模电课程设计.docx

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模电课程设计

模电课程设计

设计题目：

声光控制器

姓名：

学号：

班级:

09-2班

专业:

电气工程及其自动化专业

指导教师：

王允建、李端

目录

一.设计题目2

二.内容摘要2

三、设计指标2

四、系统框图2

五、各单元电路设计、参数计算和元器件选择3

5.1电路设计3

5.2参数计算5

5.3元器件选择7

六、完整电路图及工作原理9

6.1电路工作原理9

6.2设计电路仿真调试10

七、原器件清单12

八、实际PCB图13

九、电路特点及整改意见13

9.1电路特点13

9.2整改意见14

十、心得体会15

十一、参考文献16

一、设计题目

声光控制器

二、内容摘要

声光控开关是音和光照度控制的开关，当环境的亮度达到某个设定值以下，同时环境的噪音超过某个值，这种开关就会开启。

本开关特点为白天或光线较强时，开关电路为自锁状态，灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关进入预备工作状态，此时，当来人有脚步声、说话声、拍手声等声源时，开关自动打开，灯亮，延时一段时间后自动熄灭，从而实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，免去了在黑暗中寻找开关的麻烦，尤其是上下楼道带来不便。

三、设计指标

1、工作电压：

AC220V

2、声控灵敏度：

≥5db

3、光控灵敏度：

≥0Lux

4、负载：

100W

5、声灯自亮，并延时一定时间自动关闭

6、装有光控电路：

白天不工作，晚上或光线暗时工作（可调）

7、延时功能：

15秒-100秒可调

四、系统框图

五、各单元电路设计、参数计算和元器件选择

220V市电经过VD1~VD4组成的桥式整流输出脉动电压,经过R1,VD5,C1降压滤波后,由VS提供11V的稳定直流电压,为控制电路提供电源供给.

　　静态待机状态下：

　　BM无信号输入，V1处于静止放大状态，因为C3的隔直作用，V2基极无偏置电压而处于截止状态，导致V3的Vbe为0使得V3也处于截止状态，C4上面无电压，VT的控制极没有提供足够的导通电压，VT处于截止状态，EL没有足够的电流，处于熄灭状态。

　　当外界光照强度足够时：

　　RG呈现低阻抗状态，即使短路C3，V2的基极也得不到足够的偏置电压而处于截止状态，导致V3的Vbe为0使得V3也处于截止状态，C4上面无电压，VT的控制极没有提供足够的导通电压，VT处于截止状态，EL没有足够的电流，处于熄灭状态。

　　当外界光照强度较弱且无声音信号时：

RG呈现高阻抗状态，与R7,R8的阻值相比可视作RG为开路状态，但因为C3的隔直作用，V2基极无偏置电压而处于截止状态，导致V3的Vbe为0使得V3也处于截止状态，C4上面无电压，VT的控制极没有提供足够的导通电压，VT处于截止状态，EL没有足够的电流，处于熄灭状态。

当外界光照强度较弱且有声音信号时：

　　RG呈现高阻抗状态，与R7,R8的阻值相比可视作RG为开路状态。

BM输出的音频信号经过V1放大在其集电极产生了幅度极高的音频信号，通过C3耦合，这个放大后的音频信号正极性部分经过R5,R6,R7,R8分压后为V2提供了足够强的基极偏置，V2进入导通状态致使V3进入饱和导通状态，电源通过V3,VD6向C4充电，由于音频信号的频率不会很高而且声音信号有一定的持续时间，C4在这段时间内可以被充满电至10V左右，此时C4通过R10为可控硅VT提供了足够的导通电压，EL获得足够的电流，处于发光状态。

当声音信号消失后，　由于

VD6被反向偏置，C4上的电荷只能通过R10,VT放电，而C4和R10的放电时间常数比较大，VT会保持持续导通，直到C4上的电压不足以使VT导通时，EL恢复到熄灭状态。

　　根据上述分析，如果要调整该控制器的声音灵敏度，可以通过调整R4的阻值来实现，当R4的阻值增加，可以降低声音灵敏度，反之则提高声音灵敏度。

如果要调整该控制器的光照灵敏度，可以通过调整R8的阻值来实现，当R8的阻值增加，可以提高控制器起作用的光照度，反之则可以降低控制器作用的光照度。

R4,R8是独立调整各自的灵敏度而相互影响比较小，如果调整R5和R6的话两个参数的灵敏度都会受到影响而改变。

本电路的EL最大功率限制在于VD1~VD4的最大电流以及VT的最大电流，根据本电路中的器件选择，最大允许电流为1A，所以EL的功率应该限制在220W以下，为留有余量，EL最好是小于等于100W的。

5.2单元电路设计与计算说明

（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，此信号需用控制电子开关，所以必须加放大器放大该信号。

为了获取较高的灵敏度，VT1的β值选用大于100。

话筒MIC选用灵敏度高的。

R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡。

其电路如下所示：

图5.3声音放大电路

获取到声音信号后，其会转换成电信号，由声信号转换成的电信号控制电子开关，所以必须加三极管放大器放大该信号。

为了获得较高的灵敏度，Q1的。

声信号选用灵敏度高的。

R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡。

三极管VT1的参数：

三极管的放大倍数Au=-βRc/（Rb+Rbe）；r=164；Rbe=Rbb+[（1+r）*Ut]/Ice，Ut=26mv；直流放大倍数β>100；Vcbo=45；Ic（max）=0.3

经测得三极管的静态工作点：

Ubeq=2.6v、Uceq=3.91v、Ibq=1.35mA、Icq=330mA、β=244.4（符合要求）

（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。

此部分电路如下图所示：

图5.4整流电路

（3）光敏电路

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，白天有光照光敏电阻阻值小，夜晚阻值大。

图5.5光敏电路

（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。

图5.6电子开关

（5）延时电路与交流开关

由于需要的灯泡持续时间并不是很长，大概几十秒左右，所以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。

C5为抗干扰电容，用于消除灯泡发光抖动现象。

R8、C5和单向可控硅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是属于无触点开关元件使用寿命长。

灯泡发光的时间是由C4、R8的参数决定。

图5.7延时电路

晶闸管参数如下:

VDRM=VRRM=2600V是最高电压不能超过2600V

IT=500A最大电流不能超过500A

IGT<=220mA触发后最小维持电流小于220mA

VGT<=2.2V,控制触发电压小于2.2V

（6）电源电路

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12-15的稳压二极管，保证C6上的电压不超过15V直流电压。

此部分电路作用提供稳定的工作电压。

电路图如下：

图5.8电源电路

5.3元器件选择和电路参数计算说明

选用CMOS数字集成电路Cd4011，其里面含有四个独立的与非门电路。

内部结构见图5，Vss是电源的负极，Vdd是电源的正极。

可控硅T选用1a／400v的进口单向可控硅100-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅。

总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。

图5.9单向可控硅图5.10CD4011

设PNP管和NPN管集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为A1=Ic1/Ia和A2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0，单管放大电路参数的设置：

经测试，得知r=164,实测9013的导通电压为Uon=Ube=0.4V，给定电源电压Vcc=+6V。

在静态工作的时候，要使三极管发处于放大状态，则Vce一般取大于2V小于Vcc的2/3。

又由于Vce是根据公式

Vce=Vcc-Vr4-Vr5,Vr4+Vr5=（Rc+Re）*Ice而得,

而Ice=（Vr3-0.4）/Re,Vr3=[Rb2/（Rb2+Rb1）]*Vcc

先假定Rb2=6.8K，则有：

Rb1=75K，Rc=24K，Re=2K。

此时，

Ice=（Vr3-0.4）/Re=0.1mA,

Vce=Vcc-（Rc+Re）*Ice=3.43V

Vbe=0.4+Ice*Re=0.50V

这些参数满足使三极管工作在放大状态。

Au的计算：

Au=Uo/Ui=-（r*Rc）/Rbe

其中r=164,Rbe=Rbb+[（1+r）*Ut]/Ice,Ut=26mV经计算得出：

Rbe=43.1k,Au=95.47。

图中C6的作用是对电源进行滤波，通常取得较大，这里取C6=100UF。

R1=10K是为了给麦克风起保护作用。

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+Ic0或Ia=Ia+Ik+Ic0

若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig从而可得出晶闸管阳极电流为：

I=（Ic0+Iga2）/（1-（A1+A2））（1—1）

硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数A1和A2随其发射极电流的改变而急剧变化。

式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（A1+A2）≈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。

晶闸管在导通后，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断的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A1和A2迅速下降，当1-（A1+A2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。

六、画出完整的电路图，并说明电路的工作原理

开关电路中声音检测采用驻极体话筒MIC，三极管T2组成放大器。

无声响静态时T2是处于饱和导通状态，当有声响时，话筒MIC接收声响信号，可使T2截止。

亮度检测由光敏电阻RG完成。

电路使用的CMOS数字集成电路CD4011，内

含有四个2输入端与非门。

CD4011中除其中一个直接用为2输入端与非门作为判别电路外，其余三个均接成反相器作放大器用。

D6、R6、C4组成延时电路。

开关采用可控硅T1。

二极管D1~D4与可控硅T1组成可控整流电路，当T1导通时，灯泡LAMP发亮；T1截止时，灯泡熄灭。

白天时，光敏电阻RG受光照呈低阻态，CD4011

脚始终为低电平。

这时不管CD4011

脚为高电平（有响声使T2截止）还是低电平（无声响T2饱和导通），与非门输出

脚始终为高电平。

经三次反相后，⑩脚输出为低电平，可控硅T1截止，灯泡不亮。

可见由于光敏电阻RG受光照作用，白天灯泡一直不会亮。

晚上天黑时，光敏电阻RG无光照呈高阻态，CD4011

脚始终为高电平。

这时如果无声响，T2饱和导通，

脚为低电平，则与非门输出

脚仍然为高电平，电路状态与白天相同。

但当有声响发生时，话筒MIC接收声响信号使T2截止，

脚为高电平，与非门输出

脚变为低电平，经一级反相放大后，③脚输出高电平。

此时③脚输出的高电平经导通的D6迅速对电容C4充电，使⑤⑥脚升至高电平，再经两级反相后，⑩脚输出为高电平，由此触发可控硅T1导通，灯泡点亮。

声响消失后，T2恢复饱和导通，

脚为低电平，

脚输出高电平，经一级反相放大后，③脚输出低电平。

此时由于C4还来不及放电，D6截止。

随后C4通过R6缓慢放电，C4两端电压即⑤⑥脚电压逐渐下降。

当⑤⑥脚电压下降至低电平电压值（1V左右）时，④脚输出高电平，⑩脚输出低电平使T1截止，