调光电路与光强监控电路设计.docx

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调光电路与光强监控电路设计

《电路与电子线路基础》课外设计制作

中期报告

题目（C）：

调光电路与光强监控电路设计

组号：

4

任课教师：

组长：

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联系方式：

二零一三年十月七日

一、实验方案

1.实验目的

a.学习光敏电阻、电解电容器、整流二极管、发光二极管、三极管、运算放大器、电压比较器等器件的工作原理及应用背景知识。

b.设计白炽灯调光电路和光强监控电路。

c.掌握给定功能的电路系统的设计方法。

2.实验器材

a.白炽灯泡带灯座1只；光敏电阻3只；发光二极管10只，标准“洞洞板”3块；

b.常规电阻、电容、二极管、三极管、运算放大器、电压比较器等若干。

3.主要器材及原理介绍

a.常规电阻

电阻（Resistance，通常用“R”表示），在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。

导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。

不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。

电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。

而超导体则没有电阻。

电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。

电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。

电阻在电路中通常起分压、分流的作用。

对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。

导体的电阻通常用字母R表示，电阻的单位是欧姆（ohm），简称欧，符号是Ω（希腊字母，读作Omega），1Ω=1V/A。

比较大的单位有千欧（kΩ）、兆欧（MΩ）。

它们的换算关系是：

1TΩ=1000GΩ；1GΩ=1000MΩ；1MΩ=1000KΩ；1KΩ=1000Ω

电阻的计算公式有：

串联等效电阻：

R=R1+R2+．．．+Rn

并联等效电阻：

1/R=1/R1+1/R2+．．．+1/Rn，两个电阻并联时也表示为R=R1·R2/（R1+R2）

电阻的定义式：

R=U/I

电阻的决定式：

R=ρL/S（ρ表示电阻的电阻率，是由其本身性质决定，L表示电阻的长度，S表示电阻的横截面积）

本实验中电阻的识别采用色环法。

现介绍用色环法识别电阻。

带有四个色环的其中第一、二环分别代表阻值的前两位数；第三环代表倍率；第四环代表误差。

快速识别的关键在于根据第三环的颜色把阻值确定在某一数量级范围内，例如是几点几K、还是几十几K的，再将前两环读出的数”代”进去，这样就可很快读出数来。

[2]

（1）熟记第一、二环每种颜色所代表的数。

可这样记忆：

棕1，红2，橙3，黄4，绿5，蓝6，紫7，灰8，白9，黑0。

这样连起来读，多复诵几遍便可记住。

　　记准记牢第三环颜色所代表的阻值范围，这一点是快识的关键。

具体是：

　　金色：

乘以10的负一次方

黑色：

乘以10的零次方

棕色：

乘以10的一次方

红色：

乘以10的二次方

橙色：

乘以10的三次方

黄色：

乘以10的四次方

绿色：

乘以10的五次方

蓝色：

乘以10的六次方

紫色：

乘以10的七次方

灰色：

乘以10的八次方

白色：

乘以10的九次方

从数量级来看，整体上可把它们划分为三个大的等级，即：

金、黑、棕色是欧姆级的；红橙、黄色是千欧级的；绿、蓝色则是兆欧级的。

这样划分一下是为了便于记忆。

　（3）当第二环是黑色时，第三环颜色所代表的则是整数，即几，几十，几百kΩ等，这是读数时的特殊情况，要注意。

例如第三环是红色，则其阻值即是整几kΩ的。

　（4）记住第四环颜色所代表的误差，即：

金色为5%；银色为10%；无色为20%。

b.光敏电阻

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。

这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

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，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。

光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。

光敏电阻的主要参数是：

（1）光电流、亮电阻。

光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。

（2）暗电流、暗电阻。

光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。

外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。

（3）灵敏度。

灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。

（4）光谱响应。

光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。

若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。

（5）光照特性。

光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。

从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。

若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。

在大多数情况下，该特性为非线性。

（6）伏安特性曲线。

伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。

（7）温度系数。

光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。

（8）额定功率。

额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。

光敏电阻可以如此分类：

按半导体材料分：

本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。

后者性能稳定，特性较好，故大都采用它。

　　根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

　　1.紫外光敏电阻器：

对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。

　　2.红外光敏电阻器：

主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。

锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

　　3.可见光光敏电阻器：

包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。

主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

光敏电阻常用硫化镉（CdS）制成。

它分为环氧树脂封装和金属封装两款，同属于导线型（DIP型），环氧树脂封装光敏电阻按陶瓷基板直径分为￠3mm、￠4mm、￠5mm、￠7mm、￠11mm、￠12mm、￠20mm、￠25mm。

c.电解电容器

电解电容器，又称电容器隔膜纸，它在电解电容器的阳极和阴极铝箔之间起隔离、绝缘作用。

电解电容器纸的质量越好，越能满足电容器耐压、低阻抗、损耗小的要求。

电解电容器是指在铝、钽、铌、钛等金属的表面采用阳极氧化法生成一薄层氧化物作为电介质，以电解质作为阴极而构成的电容器。

电解电容器的内部有储存电荷的电解质材料，分正、负极性，类似于电池，不可接反。

正极为粘有氧化膜的金属基板，负极通过金属极板与电解质（固体和非固体）相连接。

无极性（双极性）电解电容器采用双氧化膜结构，类似于两只有极性电解电容器将两个负极相连接后构成，其两个电极分别为两个金属极板（均粘有氧化膜）相连，两组氧化膜中间为电解质。

有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波，退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。

无极性电解电容器通常用于音响分频器电路、电视机S校正电路及单相发动机的起动电路。

电解电容器的工作电压为4V、6.3V、10V、16V、25V、35V、50V、63V、80V、100V、160V、200V、300V、400V、450V、500V，工作温度为-55°~+155℃（4~500V）、，特点是容量大、体积大、有极性，一般用于直流电路中作滤波、整流。

目前最常用的电解电容器有铝电解电容器和钽电解电容器。

电容器的主要特性参数如下：

1.标称电容量和允许偏差

标称电容量是标志在电容器上的电容量。

电容器的基本单位是法拉（F），但是，这个单位太大，在实地标注中很少采用。

其它单位关系如下：

1F=1000mF

1mF=1000μF

1μF=1000nF

1nF=1000pF

电容器实际电容量与标称电容量的偏差称误差，在允许的偏差范围称精度。

精度等级与允许误差对应关系：

00（01）-±1%、0（02）-±2%、Ⅰ-±5%、Ⅱ-±10%、Ⅲ-±20%、Ⅳ-（+20%-10%）、Ⅴ-（+50%-20%）、Ⅵ-（+50%-30%）。

一般电容器常用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，电解电容器用Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级，根据用途选取。

2.额定电压

额定电压是在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值，一般直接标注在电容器外壳上，如果工作电压超过电容器的耐压，电容器击穿，造成不可修复的永久损坏。

3.绝缘电阻

直流电压加在电容上，并产生漏电电流，两者之比称为绝缘电阻。

当电容较小时，绝缘电阻主要取决于电容的表面状态，容量大于0.1μf时，绝缘电阻主要取决于介质的性能。

绝缘电阻越大越好。

4.损耗

电容在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。

各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，电容的损耗主要由介质损耗，电导损耗和电容所有金属部分的电阻所引起的。

在直流电场的作用下，电容器的损耗以漏导损耗的形式存在，一般较小，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。

5.频率特性

随着频率的上升，一般电容器的电容量呈现下降的规律。

电解电容器有如下用途：

1.隔直流：

作用是阻止直流通过而让交流通过。

2.旁路（去耦）：

为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

3.耦合：

作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路。

4.滤波：

这个对DIY而言很重要，显卡上