声光控楼道延时开关的设计与实验

开放实验指导书声光控楼道延时开关的设计与制作指导教师：周云波年级专业:2012级物理学2班学号：201291014058姓名：王超声光控楼道延时开关的设计与制作一实验目的通过声光控楼道延时开关的设计、安装和调试，要求学会：（1）桥式整流电路、三级管放大电路、四与非门电路等参数的选择与应用。（2）掌握声光控楼道延时开关的测量与调试方法。二设计任务与要求1设计任务（1）设计一个声光控楼道延时开关，要求白天楼道光线正常时不论有、无人行走而楼道灯不亮，天黑时有人走动楼道灯才亮，无人走动时楼道灯不亮。（2）实现这一要求需要正确选择合适的声光控元件，并要求声光控开关延时14分钟。2设计要求（1）完成全电路的理论设计、安装和调试。（2）撰写设计、调试报告和心得体会。三声光控楼道延时开关的工作原理1光敏电阻器的介绍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。图1光敏电阻的电路及符号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。光敏电阻器的基本特性和主要参数暗电阻、亮电阻光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG41-21型光敏电阻亮阻小于等于1k。亮电流与暗电流之差称为光电流。本实验光敏电阻选用的是625A型，有光照射时电阻为20K以下，无光时电阻值大于100M、2双输入四与非门CD4011简介双输入四与非门CD4011数字集成电路外形和内部电路如图2和图3所示：他采用双列直插形式封装，共有14个引脚。图2双输入四与非门CD4011外形图3双输入四与非门CD4011内部门电路3可控硅MCR1006管脚介绍可控硅（SCR）也叫晶体闸流管，简称晶闸管,是由三个PN结（P1N1P2N2四层三端结构元件）构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关用。分析它的原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图4所示图4可控硅等效图解图当可控硅的阳极A和阴极K加上正向电压而控制极不加电压时，J2处于反向偏置，管子不导通，称之为阻断状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，形成正反馈，使ib2不断增大，如此正反馈循环的结果，两个管子的电流剧增，两支管子饱和状态。可控硅完全导通，称为触发导通过程。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，可控硅导通后，阳极和阴极的电压一般为0.6-1.2V,阳极电流可达几十到几千安。由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅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实现，从关断到导通必须满足两个条件：1、阳极电位高于阴极电位；2、控制极有足够的正向电压和电流，两者缺一不可。从导通到关断。1、阳极电位低于阴极电位；2、阳极电流小于维持电流，任一条件即可。本实验可控硅选用的是MCR1006型1A单向进口可控硅管脚如图5所示，若所需负载电流大则可选3A、6A、10A、12A等，它的测量方法：用RX1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极（如印制板图所示），这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极K，这时表针有读数，黑表笔马上离开这时表钟仍有读数（注意触控图5制极时正负表笔是始终连接的）说明该可控硅是完好的。4.驻极体话筒驻驻极话筒的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（称为背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改图6变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q=CU所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声电的变换。实际上驻极体话筒的结构如图6。机内型驻极体话筒有四种连接方式如图7所示图7驻极体话筒与电路的接法有两种：一般驻极体话筒有源极输出与漏极输出方式。源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线。漏极D接电源正极。源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压，信号由源极经电容C输出如图7（B、D）所示，编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。漏极输出类似晶体三极管的共发射极输出。只需两根引出线。漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出如图7（A、C）所示。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小，本实验是漏极输出。RS和RD的大小要根据电源电压大小来决定。一般可在2.25.1k间选用。例如电源电压为6V时，RS为4.7k，RD为2.2k。图7输出电路中，若电源为正极接地时，只须将D、S对换一下，仍可成为源、漏极输出。不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管。驻极体话筒的检测方法是：用RX100档将红表笔接外壳的S、黑表笔接D，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；驻极体话筒的特性参数工作电压Uds1.512V，常用的有1.5V，3V，4.5V三种工作电流Ids0.11mA之间输出阻抗一般小于2K（欧姆）灵敏度单位：伏/帕，国产的分为4档，红点（灵敏度最高）黄点，蓝点，白点（灵敏度最低）频率响应一般较为平坦指向性全向等效噪声级小于35分贝四声光控楼道延时开关的工作原理声光控楼道延时开关参考电路如图8所示，图中220V的交流电压经VD、R6及C2组成的16V整流滤波直流电源，该电源经R4使三极管VT获得正偏而饱和导通，M点接近于地电位0。在白天，光敏电阻RG接受到较强光线照射后电阻值变小（数千欧），其阻值远小于串联电阻R5，与R5分压后N点接近于地电位，此时M、N两点低电位同时加到与非门U1A电路的1、2输入端，故输出端3为高电位。与非门U2B电路4端输出为低电位，VD5截止。与非门电路U3C输入8、9端因R8接地（低）电位（因R8中无电流）而输出端10为高电位，同理，与非门电路U4D的输出11端为低电位，可控硅SCR的门极获得低电位触发而关断，电灯泡LAMP不亮。在晚上或楼道光线较暗时，因暗光使RG阻值变大（数兆欧），和R5串联分压接近于电源电压而获得高电位，故与非门UIA的输入1端为高电位，此时，在楼道没有人走动的情况下，M点仍然为低电位，故与非门UIA的输入2端为低电位，因此输出端3仍为高电位。电灯泡LAMP不亮。在有人走动的情况下，脚步声使话筒MIC产生电信号，经C1耦合到VT的基极，音频信号中的负半周使VT的M点瞬间变为高电位（接近于电源电压），此时，与非门UIA的输入1、2端同时为高电位，输出3端才变为低电位。与非门U2B输出4端变为高电位，VD5导通，C3迅速充电。与此同时（即C3开始充电初期），与非门U3C的输入8、9端和与非门U2B的输出4端同为高电位，与非门U3C的输出10端为低电位，与非门U4D输出11端为高电位，可控硅SCR的门极获得高电位而触发导通，电灯泡LAMP点亮。当脚步声产生的音频信号消失后，VT恢复到使M点又变为低电位，故与非门UIA的输入2端为低电位，因此输出端3又变为高电位。与非门U2B输出4端又变低电位，VD5又变为截止。此时C3通过R8放电，由于放电较缓慢，当C3放电使与非门U3C的输入端为低电位时，可控硅SCR的门极又获得低电位触发而关断，电灯泡LAMP不亮。C3通过R8的放电时间就是电灯延时点亮的时间，图8中二极管VD5的作用是防止与非门U2B输出4端为低电位时。C3通过U2B迅速放电。R2是话筒MIC工作时的偏置电阻。图8声光控开关参考电路五设计要求根据图8参考电路。1要求：（1）声光控开关必须同时具备声、光两个条件，电灯才亮。否则，电灯不亮。（2）灯泡功率15W100W。2根据要求选择电路中的主要元件即：单向控硅SCR及整流二极管（或桥堆），因为这两个承受的电压较高，电流较大。3元件选择：（1）根据声光控开关必须同时具备声、光两个条件，电灯才亮。应选用双输入四与非门CD4011数字集成电路，电源电压在318V之间。DV（2）根据功率PUI，求出灯泡电流，最大电流约为0.5A。应选用MCR1006-1A单向可控硅。其主要参数为：最大电流I0.8A，最大反向电压U400V。（3）选择整流二极管，根据灯泡电流，我们应选用1N4007二极管。六电路的焊接与调试1按如图9所示焊接电路，在焊接前，用万用表检查各个元、器件，无问题后在准备焊接。2准备焊接，首先，除去每个元件焊接处的氧化层并浸锡。3电路分两部分焊接，首先焊接上半部分，即桥式整流电容滤波电路，经指导老师检查无误后，通电测试直流电压是否16V，无误后断电。再焊接声光控电路部分，焊完后，经指导老师检查无误，再通电检查声光部分的M、N点在不同条件有无变化，无误后断电。其次，再焊接下半部的双输入四与非门CD4011电路，再进行总的调试。七学生实验报告撰写要求1.写出实验目的、声光控楼道延时开关的设计要求与原理，画出声光控制原理图；2.根据原理图焊接声光控楼道延时开关，调试好后将演示实物拍摄下来贴在报告后面；3.分析在声光控楼道延时开关的设计与制作过程中遇到的问题及解决方法，总结由本实验所获得的心得体会。八：实验心得体会通过这次声光控楼道延时开关的设计与制作的试验中,我本人得到了不少的收获,不仅加深了我对课本理论的认识,而且也提高了我的操作能力。这次的实验跟我们以前做的实验不同，因为我肯定这次实验是我和我的同学认认真真的完成。所以我觉得这次实验是我做的最好的一次，最有意义的一次。实验的过程全是我们学生自己动手来完成的，因此我们必须首先要弄懂实验的原理其次我们也要必须弄懂实验的操作方法。在这里我深深体会到哲学上理论对实践的指导作用：弄懂实验原理，而且体会到了实验的操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。我们做实验绝对不能人云亦云，要有自己的看法。在实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。培养这种能力的前题是你对每次实验的态度。如果你在实验这方