光控路灯的设计

1、课程设计任务书题目路灯光控开关的设计专业、班级 学号主要内容：利用二极管,光电池,继电器等器件设计一个可以通过光线变化自动限制路灯开关的电路.根本要求：(1),能正确限制路灯开关.(2),写出相关设计原理.(3).画出电路图.主要参考资料：(1)传感器与传感器技术何道清编科学出版社(4)传感器理论与设计根底单成祥编 国防工业出版社完成期限 指导教师签名：课程负责人签名：路灯光控开关的设计摘要: 光控路灯可以根据光线明暗自动限制开关状态,主要用在楼道等公共场所.光电池是能将光信号转换成电信号的器件,通过三极 管组成的多级放大电路可实现限制功能.此次实验的路灯限制器是由光 电池,放大器,继电器,二

2、极管,电源电路等元件组成,核心是光电池 转换光信号,传送到继电器,然后由继电器限制电路通断.通过此次设 计了解常用路灯限制的各种方法,及各自的优缺点,通过相互的比拟, 确定设计方案.通过此次课程设计能增强动手水平和实际电路设计水平, 更深刻理解相关电路原理及光敏元件光电特性,继电器限制通断原理, 增强对相关理论知识的理解.关键词 :继电器；光敏元件；照顾变化；限制1 .设计目的42 .根本要求43 .设计方案 43.1 路灯限制器原理43.2 电路分析53.3 器件选择74 .电路原理图 106 .元器件列表 127 .心得体会 138 .参考文献 141 .设计目的利用二极管,光电池,继电器

3、等器件设计一个可以通过光线变化自 动限制路灯开关的电路.2 .根本要求(1),能正确限制路灯开关(2) .写出相关设计原理(3) .画出电路图.3.设计方案3.1 路灯限制器原理此路灯限制器设计主要由电池,放大器,继电器,二极管,电源电 路等元件组成,继电器是一种当输入量电、磁、声、光、热到达一 定值时,输出量将发生跳跃式变化的自动限制器件.在这个电路中随着 光照的变化,继电器会相应的吸合或者断开,即决定路灯工作与否.白 天有光照,光电池输出电动势,BG1加正向偏压,BG1和BG2处于截止状 态,继电器J不吸合,灯L不亮.当夜晚没有光照,光电池无电动势, BG1加反向偏压,当上升到一定程度后,

4、BG1导通,BG2随之导通,继电 器J吸合,灯L点亮.图3-1光电开关以光电池为核心元件的带继电器限制输出的光控开关电路有许多形 式,在本实验使用了简单的继电器开关电路.具工作原理是：有光照时 由于光电池输出电动势,鼓励电流使继电器工作,常开触点闭合,没有 光照时光电池不输出电动势,常闭触点断开,实现对外电路的限制.线 路的主回路的相线由交流接触器的三个常开触头并联以适应较大负荷的 TW攵0电路的分析利用光照为传感器,目前最为常用且性价比拟高的就是光电池,利 用具有光线时输出电动势,而无光线较时那么不输出电动势的特点,可将 光线信号转换成电信号,再通过继电器限制通断可以有效地完成限制需 要.这

5、类设计中,只要能将光线信号取出,整个设计也便完成了大半, 至于限制局部的设计,可采用继电器输出,这样就算驱动较大的路灯负载,只需再加交流接触器便可完成.在本系统的设计中,如何提升系统 在光线临界状态的稳定性,是设计的难点所在.在设计中假设能用运放 电路来完成处理,那么可将运放接成电压比拟器的方式,这样可以完成较 为精确的起控；假设采用分立元件来处理,可以采用稳压管来稳定工作 点,只有当分压大于稳压管的击穿电压时,电路才能起控.光控路灯控 制器可以自动实现白天路灯自动点亮晚上自动关掉,既方便又实用.不 仅节约了电能,而且能延长灯泡使用寿命.可广泛应用于楼梯,走廊小 区等公共场所的照明限制.继电器

6、是一种当输入量电、磁、声、光、热到达一定值时,输 出量将发生跳跃式变化的自动限制器件.继电器的输入信号x从零连续增加到达衔铁开始吸合时的动作值 xx,继电器的输出信号马上从y=0跳 跃到y=yn即常开触点从断到通.一旦触点闭合,输入量x继续增大,输出信号y将不再起变化.当输入量x从某一大于xx值下降到xf,继 电器开始释放,常开触点断开.我们把继电器的这种特性叫做继电特性, 也叫继电器的输入一输出特性.释放值 xf与动作值xx的比值叫做反应 系数,即Kf= xf /xx触点上输出的限制功率Pc与线圈吸收的最小功率 R之比叫做继电器的限制系数,即 Kc=PC/P.XY输入输出图3-2继电器的输入

7、输出特性器件的选择半导体二极管几乎在所有的电子电路中,都要用到半导体二极管,它在许多的电 路中起着重要的作用,它是诞生最早的半导体器件之一,其应用也非常 广泛.二极管种类有很多,作用也很多,主要作用包括整流,限幅,箝 位,隔离.我们设计所用的二极管组就是其中的整流二极管.二极管按 照所用的半导体材料,可分为错二极管Gdt和硅二极管Si管.根 据其不同用途,可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二 极管等.根据管芯结构,又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及 平面型二极管.在综合实践中,我用的是整流二极管.1N4002t一种整流二极管,它是利用二极管单向导电性,可以把方向交替变化的交流

8、电 变换成单一方向的脉动直流电.三极管三极管按材料分有两种：错管和硅管.而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的是硅 NPN和错PNP两种三极管, 对于NPN管,它是由2块N型半导体中间夹着一块 P型半导体所 组成,发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电集co三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的限制假设 电源能够提供给集电极足够大的电流的话,并且基极电流很小的变化, 会引起集电极电流很大的变化,且变化满足一定的比例关系：集电极电 流的变化量是基极电流变化量的 B倍,即电流变化被放大了 B倍,所以

9、我们把B叫做三极管的放大倍数B一般远大于1,例如几十,几百.如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间,这就会引起基极 电流Ib的变化,Ib的变化被放大后,导致了 Ic很大的变化.如果集电 极电流Ic是流过一个电阻R的,那么根据电压计算公式 U=R*I可以算 得,这电阻上电压就会发生很大的变化.我们将这个电阻上的电压取出 来,就得到了放大后的电压信号了.电容电容器的根本作用就是充电与放电,但由这种根本充放电作用 所延伸出来的许多电路现象,使得电容器有着种种不同的用途,用 在耦合电路中的电容称为耦合电容,在阻容耦合放大器和其他电容耦合 电路中大量使用这种电容电路,起隔直流通交流作用. 用在滤

10、波电路中 的电容器称为滤波电容,在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容 电路,滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除.在分频电路中的电容器称为分频电容,在音箱的扬声器分频电路中,使用分频电容 电路,以使高频扬声器工作在高频段,中频扬声器工作在中频段, 低频扬声器工作在低频段.在补偿电路中的电容器称为补偿电容,在 卡座的低音补偿电路中,使用这种低频补偿电容电路,以提升放音信号 中的低频信号,此外,还有高频补偿电容电路.发光二极管发光二极管简称LER是一种将电能转换为光能的特殊二极管,是 用半导体材料制作的正向偏置的 PN结二极管.发光二极管工作于正向偏 置状态,正向电流通过发光二级管,它会发

11、出光来,光的颜色视发光管 的材料而定,用红色,黄色,绿色等等颜色.正向工作电压一般不超过 2v,正向电流为10mA右,其发光机理是当在 PN结两端注入正向电流 时,注入的非平衡载流子电子-空穴对在扩散过程中复合发光,这 种发射过程主要对应光的自发发射过程.按光输出的位置不同,发光二 极管可分为面发射型和边发射型.我们最常用的 LED是InGaAsP/InP双 异质结边发光二极管.发光二极管的发光原理同样可以用 PN结的能带结构来解释.制作 半导体发光二极管的材料是重掺杂的,热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子,P区有较多的迁移率较低的空穴.由于PN结阻挡层的限 制,在常态下,二者不能发生自

12、然复合,而当给 PN结加以正向电压时, 沟区导带中的电子那么可逃过 PN结的势垒进入到P区一侧.于是在PN结 附近稍偏于P区一边的地方,处于高能态的电子与空穴相遇时,便产生 发光复合.这种发光复合所发出的光属于自发辐射,辐射光的波长决定 于材料的禁带宽度Eg.发光二极管具有可靠性较高,室温下连续工作时 间长、光功率-电流线性度好等显著优点,而且由于此项技术已经开展 得比拟成熟,所以其价格非常廉价.因此在一些简易的光纤传感器的设 计中,如果LED能够胜任,选用它作为光源即可大大降低整个传感器的 本钱.然而LED的发光机理决定了它存在着很多的缺乏,如输出功率小、 发射角大、谱线宽、响应速度低等.因

13、此,在一些需要功率高、调制速 率快、单色性好的光源的传感器设计中,就不得不以提升本钱为代价, 选用其它更高性能的光源.3.3.5光电池光电池是利用光生伏特效应直接把光信号转变成电信号的器件,通 过磷或硼扩散形成Pn结而制作成的,用掺杂的氧化硅来制作的, 掺杂的目的是为了影响电子或空穴的行为.在有光照的情况下就是一个电源.它是一个大面积的 PN结,当光照射到PN结上时,便在PN 结两端产生电动势.当P-N结受光照时,样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生先生载流子.但能引起光伏效应的只能是本征吸 收所激发的少数载流子.因P区产生的光生空穴,N区产生的先生电子属多子,都被势垒阻挡而不能过结.只有

14、P区的光生电子和 N区的先生空穴和结区的电子空穴对少子扩散到结电场附近时能 在内建电场作用下漂移过结.光生电子被拉向N区,光生空穴被拉向P区,即电子空穴对被内建电场别离.这导致在N区边界附近有光生电子积累,在 P区边界附近有光生空穴积累.它们产生一个与 热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场,具方向由 P区指向 N区.此电场使势垒降低, 其减小量即光生电势差,P端正,N端负.于是有结电流由 P区流向N区,其方向与光电流相反.如果这时分 别在P型层和N型层焊上金属导线,接通负载,那么外电路便有电流 通过,如此形成的一个个电池元件.4.电路原理图路灯光电限制线路主回路相线由交流接触器CJD-1

15、0的三个常开触头并联以适应较大负荷需要,接触器触头的通断由限制回路限制.当天黑无光照时光电池2CR本身的电阻和R1, R2组成分压器,使 BG1基极电位为负,BG1导通,经BG2 BG3 BG幽成多级直流放大,BG4 导通使继电器J动作,从而接通交流接触器,使常开触头闭和,路灯亮. 当天亮时,光电池受光照射后,产生 0.20.5V电动势,使BG1在正偏压 后截止,后面多级放大器不工作,BG4截止,继电器J释放使回路触头断 开,灯灭.调节R1可调整BG1的截止电压,以到达调节自动开关的灵敏 度.图3-3总电路图5.元器件列表元件名称元件参数R1470KR2200KR310KR457KR5KR62

16、5KR710KR8280KC1200UFC2200UFC3100UF6 .心得体会课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践练习,通过此次课程设计,我明白了路灯限制器的工作原理,即通过光电池将光信号转换成 电信号,利用继电器的通断限制路灯相应的开启或关闭.也进一步掌握 了电路设计的技巧,熟练了用制图工具制图的方法以及 WORD编辑文档 的相关技巧,更深刻理解了光电池,继电器,二极管,三极管的特性. 平时上课学到的理论运用于实践,理解的更直观.稳固与扩充了光电传 感器等课程所学的内容,相关的课程都有了全面的复习,独立思考的能 力也有了提升,也从中发现了自己平时学习的缺乏和薄弱环节,从而加 以弥补.在课程设计过程中,我们不断发现错误,不断改正,不断领悟,不 断获取.培养了独立思考、动手操作的水平,在各种其它水平上也都有 了提升.更重要的是,学会了很多平时理论课学不到的知识.课