声光控延时节电灯开关.docx
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声光控延时节电灯开关
1选题背景
1.1选题原因
本学期学习了电力电子技术，也了解到了很多实际电力应用的各种电路，为了将理论和实际更好的结合，也为了更好的理解所学知识在实际中的运用，我们本学期开设了电力电子的课程设计。
在众多题目中，我们选择了声光控延时节电开关，一是基于其实际的运用价值；二是其能很好地运用电力电子方面的知识且难易程度适中。
声光控开关具有很多实际意义：
一是省电，灯泡大部分时间不工作，因此节电效率很高，达80%左右；二是方便，不用接触，全自动智能控制；另外，接线简单、安装方便，是公共场所照明开关的理想选择。
1.2主要解决的问题及技术要求
此设计主要实现：
当白天有光线时，外界无论是否有声音，灯泡不会发光；当处于黑暗时，并且外界有声音，则灯泡发光且声音消失后经过一定的延时自动熄灭，当再次有声音时，灯泡继续会发光。
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。
1.3主要指导思想
所设计的电路分为五个模块：
电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。
电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动整体电路和小灯。
信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。
声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号输入电路，起到控制开关的作用。
光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制三极管的导通。
信号处理模块即是对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。
2方案论证
设计的方案有以下两种：
方案一：
含555定时器、光敏三极管、双向可控硅的声光控电路
方案优点：
此声、光同时控制的新式照明灯用光敏三极管的输出端控制555的触发控制端，用音频放大电路控制555的复位端。
555定时器接成单稳态触发器，控制双向可控硅，简单易制、成本低、节电又方便。
原理图设计：
设计中考虑到光敏电阻的阻值随电压升高有规律的下降，而蜂鸣器则用驻极体话筒代替。
具体原理如图:
方案特点：
555定时器接成单稳态触发器，控制双向可控硅，当555定时器输出高电平，触发可控硅导通，灯泡亮，当555定时器输出低电平时，可控硅未导
图2-1由555构成的声光控开关原理框图
通，灯泡灭。
电路由l0V稳压直流电源供电。
为使声光同时控制，将光敏三极管的输出端控制555的触发复位端，音频放大电路控制555的触发端。
缺点：
在：
该电路在声强大于50dB时，对照明灯的有效控制率高于94％，过于敏感。
很小的声音也会促使灯发光，会造成能源的浪费。
方案二：
运用电力电子器件构成声光控电路
方案特点：
声光控延时开关的电路原理框图如下图所示。
电路中将电网电压经VD1~VD4整流，VD5稳压，再经电容滤波，通过声光同时控制三极管的导通，灯光得以发光，再通过电容经电阻的充放电使得电路得以延时，灯泡自动熄灭。
优点：
整体电路原理清晰，结构简单，易于操作，更接近于电力电子的实际应用，且成本较低。
缺点：
电路降压效果不够好，晶闸管冲击电流过大，灯泡寿命不够长。
图2-2由电力电子器件构成的声光控开关原理框图
综合考虑，我们选择方案二。
本方案易于操作，整体设计思路清晰，能更好的运用电力电子理论知识，更加了解各电力电子器件，理解其实际工作特性。
3过程论述
3.1设计原理
交流电通过灯泡经VD1~VD4整流，R1限流降压，VD5稳压，C1滤波后输出约1.8V左右的直流电供给控制电路。
由于LED采用发光二极管，一方面利用其正向压降稳压，同时又利用其发光特性兼作待机指示。
控制电路由R2、驻极体话筒MIC、C2、R3、R4、VT、RG组成。
在周围有其它光线的时候光敏电阻的阻值约为1kΩ左右，VT1的集电极电压始终处于低电位，就算此时拍手，电路也无反应。
到夜间时，光敏电阻的阻值上升到1MΩ左右，对VT1解除了钳位作用，此时VT1处于放大状态，如果无声响，那么VT1的集电极仍为低电位，晶闸管因无触发电压而关断。
当拍手时声音信号被MIC接收转换成电信号，通过C2耦合到VT1的基极，音频信号的正半周加到VT1基极时，VT1由放大状态进入饱和状态，相当于将晶闸管的控制极接地，电路也无反应。
而音频信号的负半周加到VT基极时，迫使其由放大状态变为截止状态，集电极上升为高电位，输出电压触发晶闸管导通，使主电路有电流流过，等效于开关闭合，而串联在其回路的灯泡得电工作。
此时C2的正极为高电位，负极为低电位，电流通过R3缓慢地给C2充电（实为C2放电），当C2两端电压达到平衡时，VT1重新处于放大状态，晶闸管关断，电灯熄灭，改变C2大小可以改变电灯熄灭时间。
3.2主要元器件的结构及功能
3.2.1普通晶闸管
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3-1（a）所示,图3-1（b）为晶闸管的电路符号
图3-1（a）图3-1（b）
图3-1晶闸管等效图解图
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
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,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。
（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。
3.3.2驻极体话筒
驻极体话筒主要用于将接受的声音信号转换为电信号，给输入电路中，其具有体积小，结构简单，电声性能好，价格低等特点。
需要注意的是驻极体话筒有正负之分，与铝壳相连的一端为负端。
安装时用其他多余的引脚焊到话筒两极，再装到电路板上。
在仿真中可以用蜂鸣器或者麦克风试着替换。
图3-2驻极体话筒实物图
3.3.3光敏电阻
图3-3光敏电阻
光敏电阻，是一种特殊的电阻，简称光电阻，又名光导管。
它的电阻和光线的强弱有直接关系。
光强度增加，则电阻减小；光强度减小，则电阻增大。
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，从而使光敏电阻值的阻值迅速下降。
本次设计利用光敏电阻RG的阻值大小的不同，同MIC一起控制三极管的导通与关断.
3.3部分电路的设计
3.3.1主电路与电源电路
主电路由整流桥VD1～VD4、晶闸管T组成。
T为开关执行器件。
晶闸管T1被触发导通后,电路接通,白炽灯发光。
当晶闸管的控制极上无触发信号时,晶闸管T正向阻断,电路呈关断状态。
电源电路其作用是给电路提供电源，使电路能正常的工作。
由R1、D5、C1、C2等元件组成，它是一个简单的直流稳压电源，给整机供电。
先将交流电进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C1滤波使波形变得平滑，最后经稳压二极管稳压得到较为稳定的直流电源，为驻极体话筒（MIC）、放大电路（VT）、触发电路等供电。
图3-1（a）整流电路图3-1（b）降压稳压滤波电路
3.3.2光控电路
主要由R5、RG组成。
电路中晶闸管的通断,取决于控制极信号的有无。
光敏电阻RG的阻值随着光照强度的变化而变化,当有光照时,其阻值约为1kΩ左右，与R5分压后使三极管集电极电压始终处于低电位，晶闸管无法导通。
随着光照强度的减弱,RG阻值逐渐上升到1MΩ左右，对晶闸管解除了钳位作用，即满足了开门条件,此时声控开始起作用。
3.3.3声控电路
由麦克风MIC、三极管VT1、电容C2及电阻R2～R4等组成,其中MIC为声检测元件。
当外界有声音时，声音信号被MIC接收转换为电信号，通过C2耦合到三极管的基极，只有当音频信号的负半周加到VT1基极时，三极管有放大状态变为截止状态，集电极上升为高电位触发晶闸管导通，同时光控电路起作用时，灯泡得电工作。
3.3.4延时电路
当声音消失后需要灯泡有一定的延时之后熄灭，此次设计采用RC延时电路，延时时间为T=RC。
当灯泡得电工作，此时C2通过R3缓慢地放电，当C2两端电压达到平衡时，VT1重新处于放大状态，晶闸管关断，电灯熄灭。
在设计中，可以通过改变C2值来改变灯光延时的时间。
图3-2声光控延时控制电路
3.4整体电路原理图
图3-3整体电路图
4实验过程论述
4.1实际电路的改进
在仿真中我们选择R1为150K，其所对应的电源交流电压为220V，出于实验安全性与可靠性的考虑，我们将R1的阻值更改为7.5K，这样所对应的电源电压为交流12V，大大降低了整个电路的危险系数。
也因此我们需要一个将220交流电转换为12V交流电的变压器。
4.2元器件清单
表4-1元器件清单
元件简称
名称
主要参数（型别）
数量
MIC
驻极体话筒
BM
1
R1
电阻
7.5K
1
R2
电阻
3.9K
1
R3
电阻
1M
1
R4
电阻
10K
1
R5
电阻
1K
1
RG
光敏电阻
MG42-03
1
C1
电解电容
220uF/16V
1
C2
电解电容
22uF/50v
1
D1~D4
二极管
IN4007×4
1
LED
二极管
IN4148
1
T
单向可控硅
MCR100-6
1
D1
灯泡
AC12V/20W
1
变压器
AC220V～12V
1
VT
三极管
9014
1
4.3实物的焊接
为了保证电路的成功，我们依据仿真图，选择用其所对应的PCB图制作成PCB板来进行焊接。
由于本次设计电路图较为简单，所以可以利用我们电子实训所学，较为独立的制作PCB板，也很好的锻炼了我们制作印刷电路板的能力。
这样，我们通过电力电子的课设不仅将理论运用于实际，了解其工作特性，也学会利用软件，仪器去制作实物。
将我们所采购的元器件焊接在电路板上，外部串联灯泡，再将变压器串入电路，即可以通入电网电压。
由于没有插头，我们将变压器导线缠绕在起子上，然后插入插座，这样整个实物便制作完成。
4.4电路的调试
4.4.1光敏电阻的检测
当光敏电阻接收光线时，测量其两端的阻值，用绝缘黑胶布将其遮挡，再测量其两端的阻值，看是否有很大的变化，若阻值变化正常，则光敏电阻正常。
4.4.2驻极体话筒的检测
当周围有声时，测量话筒两端电路的电压值，无声时，其两端的电压值，若变化正常，则驻极体话筒工作正常。
4.4.3电路功能检测
通入电源以后，电路中的LED灯（即指示灯同时具有稳压的作用）是常亮的，当不用绝缘黑胶布遮挡光敏电阻时，即使外界有声音，灯泡长灭；用绝缘黑胶布遮挡光线，发出声响，则灯泡发光，经一段延时之后则自动熄灭，即整个电路调试成功。
5总结及结果分析
5.1结果分析
从实验调试结果来看，我们的电路整体运行正常且稳定。
完全能够实现，白天有声不亮，夜晚，有声才亮，且人走灯熄，当再次有声源时，灯泡再次被点亮。
5.2总结
本次设计从仿真到实物的制作，整体来说较为简单顺利。
虽然刚开始不知道怎么去做，经过查阅电力电子书，图书馆查询资料，网上搜寻资料，逐步了解各部分应实现的功能，进行设计及参数的合理选择，不断查询资料，调整参数，最终仿真成功。
在制作实物的过程中，我们又一次熟悉了protel软件的使用，封装和布局较为简单，印刷制版因为有过实训也较为顺利，焊接过程中可能出现虚焊的现象，使得电路接触不良，导致灯泡不停的闪烁，在焊接话筒引脚的时候，如果不能一次性焊接完成，若反复的折断，有可能将话筒内部引脚折断，使其不能正常工作。
焊接过程中一定要尽量快速，因为若反复焊接，导致电路板过烫，很可能已将元器件烧坏，导致电路不能正常工作，且问题很难被检测出来。
6设计体会及改进意见
6.1设计体会
“声光控延时节电开关”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，灯泡不会发亮。
夜晚光暗，话筒只要检测到有声响，就会自动亮为行人照明，过一段时间后又自动熄灭，节能节电。
此电路设计虽然简单，但在我们的生活中有很大的意义，不仅节约了能源，为人们的出行带来便利，而且成本较低，制作简单，广泛运用于走廊，楼梯，洗手间等地，其存在的意义不可小觑。
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，深化了我们对电力电子设计的及其理论知识的认知，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，我们不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是通过自己动手能够真正完成一项作品，这样知识的学习才是有意义的，在和同学们共同完成下，我们学会了分析电路、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，加深对了对数模电及电力电子技术的理解，对元器件的使用也有了更加深刻的认知。
6.2改进意见
本设计的主要缺点在于电阻的降压效果，如果降压效果不好，则会导致晶闸管电流冲击过大，灯泡的使用寿命会降低。
我们可以将电阻选择稍大一些，认真测量电阻值或者在今后的设计中有更好的降压效果的元器件可以替代，这样可以保证整个电路稳定而持久的运行工作。
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
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