声光控延时电路的设计-电工电子技术课程设计

题目________________________________ 班级________________________________ 学号________________________________ 姓名________________________________ 指导________________________________ 时间________________________________

景德镇陶瓷学

电工电子技术课程设计任务书姓名____ 班级_ __ 指导老师

目录

1、总体方案与原理说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1

2、单元电路1（用实际的单元电路名称，下同）. . . . . . . . . . . . . . . . . . .a

3、单元电路2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .b

4、单元电路3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .c

5、总体电路原理相关说明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .e

6、总体电路原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .f

7、元件清单；. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .g

8、参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .h

9、设计心得体会. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

1、总体方案与原理说明

它主要由9部分组成：整流、稳压二极管；话筒；光敏电阻，可控硅开关等。能够通过调节电阻和电容的大小来改变灯亮的时间长短，如果时间过长就应该减小电阻或电容的值，反之则增大。光敏电阻和话筒的高度也会使灯的时间受到影响。声光控节电开关,在白天或光线较亮时,节电开关呈关闭状态,灯不亮；夜间或光线较暗时，节电开关呈预备工作状态，当有人经过该开关附近时，脚步声、咳嗽声、说话声、拍手声、车的喇叭声等等都能开启节能开关。灯亮后大概一分钟左右节能灯自动关闭。这样的开关一般用在公共场合较多，比如走廊、厕所等地方。该装置既能节约能源又能延长灯泡的寿命，一举两得。给人们的生活带来很多好处，所以一直被民众广泛使用。

因为这个装置是声光控延时开关就是用声音来控制开关的开启，若干分钟后延时开关“自动关闭"。所以，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，由此可画出电路的方框图：

图一

声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒BM接收并转换成电信号，经C1

到VT的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(VD1)的2脚，R4、R7是VT 偏置电阻，C2是电源滤波电容。

为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻Rg等元件组成光控电路，R5和Rg组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，Rg两端的电压高，即为高电平间t=2πR8C3，改变R8或C3的值，可改变延时时间，满足不同目的。VD3和VD4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当C3充电到一定电平时，信号经与非门VD3、VD4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C3充满电后只向R8放电，当放电到一定电平时，经与非门VD3、VD4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。

二极管VD1～VD4将交流220V进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，

C2滤波后即为电路的直流电源，为BM、VT、IC等供电

声光控制节能灯主要由三部分组成，分别为声控电路，光控电路，延时电路，下面我将分块对电路的原理加以详细的阐述。

光控电路

图2

结合图 2 来分析图 1 。白天，光敏电阻器RL呈现低电阻，与非门D2的4脚为低电平，则输出高电平，VD1截止，所以电路封锁了声音通道，使声音脉冲不能通过，此时总控制门D3不通，晶闸管SCR截止，所以电灯EL不能点亮。夜间RL呈现高电阻，使与非门D2的4输入端为逻辑高电平“1”，这就为声音通道的考通创造了条件。

声控电路

当在夜晚时，光控电路已为声音通道开通创造了条件。如果此时楼梯有人走动或者有人谈话，话筒BM拾取了声音信号经与非门D1放大输出，经C2耦合加到R3的两端，即与非门D2的5号输入端。当音频信号的正半周期峰值电平超过与非门的输入阈值电平时，与非门D2因两个输入端均为逻辑”0”,则输出端为逻辑“1”，

此高电平经过R7加至晶闸管SCR的门极，使SCR触发开通，接通由整流桥组成的电源电路，此时电灯EL即可点亮。

延时电路

当夜晚．同时又有外界声音信号时，控制门 ( 与非门 )D2的两个输入端均为高电平，输出为低电平，VD1导通，在VD1导通的瞬间，C3被迅速充电，在声音信号过后，VD1虽然恢复了截止，但由于C3储存电荷需要通过高值电阻慢慢放电，从而使与非门D3的输入端仍然保持低电平“0”，所以电灯EL不会马上熄灭。随后则C3的放电，与非门D3的输入端得电平不断升高，当升至与非门阈值电压时，与非门D3发生翻转，输出端就变成低电平“0”，晶闸管SCR当交流电过零时即关断，电灯EL才熄灭。电路的延迟时间主要有R5,C3等放电时间常数

决定。T=2πR

5C

3，

增减R5或C3的数值可以调整电路的延迟时间。本设计的延时

时间约为5分钟，即灯亮后若不再有声音5分钟后灯自动熄灭。

二极管 VD2-VD5 将交流 220V 进行桥式整流．变成脉动直流电。又经 R6 降压， C4 滤波后即为电路的直流电源，为 BM 、 IC 等供电。控制部分电路就是通过控制可控硅的导通与截止进而连接和切断供电电路，而达到目的。

5．总体电路原理相关说明

本电路是采用分离元件的声控延时电路，其电路原理图如图1所示，原理图说明：220V的灯充电直接整流。在输出端串联25W灯泡，输出端接可控硅（负载）供电电路稳压电路，稳压电路是给话筒放大，音频放大等提供8.2V直流电，话筒放大，可以把声音信号转换为电信号并放大，然后，经过音频放大器使信号达到足够大；检波音频信号的正半周，即把音频信号转换为直流信号。经过延时电路以后送到控制电路，由控制电路去控制可控硅，若可控硅断开，则整流电路负载断开，若导通，则整流电路负载导通。光敏控制电路把光照变成电信号，从而去控制音频信号往后边输送情况。可见：本电路灯泡要受可控硅的控制，可控硅受话筒取得的音频信号和光敏电阻的控制，从而可以实现声控和光控；灯亮的时间由延时电路的时间长度决定。

（一）、可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件,一般由

当夜晚．同时又有外界声音信号时，控制门 ( 与非门 )D2的两个输入端均为高电平，输出为低电平，VD1导通，在VD1导通的瞬间，C3被迅速充电，在声音信号过后，VD1虽然恢复了截止，但由于C3储存电荷需要通过高值电阻慢慢放电，从而使与非门D3的输入端仍然保持低电平“0”，所以电灯EL不会马上熄灭。随后则C3的放电，与非门D3的输入端得电平不断升高，当升至与非门阈值电压时，与非门D3发生翻转，输出端就变成低电平“0”，晶闸管SCR当交流电过零时即关断，电灯EL才熄灭。电路的延迟时间主要有R5,C3等放电时间常数

决定。T=2πR

5C

3，

增减R5或C3的数值可以调整电路的延迟时间。本设计的延时

时间约为5分钟，即灯亮后若不再有声音5分钟后灯自动熄灭。

二极管 VD2-VD5 将交流 220V 进行桥式整流．变成脉动直流电。又经 R6 降压， C4 滤波后即为电路的直流电源，为 BM 、 IC 等供电。控制部分电路就是通过控制可控硅的导通与截止进而连接和切断供电电路，而达到目的。

两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。（如附图一所示）。

附图一：单向可控硅的外形

晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

（二）、从晶闸管的内部分析工作过程：

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结附录图四，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管（附图二）。

当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流相应为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,

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=a1Ia+a2Ik+Ic0

若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

从而可以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。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN 管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP 管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。

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a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。

IC选用CMOS数字集成电路CD4011（见附图二），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1 a／400v的进口单向可控硅1 00-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a 等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图六示，它的测量方法是：用r×1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。驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：用r×100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；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100mq ，说明该元件是完好的。二极管采用普通的整流二极管1n4001～1n4007。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（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。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0.1μF 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。 附图二：CD4011的引脚图

335577

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6、总体电路原理图

图表 1

声光控延时开关的电路原理图见图 1 所示。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路 CD4011 。其内部含有 4 个独立的与非门 D1 ～ D4 ，电路结构简单。可靠性高。本设计中只用到了集成块中的三个与非门。

元件清单

IC 选用 CMOS 数字集成电路 CD4011 ， CD4011 有四个独立的与非门电路，内部功能见图 3 ， 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 1006 型，如负载电流大可选用 3A 、 6A 、 10A 等规格的单向可控硅，它的测量方法是：用 RX1 档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极，这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极 K ，这时表有读数，黑表笔马上离开这时表仍有读数 ( 注意触控制极时正负表笔是始终连接的 ) 说明该可控硅是完好的。驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：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；光敏电阻选用的是625A 型，有光照射时电阻为 20K 以下，无光时电阻值大干100M Ω，说明该元件是完好的。二极管采用普通的整流二极管 1N4001 ～ 1N4007 。总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。其它元件按图 1 所示的标注即可。

序号名称型号规格位号数量

1 集成块TC4011 IC 1块

2 话筒54+2DB BM 1个

3 二极管1N4148 VS 1只

4 二极管1n4007 D1-D

5 5只

5 点解电容10u,100u C3,C4 2只

6 瓷片电容0.01,0.1u C1,C2 2只

7 电阻100K R6 1只

8 电阻 5.1 R5 1只

9 电阻1M R4 1只

10 电阻270K R3 1只

11 电阻 2.7M R2 1只

12 电阻10K R1 1只

13 单向可控硅100-6 SCR 1只

14 光敏电阻器3K-5M RL 1只

8.参考文献

1. 何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月

2. 姚福安，电子电路设计与实践，山东科技技术出版社，2001年10月

3. 王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月

4. 李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月

5. 康华光，电子技术基础，高教出版社，2003年

6．韩振振，数字电路逻辑设计，大连理工大学出版社，2000年

7．湘潭电机制造学校，可控硅技术，机械工业出版社，1979年

设计心得体会（占完整一页）

经过一周课程设计的学习，我已经能自己设计一个简易声光控延时照明灯电路，这是一周的学习换来的成果。

通过在网上搜索课程设计的相关内容，也到学校图书馆借相关书籍，经过不断比较与讨论，最终确定了声光控延时照明灯的电路原理图。通过这次课程设计，我明白了不管是学习哪种软件，如果以前没有没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是查阅相关资料，如果找不到就向老师和其他同学请教，因为每个人掌握情况不一样，一个人不可能做到处处都懂，集合多个人的思想，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会。尽管现在只是初步学会了声光控延时照明等电路的设计，但学习的这段日子确实令我收益匪浅，不仅因为它发生在特别的时间，更重要的是我又多掌握了一门新的技术，付出的过程中我已经收获了很多快乐！

做课程设计这段时间是这一学期比较忙的日子，面临着即将到来的四级考试和期末考试，再加上对Protel99比较陌生，一周内必须完成这项课程设计，任务比较重。由于缺乏对Protel99相关知识的了解，我们从网络上查阅了不少相关资料。

一周的电子课程设计即将结束，这一周学到了很多东西。以前对知识的了解仅限于理论知识，而且是有的能够理会，有的只是停留在似懂非懂的状态。对于器件就不知道有什么用途，也就更加难以理解。但这一周之后，我对电子技术有了更深的理解，知道了自己的不足，同时也明白了所学知识的重要性，培养了自己对课程设计学习的兴趣。我们在学校时很难有机会锻炼自己的动手能力，刚设计时不免有一些不知所措。但在老师的指引下我参考了很多资料书，查阅了相关知识之后，才渐渐有了思路。对于我们这些大二的学生，由于动手能力不足，很难在一周内完成所要设计的课件，就需要组员之间不断的配合，充分的合作才能更完美的设计自己的电路。

通过这次的电子电工课程设计我受益匪浅，不仅巩固了先前学的模电的理论知识，而且培养了动手能力和团队合作的能力，更令我的创造性思维得到拓展。希望今后类似这样的锻炼机会能更多。

最后，我能顺利完成这次课程设计，首先要感谢老师的悉心指导，其次要感谢我的同学，如果没有他们给我的意见，凭我一个人是完成不了这个实验的，这个实验是大家的努力换回了这次课程设计的成功！