声光控延时开关节电灯说明书.docx

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声光控延时开关节电灯说明书

声光控延时开关节电灯说明书.

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2.3.1声音放大电路……………………………………………………………………………………………

2.3.2整流电路………………………………………………………………………………………………..

2.3.3光敏电路…………………………………………………………………………………………………

2.3.4电子开关………………………………………………………………………………………………..

2.3.5延时电路与交流开关…………………………………………………………………………..………

2.3.5电源电路………………………………………………………………………………………………..

2.4方案选择.........................................................................................................................................................8

2.4.1主控电路……………………………………………………………………………………………….

2.4.2电子元器件的选取…………………………………………………………………………………….

2.5原理图及原理…………………………………………………………………………………….…………9

2.5.1电路原理图……………..……………………………………………………………………………....9

2.5.2电路工作原理…………………………………………。

……………………………………………..10

3.1元器件清单………………………………………………………………………….…………….……12

3.2重要元器件的识别……………………………………………………………….………………….…12

4.实验论述…………………….…………………………………..……………………………….……...14

4.1电路模拟仿真图（附录一）

4.2测量参数…………………………………………………………………………………….…….……15

4.3电路调试………………...………………………………………………………………….…….……15

1．设计要求与目的

1.1设计背景

公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关，由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象，故使灯泡寿命短，浪费电量，为国家、单位、个人造成经济损失。

另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。

因此，设计研究一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。

使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。

用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。

在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。

1.2设计目的

●要求电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应和通过照明灯开关对声强的感应设置两级开关，控制照明灯的亮灭。

●要求电路能够实现有光线时灭，无光线时有声亮，并且照明灯点亮一段后自动关断。

●要求电路如果在照明灯点亮期间又有新的声源出现，照明灯应重新开启。

●根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。

●学习掌握焊接技术以及电路元件的装配。

熟悉手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理。

●针对原理电路，通过计算参数，选择合适的元器件，搭建电路，并调试通过。

2．方案论证

2.1.原理方框图

声光控延时开关就是用声音和光来控制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。

因此，整个电路的功能就是将声音信号和光信号进行处理后，变为电子开关的开动作。

明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元。

因为电子开关具有体积小、功耗小、寿命长、效率高等特点，而晶闸管刚好具备这些优良特点，所以这次课设所选用的开关器件为普通的晶闸管其型号为MCR100-6。

晶闸管就是晶体闸流管的简称，曾称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、变频及保护等电子电路。

晶闸管在电子电路中的文字符号符号用字母V或VT、VTH表示。

晶闸管根据其关断、导通及控制方式分类可分为单向晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管多种。

按其引脚和极性可分为二级晶闸管、三级晶闸管和四级晶闸管等等分类。

因为晶闸管在电路中起了非常关键的作用，所以这两有必要将其结构和特性作简要介绍。

晶闸管是一种性质类似于闸流电子管的硅可控整流半导体器件。

它有三个电极：

阳极A、阴极K和门极G。

2.2晶闸管的工作原理

2.2.1普通晶闸管的结构

晶闸管是PNPN四层三端器件,共有三个PN结。

分析原理时,可以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图1（a）所示,图1（b）为晶闸管的电路符号

。

（a）（b）

图1晶闸管等效图解图

2.2.2晶闸管的工作过程

晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。

当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。

每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。

因此是两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2,发射极电流相应为Ia和Ik,电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J2结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:

Ia=IC1+IC2+ICO=α1Ia+α2Ik+ICO

（1）

若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:

Ik=Ia+Ig。

因此,可以得出晶闸管阳极电流为:

硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2随其发射极电流的改变而急剧变化。

当晶闸管承受正向阳极电压,而门极未接受电压的情况下,式

（1）中Ig=0,（α1+α2）很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO,晶闸管处于正向阻断状态;当晶闸管在正向门极电压下,从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结,从而提高放大系数α2,产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数α1,产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结,这样强烈的正反馈过程迅速进行。

当α1和α2随发射极电流增加而使得（α1+α2）≈1时,式

（1）中的分母1-（α1+α2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。

这时,流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定,晶闸管已处于正向导通状态。

晶闸管导通后,式

（1）中1-（α1+α2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通,门极已失去作用。

在晶闸管导通后,如果不断地减小电源电压或增大回路电阻,使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时,由于α1和α2迅速下降,晶闸管恢复到阻断状态。

由于晶闸管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,此条件见表1。

（1）晶闸管承受反向阳极电压时,无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。

（2）晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

（3）晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。

（4）晶闸管在导通情况下,当主回路电压（或电流）减小到接近于零时,晶闸管关断。

2.3各部分电路的分析

2.3.1声音放大电路：

当MIC获取到声音信号后，其会转换成电信号，考虑到后面步骤需此信号控制电子开关，所以必须加放大器放大该信号。

为了获得较高的灵敏度，VT1的β值选用大于100。

话筒MIC也选用灵敏度高的。

R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡。

部分电路如下所示：

2.3.2整流电路：

C2、VD1和VD2、C3构成倍压整流电路。

把声音信号变成直流控制电压。

此部分电路如图：

2.3.3光敏电路：

核心元件为光敏电阻，其通过对光线变化程度自动改变阻值从而改变电压信号的大小。

2.3.4电子开关：

当电压信号达到一定值时，电子开关打开。

当电压信号小于此值时，电子开关关闭。

其起到的主要作用是控制延时电路中的电容充放电。

此部分电路如图：

2.3.5延时电路与交流开关：

由于需要的灯泡持续点亮时间并不是很长，大概3，40秒左右，所以考虑用一个电容控制开关的状态即可。

当夜晚无光时，电子开关打开时，C4连通，即开始充电。

当电子开关关闭后，C4开始放电。

图中C5为抗干扰电容，用于消除灯泡发光抖动现象。

R8、C5和单向可控制MCR、VD5~VD8组成延时与交流开关。

C4通过R8把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯泡点亮。

可控硅作为开关元件的优点，属无触点开关元件，因此使用寿命长。

灯泡发光时间长短由C4、R8的参数决定。

2.3.6电源电路：

电路如下图，220V交流电通过灯丝，经过VD5-VD8整流后，和R9,R10，VD4降压。

C6为滤波电容，VW为稳压值12~15V的稳压二极管，保证C6上电压不超过15V直流电压。

此部分电路作用为提供稳定的工作电压。

如图：

2.4方案选择

2.4.1主控电路

电路主控器件选为普通单向晶闸管MCR100-6（市场价格2元）。

因为控制主信号为声音信号和光信号，并且只有在两个条件都满足的条件下（即晚上光线比较暗，并且有声音信号）晶闸管才会导通。

因此选用双输入与非门作为主控电路，选用四输入与非门TC4011或CD401（市场价格2元）。

为了给集成芯片和电路提供稳定的工作电压。

电源部分采用二极管组成的不可控整流电路，再经过滤波和稳压电路为电路提供稳定的工作电压（可以根据电路参数设定7.5V或9V都可以）。

电灯选用功率为15W的节能灯。

这样主控电路基本上已经成型。

借阅其他相关材料获知，信号控制电路也可采用运放来代替与非门。

但是要让运放工作必须提供正负工作电压，电路结构比较麻烦而且成本比用与非门的成本高所以就采用与非门为信号控制电路的主电路图。

2.4.2电子元器件的选择

整流采用不可控整流电路，选用普通的IN4007（耐压值为1000V）二极管即可。

稳压管可选择7.5V或9.1V，具体电路可视情况而定。

滤波电路采用耐压值为25V的电解电容，容量为100µF。

声音采集器件用普通的驻极体话筒即可，光信号采集器将可用普通的光敏电阻型号为MG42-03。

音频信号放大器件9014三级管，与非门用CD4011。

电子开关选取普通的单向晶闸管型号为MCR100-6。

考虑到这次使用的电源为交流220V电压，所以主电路的限流电阻采用功率为1W得色环电阻。

主线路上的器件如果不做特殊说明都将采用功率较大，耐压值较高的器件。

2.5原理图及原理

2.5.1电路原理图

2.5.2电路工作原理

声光控延时开关的电路原理图见图1所示。

电路中的主要元器件是使用了数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的与非门VD1～VD4，使电路结构简单，工作可靠性高。

顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。

因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。

明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干

个单元，由此可画出图2所示的方框图。

结合图2来分析图1。

声音信号（脚步声、掌声等）由驻极体话筒BM接收并转换成电信号，经C1耦合到VT的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门（VD1）的2脚，R4、

R7是VT偏置电阻，C2是电源滤波电容。

为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻RG等元件组成光控电路，R5和RG组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，RG两端的电压高，即为高电平间T=2πR8C3，改变R8或C3的值，可改变延时时间，满足不同目的。

VD3和VD4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。

当C3充电到一定电平时，信号经与非门VD3、VD4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C3充满电后只向R8放电，当放电到一定电平时，经与非门VD3、VD4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。

二极管VD1～VD4将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C2滤波后即为电路的直流电源，

为BM、VT、IC等供电。

工作原理：

当此电路周围有声音信号时，BM将声音信号接收后经VT1放大，再经整流电路转变为电压信号。

当有光照照在光敏电阻RGM上时，其阻值变小，对直流控制电压衰减很大，导致V、R6、D1组成的电子开关截止。

而C2中无电荷，使单向可控硅MCR处于截止状态，灯泡不亮。

→[结论1]有声音有光时，灯泡不亮。

同理：

当有声音信号传入而又无光照射在光敏电阻RGM时，RGM阻值很大，对直流控制电压衰减很小。

V、R3、VD5组成的电子开关导通，使C3充电。

由于充满电时间很迅速，C3充满电荷后通过与非门把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯泡点亮。

当C3中电荷放至零时，MCR回复截止状态，灯熄灭。

→[结论2]有声音无光时，灯泡亮。

当灯泡点亮过程中有新的声源出现时，C3会重新充电后重新放电，即重新计算点亮时间。

根据下表元件参数所致，灯泡亮的时长约为40秒左右。

如果需要改变灯亮时长，只需更改C3或者R8的参数即可。

3.元器件选取

3.1元器件清单

元器件

参数

元器件

参数

电阻

22KΩ

元片电容

0.1µF

电阻

2.7MΩ

二极管

IN4007×4

电阻

33KΩ

二极管

IN4148

电阻

100KΩ

三极管

9014

电阻

4.7MΩ

稳压管

7.5V

电阻

56KΩ

与非门

CD4011

光敏电阻

MG42-03

驻极体话筒

BM

电阻

270KΩ

灯泡

15W

电解电容

100µF

晶闸管

MCR100-6

电解电容

10µF

3.2重要元器件的识别

3.2.1单向可控硅（晶闸管）

型号为MCR100-6

3.2.2驻极体话筒（BM）

3.2.3光敏电阻

3.2.4二极管不可控整流桥

4.实验论述

4.1电路模拟仿真图（附录一）

4.2测量参数

被测量

U（v）

被测量

U（v）

稳压管

7.2

Ur6

6.5

Uce

0.12

Ur7

175

Ube

0.60

Urg（暗）

6.5

Ur1

5.1

Urg（亮）

o.64

Ur2

4.7

Uc1

0.23

Ur3

5.8

Uc3

5.3

Ur4

2.8

Ur5

2.2

4.3电路调试

在板子完成后，对其进行功能测试，步骤如下：

1.断开光敏电阻，电容C1，与非门IC（a）的2脚为高电平，1脚为低电平，3脚输出为高电平，经IC（b）、IC（d）逻辑电平转换，IC11脚输出为低电平，晶闸管q不被触发，灯不亮。

2.断开三极管VT的集电极或发射极，同时断开光敏电阻，与非门IC（a）1,2脚为高电平，3脚输出为低电平，经IC（b）、IC（d）逻辑电平转换，

IC11脚输出为高电平，晶闸管q被触发，灯亮。

综上两步调试，图2.4工作正常。

3.断开光敏电阻，接通电源，这时灯不亮。

击掌触发声控电路，灯亮。

经过一段时间延时，灯灭，说明图2.3和2.5工作正常。

4.最后检查光控电路，电路全部复位，接通电源，灯不亮。

用深色物品将光敏电阻遮住，击掌触发声控电路，灯亮。

至此电路调试完毕。

5.结论分析

声光控总结

声光控电路的制作过程花的时间较长，刚开始研究原理图时参看了好多资料，包括模电课本，数电课本，查阅了一些器件的用法，如晶闸管，之后对原理图进行了仿真，仿真过程中对麦克风和光敏电阻进行模拟，仿真成功后开始制作电路板，然后进行调试，在调试过程中发现了好多问题:

电路没有焊好，有好几处虚焊的地方，器件损坏，芯片没有插好，晶闸管接反了，这些都导致电路没能完全工作，刚开始没有成功。

本次课设中R5电阻为4.7M，C为10uF的极性电容，延时时间理论上为60秒，而实际中为一分半钟。

电源设计根据其主体电路及执行机构不同，要求可靠、价廉、有效益。

由于此开关在光线较暗时是否接通取决于声音的强弱，因此为加强其工作效应，设计了信号放大整形电路，微弱的信号经过此电路加工也能使开关导通。

6.心得体会

“声光控制开关”这是一种声音和光照双控照明灯，它可以用于楼梯、过道、库房的场合。

白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。

夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过一段时间后又自动熄灭，节能节点。

在电源设计中要根据其主体电路及执行机构不同，要求可靠，价廉，有效益。

由于此开关在光线较暗时是否接通取决于声音的强弱，因此为加强其工作效应，设计了信号放大整形电路，微弱的信号经过此电路加工也能使开关工作。

本次的声光控制开关的设计实践将我们学到的知识应用到了实践，深化了对数字电路设计、和模拟电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。

学习了一年的理论知识和实践操作，我不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是我通过自己的独立动手，老师和同学的耐心指导下，让我学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等。

在此设计中利用到了三极管的放大、光敏效应，让我们进一步空固和掌握前面所学的基础知识，加深对了对模拟电路.数字电路.理解，对元气件的使用更加深刻。

参考文献

【1】王文郁石玉《电力电子技术应用电路》机械工业出版社2001年8月第1版·第1次印刷

【2】党宏社《电路、电子技术实验与电子实训（第2版）》电子工业出版社2012年3月第1次印刷

【3】王兆安刘进军《电力电子技术》（第五版）机械工业出版社2013年6月第12次印刷

【4】张庆双《晶闸管应用电路精选》机械工业出版社2010年1月第1版第1次印刷