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插卡式电源开关控制电路设计
毕业设计论文
插卡式电源开关电路设计
系电子信息工程系
专业电子信息工程姓名冯应龙
班级电子082学号_0801023221_
指导教师陈洁职称讲师
设计时间2010.11.22－2011.1.8
目录
摘要3
引言4
第一章相关电子元器件及基础知识5
1.1光敏二极管和光敏三极管5
1.1.1光敏二极管的结构与原理5
1.1.2光敏三极管的结构与原理5
1.2光敏三极管的主要特性6
第二章电路仿真设计软件Multisim9
2.1Multisim简介9
2.2Multisim的主要功能9
第三章插卡式电源开关控制电路设计11
3.1宾馆房间内交流电源控制方案设计11
3.2光电控制器控制方案设计11
3.3电源电路13
3.4用Multisim进行光电控制器的模拟设计15
3.5光电控制器电路总图16
第四章整机电路19
4.1元器件选择20
结束语21
参考文献22
摘要
本论文主要介绍一种插卡式电源开关控制电路，它利用光敏晶体管作为传感器，和其它器件组合对宾馆室内的供电电源进行控制，采用电路仿真软件Multisim进行仿真设计。
设计好的控制电路，插入卡使供电电源接通，拔掉卡使供电电源切断，从而达到节能的目的。
关键词
光敏晶体管；插卡控制；Multisim；电路仿真
引言
传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。
如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。
随着现代科学技术的迅速发展，传感器的类型也愈来愈多，光敏晶体管就是其中的一种。
光敏晶体管是一种将光信号变换为电气信号的光电传感器。
虽然光敏晶体管问世时间较短，但随着人们对它的认识不断深入，光电传感器在国民经济各个领域得到了极为广泛的运用，以光敏晶体管为主的光电控制器也进入千家万户。
例如用光电控制器控制路灯，用光声控制器控制楼梯电灯等等。
在宾馆内、客人出门不关灯，不关空调等电器设备的现象比较普遍，这就造成了能源的极大浪费。
另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。
本文要设计的一种光电控制器就是要解决这个问题的。
第一章相关电子元器件及基础知识
1.1光敏二极管和光敏三极管
1.1.1光敏二极管的结构与原理
半导体光敏二极管与普通二极管相比，有许多共同之处，它们都有一个PN结，均属单向导电性的非线性元件。
光敏二极管一般在负偏压情况下使用，它的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。
光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小（即处于截止状态）。
受光照射时，结区产生电子—空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动、空穴向P区运动而形成光电流，光敏二极管的光电流I与照度之间呈线性关系[1]。
光敏二极管的结构图和符号图见图1，光敏二极管的接线示意图见图2。
图1光敏二极管的结构图和符号图
图2光敏二极管的接线示意图
1.1.2光敏三极管的结构与原理
光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。
在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。
因此，不管是P-N-P还是N-P-N型光敏三极管，一般用基极—集电极作为受光结。
当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，基极—集电极处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。
这里，入射光子在基区被吸收而产生电子—空穴对，形成光生电压。
由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。
因此，从这点可以明确地说，光敏三极管是一种相当于将基极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器[2]。
NPN光敏三极管的结构图见图3，NPN光敏三极管的符号和接线示意图见图4。
图3NPN光敏三极管的结构图
图4NPN光敏三极管的符号和接线示意图
1.2光敏三极管的主要特性
光敏三极管的特性有很多个，本文只叙述常用的几个。
（1）光敏三极管的光敏特性
光敏三极管的光敏特性主要是其峰值波长。
硅管的峰值波长为900nm，锗管的峰值波长约为1500nm。
由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。
故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管比较适合。
光敏三极管的光谱特性图见图5。
图5光敏三极管的光谱特性图
（2）光敏三极管的的伏安特性
光敏三极管在不同的照度下的伏安特性与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性类似。
因此，只要将入射的强度看作是三极管的基极电流Ib，就可将光敏三极管看成一般的晶体管。
光敏三极管不仅能把光信号变成电信号、而且输出的电信号较大。
光敏三极管的伏安特性图见图6。
图6光敏三极管的伏安特性图
（3）光敏三极管的光照特性
光敏三极管的光照特性如图7所示。
它给出了光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。
它们之间呈近似线性关系。
当光照足够大（几千利克斯）时，会出现饱和现象。
因而在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。
图7光敏三极管的光照特性图
（4）光敏三极管的温度特性
温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。
从曲线看，温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。
所以精密测量时，电子限流中采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。
光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系特性图见图8。
图8光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系特性图
第二章电路仿真设计软件Multisim
2.1Multisim简介
Multisim是加拿大InteractivehnageTechnologies（IIT）公司于1988年推出了一个专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件ElectronicsWorkbench（EBW），EBW具有数字、模拟及数字／模拟混合电路的仿真能力，以界面直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，得到了迅速的推广及使用。
Multisim主要完成电路的仿真设计，是一种应用广泛的优秀电路计算机仿真设计软件。
Multisim继承了EBW的诸多优点，增强了软件仿真测试和分析功能，增加了大量与实际元件对应的元件模型。
使仿真设计结果更精确、可靠、具有实用性。
并在功能和操作方法上有较大的改进，电路分析手段完备，可实现大部分硬件电路实验的功能。
2.2Multisim的主要功能
Multisim的主要功能有：
（1）具有丰富的元件库
教育版约有元件模型6000个，增强专业版约有元件模型16000个；
（2）类型齐全的仿真
即可以分别对数字或模拟电路进行仿真，也可以将数字元件与模拟元件连接在一起进行仿真；
（3）高度集成的操作界面
采用图形界面创建电路，选用元器件和测试仪器均可直接从屏幕图形选取，将电路原理图的创建、电路测试分析的结果和图表显示全部集成到同一个窗口，整个操作界面就像一个实验工作台；
（4）强大的分析功能
Multisim提供了十几种电路的分析、设计功能；
（5）强大的虚拟仪器仪表功能
Multisim提供了双踪示波器、逻辑分析仪、数字式万用表、等十几种虚拟仪器仪表，且测试仪器的图形与实物外形基本相似。
由此可见，用Multisim可方便地建立各种设计电路，并能快速准确地对电路性能进行仿真分析，与以往传统的电路设计过程相比较，省去了用实际元器件安装调试电路的过程，既省钱又省工，极大地提高了设计效率和设计质量[3]。
Multisim主窗口画面图见图9。
图9Multisim主窗口画面图
第三章插卡式电源开关控制电路设计
3.1宾馆房间内交流电源控制方案设计
宾馆房间内需要实现哪些电器控制功能呢?
带着这个问题我到几家大宾馆进行了实地考察。
综合了各家的特点，确定每间客房内的电力负荷为集中控制回路（控制空调，床灯，房灯，落地灯，台灯等）；卫生间回路；电脑电源回路；清扫插座回路；备用回路。
根据上述确定的各电力负荷回路。
设计了宾馆房间内电源控制方案图（见图10）。
图10宾馆房间内电源控制方案图
在图10中，QK0，QK1，QK2，QK3，QK4，QK5为自动空气开关。
K1是插卡开关，ZDY是整流电源（220VAC/12VDC），GDKZQ是光电控制器单元，J1是接触器的主接点，接触器J1是由光电控制器进行控制的。
清扫插座回路，备用回路不受光电控制器的控制。
上图的工作原理：
当合上总开关QK0，整流电源ZDY送出直流12V电源，光电控制器得电开始工作。
如插卡开关中无卡，则接触器J1不动作，接触器的主接点断开房间内电源的主回路。
集控板回路，卫生间回路，电脑电源回路都不送电。
如插卡开关中有卡，则接触器J1动作，接触器的主接点接通房间内电源的主回路。
集控板回路，卫生间回路，电脑电源回路都送上电。
3.2光电控制器控制方案设计
采用什么样的光电控制器来实现图10中的电源控制方案呢?
带着这个问题我反复的学习了相关知识，并查阅了许多相关文献。
首先解决了以下几点：
（1）选用光电晶体管作为光电控制器的检测元件
光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。
但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。
考虑到驱动接触器要几十毫安以上，所以选用光电晶体管作为光电开关元件[4]。
（2）选用暗通控制电路作为光电控制器的工作模式
所谓暗通控制电路，即如果光电控制器不受光照时能使接触器动作，而受光照时接触器释放，则称它为暗通控制电路。
暗通控制的典型电路见图11。
在图11中，有光照时，GG导通，无电流Ib进入BG的基极，BG截止，接触器J1不动作。
接触器J1的接点断开灯L的供电回路，灯L不亮。
图11暗通控制的典型电路
所谓亮通控制电路，即如果光电控制器受光照时能使接触器动作，而不受光照时接触器释放，则称它为亮通控制电路。
亮通控制的典型电路见图12。
在图12中，有光照时，GG导通，有电流Ib进入BG的基极，BG导通，接触器J1动作。
接触器J1的接点接通灯L的供电回路，灯L亮。
图12亮通控制的典型电路
3.3电源电路
图13电源电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率整流电路中（1KW以下），常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。
集成稳压电源又称三端集成稳压器，它是指将功率调整管、取样电阻、基准电压、误差放大、启动及保护电路等全部集成在一块芯片上，具有特定输出电压的稳压集成电路。
三端是指电压输入端、电压输出端和公共接地端。
三端IC稳压器按性能与用途可分为固定输出正稳压器、固定输出负稳压器、可调输出正稳压器、可调输出负稳压器4类。
电源电路的设计可以采用两种方法来实现：
第一种方法是采用电池供电，需要注意的问题是选择合适的电池的指标参数与电路相匹配;第二种方法采用如图2-2所示电路。
电路直接从电网供电，通过变压器电路，整流电路，滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换为+12V直流电压。
电路中的变压器采用常规的铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，C1,C2,C3和C4完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。
仿真方法和结果如下：
选用10:
1的电源变压器实现降压，万用表XMM1的交流电压档测量变压器T2初级电压U1值，万用表XMM2的交流电压档测量变压器T2次级电压U2值，用XSC1的A通道观测T2初级电压U1波形、B通道观测T2次级电压U2波形；万用表XMM3的直流电压档测量桥式整流、电容滤波之后的电压U3值，万用表XMM4的直流电压档测量7812稳压之后的输出电压U4值，用XSC3的A通道观测U3波形、B通道观测U4波形。
U1和U2的波形与数值如图14：
图14变压器初级电压U1、次级电压U2的数值与波形
由测量结果知：
变压器的变比为10:
1，实现降压作用，给整流电路提供22V的交流电压。
U3和U4的波形与数值如图15：
图15整流滤波后的电压U3、稳压后的电压U4的数值与波形
由上述可知整流滤波后的电压U3值为30V低于变压器初级电压U1值，稳压后的电压U4值为12.6V符合设计要求。
T2初级电压U1值，万用表XMM2的交流电压档测量变压器T2次级电压U2值，用XSC1的A通道观测T2初级电压U1波形、B通道观测T2次级电压U2波形；万用表XMM3的直流电压档测量桥式整流、电容滤波之后的电压U3值，万用表XMM4的直流电压档测量7812稳压之后的输出电压U4值，用XSC3的A通道观测U3波形、B通道观测U4波形。
3.4用Multisim进行光电控制器的模拟设计
因为是第一次设计光电控制器，为了保证设计成功，我采用电路仿真设计软件Multisim进行仿真设计。
使用Multisim进行仿真设计的步骤是：
（1）进入Multisim主窗口画面
（2）根据整机图选择要使用的元件，在元件数据库进行选择，并将元件放置在电路窗口中希望的位置上，再选择希望的方向，连接元件。
反复多次，将多个元件选好，组成电路。
（3）增加文本。
操作步骤为：
选择Edit/PlaceText；单击电路窗口，出现文本框；输入文本；单击要放置文本的位置。
（4）给电路添加仪表。
在J1线圈回路中串入一个电流表，用以测量整图中电流Jc的大小变化值。
（5）仿真电路。
要仿真电路，单击设计工具栏中的Simulate按钮，或选择弹出式菜单中的Run/Stop命令。
就可进行仿真。
（6）观察仿真结果。
观察仿真结果。
即观察电流表显示读数是否能满足J1的动作要求。
（7）分析电路。
选择电阻R的不同值，并根据电流Jc的大小进行分析，因接触器J1的动作电流在100mA左右，故R值要满足J1工作时，电流Jc的值不低于110mA，这样就确定了偏置电阻R的取值。
通过以上几个步骤就完成了电路仿真设计。
（8）设计完成的光电控制器电路图。
设计完成的光电控制器电路图见图13。
图16光电控制器电路图
在图16中，GG是光敏三极管，BG是普通三极管，D是二极管，R是电阻器，J1是接触器，E是直流电源正极。
A，B二点对应图10中的A，B二点。
图16的工作原理为：
当不插入卡时，有光照，GG导通，无电流Ib进入BG的基极，BG截止，接触器J1不动作。
接触器J1的接点断开火线到负载的供电回路，负载上无电压。
当插入卡时，卡挡住光线，GG上无光照，GG不导通，电流Ib进入BG的基极，BG导通，接触器J1动作。
接触器J1的接点接通火线到负载的供电回路，负载上有电压。
这就完成了插卡式电源开关控制电路的作用。
整机电路如下图17
图17整机电路
3.5光电控制器电路总图
通过电路仿真设计，并结合图10和图17，设计的光电控制器的电路总图见图18。
图18光电控制器电路
图18的工作原理简述如下：
当合上总开关QK0，220V交流电送给变压器BY,其次级电压14V经整流送三端稳压器WY,WY输出直流12V电源，光电控制器得电开始工作。
如卡M没插入，则光电三极管GG导通，三极管BG不导通，则接触器J1不动作，接触器的主接点J1断开房间内电源的主回路。
集控板回路，卫生间回路，电脑电源回路都不送电。
如插卡开关中有卡M，则光电三极管GG不导通，三极管BG导通，则接触器J1动作，接触器的主接点接通房间内电源的主回路。
集控板回路，卫生间回路，电脑电源回路都送上电。
3.6对光电控制器电路的仿真
如图19，当开关J1闭合时，相当于没插卡，继电器K1不得电，LED2不亮
图19没有插入取电卡的效果图
当开关J1打开时，相当于插卡，继电器K1通电，LED2亮。
图20插入取电卡的效果图
第四章整机电路
图21插卡式电源开关控制电路整机仿真电路图
结束语
经过一个多月的努力，设计论文终于完成了，在整个设计过程中，出现过很多的难题，经过自己的不断努力，还有老师同学的帮助下，终于得以解决。
在不断的学习和进步过程中，我受益匪浅，感慨颇多。
三年的大学生活在这个季节即将划上一个句号，而对于我的人生却只是一个逗号，未来的路我需要自己去开创去拼搏，不过我相信自己可以去克服，有志者事竟成，我一直坚信。
这次的毕业设计是一个不断学习的过程，从最初刚开始自己摸索，到后来的舒畅构成了一个明显的对比，刚开始的时候，感觉这个东西好难啊，又是关于指针的问题，我对此一窍不懂，不过在经过我查看资料还有询问老师之后，我也对于指针终于了解了，而且也会运用了，所以，我们的知识就要去不断积累，“活到九十九，学到九十九”果真是个经典。
在此我要感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我和关心我的所有老师和同学们，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。
参考文献
[1]张岩，胡秀芳、张济国.传感器应用技术[M].福州.福建科学技术出版社，2006年1月
[2]张为.电子电路设计基础[M].人民邮电出版社，2002年5月
[3]周小燕，吴丽琴.基于multisim的数字电路虚拟课程设计[J].中国新技术新产品，2009年5月
[4]刘守义，钟苏.数字电子技术[M].西安电子科技大学出版社，2004年6月
[5]王廷才.基于Multisim的电路仿真分析与设计[J].计算机工程与设计，2004年4月，第25卷第4期
附录元器件明细表
根据光电控制器电路总图（见图18）。
以及在Multisim中进行仿真设计的数据，对元器件进行了选型，选好的元器件明细见表1。
表1元器件明细表
序号
元器件名称
数量
规格型号
注释
1
自动空气开关
1
DZ47/20A/2P
QK0
2
自动空气开关
1
DZ47/16A/1P
QK1
3
自动空气开关
1
DZ47/10A/1P
QK2
4
自动空气开关
1
DZ47/10A/1P
QK3
5
自动空气开关
1
DZ47/16A/1P
QK4
6
自动空气开关
1
DZ47/10A/1P
QK5
7
变压器
1
220VAC/12VAC
BY
8
接触器
1
LC1-D1824DC
J1
9
光敏三极管
1
3DU2/5V=30V
GG
10
三极管
1
9013/40V/500mA
BG
11
电阻器
1
1k/0.25W
R1
12
电阻器
1
8k/0.25W
R2
13
二极管
4
2CZ1
D0
14
二极管
1
2CZ11
D2
15
发光二极管
1
LED-G0805
D1
16
电容器
1
470微法/50V
C1
17
电容器
1
220微法/50V
C2
18
三端稳压器
1
7812M
WY
升级会员 