光控路燈的設計

1、光控路燈的設計課程設計任務書題目路燈光控開關的設計專業(yè)、班級 學號 姓名主要內容：利用二極管，光電池，繼電器等器件設計一個 可以通過光線變化自動控制路燈開關的電路?；疽螅?1) .能正確控制路燈開關。(2) .寫出相關設計原理。(3) .畫出電路圖。主要參考資料：(1)傳感器與傳感器技術何道清編科學出版社(4)傳感器理論與設計基礎單成祥編 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：年 月 日鄭州輕工業(yè)學院傳感器及應用系統課程設計說明書路燈光控開關的設計摘要 :光控路燈可以根據光線明暗自動控制開關狀態(tài)，主要用在 樓道等公共場所。光電池是能將光信號轉換成電信號的器件，通過三極 管

2、組成的多級放大電路可實現控制功能。此次實驗的路燈控制器是由光 電池，放大器，繼電器，二極管，電源電路等元件組成，核心是光電池 轉換光信號，傳送到繼電器，然后由繼電器控制電路通斷。通過此次設 計了解常用路燈控制的各種方法，及各自的優(yōu)缺點，通過相互的比較， 確定設計方案。通過此次課程設計能增強動手能力和實際電路設計能力, 更深刻理解相關電路原理及光敏元件光電特性，繼電器控制通斷原理， 加強對相關理論知識的理解。關鍵詞: 繼電器；光敏元件；關照變化；控制13L設計目的42 .基本要求43 .設計方案43.1 路燈控制器原理43.2 電路分析53 . 3器件選擇74 .電路原理圖106 .元器件列表1

3、27 .心得體會138 .參考文獻141 .設計目的利用二極管，光電池，繼電器等器件設計一個可以通過光線變化自 動控制路燈開關的電路。2 .基本要求(1) .能正確控制路燈開關。(2) .寫出相關設計原理。(3) .畫出電路圖。3.設計方案3.1 路燈控制器原理此路燈控制器設計主要由電池，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)達到一 定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。在這個電路中隨著 光照的變化，繼電器會相應的吸合或者斷開，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

4、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，BG1導通，BG2隨之導通，繼電 器J吸合，燈L點亮。圖3-1光電開關以光電池為核心元件的帶繼電器控制輸出的光控開關電路有許多形 式，在本實驗使用了簡單的繼電器開關電路。其工作原理是：有光照時 由于光電池輸出電動勢，激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，實現對外電路的控制。線 路的主回路的相線由交流接觸器的三個常開觸頭并聯以適應較大負荷的 需要。3. 2電路的分析利用光照為傳感器，目前最為常用且性價比較高的就是光電池，利 用其有光線時輸出電動勢，而無光線較時則不輸

5、出電動勢的特點，可將 光線信號轉換成電信號，再通過繼電器控制通斷可以有效地完成控制需 要。這類設計中，只要能將光線信號取出，整個設計也便完成了大半， 至于控制部分的設計，可采用繼電器輸出，這樣就算驅動較大的路燈負載，只需再加交流接觸器便可完成。在本系統的設計中，如何提高系統 在光線臨界狀態(tài)的穩(wěn)定性，是設計的難點所在。在設計中若能用運放電 路來完成處理，則可將運放接成電壓比較器的方式，這樣可以完成較為 精確的起控；若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 可以自動實現白天路燈自動點亮晚上自動關掉，既方便又實用。不僅節(jié) 約了

6、電能，而且能延長燈泡使用壽命?？蓮V泛應用于樓梯，走廊小區(qū)等 公共場所的照明控制。繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時，輸 出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。繼電器的輸入信號X從零連續(xù) 增加達到銜鐵開始吸合時的動作值XX,繼電器的輸出信號立刻從y=0跳 躍到產ym,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的比值叫做反饋 系數，即Kf= xf /xx觸點上輸出的控制功率Pc與線圈吸收的

7、最小功率 P。之比叫做繼電器的控制系數，即Kc=PC/P。輸入XY鐲出圖3-2繼電器的輸入輸出特性3. 3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（Ge管）和硅二極管（Si管）。根 據其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關二 極管等。按照管芯結構，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

8、踐中，我用的是整流二極管。1N4002是一種整 流二極管，它是利用二極管單向導電性，可以把方向交替變化的交流電 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兩種結構形式，但使用最多的是硅NPN和楮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結稱為發(fā)射結，而集電區(qū)與基區(qū) 形成的PN結稱為集電結，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集 電集c。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設 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

9、大的變化，且變化滿足一定的比例關系：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 我們把B叫做三極管的放大倍數印一般遠大于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1b的變化，1b的變化被放大后，導致了 1c很大的變化。如果集電 極電流1c是流過一個電阻R的，那么根據電壓計算公式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。電容電容器的基本作用就是充電與放電，但由這種基本充放電作用 所延伸出來的許多電路現象，使得電容器有著種種不同的用途，用 在耦合

10、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LED,是一種將電能轉換為光能的特殊二

11、極管，是 用半導體材料制作的正向偏置的PN結二極管。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)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左右，其發(fā)光機理是當在PN結兩端注入正向電流 時，注入的非平衡載流子（電子一空穴對）在擴散過程中復合發(fā)光，這 種發(fā)射過程主要對應光的自發(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 異質結邊發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的發(fā)光原理同樣可以用PN結的能帶結構來解釋。制作 半導體發(fā)光二極管的材料是重摻雜的，熱平衡狀

12、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結阻擋層的 限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復合，而當給PN結加以正向電壓 時，溝區(qū)導帶中的電子則可逃過PN結的勢壘進入到P區(qū)一側。于是在 PN結附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空穴相遇時， 便產生發(fā)光復合。這種發(fā)光復合所發(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、光功率一電流線性度好等顯著優(yōu)點，而且由于此項技術已 經發(fā)展得比較成熟，所以其價格非常便宜。因此在一些簡易的光纖傳感 器的設計中，如果LED能夠勝任，選用它作為光源即可大大降低整個傳

13、 感器的成本。然而LED的發(fā)光機理決定了它存在著很多的不足，如輸出 功率小、發(fā)射角大、譜線寬、響應速度低等。因此，在一些需要功率高、 調制速率快、單色性好的光源的傳感器設計中，就不得不以提高成本為 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直接把光信號轉變成電信號的器件，通 過磷（或硼）擴散形成Pn結而制作成的，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，當光照射到PN結上時，便在PN 結兩端產生電動勢。當P-N結受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產生光生載流子。但能引起光伏

14、效應的只能是本征吸 收所激發(fā)的少數載流子。因P區(qū)產生的光生空穴，N區(qū)產生的光生 電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結。只有P區(qū)的光生電子和N 區(qū)的光生空穴和結區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能 在內建電場作用下漂移過結。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉 向P區(qū)，即電子空穴對被內建電場分離。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。它們產生一個與 熱平衡PN結的內建電場方向相反的光生電場，其方向由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

15、負載，則外電路便有 電流通過，如此形成的一個個電池元件。4.電路原理路燈光電控制線路主回路相線由交流接觸器CJD-10的三個常開觸 頭并聯以適應較大負荷需要，接觸器觸頭的通斷由控制回路控制。當天黑無光照時光電池2CR本身的電阻和RI, R2組成分壓器，使 BG1基極電位為負，BG1導通，經BG2, BG3, BG4構成多級直流放大，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。調節(jié)R1可調整BG1的截止電壓，以達到

16、調節(jié)自動開關的靈敏 度。鄭州輕工業(yè)學院傳感器及應用系統課程設計說明書5 .元器件列表元件名稱元件參數R1470KR2200KR310KR457KR54.3KR625KR710KR8280KC1200UFC2200UFC31OOUF186 .心得體會課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，通過此次課程 設計，我明白了路燈控制器的工作原理，即通過光電池將光信號轉換成 電信號，利用繼電器的通斷控制路燈相應的開啟或關閉。也進一步掌握 了電路設計的技巧，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。鞏固與擴充了光電傳 感器等課程所學的內容，相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能 力也有了提高，也從中發(fā)現了自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加 以彌補。在課程設計過程中，我們不斷發(fā)現錯誤，不斷改正，不斷領悟，不 斷獲取。培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有 了提高。更重要的是，學會了很多平時理論課學