模电课程设计Word下载.docx
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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
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。
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
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,
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