《电路检测与安装》课件学习情境5

学习情境5

延时开关的制作与调试第一部分基础知识第二部分技能实训学习目标

1.掌握电路过渡过程的基本知识。

2.了解555定时器的外形、参数及使用方法。

3.能设计、制作延时开关，并能测试其性能。

4.能利用仿真软件测试电路。

5.进一步学习规范编写技术文件。工作任务

设计、安装一个实现15W白炽灯延时控制的开关电路，要求采用555和RC电路实现延时，延时时间在15秒～4分钟之间可调，误差范围在±1s之内。

要求：

(1)根据具体情况计算电路参数和用EWB软件做仿真实验。

(2)选取、识别和测试元件，包括各类电阻、电容、电感、(稳压)二极管、三极管等的数值、质量、电器性能的准确判断。

(3)安装、调试电路。第一部分基础知识

知识链接一RC电路的过渡过程

1.认识过渡过程

1)电路的过渡过程

首先，我们通过一个实例来认识过渡过程，如图5-1所示，三只同一规格的灯泡D1、D2、D3分别与电阻、电感、电容串联，然后三者与电源并联。可以观察到，在未与电源Us接通之前，灯泡D1、D2、D3都不亮；当接通电源后，在直流电压的作用下，D1立即达到某一亮度不再变化；D2逐渐亮起来，达到一定亮度不再变化；D3突然达到一定亮度并逐渐暗下来，最后熄灭。这三种不同的现象说明三个支路的工作情况不同。在R、D1串联支路上，灯泡马上亮起，而且没有变化，即该支路马上进入稳定状态；L、D2串联支路有一个灯泡逐渐增亮的过程，但这一过程并不稳定，因为灯泡亮到一定程度后，将不再变化，即最终进入稳定状态；同样，C、D3支路也出现了这种不稳定过程，即灯泡逐渐变暗，一段时间后最终到达稳态，灯泡熄灭。图5-1RLC并联支路这种电路由一种稳定状态(灯泡原来熄灭的状态)变化到另一种稳定状态(灯泡现在亮的状态)的中间变化过程，称为电路的过渡过程。因为一般过渡过程存在的时间比较短暂，所以也称为暂态。电路的暂态虽然短暂，但对它的研究却具有重要的实际意义，因为电路的暂态特性在很多技术领域中得到了应用。例如，在控制系统中常利用这些特性来提高控制速度和精度，在脉冲技术中利用这些特性来变换或获得各种脉冲波形等；另一方面，由于有些电路在暂态中会出现过电流或过电压，认识它们的规律有利于采取措施加以防范。

2)形成暂态的条件

(1)电路中存在储能元件。

由上述实例发现只有L和C支路出现这种暂态过程，而R支路没有出现暂态过程。这是因为电容元件与电感元件是两种储能元件，对储能元件，要使其状态发生变化，则其能量要变化，而能量的变化只能是逐步的动态变化过程。对L、C两类元件而言，它们在任一时刻的电压与电流之间是微分的关系，即或，所以这两种元件也称为动态元件。电路出现暂态过程的条件之一就是电路中要存在储能元件。

(2)换路。

上例中，如果控制开关没有变化，D2、D3灯泡所在的支路虽然存在储能元件，但是也不会发生过渡过程。说明电路中形成过渡过程还存在另一个条件，即在实际电路中发生开关的通断、元件参数的变化、连接方式的改变等情况，这些情况统称为换路。只有当换路、含有储能元件两个条件同时存在时，电路才能够从一个稳态变化进入另一个稳态。

由于换路引起的稳定状态的改变必然伴随着能量的改变，而电容、电感储能元件上能量的累积和释放需要一定的时间，即储能不可能跃变。具体表现是，在动态电路的换路瞬间，电容电压与电感电流不能发生跃变。这一定律叫做换路定律，可以表述为

(5-1a)(5-1b)uC(0+)=uC(0－)iL(0+)=iL(0－)式中：uC(0+)——换路后瞬间电容元件的电压，单位为伏特(V)；

uC(0－)——换路前瞬间电容元件的电压，单位为伏特(V)；

iL(0+)——换路后瞬间电感元件的电流，单位为安培(A)；

iL(0－)——换路前瞬间电感元件的电流，单位为安培(A)。

2.过渡过程的三要素

如果电路中只有一个动态元件(电容或电感)，我们称这种电路为一阶电路。观察发现对于一阶电路，换路后电容电压uC、电感电流iL和电路中其他的电压、电流都是从换路后的初始值开始按同一指数规律单调增长或衰减到新的稳态值。因此分析一阶电路时，只要求出换路后的初始值、达到新的稳定状态时的稳态值和增长或衰减的速度(即时间常数τ)这三个要素，就能确定一阶电路过渡过程中电压或电流的变化规律，这就是一阶电路的三要素法。在动态电路的分析过程中，储能元件上电荷增加的动态过程称为充电；电荷减少的动态过程称为放电。我们以一个典型的RC一阶电路的放电过程为例，来分析动态电路。

图5-2(a)所示电路中，假设开关S原来处于“1”位置，当电路稳定时，电容C已被充电至电压Uo。t=0时，将开关打到“2”位置，则电容C将通过R构成闭合放电回路。电容通过电阻R放电，电路进入过渡过程，电容电压将从Uo逐渐下降到0，如图5-2(b)所示。在整个过渡过程中，电容电压逐步减小。该电路即为典型的RC放电回路。图5-2RC电路的放电电路

1)电路初始值的确定

电路换路后的初始值可以借助于换路定律来确定。换路定律指出，电容电压和电感电流在换路前后一瞬间是保持不变的，而其余的量如电容电流和电感电压等都是可以跃变的。为表述方便，将遵循换路定律的uC(0+)和iL(0+)称为独立初始值，而把其他的初始值如iC(0+)等称为相关初始值。

独立初始值可以通过换路前的稳态电路求得。在换路前的稳态电路中，若电路是直流激励，则换路前的稳定电路应将电容视为开路，电感视为短路，如此可以得到换路前电路的等效图。在此电路图中，求得换路前的电容电压值uC(0－)和电感电流值iL(0－),即可确定换路后的独立初始值uC(0+)和iL(0+)。求解电路初始值的方法步骤如下：

(1)画出换路前即t=0－时的电路图，在电路图中将电容用开路来代替，电感用短路来代替。

(2)在t=0－时的等效电路图中，求解uC(0－)和iL(0－)。

(3)根据换路定律，得到uC(0+)和iL(0+)。

(4)画出换路后即t=0+时的等效电路图，此时电容可用电压为uC(0+)的电压源来替代，电感可用电流为iL(0+)的电流源来替代。

(5)在t=0+时的等效电路图中，求解其他如iC(0+)之类的相关初始值。在RC放电过程中，独立初始值为uC(0+)。换路前的电路中，将电容视为开路，得t=0－时的等效电路，如图5-3所示。由等效电路得

uC(0－)=U0

根据换路定理：

uC(0+)=uC(0－)=U0

RC放电过程中，t=0+时的等效电路如图5-4所示。

由等效电路可得图5-3t=0－时的RC等效电路图5-4t=0+时的RC等效电路

2)时间常数τ

时间常数是反映动态过程持续时间长短的一个参数，用τ来表示，在动态电路研究过程中具有非常重要的意义。我们以RC电路的放电过程为例，来介绍时间常数τ。理论研究证明，放电过程的快慢由电路本身的参数来决定。

对于图5-3所示的RC电路

τ=RC

(5-2)

τ的大小决定了电路放电过程中电压、电流衰减的快慢。以电容电压为例，uC随时间衰减的情况如表5-1所示。从表5-1中的数据可以看出：

(1)时间常数τ是电容电压由初始值U0衰减到初始值的36.8%所需要的时间。

(2)从理论上讲，要经历无限长的时间，电容电压才衰减到零，过渡过程才结束。但当t=3τ～5τ时，uC已衰减到初始值的0.05～0.007倍，因此，工程上一般认为换路后经过3τ～5τ的时间，过渡过程基本结束，电路已进入新的稳态。

(3)在电路的动态变化过程中，τ越大，过渡过程持续的时间越长。这一点也可以从物理概念上来理解，当电容电压的初始值U0一定时，电容C越大，电容器中储存的电荷就越多，放电需要的时间就越长；同时，电阻R越大，放电电流越小，放电需要的时间也越长。因此，电容电压和电流衰减的快慢取决于电路中电阻R和电容C乘积的大小。同样的情况也发生在RL一阶动态电路中。与RC电路类似，当电感储存能量或者释放能量的时候，电路中电流或电压的变化关系也与RL电路的时间常数τ有关。

RL一阶电路中，τ的大小同样反映了RL电路响应衰

减的快慢程度。时间常数τ与L成正比，与R成反比。

L越大，在同样大小的初始电流iL(0+)下，电感储存的磁场能量越多，通过R释放能量所需要的时间就越长，暂态过程也越长；电阻R越小，在同样大小的初始电流iL(0+)下，电阻消耗的功率就越小，暂态过程也就越长。

对于RL电路，有

(5-3)

3)电路的稳态值f(∞)

电路的稳态值f(∞)是指过渡过程结束后新的稳定状态的参数值。求稳态值f(∞)的方法如下：首先，画出换路后电路达到稳定状态的等效电路图，该等效电路中电容相当于开路，电感相当于短路；在该电路中求出各电压、电流值即f(∞)值。

在分析RC放电的过程中，图5-2(a)电路的开关S打到“2”位置后，电容C将通过R放电，放电过程持续的时间由τ=RC来决定。当过渡过程结束后，电路会进入稳态。其稳态等效电路如图5-5所示。图5-5t=∞时的RC等效电路由等效电路可得

4)三要素法求解一阶动态电路。

在一阶动态电路中，只要我们掌握上述三个要素，就可利用式(5-4)确定一阶电路过渡过程中电压、电流的变化规律。(5-4)式中：f(t)——过渡过程中待求的电压或电流;

f(0+)——换路后的电压或电流的初始值;

f(∞)——过渡过程结束后新的稳态值;

τ——电路的时间常数。

f(0+)、f(∞)、τ称为一阶电路的三要素，只要能够求出这三个要素，就能根据式(5-4)写出电路的解析式，这种方法称做三要素法。对RC放电回路中的各参数：

(1)初始值分别为(2)时间常数为τ=RC。

(3)稳态值分别为uC(∞)=0，iC(∞)=0，uR(∞)=0。代入三要素公式可得

5)典型动态电路

(1)RC充电过程。

[例5-1]

图5-6所示电路是一个单片机的上电复位电路，电源电压UCC=5V，电容C=4.7μF。单片机要求开机上电时，复位信号要维持30ms的低电平，如果反相器的高电平最小值定为2.4V，电阻R应选择多大合适？

分析：这是一个典型的RC充电电路，开机上电前电容上没有充电电压。在开机通电瞬间，电容器电压为零，通过反相器给单片机复位引脚的信号是低电平；当电容器充电电压达到2.4V后，通过反相器给单片机复位引脚的信号变为高电平。图5-6单片机的上电复位电路在开机通电瞬间，根据换路定律

UC(0+)=UC(0－)=0V

过渡过程结束后

UC(∞)=UCC=5V

根据三要素公式可得

UC(∞)=5V，t=30ms，C=4.7μF，UC=2.4V所以R=9.76kΩ选择R=10kΩ，就可以满足复位要求。

(2)RL电路的放电过程。

图5-7所示电路为电阻R和电感线圈L组成的串联回路，开关S原置于1位置，在t=0时刻，置于2位置，RL电路将进入放电过程。用三要素法可以对此动态电路进行分析。

在RL放电回路中，如果开关在1位置突然断开，没有置于2位置，则此时电流的变化率di/dt很大，致使电感两端产生很高的自感电动势，其值为L(di/dt)。此时的电感相当于一个电压源，该电压源与电源一起加于开关S的两端，会使开关两触点间击穿，形成火花或电弧，延缓电路的断开，甚至烧毁开关的触头。为防止高电压损坏开关及接在电路中的测量仪表或其他元器件，在设计或使用电感量比较大的电气设备时，应采取必要的措施。在电感线圈两端并联续流二极管是工程应用中经常采用的一种安全措施。图5-7RL电路的放电过程

(3)微分电路。

实际应用中，经常利用RC的充、放电电路来构成一些运算电路，图5-8所示的微分电路就是一个典型的例子。

电阻R和电容C串联后输入方波信号ui，由电阻R输出信号uo。若RC即τ数值与输入方波宽度tW之间满足τ<<tW，则在R两端(输出端)得到正、负相间的尖脉冲，而且发生在方波的上升沿和下降沿。

当时间常数τ很小时，电容的充放电过程很快，故电容电压基本上与输入电压相平衡，即

ui=uR+uC≈uC图5-8微分电路则输出电压

输出电压与输入电压的微分成正比，所以这种电路称为微分电路，微分电路常用于将矩形脉冲信号变换成尖脉冲信号。微分电路波形如图5-9所示。图5-9微分电路波形知识链接二555集成电路

555时基电路是数字、模拟混合的中规模多功能集成电路。该电路结构简单，使用方便，可产生精确的时间延迟和振荡，因其内部有3个5kΩ电阻组成的分压器，故称为555定时器。

555时基电路具有以下特点：

①定时精度高，工作速度快；

②使用电源电压范围宽；

③能和数字电路直接连接；

④有一定的输出功率，可直接驱动指示灯、小型继电器等；⑤结构简单，使用灵活；

⑥工作可靠性高。

555时基电路优点众多，在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中得到了十分广泛的应用。

1.555时基电路的分类

我国目前广泛使用的555时基电路的统一型号是：双极型为CB555，CMOS型为CB7555，此外还有一种双时基电路，在一个集成芯片内包含有两个完全相同又各自独立的时基电路。它们的型号分别为CB556和CB7556，详见表5-2。

555单时基电路有两种封装形式，如图5-10(a)所示。单时基电路的编号方式是把引脚朝下，从带标志的引脚开始按逆时针方向顺序编号，如图5-10(b)所示。各引脚功能为：1接地端；2触发端；3输出端；4复位端；5控制电压；6门限或阈值；7放电端；8电源电压。图5-10555单时基电路外观及引脚图

556双时基电路的封装只有14脚双列直插型一种。引脚排列与单时基电路一致，如图5-11所示。可以看出：引脚1~6和引脚13~8分别形成两个互相独立的单时基电路，其引脚功能与8脚双列直插式的一致，7脚、14脚为双时基电路共用的电源端和接地端。图5-11555双时基电路引脚图

2.555时基电路的参数

1)性能参数

为了能正确使用555时基电路，应对它的主要参数有所了解。表5-3分别列出其主要参数以供使用时参考。对于双时基电路来讲，除了静态电流增加1倍外，其余参数与单时基电路完全相同，可参考单时基电路的主要参数使用。

2)使用555电路的注意事项

(1)负载能力的扩大。

从驱动电流这一参数来看，CB555的驱动能力较大，可以直接带动小型继电器、微电机和低阻抗扬声器。CB7555的驱动能力较小，只能使用LED指示灯、压电陶瓷蜂鸣器等负载。要想使CB7555有更大的驱动能力，可以在输出端加一级驱动放大器，这样就可把负载电流扩大到100mA左右，足以带动继电器、微电机等负载。

(2)CB555与CB7555的性能比较和选用。

CB555的突出优点是驱动能力强，而CB7555的突出优点是电源电压范围宽、输入阻抗高、功耗低。因此在实际应用中，在负载轻、要求低功耗和使用较低电源电压以及要求长时间定时(定时电阻＞10MΩ)的场合，应选用CB7555或CB7556。而在负载较重的场合则应选用CB555或CB556。

3)典型应用

555时基电路使用方便灵活，555配合外接元件可构成单稳态、双稳态和无稳态三种工作方式，可以组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路和自动控制电路等。

图5-12是由555和RC电路组成的单稳态电路。单稳态电路是指只有一个稳定状态。在无触发信号时，电路处于稳定状态，输出为0。当输入端加触发脉冲后，电路由稳定状态翻转为暂稳定状态，输出为1。在电路翻转的同时，电源VCC通过电阻R给电容C充电，RC电路进入动态过程。图5-12555电路组成单稳态电路充电过程的快慢取决于时间常数τ。电路输出的1状态是否发生变化完全取决于RC动态电路的变化，当电容C上的电压上升到(2/3)VCC时，电路输出就会从1又翻转回到原来的0。暂稳定状态持续时间的长短取决于电路的参数，调节τ的值就可以控制电路输出状态的变化，这种单稳态电路可以用来定时。图5-12电路的定时时间t=1.1RC，通常R的取值范围在几百欧姆到几兆欧姆之间，电容的取值范围为几百皮法到几百微法，所以定时时间可以从几微秒到几十分钟进行调整。知识链接三继电器

1．继电器

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通信、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一，继电器有很多种，这里只介绍使用较为广泛的电磁继电器。

1)继电器的结构

电磁继电器是一种电磁开关器件，一般由一个线圈、铁芯、一组或几组带触点的簧片组成。触点有动触点和静触点之分。在工作过程中能够动作的称为动触点，不能动作的称为静触点。图5-13所示的继电器中，1为动触点，2、3为静触点。电路未通电时，由于1、2一直连接在一起，所以又称为常闭触点；1、3一直断开，所以称为常开触点。继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片，使常闭触点1、2断开，常开触点1、3接通。当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点1、2接通，1、3断开。只要根据需要把要控制的电路接在触点1、2间或触点1、3间，就可以利用该继电器达到某种控制目的。图5-134098型继电器继电器的触头根据其动作特性的不同，可分为下列几种：

(1)动合型(H型)。

线圈不通电时两触点是断开的，通电之后两个触点闭合。以合字的拼音字头“H”表示。

(2)动断型(D型)。

线圈不通电时两触点是闭合的，通电之后两个触点断开。这类继电器用断字的拼音字头“D”表示。

(3)转换型(Z型)。这是触点组型，

共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点与其中一个静触点断开，与另一个闭合；线圈通电后动触点移动，使原来断开的呈闭合状态，原来闭合的呈断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点，用“转”字的拼音字头“Z”表示。

2)继电器的主要技术参数

(1)额定工作电压：继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，既可以是交流电压，也可以是直流电压。

(2)直流电阻：继电器中线圈的直流电阻，可以通过万用表测量。

(3)吸合电流：继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不能超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而将线圈烧毁。

(4)释放电流：继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

(5)触点切换电压和电流：继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制的电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

2.继电器型号命名方法

1)命名格式

常用继电器型号含义如下：

2)型号中字母的意义

部分常用继电器型号命名如表5-4所示。

3.继电器的选用

(1)选择线圈电源电压。选用电磁式继电器时，首先应选择继电器线圈电压是直流还是交流。继电器的额定工作电压一般应大于或等于其控制电路的工作电压。

(2)选择线圈的额定工作电流。用晶体管或集成电路驱动的直流电磁继电器，其线圈额定工作电流应在驱动电路的输出电流范围之内。

(3)选择接点类型及接点负荷。同一种型号的继电器通常有多种接点形式可供选用，应选用适合应用电路的接点类型。所选继电器的接点负荷应高于其接点所控制电路的最高电压和最大电流，否则会烧毁继电器接点。

(4)选择合适的体积。继电器体积的大小通常与继电器接点负荷的大小有关，选用多大体积的继电器还应根据应用电路的要求而定。

4.继电器使用前的检测

1)测触点电阻

用万用表的电阻挡测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0(用更加精确方式可测得触点阻值在100mΩ以内)；而常开触点与动点的阻值为无穷大。由此可以区别出哪个是常闭触点，哪个是常开触点。

2)测线圈电阻

可用万用表R×10Ω挡测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在开路现象。

3)测量吸合电压和吸合电流

找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以多试几次求平均值。

4)测量释放电压和释放电流

按照测量吸合电压和吸合电流的方法连接电路，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可多尝试几次以取得平均的释放电压和释放电流。一般情况下，继电器的释放电压约为吸合电压的10%～50％。如果释放电压太小(小于吸合电压的1/10)，则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。第二部分技能实训

EWB仿真应用实训

一、训练内容

1.用EWB进行一阶电路暂态过程观测。

2.延时开关定时时间仿真测试。

二、器材准备

电脑EWB仿真软件

三、训练内容

1.用EWB进行一阶电路暂态过程观测

1)观察RC暂态电路波形

如图5-14所示接线，使信号发生器输出方波信号U0：

幅值U0=4V，脉宽100μs，周期200μs。用示波器检验上述参数是否合格，然后用示波器观测RC电路的暂态过程。

用示波器观测U0、UC和UR，并用方格坐标纸记录波形。调节电阻器R大小，观察并描绘UC和UR波形变化情况。图5-14一阶电路暂态过程观测实验电路

2)观察RC微分电路的波形

电路如图5-15所示，调节信号发生器，使其输出方波信号：幅值U0=4V，频率1kHz，用示波器检验。选择适当的电阻值R，使τ≈0.1tp。用示波器观测UR，并用方格坐标纸记录波形。调节电位器R大小，观察τ的变化对微分波形的影响。图5-15RC微分观测实验电路

3)观察RC积分电路的波形

电路如图5-16所示，调节信号发生器，使其输出方波信号，幅值U0=4V，频率100kHz，并用示波器检验其是否合格。选择适当的电阻值R，使τ≈10tp(tp为脉冲宽度)。用示波器观测U0和UR，并用方格坐标纸记录波形。调节电位器R大小，观察τ的变化对积分波形的影响。图5-16RC积分观测实验电路

2.延时开关定时时间仿真测试

用EWB软件首先得到如图5-17所示的定时电路图。为方便起见，在输出端接指示灯，输出为高电平时灯泡点亮，同时，为测试定时时间，输出端接示波器。

R选择1MΩ，C选择1μF，根据定时公式td=1.1RC，可求得定时时间应为1.1s，我们用仿真来验证这个结果。

打开开关，在输入端输入一个脉冲，然后闭合开关，模拟真实的手轻触开关，然后收回，这时可观察到指示灯亮，而且很短时间后灯自动熄灭。用示波器观察此段时间的输出波形，如5-18所示。图5-17延时开关仿真电路图图5-18延时开关仿真电路示波器输出波形输出本来为低电平，在输入端开关闭合后，变为高电平，其持续时间约为1.1s，与理论计算所得值相同。

可以看到高电平持续时间延长，变成4.4s，与理论计算值相同。

调整C值，R仍取1MΩ，而电容C1取4μF，继续仿真测试，可以观察到指示灯亮的时间延长，同时示波器输出如图5-19所示。图5-19延时开关仿真电路示波器输出波形完成工作任务

按照要求完成工作任务。

1.简单延时开关的制作