电工电子课程设计停电自锁拉线开关设计Word文档格式.docx
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12V/0.5W
VZ
1
三极管
9012型PNP管
V5
单项可控硅
MCR100-8
Vs
集成电路
CD4013
U1：
A—U1：
D
U2
5
电阻器
51KΩ
R1
10KΩ
R2
8.2KΩ
R3、R4
2
13KΩ
R5
电容
CD11-16V电容器47uf、10uf
C1、C2
电灯
<
100W
LP
三、电路原理
如图所示电路可以完成这种功能。
图中，220V市电经V1-V4整流之后，经电阻R1限流、电容C1滤波、在稳压管Vz两端得到约12V直流稳电压后，此电压，供后续电路使用，平时电路可以正常工作。
（1）假设停电前拉线开关S是闭合的。
在这种情况下，重新来电后与非门U1:
B输出高电平，此高电平送给U1:
C的一个输入端。
此时由于触发器U2的4脚接有RC清零电路，因此D触发器的输出端1脚输出低电平，2脚输出高电平，并反馈到U1:
C的另一个输入端，与U1:
B输出高电平相“与”后使U1:
C输出低电平。
这样D触发器就维持零态，与非门U1:
D输出为高电平，使三极管V5导通，控制可控硅Vs为关断状态，灯不亮。
如果需要重新开灯，首先拉动拉线开关S使其断开，这时在上拉电阻R2的作用下，与非门U1:
B输出低电平，U1:
C的输出有低电平跳至高电平，由于D触发器的5脚接高电平，因此D触发器U2翻转为“1”态。
其2脚输出的低电平将与非门U1:
C封锁，使D触发器U2不再受S的影响。
此时与非门U1:
A输出为低电平，虽然D触发器U2翻转为“1”态，但是与非门U1:
D输出仍然为高电平，三极管V5导通，可控硅继续保持关断状态。
这时再拉一下拉线开关S使其闭合，与非门U1:
A输出为高电平，U1:
D输出为低电平，三极管V5截止，可控硅Vs为导通状态，灯家电点亮。
由于与非门U1:
C已被封锁，D触发器U2被锁定在“1”状态，所以灯点亮之后U1:
D的输出只有开关S控制，这样开关S的使用就和平常一样了。
（2）停电前拉线开关是断开的。
对于这种情况灯就更不会亮了，因为拉线开关S断开，这时在电阻R2的作用下，与非门U1:
B输出为低电平，与非门U1:
C锁死，D触发器U2翻转为“1”态，D触发器U2不再受S的影响。
D输出仍然为高电平，三极管V5导通，可控硅仍为关断状态，灯不会亮。
来电后，只用拉一下拉线开关S使其闭合，与非门U1:
D输出为低电平，三极管V5截止，可控硅Vs为导通状态，灯就亮了。
2、元器件选择及调试
在图中，二极管V1-V4可选用1N4007，也可以选用1N4004等，要求耐压大于400V；
VZ可选择12V/0.5W的稳压管；
U1可选用TC4011、CD4011等型号CMOS集成电路；
U2可选用TC4013、或CD4013；
三极管V5可选用9012等PNP管；
Vs可选用1A/400V的单向可控硅，如MCR100-6、MCR100-8等；
R1选用51KΩ/1W,R2可选用10KΩ，R3、R4可选用8.2KΩ，R5可选用13KΩ，均为PTX-1/4W碳膜电阻器；
C1选用47uF，C2选用10uF，均为CD11-16V电解电容器；
LP选用小于100W灯泡；
S为拉线开关。
元件一般不用调试，只要按图中的电路连接好，便可完成指定的逻辑功能。
四、元件功能、及元件说明
（1）单向可控硅功能及说明
单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。
单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；
与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。
单向可控硅具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。
单向可控硅从外形上分类主要有：
螺栓形、平板形和平底形。
单向可控硅是三个电极。
单向可控硅有阴极（K）、阳极（A）、控制极（G）。
单向可控硅的优点很多，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；
无触点运行，无火花、无噪音；
效率高，成本低等。
单向可控硅的弱点：
静态及动态的过载能力较差；
容易受干扰而误导通。
、单向可控硅工作原理
可控硅导通条件：
一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极要加正向电压。
以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态。
另外，可控硅一旦导通后，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通。
可控硅关断条件：
降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下。
、单向可控硅的引脚区分
对可控硅的引脚区分，有的可从外形封装加以判别，如外壳就为阳极，阴极引线比控制极引线长。
从外形无法判断的可控硅，可用万用表R×
100或R×
1K挡，测量可控硅任意两管脚间的正反向电阻，当万用表指示低阻值（几百欧至几千欧的范围）时，黑表笔所接的是控制极G，红表笔所接的是阴极C，余下的一只管脚为阳极A。
、单向可控硅的性能检测
可控硅质量好坏的判别可以从四个方面进行。
第一是三个PN结应完好；
第二是当阴极与阳极间电压反向连接时能够阻断，不导通；
第三是当控制极开路时，阳极与阴极间的电压正向连接时也不导通；
第四是给控制极加上正向电流，给阴极与阳极加正向电压时，可控硅应当导通，把控制极电流去掉，仍处于导通状态。
该电路可选用MCR100-8型单项可控硅它的参数如下
表一：
MCR100-8型单项可控硅参数一（Ta＝25℃）
参数名称
符号
额定值
单位
断态重复峰值电压
VDRM
600
V
反向重复峰值电压
VRRM
通态平均电流
IT
A
工作结温
TJ
110
℃
贮存温度
Tatg
-40~150
表二：
MCR100-8型单项可控硅参数二（Ta＝25℃）
规范值
测试条件
Min
Max
1mA
600
断态重复峰值电流
IDRM
uA
50
VDRM=520V
反向重复峰值电流
IRRM
50
VRRM=520V
通态峰值电压
VTM
1.7
IT=1A
控制极触发电流
IGTI
10
60
6V
控制极触发电压
VGTI
0.8
（2）CD4011型CMOS集成电路功能及内部结构
功耗低：
CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。
实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。
单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。
因此具有功耗低的特点。
由于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好即温度稳定性能好。
工作电压范围宽：
CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。
国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。
逻辑摆幅大。
可控性好。
CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。
它输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟时间的125%~140%。
接口方便。
此外，CMOS集成电路中的基本器件是MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。
各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备，抗辐射能力强。
因为CMOS集成电路的输入阻抗高、输出摆幅大、接口方便、可控性好等优点，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件，因此被广泛应用。
本电路可选用CD4011型二输入端四与非门数字集成电路，它采用塑料双列直插式。
共有14个引脚，其引脚如下图所示。
CD4011也可以用CD4011等同型类数字集成电路块来直接替代。
CD4011引脚图及引脚功能：
CD4011型集成电路特点
功能：
2输入四与非门
电源电压范围：
3V~15V
功耗：
700mW（普通封装）；
500mW（小外形封装）
工作温度范围：
CD4011BM-55℃~+125℃
CD4011BC-40℃~+85℃
CD4011内部逻辑结构图：
CD4011逻辑图：
逻辑表达式:
Y=A.B
真值表:
X
Y
Q
动作
？
禁止
设定
重置
不变
无
、当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。
如真值表第一列。
、当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为“1”，使得NAND-B的两个输入均为“1”，因此NAND-B的输出为“0”，如真值表第二列。
、当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为“1”，使得NAND-1的两个输入均为“1”，因此NAND-A的输出为“0”，如真值表第三列。
、当X=1、Y=1时，因为一个“1”不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。
（3）9012型PNP型三极管功能及应用
三极管只有两种类型，即PNP型和NPN型。
由两个背靠背PN结构成的具有电流放大作用的晶体三极管。
它有三层半导体组成，在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。
当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。
三极管是用用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管。
三极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。
同场效应晶体管相比三极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可靠性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、自控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号，变成一定强度的信号，当这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量。
三极型晶体管输出特性可分为三个区。
截止区：
发射结和集电结均为反向偏置。
Ib为0，Ic为0，Uce=Ucc，管子失去放大能力。
如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。
饱和区：
发射结和集电结均为正向偏置。
在饱和区Ic不受Ib的控制，管子失去放大作用，Uce约为0，Ic=Ucc/Rc，把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。
放大区：
发射结正偏，集电结反偏。
Ic受Ib的控制，与UCE的大小几乎无关。
因此三极管是一个受电流Ib控制的电流源。
三极管集电极的直流信号不随输入信号而改变，而交流信号随输入信号发生变化。
在放大过程中，集电极交流信号是叠加在直流信号上的，经过耦合电容，从输出端提取的只是交流信号。
因此，在分析放大电路时，可以采用将交、直流信号分开的办法，可以分成直流通路和交流通路来分析。
本电路可选用9012型PNP型三极管，它有如下特点
9012型PNP型三极管功能参数：
9012结构
PNP
集电极-发射极电压
-30V
集电极-基电压
-40V
射极-基极电压
-5V
集电极电流
0.5A
耗散功率
0.625W
结温
150℃
特怔频率最小
150MHZ
放大倍数
D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300
五、心得体会
一周的电工电子课程设计结束了。
一周的时间很紧迫，于是不得不晚上和周末抽时间来继续搞设计，时间抓的紧也很充实。
想好题目后，就去图书馆查资料，借了两本有关电路设计的书。
在查阅了书籍资料之后，对这次设计有了一个整体的认识，作出了初步的原理图。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
所以这个的课程设计对我们的作用是非常大的。
作为一名过程装备与控制工程大二的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。
在已度过的一年年半大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。
我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的电路设计？
如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？
我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。
作为一名大学生，掌握一门或几门软件同样是必不可少的。
另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我们又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。
整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误。
在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。
为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅电工类设计书是十分必要的，同时也是必不可少的。
我们做的是课程设计，而不是艺术家的设计。
艺术家可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是工程师，一切都要有据可依、有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
通过这次的课程设计，理论加上实践，使我对数字集成电路有了更深刻的认识，尤其是对电路的原理的理解，各元器件功能，特性的认识，也纠正了自己以前很多不对的看法，这个过程是最困难的过程，也是我收获最大的过程，使自己的实验动手能力有了进一步的提高。
总之，这次设计使我受益匪浅，让我对以后的工作学习有了更大的信心。
六.参考文献
（1）杨振江、雷光纯主编.新颖实用电子设计与制作.西安电子科技大学出版社.
（2）李世雄、丁康源主编.数字电子技术基础（第四版）.北京：
高等教育出版社，1998年.
（3）康华光主编.电子技术基础（模拟部分）.北京：
高等教育出版社，2004（第四版）.
（4）曲学基主编.《常用电子电器电路600例》.电子工业出版社,1995.8
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