紅外感應燈電路設計及原理

1、紅外感應燈電路設計及原理1、電路主要光學元件（1）光敏電阻的應用光敏電阻又稱光導管 , 它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。 光敏電阻 沒有極性 , 是一個電阻器件。 制作光敏電阻的材料一般是金屬硫化物和金屬硒化 物，通常采用涂敷、噴涂等方法，在陶瓷基片上涂上半導體薄膜，經(jīng)燒結而成。光敏電阻的結構：在底板上均勻地涂上一層薄薄的半導體物質(zhì)， 稱為光導層。 半導體的兩端裝有金屬電極與引出線端相連接， 通過引出線端接入電路。 為了防 止周圍介質(zhì)的影響， 在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜， 漆膜的成分應使它在光 敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。 為了提高靈敏度， 光敏電阻的電極一般采 用梳狀圖案，光

2、敏電阻結構， 光敏電阻電極， 光敏電阻接線圖光敏電阻工作原理 - 內(nèi)光電效應。 光照射到本征半導體上， 材料中的價帶電子吸收了光子能量躍遷 到導帶，激發(fā)出電子、空穴對，增強了導電性能，使阻值降低。光照停止，電子 空穴對又復合，阻值恢復。亮電阻很小，暗電阻很大。要使價帶電電子躍遷到導 帶，入射光子的能量滿足剛好發(fā)生內(nèi)光電效應的臨界波長。常用的光敏電阻器是硫化鎘光敏電阻器， 它是由半導體材料制成的。 光敏電 阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達1-10血；在強光條件（100LX ）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至 數(shù)千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（ 即光譜

3、特性） 與人眼對可見光 （0.4-0. 76um）的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。本電路采用MG42型CdS光敏電阻，CdS光敏電阻屬半導體光敏器件，產(chǎn) 品經(jīng)受強化老練實驗，除具有靈敏度高，反應速度快，光譜特性好等特點外，在 高溫、多濕的惡劣環(huán)境下， 仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性， 適合于將其用于 各種環(huán)境， MG42 型光敏電阻與其它型號相比具有： 工作電壓和額定功率比較低 的特點，其亮、暗電阻也適合于本照明電路的需要， 所以在設計時選擇了這個型 號。（2）可控硅元件的工作原理可控硅是 P1N1P2N2 四層三端結構元件，共有三個 PN 結，分析原理時，可 以把它看

4、作由一個PNP管和一個NPN管所組成，其等效圖解如圖1所示圖1可控硅等效圖解圖當陽極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從 控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集 電極電流ic2=B 2ib2因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。 此時，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic仁B 1ib=B 1B 2ib2這 個電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán) 的結果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導通。由于BG1和BG2所構成的正反饋作用，所以一旦可控硅導通后，即使控制

5、極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作 用，沒有關斷功能，所以這種可控硅是不可關斷的。由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關特性，這種特性需要一定的條件才能轉化，此條件見表 1表1可控硅導通和關斷條件狀態(tài)條件說明從關斷到導通1、陽極電位高于陰極電位2、控制極有足夠的正向電壓和電流兩者缺一不可維持導通1、陽極電位高于陰極電位2、陽極電流大于維持電流兩者缺一不可從導通到關斷1、陽極電位低于陰極電位2、陽極電流小于維持電流任一條件即可在控制極G上加入正向電壓時因J3正偏，P2區(qū)的空穴時入N2區(qū)，N2區(qū) 的電子進入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在可控硅的內(nèi)部正

6、反饋作用（見圖2）的基礎上，加上IGT的作用，使可控硅提前導通，導致圖 2的伏安特性0A段 左移，IGT越大，特性左移越快。利用可控硅的觸發(fā)導通性能就可實現(xiàn)對照明燈的控制，即相當于一個開關的作用。單向可控硅具有一觸即發(fā)實現(xiàn)自鎖的功能。本電路選用單向可控硅，其最大工作電流（1A）和最高工作電壓（400V）完全能滿足本電路的需要，控制極 電流在10uA30uA之間，故觸發(fā)靈敏度很高。（3）菲涅爾透鏡的應用所謂的菲涅爾透鏡就是一種由塑料制成的特殊設計的光學透鏡組， 它與熱釋 電元件配合，可以提高傳感器的靈敏度，擴大監(jiān)視范圍。實驗證明，傳感器加上 菲涅爾透鏡后，其檢測距離可以由原來的 2米而增加到 1

7、0 米。透鏡的工作原理 是當移動物體或人體發(fā)射的紅外線進入透鏡的監(jiān)視范圍，就會產(chǎn)生一個交替的 “盲區(qū)”和“高敏感區(qū)” ，使傳感器晶片的兩個反向串聯(lián)的熱釋電元件是輪流感 受到運動物體，所以人體的紅外輻射以光脈沖的形式不斷改變熱釋電元件的溫 度，使它輸出一串脈沖信號， 若人體靜止不動地站在熱釋電元件前， 它會無輸出， 可提高熱釋電紅外傳感器的抗干擾性能 8。菲涅爾透鏡的主要作用就是將探測空間的紅外線有效地集中到傳感器上。 通 過分布在鏡片上的同心圓的窄帶 （視窗） 用來實現(xiàn)紅外線的聚集， 相當于凸透鏡 的作用。這部分選擇主要是看透鏡窄帶的設計及透鏡材質(zhì)。 考慮透鏡的參數(shù)主要 有：光通量、 不同透鏡

8、同心度、 厚度不均勻性、 透鏡光軸與外形同心度、 透過率、 焦距誤差等。菲涅爾透鏡窄帶（視窗）的設計一般都是不均勻的，自上而下分為 幾排，上面較多、下邊較少，一般中間密集、兩側疏。因為人臉部、膝部、手臂 紅外輻射較強， 正好對著上邊的透鏡； 下邊較少， 一是因為人體下部紅外輻射較 弱，二是為防止地面小動物紅外輻射干擾。材質(zhì)一般用有機玻璃。2、系統(tǒng)及工作流程設計整個照明控制系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、 信號處理和執(zhí)行電路等及部分組成。 在光學系統(tǒng)中菲涅爾透鏡可以將人體輻射的 紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上， 同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和 盲區(qū)，以適應熱釋電探測

9、元要求信號不斷變化的特性 9；熱釋電紅外探測器是紅 外感應燈的核心器件， 它可以把人體的紅外信號轉變?yōu)殡娦盘栆怨┬盘柼幚聿糠?使用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波、比較、延時， 為照明功能的實現(xiàn)打下基礎。(1 )雙元熱釋電紅外傳感器工作原理分析無論反向串聯(lián)型傳感器中的兩個紅外敏感元件的幾何形狀和相互位置關系如何，都可以用圖2(a)來表示(假設a為檢測元件，b為噪聲補償元件)?，F(xiàn)在 假設有人體從傳感器前沿著兩個敏感元件反向串聯(lián)的方向從左向右經(jīng)過，則根據(jù)人體與敏感元件相對位置的不同可對傳感器信號產(chǎn)生作出分析。如圖2(b)所示,當人體剛剛進入傳感器視野的時候，由于人體到兩個敏感元

10、件的距離及角度不同 而造成入射到兩敏感元件上的能量變化速率不同，具體是a>b,因此傳感器輸出信號應以a的信號為主，可設符號為“ + ”。如圖2(c)所示，當人體運動到傳感器視野中央位置附近時，對于兩個敏感元件來說一個是離開一個是接近，于是各自產(chǎn)生的信號符號不同，但由于兩元件反向串聯(lián)，因此傳感器輸出信號應是二 者信號的反向迭加的結果，其值比任一元件單獨產(chǎn)生的信號都要大，故符號為“”。如圖2(d)所示，當人體運動到即將離開傳感器視野時，兩敏感元件上 的能量變化情況是b>a,因此傳感器輸出信號應該以b為主，由于對于b來說人 體離開且它的串聯(lián)方式與a相反，故符號為“ + ”。由于傳感器輸出

11、信號波形是 連續(xù)的，再根據(jù)以上分析，可以得出傳感器輸出波形大致如圖2(e)所示，波形的第二個正峰值低于第一個正峰值是由于敏感元件b為噪聲補償元件，蒸有紅外反射膜，因此它產(chǎn)生的輸出信號較小。如果人體運動方向相反，則分析也可類似 進行，而得到的結果恰好相反，如圖2(f)所示。這樣，根據(jù)上面的分析就可將人 體運動通過傳感器的輸出信號波形檢測出來。TTT77紅外窗口/_77777/ / /77 7777777777a ba ba b(a)a b(d)(b)(c)圖2傳感器工作原理示意圖2) 信號處理電路設計通過前面對雙元型傳感器對人體運動判斷工作原理的分析， 已經(jīng)知道從傳感 器的輸出信號波形來看是可以

12、判斷出人體的運動。 但是，從傳感器輸出的信號顯 然是不可以直接作為照明系統(tǒng)的控制信號， 因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過一個 專門的信號處理電路， 使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉變成適合于控制照明 燈的信號。 放大電路本電路使用的芯片 IC1 使用廉價的四運放 LM324 ，用其中兩個運放組成帶 通放大器。放大電路由R2、R3、IC1a和R6、R7、IC1b組成兩級低頻帶通高增 益放大器，增益取值應以能夠將傳感器的輸出信號電壓放大至便于處理的1.04.5V為宜。第一級放大器增益為：Avi =R3/ R2,第二級放大器增益為：Av2=R7/ R6, 總放大增益為：Av=Avi X Av2。當選擇適

13、當?shù)碾娮柚岛缶涂蓪⒃鲆嬖O置到適當 的值。 電壓比較器 電壓比較器起到有無人體進入檢測區(qū)的作用，同時也消除環(huán)境溫度變化所 產(chǎn)生的干擾。當傳感器探測到人體輻射的紅外線信號并經(jīng)放大后送到窗口比較器 時，若信號幅度超過窗口比較器的上下限， 系統(tǒng)將輸出低電平信號； 無異常情況 時則輸出高電平信號。 LM324 另外兩個運放組成電壓比較檢測窗口，在比較器 中，兩個電阻與兩只二極管用作參考電壓， 將分壓器的中點電壓設定到電源電壓 6v的一半3v，經(jīng)兩只二極管分壓后將上下限電壓分別設定到3.6v、2.4v。靜態(tài)時第一級放大器輸出的干擾信號電壓幅度在 2. 43.6v 這個范圍。 延時電路延時電路使用IC2單時

14、基電路NE555,延時時間T=1. 1RC。選擇適當?shù)膮?數(shù)就可以控制延時時間。 其作用有兩個： 一是為人離開檢測區(qū)是提供一段延時時 間；二是在人進入檢測區(qū)后提供關斷檢測器所需的時間， 延時電路工作是輸出的 高電平使可控硅導通，照明燈接通電源后就亮。3、電路原理圖電路原理如圖 3所示2 sw-§1N4S4圖3紅外感應燈電路設計圖4、電路工作原理熱釋電控制自動節(jié)能燈電路中的信號放大器由兩部分組成，第一部分是由ICIa、ICIb組成的兩級低頻帶通高增益放大器，第二部分是由ICIc和ICId組成的雙限電壓比較器。本電路采用的信號電壓比較器稱為雙限式電壓比較器，也稱為窗口比較器。這個雙限電壓

15、比較器由ICIbICId組成，其中ICIc用作上限比較，ICId用作下 限比較。上限比較器的參考電壓加于ICIc的同相輸入端，下限比較器的參考電壓加于ICId的反相輸入端。上、下限比較器的兩個參考電壓是通過 R5，R8與 VDI ， VD2分壓后取得的。由于 R5 =1M，R8=1M，VDI與 VD2的壓 降固定為O. 60. 7V。設壓降為0.6V，則這個分壓器的中點電壓（也就是ICIb 的反相端電壓）等于電源電壓（6V）的一半，即3V。該電壓作為帶通放大器ICIb 輸出的正弦信號電壓的中點。VDI上端的電壓作為上限比較器ICIc的參考電壓 加在它的同相端，其數(shù)值等于 3.6V （即3V+0

16、. 6V）; VD2下端的電壓作為下 限比較器IC1 d的參考電壓加在它的反相端，其數(shù)值等于2.4V （即3V 一0. 6V）。由電壓比較器的工作原理可知，當同相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓 時，比較器輸出高電平；當同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓時，比較器 輸出低電平。由于帶通放大器的輸出電壓中點設在 3V，因此雙限電莊比較器的 門限電壓分別設在3.6V和2. 4V。靜態(tài)時，ICIa輸出的干擾信號電壓幅度在 2. 4- 3. 6V這個范圍，這時比較器ICIc、ICId均輸出高電平，隔離二極管 VD3， VD4被反向偏置而截止。當有傳感信號輸入時，帶通放大器ICIa輸出控制信號。在信號

17、的正半周， 當信號電壓幅度大于 3. 6V時，ICIc輸出低電平；在信號的負半周，當信號電 壓幅度低于2. 4V時，ICId輸出低電平。這樣，既保證了在信號的正負半周電 壓比較器都有觸發(fā)信號輸出，又抑制了干擾信號。NE555與R11、C7組成一個脈沖啟動的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，一方面用來觸發(fā) 雙向晶閘管VS，另一方面組成單穩(wěn)態(tài)延時電路，使電燈在人離開時延時一段時 間后自動關閉。該單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由低電平或負向脈沖觸發(fā)翻轉。當ICIc、ICId輸 出低電平時，IC2被觸發(fā)翻轉，它的輸出端腳輸出高電平。該高電平通過R14 將雙向晶閘管VS觸發(fā)，使其導通，電燈亮。IC2翻轉后，電源經(jīng)RII向C7充 電，充電時間T =