台灯亮度自动调节电路设计（论文）_2011.5.

1、 台灯亮度自动调节电路设计 i 摘 要 电子产品应用非常广泛，从交通工具到日常生活，从军事武器到工 业生产，无处不见它的踪影。电子技术的发展给我们的日常生活带来了 极大的便利。从 70 年代后期起，随着半导体光电子器件和硅基光导纤 维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始 结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、 物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾） ，并将探知的信息 传递给其他装置或器官。模拟电子技术基础主要研究半导体器件的性能、 参数，模拟电子线路的基本原理、分析方法及其计算。 本设计中给

2、出的双控调光台灯具有“手控”和“光控”两种功能， 它是在普通手动控制调光台灯的基础上加装一光控电路，使其能根据周 围环境照度自动调整台灯亮度，当环境照度较弱时，其亮度就大；当环 境照度较强时，其亮度就小。该台灯可适合学习者在合适的光线下学习， 以保护视力。 关键词关键词 光敏电阻；可控硅；导通角； 台灯亮度自动调节电路设计 ii abstract electronic products are widely used to daily life from traffic tools, from military weapons into industrial production, nowhe

3、re not see it in sight. the development of electronic technology to our daily life brought great convenience. from the late 1970s onwards, with semiconductor optoelectronic devices and silica-based optical fiber, two basic components in principle and the manufacturing process breakthrough, photon te

4、chnology and electronic technology combined and formed began full of vitality optoelectronic technology and industry information the sensor is a physical device or biological organs, would be able to detect, feeling outside signal, physical conditions (as light, heat and humidity) or chemical compos

5、ition (such as smoke), and will discovery of information to other devices or organs. analog electronic technology foundation research semiconductor devices performance, parameters, the basic principle of analog electronic circuit and their calculation and analysis method. double control dimmer desk

6、lamp given in this paper with a manual control and optical two functions, it is in the common move light manual control based on the desk lamp of adding a light-activated circuit, make its can be automatic adjustment according to the surrounding environment, intensity of illumination, when environme

7、nt illuminance lamp brightness weaker, its brightness is big; when environment illumination stronger, its brightness is small. this desk lamp can suitable for learners to the light of learning in the right, in order to protect eyesight. keywordskeywords：photoconductive resistance； scr； conduction an

8、gles； light-activate 台灯亮度自动调节电路设计 iii 目 录 摘 要.i abstract.ii 第一章 绪论.1 1.1 前言.1 1.2 台灯的发展历史.2 1.3 台灯的市场前景分析.3 1.3.1 品牌容量分析 .3 1.3.2 市场格局 .4 1.3.3 目前品牌状况分析 .4 第二章 光照控制自动调光台灯工作原理.5 2.1 普通 led 台灯的电路原理图.5 2.2 普通 led 台灯工作原理.5 2.3 光控台灯的电路原理图.6 2.4 光控台灯工作原理.6 第三章 方案设计.9 3.1 光感应部分.9 3.1.1 光敏电阻的定义.9 3.1.2.光敏电阻

9、的简介.9 3.1.3光敏电阻的工作原理：.10 3.2 分压器.11 3.2.1 串联分压的原理：.11 3.2.2 并联分流的原理：.11 3.3 张弛振荡器.12 3.3.1 张弛振荡器电路图 .12 3.3.2 单结晶体管的特性 .13 3.3.3 张弛振荡器的工作原理.14 台灯亮度自动调节电路设计 iv 3.4 晶闸管（可控硅）.15 3.4.1 可控硅的概念.16 3.4.2 可控硅的主要工作特性.16 3.4.3 可控硅的导通角.17 3.5 桥式整流电路.18 3.5.1 桥式整流电路的概念.18 3.5.2 桥式整流电路的原理.18 3.5.3 桥式整流电路的输入、输出关系

10、.19 第四章 硬件设计.21 4.1 原件清单.21 4.2 器件的检测方法.21 4.2.1 可控硅的检测.21 4.2.2 二极管的选择及检测 .22 4.2.3 电容的检测 .22 4.3 电路原理框图.23 4.4 protel dxp 简介.23 4.4.1 protel的发展简史.24 4.4.2 protel dxp 的组成.25 4.5 protel dxp 使用流程.26 4.5.1 设计文件怎样保存.27 4.5.2 创建一个新项目.27 4.5.3 创建一个新的 pcb 项目：.27 4.5.4 元器件的选择与放置.28 4.5.5 连接电路.32 4.5.6 创建一个

11、新的 pcb 文件 .33 4.5.7 电路原理图转换为 pcb 版图.36 4.5.8 pcb 的布线层.37 4.5.9 设置布线规则.38 4.5.10 在 pcb 版图中放置元件.41 台灯亮度自动调节电路设计 v 4.5.11 打印 pcb 版图 .42 4.5.12 加热制版 .42 4.5.13 元器件插装焊接.43 4.5.14 实物图 .43 结论.44 致谢.45 参考文献.46 台灯亮度自动调节电路设计 1 第一章 绪论 1.1 前言 随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实 现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近 我们的实际生活

12、。光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品， 由于本电路广泛应用于人们的日常生活中，所以，有很重要的作用。 由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源 产品的主要输出国之一。照明器材行业属一般性竞争行业，是我国轻工 业对外开放较早的行业之一。wto 后，国际上一些知名品牌大企业相 继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化。努力增加节能光源和不同 档次、花样、不同用途的照明器具的开发，加快绿色、节能光源产品的 开发推广和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点。我国照明器 材行业将面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商业利益也 成为一些企业瞩目的焦点。 随着全球经济一体

13、化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般 照明电器产品生产大量向发展中国家转移，而中国又是一个比较适合的 国家，一是中国具备生产这些产品的条件，二是劳动力成本比较低，从 而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。 展望未来的国内市场，需 求仍会呈逐年增长趋势，以下强力因素都预示着我国照明市场仍有很大 的潜力可挖。基础设施建设方面：机场、铁路、港口、城市轨道交通等 讯速发展，每一项工程均需要照明。城市亮化工程方面：城市广场、绿 地、道路、建筑物泛光照明，已从大城市发展到中小城市。 根据国内外市场需求预测，我国照明电器行业的高速增长期还将继 续，对未来的预测如何更加科学化是我们面临的问题。进一步提高

14、照明 产品的质量和档次进一步提高照明产品的质量和档次，这既是当前摆在 我们面前的课题，同时也是全行业共同努力的长期目标。就国内市场需 求而言，人们生活水平逐步提高，对生存环境质量的要求也越来越高， 台灯亮度自动调节电路设计 2 对照明电器产品提出更高的要求。新的建筑照明标准已完成制订工作， 即将批准执行，新标准基本与国际接轨，对不同场合的照明提高了要求， 也需要我们生产企业适应新标准的要求，为各类照明场所提供相应的产 品。从国际市场分析，虽然我们的出口逐年大幅度增长，但我国大部分 产品在国际市场仍属中低档水平，去过法兰克福的人都有体会，我们的 产品与国际先进水平相比还存在较大差距。另外，如果大

15、量劣质低价产 品出口，还会遭遇反倾销诉讼，从而影响全行业出口，因此我们仍要大 声疾呼，质量是企业的生命。 我国目前已成为世界照明电器产品生产 大国，我们的目标是要成为照明电器产品生产强国，我们与发达国家在 照明电器产品的质量、档次、生产工艺、设备、材料以及新产品开发能 力等方面均存在明显差距。看到我们取得成绩的同时，也能清醒地认识 我们存在的差距，才能不断地进步。让我们全行业共同努力，为照明电 器行业的健康发展做出更大的贡献。 1.2 台灯的发展历史 ingo maurer 是生于 1931 年的德国设计师。大大小小的设计杂 志上似乎都不得不提到这位 “光之诗人”。而几乎毫无疑问的 ingo

16、maurer 是这个世界上对光（灯）投入了最多心血和智慧的设计师。 距今为止 ingo maurer 设计了 120 多种不同类型的灯和照明装 置，而世界上更是有着无以记数的展会现场，公共空间，建筑设施， 私人处所的美妙氛围是由 ingo maurer 所一手营造。 ingo maurer 最早的自发的接触到光（灯）的设计来源于其对灯的着迷，他为之形 容为“perfect union of technology and poetry”（技术与诗意的完美 结合）。1966 年 ingo maurer 受惠于波普艺术设计了其第一件作品 ：一款拥有有巨大灯泡的台灯，完成了其向电灯的发明者爱迪生的敬

17、礼。此后的 30 多年间，ingo maurer 一直为光简单之美的诗意 追求而不断创造。 1992 年，lucellino 带着诗意的天使翅膀飘落人间 这也是 ingo maurer 最受赞誉和畅销的作品。工作在慕尼黑的 台灯亮度自动调节电路设计 3 “诗人”既不是极简主义者也不种牢牢守着那些设计理论的设计师。 只有对“无限多样性”的追求才是 ingo maure 的一件件作品所要平静 地阐发的。对他而言，设计不过是一种可以从日常生活就能获取灵感 的有趣科学。一件件的作品的创作可以说也就是一次次和灵感的偶遇 ，ingo maurer 用他安静的敏锐将它们（灵感）捕获，再用他诗人的 气质将一切

18、的美展现给一双双为之闪亮的双眸。而ingo maure 对 光的材料的研究尝试和革新才是其塑造一件件诗意作品的前提。从还 在学生时代作学校的印刷工起 ingo 就一直思考这用 “纸”来塑造光的 形状。1980 年的 lampampe 和 1997 年的 zettelz 就是来于纸的创造 。而对织物的运用以及塑造雕塑般的视觉效果则是ingo 设计中的又 一大特色。而 ingo maure 还走在技术的前沿，是一个 “先锋诗人” 。led（发光二极管）技术刚出现， ingomaure 马上就把其运用到 了 labellissimabrutta（1997）的设计上，让新技术散发诗的光芒。 其后作品

19、ohoodoo(1999),stardust(2000)和 el.e.dee(2001)的设计则无 一不继续延续了 ingo maure 试验风格和技术先锋的诗意设计美学。 1.3 台灯的市场前景分析 据中国照明学会调查资料表示：中国目前使用节能灯的家庭一亿户， 使用节能灯的酒店及公共场所更是多得难以统计；全国每年单节能灯市 场的总额在 120 亿以上，同时每年城市化的进程在以 6%的速度增长， 在这一速度增长下，灯饰产品更是以 30%的速度在增长。前景实在可观！ 1.3.1 品牌容量分析 目前，中国节能灯市场至少可以容纳近 20 个知名品牌，而目前现阶段 产业经营的品牌区隔还未开始! 台灯亮

20、度自动调节电路设计 4 1.3.2 市场格局 在节能灯生产企业中，都未有产值超过 10 亿的厂家(中国照明学会 资料)，可见行业的市场刚刚起步，目前不存在鲜明的市场格局。而且， 在照明企业中，多半数企业将产品多元化)工业、民用、城市照明等类 别)，没有将资金及市场集中使用。 1.3.3 目前品牌状况分析 在广东，几乎大大小小存在节能灯品牌不下 3000 个(据省工商局商 标科查询)。目前销售区域均没有在全国铺开，同时没有出现强势品牌 (老百姓指明购买)。 从以上市场背景分析，我们发现中国节能灯市场需求及市场容量 非常大，市场前景也非常可观，但还缺少品牌竞争力，营销网络的管理 和品牌精英都欠缺。

21、需要制定正确的销售渠道和营销政策，并且要让产 品形象清晰地攻入消费者心中，让产销纵联。也就是纵联品牌，纵联品 牌的销售方式有两种：直营专卖、加盟联销专卖。直营专卖的最大弊端 是所需资金庞大，市场启动资金太高；加盟联销专卖可以避免这一缺点。 即利用品牌及形象资源，结合销售管理手段，利用社会上游离资金，进 行特许加盟经营，这样既可以节省市场前期启动资金，又可以掌握市场 网络，有利于品牌形象的提升。 台灯亮度自动调节电路设计 5 第二章 光照控制自动调光台灯工作原理 2.1 普通 led 台灯的电路原理图 2.1 led 电路原理图 2.2 普通 led 台灯工作原理 遵循安全第一的民用电器的设计理

22、念，led 光源是一种低电压直流 恒流源的发光器件，不能用 100220v 的交流高压电直接点亮，因此， led 台灯方案的设计思路是，首先要将高压的交流电变换成低压的直 流恒流源，才能点亮 led 光源。使用最经济有效的方法降压和进行交 直流变换是设计的首要考虑，当今便携式电子产品使用交流电源的交直 流降压变换器适配器(adapter)就成了既经济实惠、又现成、又好用 的首选。适配器的输出电压要求稳定在 dc12v，输出电流要根据 led 的光源的功率来选择，一般要给予 30%的余量，以 31w 的白光 led 光源为例，1w 的白光 led 的标准工作电流应为 350ma，因而 3 个 l

23、ed 光源串联其电路需要的电流也是 350ma，考虑到延长 led 寿命和 降低光衰，可以设计为 300ma330ma，不会明显的影响 led 发光的 亮度，所以适配器的输出电流应选 750ma1a 的。 台灯亮度自动调节电路设计 6 ac220v 经由适配器在灯具外的安全降压变换，向 led 台灯提供稳 定的 12v 直流电源，在台灯底座壳内安置恒流源电源板，将直流电压 变换成稳定的直流恒流源，以满足 led 光源发光的技术要求。在直流 恒流源前可加一电源开关，以便在台灯不用时可关断直流电源，但不能 关断 220v 交流电源，因此不用时应从墙上取下适配器的电源插头，这 也是这个实用方案的唯一

24、“缺点”。如不想采用机械开关，并想要一个更 有创意的卖点，可选用电子触摸开关，如手指轻点可实现台灯的开-全 亮、半暗、关；由于电子技术的快速进步，电子触摸开关如今已是一个 低成本的器件。 2.3 光控台灯的电路原理图 2.2 光控台灯电路图 2.4 光控台灯工作原理 双控调光台灯具有手控和光控两种功能,它是在普通手动控制调 光台灯的基础上加装一光控电路,使其能根据周围环境照度自动调整台 灯亮度,当环境照度较弱时,其亮度就大;当环境照度较强时,其亮度就小。 该灯电路见图 1。当开关 s 拨向位置 2 时，它是一个普通调光台灯。 rp、c 和氖泡 n 组成张弛振荡器，用来产生脉冲触发可控硅 vs。

25、一般 台灯亮度自动调节电路设计 7 氖泡辉光导通电压为 6080v，当 c 充电到辉光电压时，n 辉光导通， vs 被触发导通。调节 rp 能改变 c 充电速率，从而能改变 vs 导通角， 达到调光的目的。r2、r3 构成分压器通过 vd5 也向 c 充电，改变 r2、r3 分压也能改变 vs 导通角，使灯的亮度发生变化。 当 s 拨向位置 1 时，光敏电阻 rg 取代 r3，当周围光线较弱时， rg 呈现高电阻，vd5 右端电位升高，电容 c 充电速率加快，振荡频率 变高，vs 导通角增大，电灯两端电压升高、高度增大。当周围光线增 强时，rg 电阻变小，与上述相反，电灯两端电压变低，高度减小

26、。 主回路 2.3 光控台灯原理图 在 v2 的正半周期内，加在 scr 阳极的电压为正，阴极为负，scr 承受正向电压，此时具备导通条件之一。 在此期间的某一时刻 t1 以前，由于未加触发脉冲，所以 scr 是正 向阻断的，灯泡上没有电流流过。如在 t1 时刻向 scr 的控制极施加 一触发脉冲，scr 立即导通，灯泡上便有电流流过。忽略 scr 的正向 控制回路 台灯亮度自动调节电路设计 8 压降，则灯泡上变化着的直流电压瞬时值 ud 和交流电源电压瞬时值 v2 相同。当 t=180 时， v2 降至零，scr 流过的电流降到维持电流以下 而使 scr 关断，此时灯泡上的电压和电流都消失。

27、在 v2 的负半周期， scr 承受反向电压，不能导通。直到第二个周期相当于 t1 时刻再施加 触发脉冲，scr 再次导通。所以，负载上的电压是变化着的脉动直流电 压。 台灯亮度自动调节电路设计 9 第三章 方案设计 根据题目的要求，确定如下方案：由实验电路图可将该系统分为五 个部分，这五个部分分别为： 1光感应部分 2分压器 3张弛振荡器 4晶闸管（可控硅） 5桥式整流电路 3.1 光感应部分 图 3.1 光敏电阻 3.1.1 光敏电阻的定义 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。

28、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。 3.1.2.光敏电阻的简介 光敏电阻器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 台灯亮度自动调节电路设计 10 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。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化 而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110m 欧,在强光 条件（100lx）下，

29、它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻 器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（ 0.40.76）m 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。 3.1.3光敏电阻的工作原理： 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 图 3.2 光敏电阻原理图

30、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。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。 台灯亮度自动调节电路设计 11 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，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从 而实现光电转

31、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。 3.2 分压器 图 3.3 分压器 3.2.1 串联分压的原理： 在串联电路中，各电阻上的电流相等，各电阻两端的电压之和等 于电路总电压。可知每个电阻上的电压小于电路总电压，故串联电阻 分压。 3.2.2 并联分流的原理： 在并联电路中，各电阻两端的电压相等，各电阻上的电流之和等 于总电流（干路电流）。可知每个电阻上的电流小于总电流（干路电 流），故并联电阻分流。 分压原理 r1:r2=u1：u2 分流原理 r1:r2= i 2:i 1 串联电路中分压原理：

32、u1：u2=r1：r2 并联电路中分压原理： i1：i2=r2：r1 台灯亮度自动调节电路设计 12 由此可知，当开关拨到 1 时，该电路属于 “光控”状态。r2 与光 敏电阻 rg 组成分压电路，可以向电容充电，当rg 变化时，vs 的导通角会发生变化。 当开关拨到 2 时，该电路属于 “手控”状态，这时 r2 于 r1 组成 固定的分压器，以固定的电流向电容充电，当开关拨到2 时，该电 路属于“手控”状态，这时 r2 于 r1 组成固定的分压器，以固定的电 流向电容充电，这是台灯亮度不发生变化 . 3.3 张弛振荡器 3.3.1 张弛振荡器电路图 图 3.4 张弛振荡器 台灯亮度自动调节电

33、路设计 13 3.3.2 单结晶体管的特性 图 3.5 单结管的特性 由图 3.5 可以看出，两基极 b1 与 b2 之间的电阻称为基极电阻： rbb=rb1+rb2 式中：rb1-第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流 ie 而变化，rb2 为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie 无关； 发射结是 pn 结，与二极管等效。 若在两个基极 b2、b1 间加上正电压 vbb，则 a 点电压为： va=rb1/(rb1+rb2)vbb=(rb1/rbb)vbb=vbb 式中：-称为分压比，其值一般在 0.3-0.85 之间，如果发射极电 压 ve 由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安

34、特性，见图2 图 3.6 单结晶体管的伏安特性 图 3.6 单结晶体管 （1）当 ve vbb 时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射 极只有很小的漏电流 iceo。 （2）当 ve vbb+vd vd 为二极管正向压降（约为 0.7 伏）， pn 结正向导通， ie 显著增加，rb1 阻值迅速减小， ve 相应下降， 台灯亮度自动调节电路设计 14 这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区 进入负阻区的临界 p 称为峰点，与其对就的发射极电压和电流，分 别称为峰点电压 vp 和峰点电流 ip 和峰点电流 ip。ip 是正向漏电流， 它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然

35、vp=vbb （3）随着发射极电流 ie 不断上升， ve 不断下降，降到 v 点 后，ve 不在降了，这点 v 称为谷点，与其对应的发射极电压和电流， 称为谷点电压， vv 和谷点电流 iv。 （4）过了 v 点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到 了饱和状态，所以 uc 继续增加时， ie 便缓慢地上升，显然 vv 是维 持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果vevv，管子重新截 止。 单结晶体管的主要参数： （1）基极间电阻 rbb 发射极开路时，基极 b1、b2 之间的电阻， 一般为 2-10 千欧，其数值随温度上升而增大。 （2）分压比 由管子内部结构决定的常数，一般0.3-0

36、.85。 （3）eb1 间反向电压 vcb1 b2 开路，在额定反向电压 vcb2 下， 基极 b1 与发射极 e 之间的反向耐压。 （4）反向电流 ieo b1 开路，在额定反向电压 vcb2 下，eb2 间 的反向电流。 （5）发射极饱和压降 veo 在最大发射极额定电流时， eb1 间的 压降。 （6）峰点电流 ip 单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点 电压时的发射极电流 3.3.3 张弛振荡器的工作原理 电源未接通前， c1 上的电压为零，开关闭和后， c1 通过 r 以 时间常数 r*c1 充电， c1 上的电压 uc 逐渐升高至峰点电压 up 时， 台灯亮度自动调节电路设计

37、15 e b1 导通，单结管进入负阻状态， c1 通过 e b1 经 r4 放电。 于是在 r4 两端产生输出脉冲 ur4 。 由于 r 的阻值较大，当 c1 上的电压降到谷点电压 uv 时， 经过 r 供给的电流小于谷点电流 ，不能满足导通的要求，于是 e b1 之间的电阻 rb1 迅速增大，单结管恢复阻断状态。然后 c1 又重新充电重复上述过程。由于 c1 的放电时间常数 (rb1+r4)*c1 远远小于充电时间常数 r*c1，所以 c1 上的电压 uc 呈锯齿波， r4 上的电压 ur4 为正向脉冲。 图 3.7 张弛振荡器原理 3.4 晶闸管（可控硅） 台灯亮度自动调节电路设计 16

38、图 3.8 晶闸管 3.4.1 可控硅的概念 晶闸管又叫可控硅 (silicon controlled rectifier, scr)。自从 20 世纪 50 年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有 单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、 快速晶闸管，等等。 可控硅器件是一种非常重要的功率器件，可用来做高电压和高电 流的控制。可控硅器件主要用在开关方面，使器件从关闭或是阻断的 状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然。可控硅器件与双极型晶 体管有密切的关系，二者的传导过程皆牵涉到电子和空穴，但可控硅 的开关机制和双极晶体管是不同的，且因为器件结构不同，可控硅

39、器 件有较宽广范围的电流、电压控制能力。现今的可控硅器件的额定电 流可以从几毫安到 5000a 以上，额定电压可以超过 10000v。下面 将讨论基本可控硅器件的工作原理，然后给出一些高功率和高频率的 可控硅器件。 图 3.9 可控硅结构示意图和符号图 3.4.2 可控硅的主要工作特性 为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，大家先看这块示教板 (图 3)。晶闸管 vs 与小灯泡 el 串联起来，通过开关 s 接在直流电 源上。注意阳极 a 是接电源的正极，阴极 k 接电源的负极，控制极 g 通过按钮开关 sb 接在 1.5v 直流电源的正极 (这里使用的是 kp1 台灯亮度自动调节电路设计 17

40、 型晶闸管，若采用 kp5 型，应接在 3v 直流电源的正极 )。晶闸管与 电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制 极所加的都是 正向电压。现在我们合上电源开关 s，小灯泡不亮， 说明晶闸管没有导通；再按一下按钮开关sb，给控制极输入一个触 发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什 么启发呢? 图 3.10 可控硅 这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极a 与阴 极 k 之间外加正向电压，二是在它的控制极g 与阴极 k 之间输入 一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压， 仍然维持导通状态。 3.4.3 可控硅的导通角 在电

41、力电子领域，导通角是指在一个周期内，由电力电子器件 （如晶闸管）控制其导通的角度。 交流电一般为正弦波形，它的一个周期为360 度，正半周占 180 度，负半周占 180 度。这里以可控硅作可控整流器件为例，当交 流电通过二极管整流器件时，器件让正半周期的180 度电流通过， 而负半周期的 180 度的电流则不能通过通过，这种方式称为半波整 流。 当交流电通过可控硅时，可以让交流电电流通过控制使其在 0180 度的任一角度处开始导通，即所谓可控整流，当正半周加到 台灯亮度自动调节电路设计 18 可控硅的阳极，在 180 度的某一角度时，在可控硅的控制极加一触 发脉冲，例如在 30 度加一脉冲，

42、可控硅只能通过余下的150 度的 电流。这种使可控硅导电的起始角度称为导通角。 3.5 桥式整流电路 图 3.11 桥式整流电路 3.5.1 桥式整流电路的概念 整流电路的作用是将交流变压电路输出的交流电转换成单向脉动 性直流电。整流电路主要由变压器、整流主电路和滤波器等组成。目 前主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载 之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体 情况而定，变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹 配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。 经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流 电压和交流电压的混合电压，习惯上称

43、单向脉动性直流电压。它在直 流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应 用。 台灯亮度自动调节电路设计 19 3.5.2 桥式整流电路的原理 桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种 电路由四只二 极管口连接成“桥”式结构。 图 3.12 桥式整流电路 v2 为正半周时，对 vt1、vt3 加正向电压， vt1、vt3 导通； 对 vt2、vt4 加反向电压， vt2、vt4 截止。电路成 v2、vtl、r、vt3 通电回路，在 r 上形成上正下负的半波整洗电 压，v2 为负半周时，对 vt2、vt4 加正向电压， vt2、vt4 导通。 对 vt1、vt3 加反向电压，

44、vt1、vt3 截止。电路中构成 v2、vt2、r 、vt4 通电回路，同样在 r 上形成上正下负的另外半 波的整流电压。如此重复下去，结果在r 上便得到全波整流电压。 3.5.3 桥式整流电路的输入、输出关系 图 3.13 整流电路输出波形图 台灯亮度自动调节电路设计 20 二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系及二极管选择的条件： 输出电压、电流与输入电压的关系： vo=20.45v2=0.9v2 io=0.9(vo/r） 二极管所承受的电流及耐压值 ： iv=io/2=0.45(vo/r） vrm=v2m 单向桥式整流电路二极管选择条件： ivzio/2=0.45(vo/r） vrm

45、v2m 台灯亮度自动调节电路设计 21 第四章 硬件设计 4.1 原件清单 本设计中所使用的元器件如下表 4.1 所示： 表 4.1 原件清单 编号名称型号 数量 r1电阻100k 1/8w1 r2电阻47k 1/8w1 r3电阻10k 1/8w1 rp可调电阻200k1 rg光敏电阻mg451 c涤纶电容器0.022uf cl11400v1 vd1-vd5整流二极管in40075 n氖泡导通电压为 6080v，如 nh4161 vs单向可控硅1a/400v 任何型号1 s单刀双掷开关1 4.2 器件的检测方法 4.2.1 可控硅的检测 用 r1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极(如印制

46、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， 台灯亮度自动调节电路设计 22 黑表笔马上离开控制极 k 这时表针仍有读数(注意触控制极时正负表笔 是始终连接说明该可控硅是完好的。 4.2.2 二极管的选择及检测 二极管采用普通的整流二极管 in4001in4007。总之，元件的选择 可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。在测试时先把指针表满偏同时 将指针表打到1k 档，其次：用表笔对电容进行放电，在用表进行测试， 用红笔接负极，黑笔接正极；最后：看指针的偏转，且还要指针还原， 如能还原就表明电容正常，不能回到原位则表明电容漏电。测试漏电电 容方法：用万用表的电阻挡

47、（r*100和 r*1k） ，将表笔接触电容器两引 线。刚接触时，由于电容充电电流大，表头指针偏转角度大，随着充电 电流减小，指针逐渐向 r=无穷方向返回，最后稳定处即漏电电阻值。 4.2.3 电容的检测 一般电容器的漏电电阻为几百至几千兆欧，漏电电阻相对小的电容 质量不好。测量时，若表头指针指到或接近欧姆零点，表示电容器内部 短路。若指针不动，始终指在 r=无穷处，则意味着电容器内部短路或 已失效。对于电容量在 0.1f 以下的小电容，由于漏电电阻接近无穷， 难以分辨，故不能此法侧漏电阻或判定好坏。 电解电容器的极性检测： 电解电容的正负极性不允许接错，当极 性接反时，可能因电解液的反向极化

48、，引起电解电容器的爆裂。当极性 标记无法辨认时，可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻 相对小的特点判断极性。交换表笔前后两次测量漏电电阻，阻值大的一 次，黑表笔接触的是正极，因为黑表笔与万用表内电池正极相接（采用 数字万用表时，红表笔接电池正极） 。但用这种办法有时并不能明显地 区分正、负向电阻，所以使用电解电容时，要注意保护极性标。 台灯亮度自动调节电路设计 23 4.3 电路原理框图 电 源 整流 电路 晶 闸 管 张 弛 振荡器 (小灯) 光敏 电阻 单刀 双掷 开关 普通 电阻 图 4.1 电路原理框图 1. 当开关拨向普通电阻时： 220v 交流电流经过整流电路变成单向电流

49、，流经小灯，此时为普通 台灯。 2. 当开关拨向光敏电阻时： 220v 交流电流经过整流电路变成单向电流，当光敏电阻产生的电信 号发生变化时，电阻的阻值发生变化，从而会改变晶闸管的导通角，最 终小灯两端的电压会发生改变，从而改变小灯的亮度。 4.4 protel dxp 简介 protel dxp 是一款 eda(electronic design automation，电子系统设 计自动化)设计软件，主要用于电路设计、电路仿真和印制电路板(pcb) 台灯亮度自动调节电路设计 24 的设计，同时还提供了超高速集成电器硬件描述语言(vhdl)的设计工 具进行现场可编程门阵列(fpga)设计。 4

50、.4.1 protel 的发展简史 protel 公司于 1985 年在澳大利亚的悉尼成立，同年推出第一代 dos 版设计软件1988 年 protel 软件的雏形 tango 软件包问世，它支 持原理图及 pcb 的设计和打印输出。同年，protel 公司在美国的硅谷设 立研发中心，开发的升级版 protel for dos 引入中国内地后，因其方便、 易学、实用的特点得到了广泛的应用。进入 20 世纪 90 年代以后，随着 个人计算机硬件性能的提高和 windows 操作系统的推出，protel 公司于 1991 年发布了世界上第一个基于 windows 环境的 eda 工具，奠定了其 在

51、桌面 eda 系统的领先地位。 1998 年，protel 公司推出 protel 98，将原理图设计、pcb 设计、无 网格布线器、可编程逻辑器件设计和混合电路模拟仿真集成于一体化设 计环境中。随后又推出了 protel 99 及 protel 99se 等产品。2002 年，该 公司更名为 altium 公司，又推出 protel dxp(design explorer)。protel dxp 与以前的 protel 99se 相比，在操作界面和操作步骤上有了很大的 改进，用户界面更加友好、直观，使用户操作更加便利。 altium 公司 2004 年又发布了完整的板级设计系统 protel

52、 2004 service pack 2 (sp2)。所有 protel 2004 用户可免费下载 sp2。据该公司 称，sp2 是自 altium 的 dxp 技术集成平台问世以来，protel 系统最实 质性的升级。 sp2 包括了 150 多项新功能和增强性能，以及 100 多处更新，使得 设计者能够借助 protel 更快地完成较为复杂的设计。新的 storage manager 构成增强型设计管理和版本控制的中心，能提供完整的工程级 文件控制，并提供使用方便的本地历史文档管理系统，以便比较和重新 检索文档的早期版本。 protel 2004 service pack 2 是业界惟一的

53、板级设计系统，可完整支持 fpga 器件的设计与集成直至 pcb 的实现。sp2 通过引入对 verilog 代 台灯亮度自动调节电路设计 25 码和源文件的支持，增强了 protel 的 fpga 设计能力，使 protel 设计者 能够同时使用原理图和 vhdl/verilog 代码完成 fpga 设计。hdl(硬件 描述语言)源代码文件的编译经过改善，能够对 hdl 层次结构进行智能 化处理，系统因此可自动确定 hdl 文件的顺序和层次结构，并在项目 面板上反映编译过程。 4.4.2 protel dxp 的组成 protel dxp 主要由原理图(schematics)设计模块、电路仿

54、真(simulate) 模块、pcb 设计模块和 cpld/fpga 设计模块组成。 原理图设计模块主要用于电路原理图的设计，生成.schdoc 文件， 为 pcb 的设计做前期准备工作，也可以用来单独设计电路原理 图或生产线使用的电路装配图。 电路仿真模块主要用于电路原理图的仿真运行，以检验/测试电 路的功能/性能，可生成.sdf 和.cfg 文件。通过对设计电路引入 虚拟的信号输入、电源等电路运行的必备条件，让电路进行仿 真运行，观察运行结果是否满足设计要求。 pcb 设计模块主要用于 pcb 的设计，生成的.pcbdoc 文件将直 接应用到 pcb 的生产中。 cpld/fpga 设计模

55、块可以借助 vhdl 描述或绘制原理图方式 进行设计，设计完成之后，提交给产品定制部门来制作具有特 定功能的元件。 protel 2004 中引入了集成库的概念， protel 2004 附带了 68 000 多个元件的设计库，这使得在原理图 中选择的元件已经有了需要的封装，并且这些封装都能完全符 合设计要求，当然，如果不满意的话也可以修改这个元件的封 装，还可以在 pcb 库编辑器中设计所需要的封装。 protel 2004 有 74 个板层可供设计使用 32 层 signal(信号层)、16 层 mechanical(机械层)、16 层 internal plane(内电层)、2 层 so

56、lder mask(阻焊层)、2 层 paste mask(锡膏 层)、2 层 silkscreen(丝印层)、2 层钻孔层(钻孔引导和钻孔冲压)、 台灯亮度自动调节电路设计 26 1 层 keep out(禁止布线层)和 1 层 multi-layer(横跨所有的信号 板层)。 protel 2004 中焊盘(pad)的形式 焊盘(pad)的外形有圆形、方形和八角形。焊盘堆叠结构包含 simple(所有的层数都相同)、top-mid-bottom(可对不同的层数 给出外定义，有 top、bottom 或者是 mid layers)和 full stack(每 个层都能各自定义 pad 点外形

57、)。 4.5 protel dxp 使用流程 protel dxp 是一款 windows nt/xp 的全 32 位电子设计系统。 protel dxp 提供一套完全集成的设计，这些工具让你很容易地将你的设 计从概念形成最终的板设计。 所有的 protel dxp 工具需要在一个单一应用环境-设计探索者（the design explorer）中运行。启动 protel dxp，设计探索者打开。设计探 索者是设计界面。要启动 protel 并打开设计探索者，从 windows 开始 菜单选择 programs altium protel dxp 。 当你打开 protel dxp 后， 将显

58、示最常用的初始任务以便方便选择。 台灯亮度自动调节电路设计 27 图 4.3 dxp 界面 在建立了设计文件夹后，你就能在原理图编辑器和 pcb 编辑器之 间转换。设计探索者将根据你当前所工作的编辑器来改变工具栏和菜单。 一些工作区面板的名字最初也会显示在工作区右下角。在这些名字上点 击将会弹出面板，这些面板可以通过移动、固定或隐藏来适应你的工作 环境。 4.5.1 设计文件的保存 protel dxp 将所有的设计文件和输出文件都作为个体文件保存在 你的硬盘。你可以使用 windows explorer 来查找。项目文件的建立可以 包含设计文件的连接，这样使得设计验证和同步成为可能。 4.5

59、.2 创建一个新项目 在 protel dxp 中，一个项目包括所有文件夹的连接和与设计有关的 设置。一个项目文件，例如 xxx.prjpcb ， 是一个 ascii 文本文件， 用于列出在项目里有哪些文件以及有关输出的配置。与原理图纸和目标 输出的连接，例如 pcb、fpga、vhdl 或库封装，将添加到项目中。 一旦项目被编辑，设计验证、同步和对比就会产生。例如，当项目被编 辑后，项目中的原始原理图或 pcb 的任何改变都会被更新。 建立一个新项目的步骤对各种类型的项目都是相同的。我们将以 pcb 项目为例。首先我们要创建一个项目文件，然后创建一个空的原理 图图纸以添加到新的空项目中。在这

60、个教程的最后我们将创建一个空白 pcb 并将它同样添加到项目中。 4.5.3 创建一个新的 pcb 项目： 1、在设计窗口的 pick a task 区中点击 create a new board level design project。 台灯亮度自动调节电路设计 28 图 4.4 新建任务 另外，你可以在 files 面板 中的 new 区点击 blank project (pcb) 。 如果这个面板未显示，选择 file new ， 或点击设计管理面板底 部的 files 标签。 2、 projects 面板出现。新的项目文件， pcb project1.prjpcb ， 与 “ no