1、課程設(shè)計任務(wù)書題目路燈光控開關(guān)的設(shè)計專業(yè)、班級 學號主要內(nèi)容：利用二極管,光電池,繼電器等器件設(shè)計一個可以通過光線變化自動限制路燈開關(guān)的電路.根本要求：(1),能正確限制路燈開關(guān).(2),寫出相關(guān)設(shè)計原理.(3).畫出電路圖.主要參考資料：(1)傳感器與傳感器技術(shù)何道清編科學出版社(4)傳感器理論與設(shè)計根底單成祥編 國防工業(yè)出版社完成期限 指導教師簽名：課程負責人簽名：路燈光控開關(guān)的設(shè)計摘要: 光控路燈可以根據(jù)光線明暗自動限制開關(guān)狀態(tài),主要用在樓道等公共場所.光電池是能將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件,通過三極 管組成的多級放大電路可實現(xiàn)限制功能.此次實驗的路燈限制器是由光 電池,放大器,繼電器,二

2、極管,電源電路等元件組成,核心是光電池 轉(zhuǎn)換光信號,傳送到繼電器,然后由繼電器限制電路通斷.通過此次設(shè) 計了解常用路燈限制的各種方法,及各自的優(yōu)缺點,通過相互的比擬, 確定設(shè)計方案.通過此次課程設(shè)計能增強動手水平和實際電路設(shè)計水平, 更深刻理解相關(guān)電路原理及光敏元件光電特性,繼電器限制通斷原理, 增強對相關(guān)理論知識的理解.關(guān)鍵詞 :繼電器；光敏元件；照顧變化；限制1 .設(shè)計目的42 .根本要求43 .設(shè)計方案 43.1 路燈限制器原理43.2 電路分析53.3 器件選擇74 .電路原理圖 106 .元器件列表 127 .心得體會 138 .參考文獻 141 .設(shè)計目的利用二極管,光電池,繼電器

3、等器件設(shè)計一個可以通過光線變化自 動限制路燈開關(guān)的電路.2 .根本要求(1),能正確限制路燈開關(guān)(2) .寫出相關(guān)設(shè)計原理(3) .畫出電路圖.3.設(shè)計方案3.1 路燈限制器原理此路燈限制器設(shè)計主要由電池,放大器,繼電器,二極管,電源電 路等元件組成,繼電器是一種當輸入量電、磁、聲、光、熱到達一 定值時,輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動限制器件.在這個電路中隨著 光照的變化,繼電器會相應(yīng)的吸合或者斷開,即決定路燈工作與否.白 天有光照,光電池輸出電動勢,BG1加正向偏壓,BG1和BG2處于截止狀 態(tài),繼電器J不吸合,燈L不亮.當夜晚沒有光照,光電池無電動勢, BG1加反向偏壓,當上升到一定程度后,

4、BG1導通,BG2隨之導通,繼電 器J吸合,燈L點亮.圖3-1光電開關(guān)以光電池為核心元件的帶繼電器限制輸出的光控開關(guān)電路有許多形 式,在本實驗使用了簡單的繼電器開關(guān)電路.具工作原理是：有光照時 由于光電池輸出電動勢,鼓勵電流使繼電器工作,常開觸點閉合,沒有 光照時光電池不輸出電動勢,常閉觸點斷開,實現(xiàn)對外電路的限制.線 路的主回路的相線由交流接觸器的三個常開觸頭并聯(lián)以適應(yīng)較大負荷的 TW攵0電路的分析利用光照為傳感器,目前最為常用且性價比擬高的就是光電池,利 用具有光線時輸出電動勢,而無光線較時那么不輸出電動勢的特點,可將 光線信號轉(zhuǎn)換成電信號,再通過繼電器限制通斷可以有效地完成限制需 要.這

5、類設(shè)計中,只要能將光線信號取出,整個設(shè)計也便完成了大半, 至于限制局部的設(shè)計,可采用繼電器輸出,這樣就算驅(qū)動較大的路燈負載,只需再加交流接觸器便可完成.在本系統(tǒng)的設(shè)計中,如何提升系統(tǒng) 在光線臨界狀態(tài)的穩(wěn)定性,是設(shè)計的難點所在.在設(shè)計中假設(shè)能用運放 電路來完成處理,那么可將運放接成電壓比擬器的方式,這樣可以完成較 為精確的起控；假設(shè)采用分立元件來處理,可以采用穩(wěn)壓管來穩(wěn)定工作 點,只有當分壓大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時,電路才能起控.光控路燈控 制器可以自動實現(xiàn)白天路燈自動點亮晚上自動關(guān)掉,既方便又實用.不 僅節(jié)約了電能,而且能延長燈泡使用壽命.可廣泛應(yīng)用于樓梯,走廊小 區(qū)等公共場所的照明限制.繼電器

6、是一種當輸入量電、磁、聲、光、熱到達一定值時,輸 出量將發(fā)生跳躍式變化的自動限制器件.繼電器的輸入信號x從零連續(xù)增加到達銜鐵開始吸合時的動作值 xx,繼電器的輸出信號馬上從y=0跳 躍到y(tǒng)=yn即常開觸點從斷到通.一旦觸點閉合,輸入量x繼續(xù)增大,輸出信號y將不再起變化.當輸入量x從某一大于xx值下降到xf,繼 電器開始釋放,常開觸點斷開.我們把繼電器的這種特性叫做繼電特性, 也叫繼電器的輸入一輸出特性.釋放值 xf與動作值xx的比值叫做反應(yīng) 系數(shù),即Kf= xf /xx觸點上輸出的限制功率Pc與線圈吸收的最小功率 R之比叫做繼電器的限制系數(shù),即 Kc=PC/P.XY輸入輸出圖3-2繼電器的輸入

7、輸出特性器件的選擇半導體二極管幾乎在所有的電子電路中,都要用到半導體二極管,它在許多的電 路中起著重要的作用,它是誕生最早的半導體器件之一,其應(yīng)用也非常 廣泛.二極管種類有很多,作用也很多,主要作用包括整流,限幅,箝 位,隔離.我們設(shè)計所用的二極管組就是其中的整流二極管.二極管按 照所用的半導體材料,可分為錯二極管Gdt和硅二極管Si管.根 據(jù)其不同用途,可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二 極管等.根據(jù)管芯結(jié)構(gòu),又可分為點接觸型二極管、面接觸型二極管及 平面型二極管.在綜合實踐中,我用的是整流二極管.1N4002t一種整流二極管,它是利用二極管單向?qū)щ娦?可以把方向交替變化的交流

8、電 變換成單一方向的脈動直流電.三極管三極管按材料分有兩種：錯管和硅管.而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式,但使用最多的是硅 NPN和錯PNP兩種三極管, 對于NPN管,它是由2塊N型半導體中間夾著一塊 P型半導體所 組成,發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié),三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電集co三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的限制假設(shè) 電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話,并且基極電流很小的變化, 會引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電 流的變化量是基極電流變化量的 B倍,即電流變化被放大了 B倍,所以

9、我們把B叫做三極管的放大倍數(shù)B一般遠大于1,例如幾十,幾百.如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間,這就會引起基極 電流Ib的變化,Ib的變化被放大后,導致了 Ic很大的變化.如果集電 極電流Ic是流過一個電阻R的,那么根據(jù)電壓計算公式 U=R*I可以算 得,這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化.我們將這個電阻上的電壓取出 來,就得到了放大后的電壓信號了.電容電容器的根本作用就是充電與放電,但由這種根本充放電作用 所延伸出來的許多電路現(xiàn)象,使得電容器有著種種不同的用途,用 在耦合電路中的電容稱為耦合電容,在阻容耦合放大器和其他電容耦合 電路中大量使用這種電容電路,起隔直流通交流作用. 用在濾

10、波電路中 的電容器稱為濾波電容,在電源濾波和各種濾波器電路中使用這種電容 電路,濾波電容將一定頻段內(nèi)的信號從總信號中去除.在分頻電路中的電容器稱為分頻電容,在音箱的揚聲器分頻電路中,使用分頻電容 電路,以使高頻揚聲器工作在高頻段,中頻揚聲器工作在中頻段, 低頻揚聲器工作在低頻段.在補償電路中的電容器稱為補償電容,在 卡座的低音補償電路中,使用這種低頻補償電容電路,以提升放音信號 中的低頻信號,此外,還有高頻補償電容電路.發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱LER是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的特殊二極管,是 用半導體材料制作的正向偏置的 PN結(jié)二極管.發(fā)光二極管工作于正向偏 置狀態(tài),正向電流通過發(fā)光二級管,它會發(fā)

11、出光來,光的顏色視發(fā)光管 的材料而定,用紅色,黃色,綠色等等顏色.正向工作電壓一般不超過 2v,正向電流為10mA右,其發(fā)光機理是當在 PN結(jié)兩端注入正向電流 時,注入的非平衡載流子電子-空穴對在擴散過程中復(fù)合發(fā)光,這 種發(fā)射過程主要對應(yīng)光的自發(fā)發(fā)射過程.按光輸出的位置不同,發(fā)光二 極管可分為面發(fā)射型和邊發(fā)射型.我們最常用的 LED是InGaAsP/InP雙 異質(zhì)結(jié)邊發(fā)光二極管.發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用 PN結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)來解釋.制作 半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的,熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子,P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴.由于PN結(jié)阻擋層的限 制,在常態(tài)下,二者不能發(fā)生自

12、然復(fù)合,而當給 PN結(jié)加以正向電壓時, 溝區(qū)導帶中的電子那么可逃過 PN結(jié)的勢壘進入到P區(qū)一側(cè).于是在PN結(jié) 附近稍偏于P區(qū)一邊的地方,處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時,便產(chǎn)生 發(fā)光復(fù)合.這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射,輻射光的波長決定 于材料的禁帶寬度Eg.發(fā)光二極管具有可靠性較高,室溫下連續(xù)工作時 間長、光功率-電流線性度好等顯著優(yōu)點,而且由于此項技術(shù)已經(jīng)開展 得比擬成熟,所以其價格非常廉價.因此在一些簡易的光纖傳感器的設(shè) 計中,如果LED能夠勝任,選用它作為光源即可大大降低整個傳感器的 本錢.然而LED的發(fā)光機理決定了它存在著很多的缺乏,如輸出功率小、 發(fā)射角大、譜線寬、響應(yīng)速度低等.因

13、此,在一些需要功率高、調(diào)制速 率快、單色性好的光源的傳感器設(shè)計中,就不得不以提升本錢為代價, 選用其它更高性能的光源.3.3.5光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光信號轉(zhuǎn)變成電信號的器件,通 過磷或硼擴散形成Pn結(jié)而制作成的,用摻雜的氧化硅來制作的, 摻雜的目的是為了影響電子或空穴的行為.在有光照的情況下就是一個電源.它是一個大面積的 PN結(jié),當光照射到PN結(jié)上時,便在PN 結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢.當P-N結(jié)受光照時,樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生先生載流子.但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸 收所激發(fā)的少數(shù)載流子.因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴,N區(qū)產(chǎn)生的先生電子屬多子,都被勢壘阻擋而不能過結(jié).只有

14、P區(qū)的光生電子和 N區(qū)的先生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對少子擴散到結(jié)電場附近時能 在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié).光生電子被拉向N區(qū),光生空穴被拉向P區(qū),即電子空穴對被內(nèi)建電場別離.這導致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累,在 P區(qū)邊界附近有光生空穴積累.它們產(chǎn)生一個與 熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)建電場方向相反的光生電場,具方向由 P區(qū)指向 N區(qū).此電場使勢壘降低, 其減小量即光生電勢差,P端正,N端負.于是有結(jié)電流由 P區(qū)流向N區(qū),其方向與光電流相反.如果這時分 別在P型層和N型層焊上金屬導線,接通負載,那么外電路便有電流 通過,如此形成的一個個電池元件.4.電路原理圖路燈光電限制線路主回路相線由交流接觸器CJD-1

15、0的三個常開觸頭并聯(lián)以適應(yīng)較大負荷需要,接觸器觸頭的通斷由限制回路限制.當天黑無光照時光電池2CR本身的電阻和R1, R2組成分壓器,使 BG1基極電位為負,BG1導通,經(jīng)BG2 BG3 BG幽成多級直流放大,BG4 導通使繼電器J動作,從而接通交流接觸器,使常開觸頭閉和,路燈亮. 當天亮時,光電池受光照射后,產(chǎn)生 0.20.5V電動勢,使BG1在正偏壓 后截止,后面多級放大器不工作,BG4截止,繼電器J釋放使回路觸頭斷 開,燈滅.調(diào)節(jié)R1可調(diào)整BG1的截止電壓,以到達調(diào)節(jié)自動開關(guān)的靈敏 度.圖3-3總電路圖5.元器件列表元件名稱元件參數(shù)R1470KR2200KR310KR457KR5KR62

16、5KR710KR8280KC1200UFC2200UFC3100UF6 .心得體會課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐練習,通過此次課程設(shè)計,我明白了路燈限制器的工作原理,即通過光電池將光信號轉(zhuǎn)換成 電信號,利用繼電器的通斷限制路燈相應(yīng)的開啟或關(guān)閉.也進一步掌握 了電路設(shè)計的技巧,熟練了用制圖工具制圖的方法以及 WORD編輯文檔 的相關(guān)技巧,更深刻理解了光電池,繼電器,二極管,三極管的特性. 平時上課學到的理論運用于實踐,理解的更直觀.穩(wěn)固與擴充了光電傳 感器等課程所學的內(nèi)容,相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習,獨立思考的能 力也有了提升,也從中發(fā)現(xiàn)了自己平時學習的缺乏和薄弱環(huán)節(jié),從而加 以彌補.在課程設(shè)計過程中,我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤,不斷改正,不斷領(lǐng)悟,不 斷獲取.培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的水平,在各種其它水平上也都有 了提升.更重要的是,學會了很多平時理論課學不到的知識.課