电力电子技术课程设计（论文）-40—100W走廊灯控制电路.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目题目：4040100W100W走廊灯控制电路走廊灯控制电路 院院（系系）：）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级专业班级： 电气电气102102 学学 号号： 10030300511003030051 学生姓名学生姓名： 徐云飞徐云飞 指导教师指导教师： （签字） 起止时间起止时间：202012-12-31至至2013-1-11 本科生课程设计（论文） II 课课程设计（论文）任务及评语课课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：电气 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 100503051 学生姓 名 徐云飞专业班级 电 气102 设计 题目 40-100W40-100W走廊灯控制电路 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 利用晶闸管构成交流无触点开关电路，利用声音和光信号对晶闸管 的的开通进行控制，从而使走廊灯根据亮度及行人发出的声音自动点燃， 并具有一定的延时时间。 设计任务设计任务 1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择器件 的具体型号。4、触发电路设计。5、绘制相关电路图。 要求要求 1、 文字在 4000 字左右。 2、 文中的理论分析与计算要正确。 3、 文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数技术参数 1、交流电源：单相 220V。2、输出电压在 0220V 连续可调。3、 输出电流最大值 1A。4、负载为 100W 白炽灯。5、采用声光双重控制。 6。灯点燃后延时一定时间自动熄灭。7、根据实际工作情况，最小控制 角取 20300左右。 工作计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天： 主电路设计； 第 5 天：选择器件；第 6 天：触发电路设计；第 7 天：保护电路设 计；第 8 天：电路调试或仿真；第 9 天：总结并撰写说明书；第 10 天： 答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 本科生课程设计（论文） III 摘 要 为了适应发展，更好的锻炼自己，使理论和实践更好的结合，根据学校指示 在际，做了这次毕业设计。毕业设计师高职教学过程中一个十分重要的环节，是 锻炼学生运用所学知识正确分析解决实际问题的一个重要方面，也是高职培养应 用型专业人才的要求。我们本着一切从实际出发的方针，严肃认真，独立思考， 自己动手，实事求是的态度完成毕业设计。在指导老师的大力帮助下运用自己所 学知识做了这个设计。这次设计充分体现了便捷、节能。 社会的进一步发展，各式各样的灯层出不穷，为了防止年国务损坏，节约用 电，设计了各种控制灯，例如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，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声控走廊灯节 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。下面主要 介绍声控走廊灯开关的原理。 关键词：桥式整流电路;光敏电阻;二极管;晶闸管; 本科生课程设计（论文） IV 目目 录录 第第 1 1 章绪论章绪论 .1 1 第第 2 2 章元器件的介绍和检测章元器件的介绍和检测 .2 2 2.1 电阻.2 2.1.1 电阻的定义.2 2.1.22.1.2 电阻的种类电阻的种类.2 2.22.2 电容电容.3 2.2.1 电容定义.3 2.3 二极管.4 2.3.1 二极管定义 .4 2.3.22.3.2 二极管的分类二极管的分类.4 第第 3 3 章声控走廊灯开关电路工作原理章声控走廊灯开关电路工作原理 .6 6 3.13.1 声控开关声控开关.6 3.1.13.1.1 声控走廊灯开关电路工作原理声控走廊灯开关电路工作原理.6 3.23.2 整流、降压、滤波电路整流、降压、滤波电路.7 3.2.13.2.1 桥式整流电路桥式整流电路.7 3.2.2 滤波电路.8 3.2.3 声控走廊灯开关电路原理图.8 4.1 控制电路.10 4.2 开关电路.11 43 延时电路.11 第第 5 5 章调试章调试 .1313 5.1 调试准备检查电路 .13 5.2 通电观察 .13 5.3 调试 .13 第第 6 6 章设计总结章设计总结 .1515 第第 7 7 章参考文献章参考文献 .1616 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章绪论 控制电路的主要作用是完成对声控和光控电路的控制，即照明电路的亮与不 亮都由控制电路来控制完成，控制电路是路灯控制电路中的主体电路，它包括声 控和光控电路，只有当声控和光控电路同时起作用时，即既有光信号又有声音信 路时，控制电路才会作用，开关打开。 该部分电路主要有声音信号转换电路，光信号转换电路和 TC4011BP 构成。 电路如图 3.1 所示。光控部分采用光敏电阻的感光特性来工作的，即当有光线的 时候，其处于低电阻状态，其上几乎不分得电压；在没有光线或者光线较暗的时 候，其处于高阻状态。光敏电阻的光电特性如图 5 所示，此电路就是利用光敏电 阻的光电特性输出高低电平信号来起到光控作用的。 声控部分主要是通过话筒等声音接收电路来把声音信号转化为电信号。三极 管 V1 在没有声音信号时处于饱和状态，当有声音信号时，声音信号通过电容的 耦合，短时间内拉低 V1 基极的电位，使三极管 V1 的瞬间截止,V1 的集电极上产 生一个瞬间高电平送入控制电路，经过处理，从而达到声控的目的。 开并电路由一个开关管和两个分压电阻组成，由开关管的开关作用来控制发 光管的亮与灭。该部分工作原理如下：当 TC4011BP 的 3 脚输出高电平时经过 R2,R3 分压后供给 SCR 控制极一个约 2V 左右的开关信号，使开关管 V2 导通，灯 泡发光。当 TC4011BP 的 3 脚为低电平时，开关管关断， LED 熄灭，直到 3 脚变 为高电平时才亮。延时电路的作用主要是完成保持晶闸持续导通一段时间，维持 发光二极管持续发光一段时间，持续时间的长短由延时电容的放电时间来决定， 延时电容的放电时间即为照明的持续时间，当充电电容通过电阻放电，从开始放 电开始直到放电结束的这一段时间（即由 R，C）来决定，只要改变电阻值或电容 值，即可改变充放电时间长短，从而维持 TC4011BP 的 8，9 脚的高电平在一段时 间内保持不变，从而决定 LED 的发光的时间长短，即维持照明的时间改变。其组 成只要由电阻、电容，电容是通过电阻放电的。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章元器件的介绍和检测 2.1 电阻 2.1.1 电阻的定义 电阻，英文名 resistance，通常缩写为 r，它是导体的一种基本性质，与 导体的尺寸、材料、温度有关。电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“”表示， 表示电阻阻值的常用单位还有千欧（k） ，兆欧（m） 。 2.1.22.1.2 电阻的种类电阻的种类 电阻器的种类有很多，通常分为三大类：固定电阻，可变电阻，特种电阻。 光敏电阻，是一种电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的元件，光越 强阻值越小，光越弱阻值越大。如果把光敏电阻的两个引脚接在万用表的表笔上， 用万用表的 r1k 挡测量在不同的光照下光敏电阻的阻值：将光敏电阻从较暗 的抽屉里移到阳光下或灯光上，万用表读数将会发生变化。在完全黑暗处，光敏 电阻的阻值可达几兆欧以上（万用表指示电阻为无穷大，即指针不动） ，而在较 强光线下，阻值可降到几千欧甚至 1 千欧以下。光敏电阻器又叫光感电阻，是利 用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光 强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。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） 。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照 射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流 增强。 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：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。 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 本科生课程设计（论文） 3 信等国防、科学研究和工农业生产中。 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。 光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性 光谱特性，频率特性， 温度特性。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到 适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。没 有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波 长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，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，也可以加交流电压。 光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光 线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导 管。 它的工作原理是：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，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以 免受潮影响其灵敏度。光敏电阻的原理结构如图所示。在黑暗环境里，它的电阻 值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的 电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴， 这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率 变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光 子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波 长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，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，也可以加交流电压。 2.22.2 电容电容 2.2.1 电容定义 本科生课程设计（论文） 4 电容器是“储存电荷的容器”,简称电容，用字母 C 表示。尽管电容器品种 繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相距很近的金属中间被某物质 （固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。两片金属称为的极板，中间的 物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的 电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。 在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充 当滤波器，平滑输出脉动信号。 电容器的选用涉及到很多问题。首先是耐压的问题。加在一个电容器的两端 的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。 2.3 二极管 2.3.1 二极管定义 半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像 绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。半导体最重要的两种 元素是硅和锗。二极管最明显的性质就是它的单向导电特性，就是说电流只能从 一边过去，却不能从另一边过来（从正极流向负极） 。 2.3.22.3.2 二极管的二极管的分类分类 二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge 管）和硅 二极管（Si 管） 。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极 管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管 及平面型二极管。 光电二极管的检测：光电二极管是一种能把光照强弱变化转换成电信号的半 导体器件。光电二极管的顶端有一个能射入光线的窗口，在光的激发下，光电二 极管的管芯产生大批“光生载流子” ，管子的反向 电流大大增加，使内阻 减小，是典型的光电导器件。 光电二极管可以用万用表测量。将万用表置于 R*1K 挡，红、黑表笔随意 接光电二极管的两个脚，此时是测反向电阻，万用表表头指针偏转应很小，一般 读数应在 200K 以上（注意测量时窗口不要对着光） 接着用手电筒的光去照射光电二极管顶端的窗口（用自然光也可以） ，着时 本科生课程设计（论文） 5 表指针偏转应加大，光线越强，光电二极管的反向电阻应越小，甚至仅为几欧姆。 关掉手电光，指针所指读数应立即恢复到原来的阻值。这样说明被测二极管的质 量是良好的。 如果正相电阻很大，超过 15K 以上，或反向电阻很小（窗口不受光照时） ， 或受光照后阻值不变，移去光照后阻值不恢复到原来的高阻，都说明被测光电二 极管已坏。 本科生课程设计（论文） 6 第 3 章声控走廊灯开关电路工作原理 3.13.1 声控开关声控开关 3.1.13.1.1 声控走廊灯开关电路工作原理声控走廊灯开关电路工作原理 电路原理如图 3.2 所示。二极管 VD4VD7 组成桥式整流电路。电阻 R10、电 容 C4 组成降压、滤波电路。单行晶闸管 VS 式照明电灯 HL 点亮；VS 关断，HL 熄 灭。 白天，由于光电二极管 VD1 受到环境光线的照射阻值很小，反相器 F3 的 13 脚呈低电位，12 脚呈高电位，经反相器 F4 10 脚呈低电位，二极管 VD3 呈截止状 态。反相器 F5 的 6 脚呈高电位，反相器 F6 的 8 脚呈低电位，三极管 VT 处于截 止状态。由于单向晶闸管 VS 无触发电压而关断。照明灯 HL 不亮。天黑时，光电 二极管的阻值增大，虽然 F3 的 13 脚电位有所上升，但仍达不到开启 F3 的阀值 电压，故处于预备工作状态。此时，F6 的 8 脚呈低电位，照明灯 HL 依然不亮。 当外界有声音发出时，其声波被压电陶瓷片 BC 转换为电信号，经两级反相 器 F1 和 F2 变换，4 脚输出的信号经电容 C1 耦合，有限流电阻 R3 加给 F3 的 13 脚。F3 的 13 脚达到阀值开启电压，F3 反相器工作，12 脚呈低电位，F4 的 10 脚 呈高电位二极管 VD3 获得正向电压而导通，并给电容 C3 充电。F5 的 5 脚电位升 高，则 6 脚电位降低经 F6 反相，8 脚呈高电位，单向晶闸管 VS 获得高电位而触 发导通，HL 点亮。同时三极管 VT 导通。无声时，F3 的 13 脚又回到原等待电位， 则二极管 VD3 截止。此时充足电荷的电容 C3 开始向电阻 R8 放电。由于放电过程 中 F6 的 8 脚仍持续高电位，HL 仍旧保持照明状态。随着时间的推移，电容 C3 的 端电压放电到一定低电位时，促使 F5 反相，6 脚电位变高，则 F6 的 8 脚电位变 低，VS 关断，HL 熄灭。 电路中三极管 VT 主要是为了节能而设置的。当 F6 的 8 脚呈高电位时，三极 管 VT 导通，其集电极电位变低，因而使 F3 的 13 脚电位下降。即使 F2 的 4 脚有 信号输出，由于 VT 得集电极的钳位作用，使得 F3 的 13 脚不收 F2 控制，只有当 C3 放电完毕后 VT 才会截止。所以，外界的声音无论怎样连续发出，都不会影响 本科生课程设计（论文） 7 电路定时的正常工作，这样既满足接受第一次声音控制，又达到了节能的目的。 只有当定时完毕，电路在接收信号，才开启照明灯工作。R2 为负反馈电阻，电阻 R1、R9 构成分压电路。VD2 为隔离二极管。C2 为抗干扰电容，用于消除外界的杂 波影响。 3.23.2 整流、降压、滤波电路整流、降压、滤波电路 3.2.13.2.1 桥式整流电路桥式整流电路 桥式整流电路是一种将交流电压转换为单位向脉动的直流电压，原理图中 VD4VD7 四个二极管组成了桥式整流电路。 (a) (b) 本科生课程设计（论文） 8 图 3.1 桥式整流电路工作状态图 如此重复下去，结果在 Rfz 上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波 形图是一样的。从图 3.1 中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压 等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电小。 3.2.2 滤波电路 滤波电路时一种能使有频率信号通过，同时抑制无用成分的电路，R10、C4 组成降压、滤波电路，经 C4 的滤波率去交流成分，电阻 R10 分得一部分电压起 到降压的作用。 3.2.3 声控走廊灯开关电路原理图 本科生课程设计（论文） 9 图 3.2 走廊灯控制电路图 本科生课程设计（论文） 10 第 4 章声光控制电路 4.1 控制电路 控制电路的主要作用是完成对声控和光控电路的控制，即照明电路的亮与不 亮都由控制电路来控制完成，控制电路是路灯控制电路中的主体电路，它包括声 控和光控电路，只有当声控和光控电路同时起作用时，即既有光信号又有声音信 路时，控制电路才会作用，开关打开。 该部分电路主要有声音信号转换电路，光信号转换电路和 TC4011BP 构成。 电路如图 4.1 所示。光控部分采用光敏电阻的感光特性来工作的，即当有光线的 时候，其处于低电阻状态，其上几乎不分得电压；在没有光线或者光线较暗的时 候，其处于高阻状态。光敏电阻的光电特性如图 4.1 所示，此电路就是利用光敏 电阻的光电特性输出高低电平信号来起到光控作用的。 声控部分主要是通过话筒等声音接收电路来把声音信号转化为电信号。三极 管 V1 在没有声音信号时处于饱和状态，当有声音信号时，声音信号通过电容的 耦合，短时间内拉低 V1 基极的电位，使三极管 V1 的瞬间截止,V1 的集电极上产 生一个瞬间高电平送入控制电路，经过处理，从而达到声控的目的。 图 4.1 光控制电路 本科生课程设计（论文） 11 图 4.2 光控制电路和光敏电阻的光电特性 4.2 开关电路 开并电路由一个开关管和两个分压电阻组成，由开关管的开关作用来控制发 光管的亮与灭。该部分工作原理如下：当 TC4011BP 的 3 脚输出高电平时经过 R2,R3 分压后供给 SCR 控制极一个约 2V 左右的开关信号，使开关管 V2 导通，灯 泡发光。当 TC4011BP 的 3 脚为低电平时，开关管关断， LED 熄灭，直到 3 脚变 为高电平时才亮。 其电路原理如图 4.2： 图 4.2 开关电路原理图 43 延时电路 延时电路的作用主要是完成保持晶闸持续导通一段时间，维持发光二极管持 本科生课程设计（论文） 12 续发光一段时间，持续时间的长短由延时电容的放电时间来决定，延时电容的放 电时间即为照明的持续时间，当充电电容通过电阻放电，从开始放电开始直到放 电结束的这一段时间（即由 R，C）来决定，只要改变电阻值或电容值，即可改变 充放电时间长短，从而维持 TC4011BP 的 8，9 脚的高电平在一段时间内保持不变， 从而决定 LED 的发光的时间长短，即维持照明的时间改变。其组成只要由电阻、 电容，电容是通过电阻放电的。改变电阻阻值和电容容量可以改变灯泡维持点亮 的时间。 图 4.3 延时电路 本科生课程设计（论文） 13 第 5 章调试 5.1 调试准备检查电路 在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定顺 序逐渐检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反， 轻轻拨一拨元器件。 5.2 通电观察 安装保险管后才能给电路通电。电源接通后首先保证安全，观察电路中是否 有冒烟、起火等现象。如果有，应立即断电，故障排除后继续通电，并注意观察 各器件引脚电压是否正常，打开电源，给系统加上激励信号源（如系统的拍手声、 打击声） ，用眼睛直接观察灯泡手否亮和按时熄灭。 5.3 调试 先用万用表测量电路有关电位是否正常。检查发光二极管是否正常正常工作。 发现不正常现象时，及时找出原因进行修改。 注意接线不得有误，接入电源，使脉冲发生电路正常工作。在光电二极管有 光与无光的情况下看总体电路的工作情况。观察