太陽能樓道感應照明系統(tǒng)研究與設計

1、 畢 業(yè) 設 計（論文）題 目：太陽能樓道感應照明系統(tǒng)研究與設計系 ：信息工程系目 錄第一章引言11.1 課題的背景與目的11.2 太陽能樓道感應照明系統(tǒng)簡述1第二章照明系統(tǒng)總體設計22.1 照明系統(tǒng)的構成22.2 太陽能樓道感應照明系統(tǒng)電路2第三章太陽能樓道感應開關的組成43.1 傳感器43.1.1 太陽能傳感器43.2集成控制電路113.2.1 概述113.2.2 運算放大器133.2.3 振蕩器133.2.4 電壓比較器153.3 可控硅183.3.1 單向可控硅簡介183.3.2 雙向可控硅19第四章電路制作224.1 整體電路制作問題224.1.1 元件的散熱問題224.1.2 電子

2、電路的靜電保護22結 論24參考文獻25第一章 引言1.1 課題的背景與目的目前，國內的樓宇樓道照明都是采用傳統(tǒng)的220V的白熾燈或節(jié)能燈，每層樓道裝上手控或聲控等控制開關，加上時間控制器。論文參考網。這種樓道照明系統(tǒng)使用已經幾十年了，現在還在被廣泛采用。但這種樓道照明系統(tǒng)存在著其與生俱來的缺點：1、電費分攤難，一個樓道有好多住戶，樓道燈的電源接在哪一戶都不合理。2、白熾燈或節(jié)能燈使用壽命短，尤其是樓道燈需要經常啟閉的情況下，燈的使用壽命更短。3、損壞了沒人修，因為是公共使用，修理的責任不明確；這樣，有些樓道燈隨著時間的延長，損壞了沒人修，成了盲道，沒有起到樓道燈的作用，給住戶帶來很大的不便。

3、節(jié)能與環(huán)保已經成為當代產品開發(fā)的首要考慮因素。由于我國在新能源研發(fā)方面處于落后局面，目前市場上的普通船型開關、拉線開關占據著燈具開關市場的主要位置。然而由于許多不可控因素的出現及人們日常習慣所限，造成了大量的電能的浪費。這種現象在我們的生活中隨處可見?？諢o一人的教室十多盞日關燈依然亮著，非常安靜的樓道內燈火通明，衛(wèi)生間無人使用卻不熄滅燈光全國每年因此而損耗的電能可以以億度計量，同時因燈具使用時間的過長，也縮短了燈具的使用壽命，頻繁的更換燈具也造成了人力，財力的大量浪費。所以通過這種直接和間接的損耗，每年電能的損失就達數億元。近十年以來，我國建筑體系的不斷發(fā)展，也對照明系統(tǒng)提出了更高的要求。隨著

4、大量采用電子技術的家用電器面市, 住宅電子化出現。近幾年樓宇智能化（智能家居是以家為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ?、網絡通訊、信息家電、網絡家電、自動化和智能化，集系統(tǒng)、結構、服務、管理、控制于一體的高效、舒適、安全、便利、節(jié)能、健康、環(huán)保的家居環(huán)境。）又飛速發(fā)展起來，其中實現自動照明系統(tǒng)可以減少電能浪費成為實現現代化住宅的重要一筆。本課題從實際出發(fā)，準備對紅外線樓道自動照明系統(tǒng)進行探索，隨著現代化的發(fā)展,工業(yè),農業(yè),商業(yè),教育等等行業(yè)的用電量都大幅度增加,在這種情況下電能的浪費成為人們普遍關注的問題.由此觀之，如何有效的減少照明用電的浪費和更好的管理照明系統(tǒng)已成為一個不可忽視問題。1.2 太陽能樓道照明感應

5、系統(tǒng)的簡介太陽能樓道感應照明系統(tǒng)是由太陽能電池板供電。整棟住宅樓道照明采用整體布局、安裝集中供電方式。白天屋頂太陽能電池把光能轉換為電能，儲入大容量可充放的免維護的蓄電池。通過光的亮度和聲音震動開關控制著樓道照明燈的開關。晚上光線亮度不足時，聲、光感應系統(tǒng)自動開啟，有聲音時啟動亮燈裝置，當在設定的時間過后，自動關閉裝置。第二章 明系照統(tǒng)總體設計2.1 照明系統(tǒng)的構成傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)是以照明配電箱通過手動開關來控制照明燈具的通斷，或通過回路中串入接觸器，實現遠距離控制。傳統(tǒng)的照明電路只是為燈提供一定的電壓使其發(fā)光,這種燈只是人為控制,具有很大弊端,特別是在一些集體工作地,比如說,工廠,公司,學校

6、等.而今出現的建筑物自控(BA)系統(tǒng)，是以電氣觸點來實現區(qū)域控制、定時通斷、中央監(jiān)控等功能。本課題研究的太陽能樓道感應照明系統(tǒng)是由太陽能電池板供電。整棟住宅樓道照明采用整體布局、安裝集中供電方式。白天屋頂太陽能電池把光能轉換為電能，儲入大容量可充放的免維護的蓄電池。通過光的亮度和聲音震動開關控制著樓道照明燈的開關。晚上光線亮度不足時，聲、光感應系統(tǒng)自動開啟，有聲音時啟動亮燈裝置，當在設定的時間過后，自動關閉裝置。太陽能樓宇樓道照明系統(tǒng)，不僅可應用在普通的住宅，也可應用在學校、機關、工廠、商廈等所有的樓道照明上；它不僅僅能解決傳統(tǒng)樓宇照明系統(tǒng)中存在的普遍問題，使所有樓道燈真正起到樓道照明的作用，

7、還能節(jié)約大量的人力、物力；尤其是提倡低碳經濟的現在，它還是真正意義上的節(jié)能環(huán)保、安全可靠的照明系統(tǒng)；一旦市電系統(tǒng)出現故障，它也能保證樓道照明的正常。這種照明系統(tǒng)如果在全國推廣，它的經濟價值是無法估量的，它的社會價值是不可低估的。2.2 太陽能樓道感應照明系統(tǒng)電路太陽能電池板將光能轉換成電能供給蓄電池進行存儲，并控制太陽能電池向蓄電池的過充電，達到保護的目的。在燈具照明時向其提供低壓的直流電力，為了避免燈具的過度用電，控制電路又能實施對蓄電池的欠匿保護，以防止蓄電池的過放電，以延長蓄電池的使用壽命。聲、光控制并延時照明的開關電路。電路在白天由光電傳感器控制燈不工作，當夜晚來臨時才啟動電路，由聲音

8、控制燈的開啟并延時一段時間后關閉。電源控制電路由雙電壓比較放大器LM393組成上限電壓和下限電壓雙遲滯電壓比較器，上限電壓。比較器是由A1、R1、R2、R6和c1組成蓄電池的高電壓檢測和比較，經三極管VT1、VT3，電阻R8、R10和繼電器；Kl來控制太陽能電池對蓄電池的電源；輸入，以實現蓄電池過充電的保護；下限電壓比較器是由A2、R3、R4、R7和：C2組成蓄電池的低電壓檢測和比較，再由三極管VT2、VT4和電阻R9、R1 1與繼電器K2來控制蓄電池對照明負載；的電源輸出，也使其達到蓄電池過放電i保護的目的。為了使電壓比對電路能夠i有一個基準的比較電壓，由三端穩(wěn)壓電：路7809提供穩(wěn)定的電源

9、電壓，并由電阻R5和穩(wěn)壓管VD2在兩個比較放大器的反相輸入端提供基準電壓，使上、下限的電壓值與之比較，而反饋電阻R6和R7適當的調整就可以改變電壓振蕩的條件，并限制其比較振蕩器的振蕩。為了達到上、下限電壓調整的目的，調整；電阻R2的值可設定蓄電池的充電電壓值，而調整電阻R4的值可設定蓄電池的放電電壓值，本文所設置的蓄電池的：充電終止電壓值為152V左右，放電的終止電壓值為J08v左右。外圍電路元件說明：PIR感應信號經濾波進入芯片內部進行放大，與基準電壓比較,如果判斷有觸發(fā)，運放輸出高電平。這時候計時檢測電路開始計時，計滿一定內部時鐘周期，跳變?yōu)楦撸杀苊庹`觸發(fā)）。，運算放大器OP1將聲音震動

10、輸出信號作第一級放大，然后由C3耦合給運算放大器OP2進行第二級放大，再經由電壓比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器。根據不同高度、大小的樓道需要的照明燈數量不一樣，為此根據數據的分析有以下關系。以南京的“昌升”太陽能為例列出配置表第三章 太陽能樓道感應開關的組成3.1 傳感器傳感器是將感受的物理量、化學量等信息，按一定規(guī)律轉換成便于測量和傳輸的電信號的裝置。電信號易于傳輸和處理，所以大多數的傳感器是將物理量等信息轉換成電信號輸出的。3.1.1 太陽能傳感器低溫薄膜硅太陽能傳感器 1、結構和制備方法 低溫薄膜硅太陽能傳感器的整個制備過程是在5

11、50°C的溫度下進行。首先在玻璃基片上形成背反射器，然后用等離子體化學蒸鍍法在其上依次淀積一層n型硅膜和一層本征（i）多晶硅膜，后者的作用類似于激活層。然后，通過淀積p 型硅膜形成PN結，透明電極是淀積的ITO，在傳感器的頂端形成Ag柵電極。應當指出“本征（i）”的含意是i層Si不含任何雜質，也是用等離子體化學蒸鍍法淀積的，而且i層也是n型的，多晶硅i層的雜質為氧。用二次離子質譜儀研究4m厚多晶硅中磷原子的深度分布，約為2×1015/cm3，以上述方法制造的太陽能傳感器的結構，稱為具有背反射器增強吸收型自然表面紋理結構。 2、多晶硅太陽能傳感器的特性 （1）特征參數 具有上

12、述結構的多晶硅太陽能傳感器的重要性質之一，是其自然表面紋理結構，實驗測得的表面粗度級約為0.12m。用X射線衍射法測量的多晶硅結構是柱狀的，最優(yōu)取向為（110）。有關實驗結果表明，對于2.0m厚的傳感器，當光窗為10.1±0.5% 時，固有效率為10.7±0.5%，開路電壓Voc=0.539±0.005V，短路電流密度Jsc=25.8±0.5mA/cm2。當元件厚度為1.2m時，對于具有較大填充因子的多晶硅元件，Voc可獲得最大值為0.549V。（2）對長波長光的收集 多晶硅太陽能傳感器設計中的一個關鍵問題是，如何增加對光的吸收率來獲得最大的能量轉換效率

13、，使元件即使只有幾微米也能獲得足夠大的短路電流密度。實驗表明，使元件表面紋理最佳化及增加元件厚度可以有效地提高量子效率，并使長波長光也獲得較大的量子效率。圖1是元件厚度為2.1m時的量子效率曲線。由圖1中的曲線所計算的元件短路電流密度分別為：光滑表面Jsc=18.5mA/cm2，粗糙表面Jsc=22.1mA/cm2，表面紋理最佳化Jsc=17.2 mA/cm2。由圖看出，背反射器表面紋理最佳化后的元件沒有界面效應，且800nm波長的光的量子效率大于60%。 （3）溫度依賴性 對于地面應用的太陽能傳感器，溫度系數非常重要。元件溫度是將熱電偶直接固定在元件上測量的。在I-V曲線掃描過程中,環(huán)境溫度

14、的變化基本保持不變(<±0.2°C)。 Voc對溫度的依賴性參見圖3，在273°C溫度下所獲得的Voc=1.08±0.05V，其值小于單晶硅，其Voc的差異是因為低溫時制備的多晶硅中存在著相連接的邊帶態(tài)缺陷，且由于存在相連接的缺陷吸收，造成波長為10001200nm時量子效率曲線特別靈敏。 （4）增加Voc方法 實驗觀察到厚度為2m的元件其Voc較大，但Voc最大也僅為539mV（厚度為1.2m），這與單晶硅元件相比仍然很小。在擴散長度相同的情況下Voc隨元件厚度的減少而增加，隨載流子濃度的減少而減少，因此，增加Voc的方法是適當地增加載流子濃度和

15、減少元件厚度。 （5）多晶硅制備過程中的問題 考慮到多晶硅和a-Si/多晶硅單片太陽能傳感器的有效耗費和地面大規(guī)模的應用，在制造過程中有幾個關鍵因素需要考慮。 1 如何獲得較大的生長率：目前，對于厚1m 的多晶硅膜，其淀積速率可達1.5nm/s，進一步增加元件的光吸收能力，淀積速率可增加到約2nm/s，當基片面積為100×100mm2時，太陽能傳感器的平均效率為10%。 2 如何同時進行均勻的大面積（>10cm2）的多晶硅層淀積：有實驗表明，用等離子體化學蒸鍍技術可在300×400mm2的面積上淀積，其淀積層的均勻性很好，厚度偏差約為±5%。 3 如何進行單

16、片相互串聯(lián)：對于50×50mm2的元件面積，10個單片相互串聯(lián)的a-Si/多晶硅模塊的效率為11.3%，Voc為13.5V，短路電流為30.4mA，填充因子為68.8%。 （6）a-Si/多晶硅混合型太陽能傳感器的應用 利用多晶硅太陽能傳感器Jsc較大的優(yōu)點，可制作a-Si/多晶硅混合型元件。對于這種傳感器應當注意的是效率的穩(wěn)定化問題，因為a-Si存在著光子損傷問題，而多晶硅是穩(wěn)定的。對于a-Si/多晶硅/多晶硅三重結構，a-Si層較薄可減少光子損傷。這種三重結構的太陽能傳感器的光威化效率在600小時內為12%，低電阻率硅太陽能傳感器 高壓金屬-絕緣體-N-P太陽能傳感器是一種低電阻

17、率硅太陽能傳感器，它在技術上是一次突破。由于這種元件發(fā)射的表面復合速度可以控制，使暗飽和電流的發(fā)射分量Ioe顯著減少，電壓可高達700mV。表1給出了不同結構的高壓、低電阻率硅太陽能傳感器元件的暗飽和電流分量的值。飽和電流的基區(qū)分量Iob差異較大的原因是元件基區(qū)少子遷移率高低不同造成的。 目前，少子遷移率的主要測量技術是交流移相技術。調制激光束的調制頻率范圍為0.13.5MHz，用于元件后表面歐姆接觸層內產生載流子，實驗用太陽能傳感器是用0.1cm的材料制造的。 擴散長度可用貫穿輻射（X射線）技術測量，其變化對擴散率（或遷移率）的影響較小。例如當元件擴散長度由250m變?yōu)?25m時，遷移率僅改

18、變2%。 擴散率與基區(qū)寬度的關系曲線見圖5?？梢钥闯鯠隨位置變化而變化，接近PN結時D增加較快，這種變化是由于擴散點陣應力引起的，這種應力效應可穿越PN結傳遞到基區(qū)。因為Si是一種壓阻材料，它對機械應力的響應表現為擴散率的變化，因此可得出這樣的結論：起源于發(fā)射區(qū)的擴散感應應力引起靠近PN結的基區(qū)中的少子擴散率的局域擾動。 這些數據有利于制備具有最佳基區(qū)的低電阻率硅太陽能傳感器。利用低溫低摻雜濃度擴散過程，可以避免發(fā)射區(qū)的擴散感應應力，獲得高壓低電阻率太陽能傳感器。 1、結構和制備方法 多晶硅薄膜是以SiF4和H2作為混合氣體源，利用電容耦合并聯(lián)電極反應器，通過極高頻（100MHz）化學蒸鍍生產

19、的。為了增加多晶硅的生產率，可將少量的SiH4加入到混合氣體中，反應器壓力和高頻功率密度分別為200mTorr和0.5W/cm2，電極間距離約為2cm。 n/i/Pt肖特基二極管在制備過程中，其n層和i層淀積氣流比SiF4/H2/SiH4是相同的（即30/90/1.0sccm），生長率為0.15nm/s，與生長溫度無關。在300°C溫度下將摻Pt的n層淀積在摻Ga的ZnO或涂有NiCr的耐熱玻璃基片上。i層的生長溫度范圍是100300°C，半透明Pt頂部電極用電子束蒸鍍法淀積在i層表面。 利用X射線衍射、掃描電子顯微鏡和二次離子質譜儀對元件結構和淀積薄膜進行研究，用Rama

20、n光譜分析法確定晶體體積百分比。輸運性質是由測量的電流-電壓特性曲線計算的，光生電壓特性是在功率密度為100mW/cm2的白光照射下由IV特性曲線確定的。實驗測量了太陽能傳感器的光譜響應。開路電壓Voc的無規(guī)誤差為3%，短路電流Jsc的隨機誤差為3%，填充因子FF誤差為5%，這些誤差對應于能量轉換效率的誤差為11%。 掃描電子束顯微鏡的掃描圖像包括淀積膜顆粒大小隨生長溫度的變化。當i層生長溫度為100ºC時觀察到顆粒大小約為60nm；而當i層的生長溫度為200ºC時，顆粒大小約為200nm。當i層的生長溫度大于280°C時觀察到（220）取向顆粒的三角形表面特征。

21、 當i層的生長溫度150ºC時，暗I-V反向飽和電流約為10-6A/cm2。當i層的生長溫度為100ºC時，反向飽和電流和結晶體增加一個量級，這是由i層中較大的缺陷密度引起的。Voc隨i層生長溫度的增加而增加；基片溫度范圍為100250ºC時，用等效電路分析法確定的i層串聯(lián)電阻RS隨i層生長溫度的增加而減小，當溫度為250ºC時，RS=1.1/cm2，而當溫度高于250ºC時，RS有隨溫度的增加而增加的趨勢。在所有的溫度下，FF都大于45%，但當溫度高于250ºC時，FF有隨溫度增加而減小的趨勢。 n/i/P太陽能傳感器與n/i/Pt

22、太陽能傳感器區(qū)別在于基片的紋理結構不同，最佳化的n/i/P太陽能傳感器的基片是具有紋理結構的ZnO/Ag/SUS基片，更加有助于光的吸收，其n層和i層與n/i/Pt的相同，P層是在空氣中淀積的。表4給出了n/i/P太陽能傳感器的相關特性1、結構和制備方法 柵型硅太陽能傳感器前表面由細柵覆蓋，如果柵線間距小于基區(qū)材料的一個少子遷移率，柵線間產生的大多數載流子的存在時間足以被收集。特別地，如果柵線間基片表面的表面復合速度較低，光譜響應將優(yōu)于傳統(tǒng)的擴散結構。柵型傳感器最重要的設計參數是柵線寬、柵線間隔以及柵線間表面的載流子復合速度。 柵型硅太陽能傳感器的制造采用離子注入技術，元件的光生電壓效率隨PN

23、結的深度而增加，硼離子注入系統(tǒng)的結深極限值為0.8m。 2、結深效應 結深為0.3m到0.5m時，硅柵型太陽能傳感器的表面層和基區(qū)的吸收效率?？梢钥闯?，基區(qū)對光的吸收是產生光電壓的主要因素。表面層對短波長光的吸收隨結深的減少而增加，類似于淺結硅太陽能傳感器，而基區(qū)則正相反。因為短波長光子產生的載流子接近于表面，當結深增加時吸收面積增大，導致對光生載流子較高的吸收率；而對于長波長光子，光生載流子位于樣品的深處，所以結越深，吸收率越高。然而同時，當結深增加時，通過表面層穿透到基區(qū)的光子數相應也減少了。這兩種相對應的效應使得傳感器對長波光子的吸收率隨結深增加先增加到峰值，然后再減少。 對于給定的光譜

24、輸入，光譜響應可用來計算短路電流 對于給定的傳感器結構，JSC隨結深的增加而增加，結深為8m時的峰值為52mA/cm2，理論極限值約為54mA/cm2。 3、結深效應的數值分析法 3.2集成控制電路 概述雖然被動式熱釋電紅外探頭有些缺點，但是利用特殊信號處理方法后，仍然使它在某些領域具有廣闊的應用前景。因此，有很多生產商根據PIR傳感器的特性設計了專用信號處理器，比如HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。圖陰影部分是PIR信號處理部分，有兩個運算放大器、一個窗口比較器、一個穩(wěn)壓器、一個系統(tǒng)振蕩器和一個邏輯控制器。其它是依賴處理

25、結果的控制部分，這里重點介紹PIR信號處理部分，控制部分就簡單略過。  由于PIR 信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，專用信號處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：a）濾波放大普通PIR傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續(xù)電路能作有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益72.5dB，通帶0.3Hz7Hz。同時，由于是處理模擬小信號，所以為了保證放大器的工作穩(wěn)定可靠，電路中特別集成了一個穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。b）窗口比較器經過放大后的信號通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號后，再轉換成一系列數字脈沖信號。  

26、60; c）噪聲抑制數字信號處理根據對人體運動特點以及傳感器的特性的長期研究，用固定時間內計脈沖個數和測脈沖寬度的方法來甄別有效的人體信號，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時鐘源（16kHz）。3.2.2 運算放大器集成運算放大器（簡稱運放）是一種高電壓放大倍數的直接耦合放大器。它工作在放大區(qū)時，輸入和輸出呈線性關系，所以它又被稱為線性集成電路集成運放是一種高放大倍數、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路3.2.2.1 集成運放的性能指標1）開環(huán)差模電壓放大倍數 Aod它是指集成運放在無外加反饋回路的情況下的差模電壓的放大倍數。2）最大輸出電壓 Uop-p它是指一定電壓下，集成運放的最大不失

27、真輸出電壓的峰-峰值。3）差模輸入電阻rid它的大小反映了集成運放輸入端向差模輸入信號源索取電流的大小。要求它愈大愈好。4）輸出電阻 rO它的大小反映了集成運放在小信號輸出時的負載能力。5）共模抑制比 CMRR它放映了集成運放對共模輸入信號的抑制能力，其定義同差動放大電路。CMRR越大越好集成運放的組成它有四部分組成：1）偏置電路:偏置電路是提供各級靜態(tài)工作電流的;2）輸入級：其作用是提供與輸出端成同相關系和反相關系的兩個輸入端,為了抑制零漂，采用差動放大電路3）中間級：其作用是提供較高的電壓放大倍數;為了提高放大倍數，一般采用有源負載的共射放大電路。4）輸出級：其作用是提供一定的電壓變化和電

28、流變化;為了提高電路驅動負載的能力，一般采用互補對稱輸出級電路 振蕩器振蕩電路在測量,自動控制,通信,無線電廣播和遙控等許多領域中有著廣泛的應用,甚至在收音機 電視機 和電子表等日常生活用品中也離不開它.振蕩電路包括正弦波振蕩電路和非正弦波振蕩電路,它們不需要輸入信號便能產生各種周期性的波形,如:正弦波,方波,三角波和鋸齒波等.因為本課題涉及到系統(tǒng)時鐘和定時電路,所以現介紹一下非正弦波振蕩電路:矩形波振蕩電路矩形波有兩種,一種是輸出電壓處于高電平時時間TH和輸出電壓處于低電平的時間TL不相等,另一種是二者相等.人們常把TH= TL的矩形波稱為方波.下面介紹方波發(fā)生電路.方波發(fā)生電路的構成我們可

29、選擇滯回比較器作為開關，用電阻與電容相串聯(lián)的RC電路作為具有延遲作用的反饋網絡。它的右邊是滯回比較器，起開關作用；他的左邊是RC電路，起反饋和延時作用。滯回比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定的狀態(tài)。設接通電源時刻電容兩端的電壓UC=0，滯回比較器的輸出電壓U0=+UZ，則集成運放同相輸入端此時的電位為 U+ =R2/R2+R3（+UZ）而U0=+UZ時電容充電，使集成運放反向輸入端的電位U-（它等于UC）由零逐漸上升。在U-低于U+以前，U0=+UZ不變。當U-上升到略高于U+時，U0從高電平跳變?yōu)榈碗娖?，即變?yōu)?UZ。 當U0=-UZ時，U+=R2/R2+R3（-UZ），同時電容經R1放

30、電，使U-逐漸下降。在U-高于U+以前，U0=-UZ不變，當U-下降到略低于U+時，U0從-UZ跳變?yōu)?UZ，又回到初始狀態(tài)。如此周而復始，產生振蕩，輸出方波。振蕩周期UC的值從T1時刻的R2/R2+R3（UZ）下降到T2時刻的-R2/R2+R3（UZ）所需要的時間就是振蕩周期的一半，即而UC的變化規(guī)律就是簡單的RC充放電規(guī)律。不難看出這里RC充放電的三要素是：1）時間常數=R1C2）在T1時刻UC的初始值是R2/R2+R3（UZ）3）若T=，UC的終了值是-UZ。根據一階RC電路的三要素法可得UC=（-UZ-R2/R2+R3（UZ）（1-e（-t/R1C）+R2/R2+R3（UZ）其中T=T

31、-T1，且T1TT2。當T=T/2時，UC=-R2/R2+R3（UZ），將這些條件代如上面的式，得-R2/R2+R3（UZ=（-UZ-R2/R2+R3（UZ）（1-e（-t/R1C）+R2/R2+R3（UZ）解之可得：T=2R1Cln(1+2R2/R3)通常將矩形波為高電平的時間與周期時間之比稱為占空比。方波的占空比為50%。如果需要產生占空比小于或大于50%的矩形波，可以利用電容充電的時間常數與放電的時間常數不相等。利用二極管的單向導電性可以使電容充電與放電回路不同，因而可使電容充電與放電的時間常數不同。 內部振蕩器外接振蕩電阻器引腳，個別需外接RC振蕩元件，此時外接的電阻器或電容器便可作為

32、時間的調整元件。也有的集成電路將振蕩元件全部集成在芯片內部，不需要外接元器件，這時振蕩頻率就無法外調節(jié)。 電壓比較器電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關系)。電壓比較器的作用：它可用作模擬電路和數字電路的接口，還可以用作波形產生和變換電路等。注：電壓比較器中的集成運放通常工作在非線性區(qū)。及滿足如下關系：U->U+ 時  UO=UOL U-<U+ 時  UO=UOH簡單電壓比較器： 我們把參考電壓和輸入信號分別接至集成運放的同相和反相輸入端，就組成了簡單的電壓比較器。 圖3-2 電壓比較器及輸出特性下面我們對它們進

33、行分析一下表明：輸入電壓從低逐漸升高經過UR時，uo將從高電平變?yōu)榈碗娖?。相反，當輸入電壓從高逐漸到低時，uo將從低電平變?yōu)楦唠娖?。閾值電壓：我們將比較器的輸出電壓從一個電平跳變到另一個電平時對應的輸入電壓的值。它還被稱為門限電壓。簡稱為：閾值。用符號UTH表示簡單的電壓比較器結構簡單，靈敏多高，但是抗干能力差，因此我們就要對它進行改進。改進后的電壓比較器有：滯回比較器和窗口比較器。下面著重介紹窗口比較器:簡單比較器和回滯比較器有一個共同的特點,即U1單方向變化時,U0只跳變一次,因而只能檢查一個電平.如果要判斷U1是否在某兩個電平之間,則應采用窗口比較器.電路構成 窗口比較器的主要特點是輸入

34、信號單方向變化(例如從足夠低單調升高到足夠高)可使輸出電壓跳邊兩次。他形似窗口,故具有這種傳輸特性的比較器,成為窗口比較器.將他與反相簡單電壓比較器,同相簡單電壓比較器比較,我們發(fā)現,可用兩個閥值不同的簡單比較器構成窗口比較器,閥值小的簡單比較器采用反相輸入接法,閥值大的簡單比較器采用同相輸入接法,再用具有單向導電性的二極管將兩個簡單比較器的輸出引到同一點,作為窗口比較器的輸出端.。 集成電路芯片BISS0001熱釋電紅外控制集成電路采用標準的 DIP16腳塑封結構，內部由系統(tǒng)時鐘、兩級運放、電壓比較器、檢測器、計時器、過零檢測器及輸出控制電路等組成。BISS0001是一款高性能的傳感信號處理

35、集成電路。靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構成被動式的熱釋電紅外傳感器。廣泛用于安防、自控等領域能。特點:a）靈敏度高，內置兩級增益可調運放電路及溫度補償電路，這種電路能抑制如熱氣團流所產生的紅外干擾，誤報率低，探測距離達10以上。b）控制時間可調。c）有兩種輸出信號，可驅動雙向可控硅或繼電器。d）內置穩(wěn)壓器輸出 3.1基準電壓直接驅動PIR。e）外接CDS傳感器，白天抑制輸出。f）工作電壓，工作電流1。g）對于交流供電的控制電路設計有過零檢測控制，使被控負載的接通與斷開均處于交流電的過零點，這不僅可以減弱對負載的電流沖擊，同時也消除了開關器件對電源的干擾，降低對電源的污

36、染。h）外接RC振蕩元件，便于調整輸出控制的時間長短。表3-5管腳說明引腳名稱I/O功能說明1AI可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端。當A為“1”時，允許重復觸發(fā)；反之，不可重復觸發(fā)2VOO控制信號輸出端。由VS的上跳前沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx之外和無VS的上跳變時，Vo保持低電平狀態(tài)。3RR1-輸出延遲時間Tx的調節(jié)端4RC1-輸出延遲時間Tx的調節(jié)端5RC2-觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端6RR2-觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端7VSS-工作電源負端8VRFI參考電壓及復位輸入端。通常接VDD，當接“0”時可使定時器復位9VCI觸發(fā)禁止端。當VcVR時允許觸

37、發(fā)(VR0.2VDD)10IB-運算放大器偏置電流設置端11VDD-工作電源正端122OUTO第二級運算放大器的輸出端132IN-I第二級運算放大器的反相輸入端141IN+I第一級運算放大器的同相輸入端151IN-I第一級運算放大器的反相輸入端161OUTO第一級運算放大器的輸出端 工作原理:BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。以下圖所示的不可重復觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程。 不可重復觸發(fā)工作方式下的波形。 單向可控硅簡介可控硅是一種無觸點可控開關,它將半導體器件的應用從弱電領域擴展到強電領域,在自動

38、控制電路如調光,調溫,調速,調頻中都有廣泛應用.可控硅是硅晶體閘流管的俗稱,簡稱晶閘管.可控硅常用的類型有:單向型,雙向型.單向可控硅由P型和N型半導體四層交替疊合而成.他有三個電極:陽極A(從外層P型半導體引出),陰極K(從外層N型半導體引出),門級G(從內層P型半導體引出)導通。讓門極相對陰極成正極性，使產生門極電流，閘流管立即導通。當門極電壓達到閥值電壓VGT，并導致門極電流達到閥值IGT，經過很短時間tgt（稱作門極控制導通時間）負載電流從正極流向陰極。假如門極電流由很窄的脈沖構成，比方說1s，它的峰值應增大，以保證觸發(fā)。當負載電流達到閘流管的閂鎖電流值IL 時，即使斷開門極電流，負載

39、電流將維持不變。只要有足夠的電流繼續(xù)流動，閘流管將繼續(xù)在沒有門極電流的條件下導通。這種狀態(tài)稱作閂鎖狀態(tài)。注意，VGT，IGT 和IL 參數的值都是25下的數據。在低溫下這些值將增大，所以驅動電路必須提供足夠的電壓、電流振幅和持續(xù)時間，按可能遇到的、最低的運行溫度考慮。靈敏的門極控制閘流管，如BT150，容易在高溫下因陽極至陰極的漏電而導通。假如結溫Tj 高于Tjmax ,將達到一種狀態(tài)，此時漏電流足以觸發(fā)靈敏的閘流管門極。閘流管將喪失維持截止狀態(tài)的能力，沒有門極電流觸發(fā)已處于導通。要避免這種自發(fā)導通，可采用下列解決辦法中的一種或幾種：1）確保溫度不超過Tjmax。2）采用門極靈敏度較低的閘流管

40、，如BT151，或在門極和陰極間串入1k或阻值更小的電阻，降低已有閘流管的靈敏度。3）若由于電路要求，不能選用低靈敏度的閘流管，可在截止周期采用較小的門極反向偏流。這措施能增大IL。應用負門極電流時，特別要注意降低門極的功率耗散。截止（換向）要斷開閘流管的電流，需把負載電流降到維持電流IH 之下，并歷經必要時間，讓所有的載流子撤出結。在直流電路中可用“強迫換向”，而在交流電路中則在導通半周終點實現。（負載電路使負載電流降到零，導致閘流管斷開，稱作強迫換向。）然后，閘流管將回復至完全截止的狀態(tài)。假如負載電流不能維持在IH 之下足夠長的時間，在陽極和陰極之間電壓再度上升之前，閘流管不能回復至完全截

41、止的狀態(tài)。它可能在沒有外部門極電流作用的情況下，回到導通狀態(tài)。注意，IH 亦在室溫下定義，和IL 一樣，溫度高時其值減小。所以，為保證成功的切換，電路應充許有足夠時間，讓負載電流降到IH 之下，并考慮可能遇到的最高運行溫度。3.3.2 雙向可控硅 由NPNPN五層半導體疊合而成。它實質上也可看成是由一個控制極的兩只反向并聯(lián)的單向可控硅構成。它有三個電極：控制極G、主電極T1 和T2 ，T1 和T2 無陰陽極之分。 符號如圖5： 工作特點：雙向可控硅的主電極T1 、T2 無論加正向還是反向電壓，其控制極G的觸發(fā)信號無論是正向還是反向，它都能被觸發(fā)導通。 導通：和閘流管不同，雙向可控硅可以用門極和

42、MT1 間的正向或負向電流觸發(fā)。（VGT，IGT 和IL 的選擇原則和閘流管相同）因而能在四個“象限”觸發(fā)。在負載電流過零時，門極用直流或單極脈沖觸發(fā)，優(yōu)先采用負的門極電流，理由如下。若運行在3+象限，由于雙向可控硅的內部結構，門極離主載流區(qū)域較遠，導致下列后果：在負載電流過零時，門極用直流或單極脈沖觸發(fā)，優(yōu)先采用負的門極電流，理由如下。若運行在3+象限，由于雙向可控硅的內部結構，門極離主載流區(qū)域較遠，導致下列后果：1）高IGT -> 需要高峰值IG。2）由IG 觸發(fā)到負載電流開始流動，兩者之間遲后時間較長> 要求IG 維持較長時間。3）低得多的dIT/dt 承受能力> 若控

43、制負載具有高dI/dt 值（例如白熾燈的冷燈絲），門極可能發(fā)生強烈退化。4）高IL 值（1-工況亦如此）>對于很小的負載，若在電源半周起始點導通，可能需要較長時間的IG，才能讓負載電流達到較高的IL。在標準的AC 相位控制電路中，如燈具調光器和家用電器轉速控制，門極和MT2 的極性始終不變。這表明，工況總是在1+和3-象限，這里雙向可控硅的切換參數相同。這導致對稱的雙向可控硅切換，門極此時最靈敏。正的MT2相應正電流進入MT2，相反也是實際上。上標+和-分別表示門極輸入或輸出電流。第四章 電路制作4.1 整體電路制作問題4.1.1 元件的散熱問題 熱阻Rth 是限制熱流自結散出的熱阻。熱

44、阻和電阻是相似的概念。如同電阻公式R=V/I，有相應的熱阻公式Rth =T/P，這里T 是溫升，以K（Kelvin）為單位；P 是功率耗散，以W 為單位；因此Rth 的單位為K/W。對于垂直安裝在大氣中的器件，熱阻決定于結至環(huán)境熱阻Rth j-a 。散熱器尺寸計算對給定的雙向可控硅和負載電流，要計算需要的散熱器熱阻，首先要根據下列公式確定雙向可控硅的功率耗散：P=Vo × IT(AVE) + RS × IT(RMS)2拐點電壓Vo 和斜率電阻RS 可從SC03 手冊的VT 圖取得。若數據沒有直接列出，可通過作圖取得。對最大VT 曲線作一切線，切線和VT 軸線的交點給出Vo

45、值，切線斜率（VT/IT）給出RS。應用前面的熱阻公式： Rth j-a=T/P在最高環(huán)境溫度下，結溫Tj 升至最高允許結溫Tjmax，由此得出結溫最大允許提升值。這提供溫升T。根據選定的安裝方法，SC03 手冊提供Rth j-mb 和Rth mb-h 數據。應用前面的熱阻公式Rth j-a= Rth j-mb + Rthmb-h+ Rth h-a ，可最后求得散熱器熱阻Rth h-a 。熱阻抗前面的熱阻計算只適用于穩(wěn)定狀態(tài)，即過程時間大于1 秒。這條件下，熱量才有足夠的時間從結傳送到散熱器。對持續(xù)時間短于1 秒的電流脈沖或瞬間過程，散熱器的效果大為減弱。熱量只在器件內部擴散，很少傳到散熱器。

46、對于這種瞬間過程，結的溫升決定于結至安裝基面的熱阻抗Zth j-mb 。隨著電流脈沖持續(xù)時間減小，Zth j-mb 下降，因為芯片加熱減少。假如持續(xù)時間增大，接近1 秒，Zth j-mb增大至穩(wěn)定狀態(tài)的熱阻值Rth j-mb。手冊SC03 提供每種器件的Zth j-mb 曲線，適用于持續(xù)時間低至10s 的雙向或單向的電流。4.1.2 電子電路的靜電保護靜電放電(ESD)是大家熟知的電磁兼容問題,它可引起電子設備失靈或使其損壞.當半導體器件單獨放置或裝入電路模塊時,即使沒有加電,也可能找成這些器件的永久性損壞.對靜電放電敏感的元件被稱為靜電放電敏感元件(ESDS).如果一個元件的兩個針腳或更多針

47、腳之間的電壓超過元件介質的擊穿強度,就會對元件造成損壞.這是MOS器件出現故障的最主要的原因.氧化層越薄,則元件對靜電放電的敏感性也越大.故障通常表現為元件本身對電源有一定阻值的短路現象.對雙極性元件,損壞一般發(fā)生在薄氧化層隔開的已進行金屬噴鍍的有源半導體區(qū)域,因此會產生泄露嚴重的路徑.另一種故障是由于節(jié)點的溫度超過半導體硅的熔點(1415度)時所引起的.靜電放電脈沖的能量可以產生局部地方發(fā)熱,因此出現這種機理的故障.即使電壓低于介質的擊穿電壓,也會發(fā)生這種故障.一個典型的例子是,NPN型三極管發(fā)射極與基級間的擊穿會使電流增益急劇降低.電荷也可以通過感應產生,這是帶電體使其附近的另一物體上的電荷發(fā)生分離的結果。器件受到靜電放電的影響后,也可能不立即出現功能性的損壞.這些受到潛在損壞的元件通常被稱為”跛腳”,一旦加以使用,將會對以后發(fā)生的靜電放電或傳導性瞬態(tài)表現出更大的敏感性。要密切注意元件在不易察覺的放電電壓下發(fā)生的損壞,這一點