74芯片管脚连接处。5、总结与体会 通过此次模电设计锻炼了我们的思考能力，用
9、所学知识设计生活中实用的电子产品，加深了对模拟电路的了解和利用。并对各电子器件有一个全面的认识。认识到了电工电子技术对人们生活的影响，如果全社会都用这样的节能开关灯的话，将节省很多的能源，是各个公共场所很好的选择。6、部分元件补充说明6.1、光敏电阻 6.1.1 概述光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。6.1.2 原理光敏电阻的工作原理是基于内光电效
10、应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导
11、体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。6.1.3 主要参数（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的
12、曲线。（5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（6）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。（7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。6.2 双向可
13、控硅6.2.1 概述一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无
14、触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。6.2.2 原理1.可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic。2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=1
15、2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，条件如下：A、从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位，2、控制极有足够的正向电压和电流，两者缺一不可。B、维持导通1、阳极电位高于阴极电位，2、阳极电流大于维持电流，两者缺一不可。C、从导通到关断1
16、、阳极电位低于阴极电位，2、阳极电流小于维持电流，任一条件即可。触发导通。在控制极G上加入正向电压时因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。6.2.3 特性反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时，J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，特性开始弯曲，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向。正向特性当控制极开路，
17、阳极上加上正向电压时，J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，特性发生了弯曲，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压，由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似7、参考文献1 刘修文.新编电子控制电路300例 M 北京：机械工业出版社，2006.102112
