方案和制作热释自动能灯电路.docx

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方案和制作热释自动能灯电路

目录

摘要

简单地介绍了热释电红外自动节能灯的原理，利用人体发出的红外线，通过热释电红外传感器的接收与放大形成具有一定电压幅度的控制信号，并用其去触发可控硅导通。

人体都有恒定的体温，一般在37度左右，所以会发出特定波长10μM左右的红外线，当人到来时，控制系统接收到人体的红外线时灯自动开启，人走后灯自动关闭，这种控制电路不但节能而且可靠方便，同时又延长灯的使用寿命。

关键词：

热释红外线自动节能

前言

0.1概述

所谓的热释电红外自动节能灯就是一种将人体发出的红外线转化成电信号的自动节能灯，它的组成如图0-1所示。

早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。

热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。

它正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。

除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景也被看好。

 在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所楼梯、走廊、卫生间及居民区的公共楼道，公共场所的照明控制。

长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。

为此，安装方便、使用寿命长的热释电红外自动节能灯更实用、更经济。

图0-1热释电红外自动节能灯原理框图

0.2从国内外发展来看

 随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移。

中国是一个比较适合生产照明电器产品的国家，原因在于:

一是中国具备生产这些产品的条件，二是劳动力成本比较低。

这些都将使中国逐步成为照明电器产品出口大国。

而我国照明产品的主要市场是在北美和欧盟<它们对产品质量要求也比较高,分别要求UL和CE认证），约占到我国照明产品出口额的60%。

展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势，以下强力因素都预示着我国照明市场仍有很大的潜力可挖：

1、基础设施建设方面：

机场、铁路、港口、城市轨道交通等讯速发展，每一项工程均需要照明；

2、城市亮化工程方面：

城市广场、绿地、道路、建筑物泛光照明，已从大城市发展到中小城市，随着我国城镇化的不断发展，城市亮化工程方面的需求潜力巨大；

3、工业、商业照明方面：

工厂越来越重视照明对企业生产效率提高的作用，商业企业为吸引顾客，不惜花费更多的财力用于商场照明，写字楼、学校、医院的照明也有明显的改善。

从以上几个方面可以看出，我国照明灯的市场前景还是非常可观的。

然而资源的节约对我国非常的重要，所以要开发自动节能灯，它可以节约用电，而且灯的寿命也有了很大的提高。

本论文研究的是热释电红外自动节能灯，它就是改善我国目前能源浪费严重<水能、太阳能等）而设计的。

第1章热释电红外传感器

1.1红外线的发现

红外线也叫红外光，它是一位英国科学家发现的。

1800年，赫胥尔在研究太阳光时，让光通过棱镜分解为彩色光带，他用温度计去测量光带中不同颜色所含的热量。

实验中，他偶然发现一个奇怪的现象：

放在光带红光外的一支温度计，比室内其他温度的指示数值高。

经过反复实验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。

于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种人的肉眼看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。

<不过，要说明的是，事实上太阳发出的能量以波长580nm的绿光最强。

）

1.2红外线的定义

我们知道，人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

其中红光的波长范围为<0.62～0.76）μm；紫光的波长范围为<0.38～0.46）μm。

比紫光波长还短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线。

而人体红外辐射的光谱为<7～14）μm,其中心波长在<9～11）μm左右。

1.3红外线的基本特性

红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质。

红外线的波长在0.76～100μm之间，位于无线电波与可见光之间。

通常红外线按波长可进行简单分类，比如近红外、短波红外、中波红外、热红外、远红外等。

物理学告诉我们，任何物体在常规环境下都会由于自身分子原子运动不停地辐射出红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。

物体的温度越高，辐射出的红外线越多。

物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线，物体吸收了红外线后自身温度就升高。

1.4热释电红外传感器的原理特性

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。

不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。

为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。

由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达１０４ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

双探测元热释电红外传感器使用时Ｄ端接电源正极，Ｇ端接电源负极，Ｓ端为信号输出。

该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。

它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。

对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

1.5热释电红外传感器功能和组成

任何高于绝对温度的物体都会发出电磁辐射——红外线，但个种不同温度的物体所辐射的电磁能及能量随波长的分布是不同的。

物体的表面温度越高，它辐射时能量就越大。

利用锆钛酸铅

为了区分人体<370C左右）辐射的红外线和周围物体辐射的红外线，特别是近红外辐射，常在热释电传感探测元件前加一红外滤光片，以抑制人体以外的红外辐射干扰。

而且热释电传感器输出的信号强度与红外辐射强度的变化成正比，尽管人离传感器很近却纹丝不动传感器也无信号输出，而离传感器较远的人一移动，传感器就会发出脉冲信号。

图1-1双探测元热释电红外传感器

热释电红外传感器有传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

1、传感探测元由高热电材料<锆钛酸铅系陶瓷）制成一定厚度的薄片闭并在其两面镀上金属电极，然后加电进行极化而制成的。

它能遥感人体发出的微量红外线能量的变化，由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

结构如图1-1

2、干涉光片是抑制人体外的红外辐射<特别是近红外辐射）的干扰，使波长小于μm的红外线被吸收，只留下对人体敏感的热释红外线光谱。

3、场效应管起到整个电路的阻抗匹配和前置放大作用。

利用这种传感器件，就可以非接触方式对物体辐射出的红外线进行检测，察觉红外线能量的变化，将其转换成相应的电信号，并以该信号作为控制信号。

它有三个引脚，D脚接正电源，S脚输出接低频放大器，G脚接地。

1.6热释电效应

热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。

热释电传感器是对温度敏感的传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。

当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。

所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。

由实验证明，传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜>，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。

第2章低通放大器

2.1放大器的概述

由第1章分析热释电红外传感器的特性可知，当它受到触发时，输出的传感信号为<0.1～10）Hz的超低频脉冲<频率值视为使用的菲涅尔透镜和人体移动的速度而定），而且脉冲的辐度不大于1mV。

这就需要一个高增益、低噪声的低频带通放大器，将其放大后才能对电路执行控制功能。

通常要求放大器的增益为<60～70）dB即几千倍，而且对放大器的带宽有一定要求。

带宽窄，则噪声小，错误动作率低；带宽宽，则噪声大，错误动作率较高，但对不同移动速度的人体运动均有较好的响应。

权衡二者，通常带宽取<0.3～0.7）Hz左右。

由于单级放大器不能满足如此高的放大倍数，将它设计为两级低通放大电路，第一级为同相输入放大电路，第二级为反相输入放大电路，这样便得到后级所需的足够大的驱动信号。

2.2同相输入式放大电路

图2-1同相输入放大电路

图2-1所示电路为同相输入放大电路，又称同相放大电路。

信号通过R2接入运放的同相输入端，输出电压通过电阻Rf反馈到运放的反相输入端，与R1组成反馈网络，形成电压串联负反馈。

R2是平衡电阻，一般取R2=Rf//R1。

根据虚断的概念，电阻R2上无电流流过，则运放同相输入的电位up=u1。

反相端无电流流过，则有i1=if。

再用虚短的概念，运放输入端的电位等于反相输入端的电位，uN=uP=u1，则有

u1=uP=uN=[R1/（Rf+R1>]u0

所以

u0=i1（Rf+R1>=（u1/R1>（Rf+R1>

可得电压放大倍数为：

Auf=u0/u1=（Rf+R1>/R1=1+（Rf/R1>

由式<2-1）可知，同相输入电压放大倍数只与反馈网络电阻有关，同相输入放大电路的输出与输入同相，且电压放大倍数A>=1。

同相输入放大电路的特点如下；

1、由于是深度串联负反馈，输入电阻特别高，可达20M以上，可近似为无穷大。

2、由于是深度电压负反馈，输出电阻很小，可近似为零。

3、由于un=up=u1，运放两端存在共模电压，会引起运算误差，所以在选择运放时，就要求它的共模抑制比较高。

4、同相输入放大电路的特例——电压跟随器。

如将图2中的反馈电阻Rf短路，R1开路，就得电路，由式<2-3）可得到

Auf=1

式<2-1）表明，输出电压等于输入电压且相位相同，称它为电压跟随器，与射极跟随电路类似。

但由于运放的反馈深度比单管跟随电路大得多，因此跟随性能要好得多。

因为它的输入电阻极高，输出电阻很低，常用作阻抗变换器或缓冲器，在电子电路中应用很广泛。

缺点是由于输入阻抗极高，易受周围电场干扰等影响，通常可在同相输入端对地接一个适当的电阻，此时的输入电阻有所减小，Ri的数值等于该电阻值.

图2-2同相输入放大器

上图<图2-2）为原理图中的同相输入放大电路，它是由C7、C8、R12、R13等组成

其电路的电压增益为：

Au1=2πfR12C8/（1+2πfR12C7><1+2πfR13C8）

它的带宽可由下列公式确定：

上限截止频率：

fH=1/2πfR12C7=7HZ

第一级放大采用直接耦合，下限截止频率：

fL=1/2πRC=0HZ

若选：

R12=2.2MΩ，C7=0.01μF,C8=22μF,,R13=27kΩ

带宽：

fw=fH-fL=7.2HZ,其频率特性如图

当取f=1HZ时，第一级的增益Aui为：

Au1=20lg[2πfR12C8/（1+2πfR12C7><1+2πfR13C8）]（dB>=35Dbd

2.3反相输入式放大器

图2-3反相输入式放大电路

图2-3是反相输入式放大电路，又称为反相放大电路。

输入信号通过R1，接到运放的反相输入端。

通过分析可知，该电路是电压并联负反馈放大电路。

图中的R2是平衡电阻，用于消除偏置电流带来的误差，一般取R2=R1//Rf，电路性能分析如下：

根据运放线性应用的特点，用虚断的要概念，电阻R2上无电流流过，即i1=0，则同相输入端电位up=0，与地等电位。

再用虚短的概念，同相端电位等于反相端电位，即时un=up=0,反相端的电位也为零，因此，N点相当于接地，但事实上并非真正接地，我们称它“虚假接地”

虚地是反相输入放大电路的重要特征。

这一特征表明运放输入端无共模信号。

从图中可以看出，R1一端接u1，一端接虚地，所以有u1=i1R1，而RF一端接在u0端，另一端接在虚地端，所以︱u0︱=︱uRF︱，即输出电压等于反馈电阻上的压降。

但是两端的电压。

但是两端的电压极性相反，所以有u0=—uF=—ifRf，而且由于Iid=0，则i1=if，这就非常容易找出输出电压u0与输入电压u1的关系。

反相放大电路的电压放大倍数为：

Auf=u0/u1=（-ifRf>/i1R1=-Rf/R1

上式中，负号表示输出与输入反相。

由于输入支路与反馈支路的元件是电阻，属于线性元件，因此输出电压与输入电压呈线性关系。

电路的输入电阻Rif=R1。

该电路的特点是：

1、由于反相输入端为虚地，它的共模输入电压可近似为零，这样对运放的有关共模的参数要求低。

2、由于是电压负反馈，输出电阻小，近似为零，所以带负载能力强。

3、由于是并联负反馈，输入电阻小

由于运放输出电流通常只有几个毫安，所以Rf必须大于1KΩ；又由于实际运放存在失调电流，所以Rf又必须小于几MΩ，否则易引起运放的饱和。

图2-4反相输入放大器

上图<图2-4）为原理图中的反相输入放大电路，它是由C5、C4、R11、R9、R8等组成。

其电路的电压增益为：

Au2=1+[2πfR8C5/（1+2πfR11C5><1+2πfR8C4）]

上限截止频率：

fH=1/2πfR8C4=7HZ

第二级放大采用阻容耦合，下限截止频率：

fL=1/2πfR11C5=0.3HZ

若取：

R8=2.2MΩ,C4=0.01μF,,R11=22KΩ,C5=22μF

它的不定带宽可由下列公式确定：

带宽：

fw=fH-fl=7.2-0.3HZ=6.9HZ

其频率特性如图<2-5）

当取f=1Hz时，第二级的增益Au2为：

Au2=20lg{1+[2πfR8C5/（1+2πfR11C5><1+2πfR8C4）]（dB>

两级的总增益Au（dB>=Au1+Au2=71（dB>左右，

即Au=Au1*Au2=3550倍

第3章电压比较电路

3.1电压比较器概念及构成

通过对两输入电压的相对比较，在输出端得到高电平或低电平结果的电路器件。

图3-1电压传输特性

uo与ui的函数关系uo=f（ui>称为电压传输特性。

引起uo发生跳变得参考电压称为阈值电压<或门槛电压），记为uT。

3.2.基本工作原理及分析方法

运放在理想情况下：

Aod＝∞，Iid＝0，UiP=UiN

在开环状态下：

若UiP>UiN，则VO=VOH

若UiP

如果电路接成正反馈形式也可得到同样效果。

完整的电压比较器电路：

对比较器电路的分析不能像对放大电路和运算电路的方法。

一般的分析方法是集中在输出跳变得瞬间所对应的ui来分析uo与ui的对应关系。

这时可认为电路满足uiP=uiN，iP=iN=0，ui=uT。

3.3电压比较器的分类

一般电压比较器按uT的不同和连接方式的不同可以有：

1、单门限比较器；

2、滞回比较器；

3、窗口比较器。

3.3.1单门限比较器

只有一个阈值电压uT的比较器，传输曲线如图。

若Ui>UT时，VO=VOH；

若Ui

根据uT的取值不同可分为过零比较器和一般门限比较器

3.3.2滞回比较器<施密特触发器）

单门限电压比较器结构简单，灵敏度高。

但抗干扰能力差，如输入电压在uT附近时会造成uo反复跳动，造成比较器工作不稳定。

为解决这一问题，可将比较器设置两个阈值，只要干扰信号不超过这两个阈值比较器就不会跳变，从而提高比较器的抗干扰能力。

利用这种思想设计出来的电压比较器称为滞回比较器或称施密特触发器。

3.3.3窗口比较器

单门限比较器和滞回比较器有一个共同特点就是当ui单方向变化时，uo只会有一次跳变。

如果希望检测ui是否在两给定电压之间时就可以采用窗口比较器。

3.4电压比较电路的基本结构

图3-3是压比较电路的基本结构，若依照图3-4的指示联机的话，电压比较电路就成为正基准电压的单电源型电压比较器。

此外抑制输入阻抗（impedance>乃是设计上必需注意的重要事项，尤其是输出变成反相的迁移时段内，若是以openloopgain方式动作，必需防止噪声（noise>混入，因为一旦混入噪声的话电路会出现误动作等困扰，所以layout封装时必需设法杜绝噪声混入。

虽然图3-3与图3-4的电路，都是将基准电压连接至反相输入端，并将信号电压连接至同相输入端，然而实际上电压比较器却是利用两输入端子之间的差动输入电压动作，因此信号电压与基准电压即使任意互换，除了输出的动作会反相之外，对电路并不会造成任何问题。

图3-3电压比较IC的动作特性

图3-4正基准电压的单电源型电压比较器

3.5电压比较器电路的分析

图3-5电压比较器电路

我所设计电路当中的电压比较器电路这部分是由动算放大器、R7、Rg光敏电阻、R5、R6等组成，如图<5）所示，将同相端10脚分压为3.9V，作为参考电压。

取Ucc=6V、R5=82k、R3=150k。

即：

U10=UCC*R6/

当ICb输出的信号电压Uo2大于参考电压3.9V时，ICc8脚Uo3输出低电平，此低电平使二极管VD3导通，控制台级单稳态延时电路。

在电压比较器ICc中，将参电压设定为3.9V，目的是为了抑制干扰信号，使低于3.9V的干扰信号被抑制。

为了节能使电路仅在夜间被触发，在ICc的输出端9脚接入了光敏电阻Rg，随放夜间或光线昏暗Rg阻值变大<其暗阻>=1M），且产生的压降大于3.9V，使ICc8脚输出低电平，VD3导通，从而保证了电路工作的可靠性。

而光敏电阻Rg在白天由于受光的照射，其阻值不大于2k9<亮阻<=2k）。

因此，ICb输出的高电平经R7与Rg分压后，其电压值总是小于参考电压。

这就使ICc8脚输出端一直保持高电平，VD3不通。

第4章单稳态延时电路

4.1单稳态触发器的工作特点

1、具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态。

2、在外加触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态。

在暂稳态维持一定时间后，再自动返回稳态。

3、暂稳态维持时间的长短取决于电路的参数

4.2单稳态触发器的应用

单稳态触发器是一种脉冲整形电路，多用于脉冲波形的整形、延时和定时。

1、脉冲整形：

对于幅度和宽度都不规则的脉冲信号，只要这些脉冲的幅度都大于单稳态触发器的触发电平，则经过单稳态触发器可以将不规则的脉冲波形变成幅度和宽度都相同的脉冲波形。

2、用于定时：

利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高、低电平去控制某个电路定时工作。

3、用于延时：

利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高电平去控制与门的开关特性。

t

（a>电路

4-2延时电路

4.3单稳态延时电路的分析

图4-3单稳态延时电路

我所设计电路当中的单稳态延时电路这部分是由动放ICd、RP、C2、VT3图<4-3）所示。

平时ICd的反相输入端6脚步通过R2、R3被分压在3.9V，而同相输入端5脚则由于电源经RP向C2充电，取Rp=330k,C2=220μF，其时间常数为：

td=1.1RPC2=1.1×0.330×220S=80S

根据灯的用途不同通过改变时间常数RpC2，可达到不同的时间要求。

同时使其值保持在接近电源电压6V的状态，这使ICd的输出的端7脚保持高电平，VT4截止，可控硅VS不导通，灯不亮。

当有传感信号使ICc的输出端8脚变低电平时，电容C2通过VT3放电。

当放电使C2的正极电压

当传感器输出的信号电压消失后，ICc的8脚恢复高电平，VT1截止，电源通过RP向C2充电。

当充电使C2的正极电压升至大于3.9V时，单稳态电路的暂稳态结束，ICd的7脚恢复高电平，VT4截止，VS关断，灯灭。

由于C2的充电需要一定的时间，因此当人离的时灯并不即熄灭，而是延时一段时间后熄灭。

第5章可控硅触发电路

5.1双向晶闸管的结构

1、外型结构有三种：

塑封装、螺旋型、平板型

2、内部结构：

五层三端半导体结构

3、电气符号如图7—1所示。

有三个极：

第一阳极，第二阳极、门极。

5.2特性与型号

图5-2伏安特性

图5-1双向晶闸管

5.2.1特性

双向晶闸管的伏安特性如图7-2所示，要使管子能通过交流电流，必须在每半个周期内对门极触发一次，只有在元件中通过的电流大于掣住电流后，去掉触发脉冲后才能维持元件继续导通；只有在元件中通过的电流下降到维持电流以下时，元件才能关断并恢复阻断能力。

5.2.2型号

根据JB2173-77标准，双向晶闸管的型号规格为：

如型号为KS100-8-21，表示双向晶闸管，额定电流100A，断态重复峰值电压8级<800V），断态电压临界上升率

为2级，换向电流临界下降率

为1级。

由于双向晶闸管常用在交流电路中，所以额定通态电流以最大交流有效值表示。

5.3双向晶闸管的触发方式

双向晶闸管正反二个方向都能导通，门极加正负信号都能触发，因此有四种触发方式。

1、I＋触发方式阳极电压为第一阳极T1为正，T2为负；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第I象限，为正触发。

2、I-触发方式阳极电压为第一阳极T1为正，T2为负；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第I象限，为负触发。

3、Ⅲ＋触发方式阳极电压为第一阳极T1为负，T2为正；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第Ⅲ象限，为正触发。

4、Ⅲ-触发方式阳极电压为第一阳极T1为负，T2为正；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第Ⅲ象限，为负触发。

Ⅲ＋触发方式的触发灵敏度最低，尽量不用。

5.4双向晶闸管主要参数

1、额定通态电流IT

2、额定电压UTX

3、换向能力DU/DT

5.5可控硅触发电路的分析

由VT4、R2、R3、R4、VS双向可控硅、EL照明灯等组成如图<7）。

所示。

VT4开关管选用PNP管，因此，ICd