台灯亮度自动调节电路设计论文_20xx5

台灯亮度自动调节电路设计论文_20xx5内容摘要：

台灯提供稳定的 12V 直流电源，在台灯底座壳内安置恒流源电源板，将直流电压变换成稳定的直流恒流源，以满足 LED 光源发光的技术要求。 在直流 恒流源前可加一电源开关，以便在台灯不用时可关断直流电源，但不能关断220V 交流电源，因此不用时应从墙上取下适配器的电源插头，这也是这个实用方案的唯一 “缺点 ”。 如不想采用机械开关，并想要一个更有创意的卖点，可选用电子触摸开关，如手指轻点可实现台灯的开 全亮、半暗、关；由于电子技术的快速进步，电子触摸开关如今已是一个低成本的器件。 光控台灯的电路原理图 光控台灯电路图 光控台灯工作原理 双控调光台灯具有 手控 和 光控 两种功能 ,它是在普通手动控制调光台灯的基础上加装一光控电路 ,使其能根据周围环境照度自动调整台灯亮度 ,当环境照度较弱时 ,其亮度就大。 当环境照度较强时 ,其亮度就小。 该灯电路见图 1。 当开关 S 拨向位置 2 时，它是一个普通调光台灯。 RP、 C 和氖泡 N 组成张弛振荡器，用来产生脉冲触发可控硅 VS。 一般台灯亮度自动调节电路设计 7 氖泡辉光导通电压为 60－ 80V，当 C 充电到辉光电压时， N 辉光导通，VS 被 触发导通。 调节 RP 能改变 C 充电速率，从而能改变 VS 导通角，达到调光的目的。 R R3 构成分压器通过 VD5 也向 C 充电，改变 RR3 分压也能改变 VS 导通角，使灯的亮度发生变化。 当 S 拨向位置 1 时，光敏电阻 RG 取代 R3，当周围光线较弱时， RG呈现高电阻， VD5 右端电位升高，电容 C 充电速率加快，振荡频率变高，VS 导通角增大，电灯两端电压升高、高度增大。 当周围光线增强时，RG 电阻变小，与上述相反，电灯两端电压变低，高度减小。 光控台灯原理图 在 V2 的正半周期内，加在 SCR 阳极的电压为正，阴极为负， SCR承受正向电压，此时具备导通条件之一。 在此期间的某一时刻 t1 以前，由于未加触发脉冲，所以 SCR 是正向阻断的，灯泡上没有电流流过。 如在 t1 时刻向 SCR 的控制极施加一触发脉冲， SCR 立即导通，灯泡上便有电流流过。 忽略 SCR 的正向压降，主回路 控制回路 台灯亮度自动调节电路设计 8 则灯泡上变化着的直流电压瞬时值 ud 和交流电源电压瞬时值 V2 相同。 当 t=180 时， V2 降至零， SCR 流过的电流降到维持电流以下而使 SCR关断，此时灯泡上的电压和电流都消失。 在 V2 的负半周期， SCR 承受反向电压，不能导 通。 直到第二个周期相当于 t1 时刻再施加触发脉冲，SCR 再次导通。 所以，负载上的电压是变化着的脉动直流电压。 台灯亮度自动调节电路设计 9 第三章 方案设计 根据题目的要求，确定如下方案： 由 实验电路图 可 将 该系统分为五个部分，这五个部分分别为： 1． 光感应部分 2． 分压器 3． 张弛振荡器 4． 晶闸管（可控硅） 5． 桥式 整流电路 光感应部分 图 光敏电阻 光敏电阻的定义 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。 这些制作材料具有在特定波长的光照射下 ，其阻值迅速减小的特性。 这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。 光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光台灯亮度自动调节电路设计 10 的变化转换为电的变化）。 常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。 光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下 ，它的阻值（暗阻）可达 1~10M欧 ,在强光条件（ 100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。 光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（ ~）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。 设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。 ．光敏电阻的工作原理： 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。 在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。 用于制造光敏电阻的 材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。 通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体 图 光敏电阻原理图 及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。 在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子 —空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率 变小，从而造成光敏电阻阻值下降。 光照愈强，台灯亮度自动调节电路设计 11 阻值愈低。 入射光消失后，由光子激发产生的电子 —空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。 在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。 半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。 分压器 图 分压器 串联分压的原理： 在串联电路中，各电阻上的电流相等，各电阻两端的电压之和等于电路总电压。 可 知每个电阻上的电压小于电路总电压，故串联电阻分压。 并联分流的原理： 在并联电路中，各电阻两端的电压相等，各电阻上的电流之和等于总电流（干路电流）。 可知每个电阻上的电流小于总电流（干路电流），故并联电阻分流。 分压原理 R1:R2=U1： U2 分流原理 R1:R2= I 2:I 1 串联电路中分压原理： U1： U2=R1： R2 并联电路中分压原理： I1： I2=R2： R1 台灯亮度自动调节电路设计 12 由此可知，当开关拨到 1 时，该电路属于 “光控 ”状态。 R2 与光敏电阻 RG 组成分压电路，可以向电容充电，当 RG 变化时， VS 的导通角会发生变化。 当开关拨到 2 时，该电路属于 “手控 ”状态，这时 R2 于 R1 组 成固定的分压器，以固定的电流向电容充电，当开关拨到 2 时，该电路属于 “手控 ”状态，这时 R2 于 R1 组成固定的分压器，以固定的电流向电容充电，这是台灯亮度不发生变化 . 张弛振荡器 张弛振荡器电路图 图 张弛振荡器 台灯亮度自动调节电路设计 13 单结晶体管的特性 图 单结管的特性 由图 可以看出，两基极 b1 与 b2 之间的电阻称为基极电阻： rbb=rb1+rb2 式中： rb1第一基极与发射结之间的 电阻，其数值随发射极电流ie 而变化， rb2 为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与 ie 无关；发射结是 PN 结，与二极管等效。 若在两个基极 b b1 间加上正电压 Vbb，则 A 点电压为： VA=[rb1/(rb1+rb2)]vbb=(rb1/rbb)vbb=ηVbb 式中： η称为分压比，其值一般在 之间，如果发射极电压 VE 由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图 2 图 单结晶体管的伏安特性 图 单结晶体管 （ 1）当 Ve＜ η Vbb 时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流 Iceo。 （ 2）当 Ve≥η Vbb+VD VD 为二极管正向压降（约为 伏），PN 结正向导通， Ie 显著增加， rb1 阻值迅速减小， Ve 相应下降，这台灯亮度自动调节电路设计 14 种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。 管子由截止区进入负阻区的临界 P 称为峰点，与其对就的发射极电压和 电流，分别称为峰点电压 Vp 和峰点电流 Ip 和峰点电流 Ip。 Ip 是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然 Vp=ηVbb （ 3）随着发射极电流 ie 不断上升， Ve 不断下降，降到 V 点后，Ve 不在降了，这点 V 称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压， Vv 和谷点电流 Iv。 （ 4）过了 V 点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以 uc 继续增加时， ie 便缓慢地上升，显然 Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果 Ve＜ Vv，管子重新截止。 单结晶体管的主要参数： （ 1）基极 间电阻 Rbb 发射极开路时，基极 b b2 之间的电阻，一般为 210 千欧，其数值随温度上升而增大。 （ 2）分压比 η 由管子内部结构决定的常数，一般。 （ 3） eb1 间反向电压 Vcb1 b2 开路，在额定反向电压 Vcb2 下，基极 b1 与发射极 e 之间的反向耐压。 （ 4）反向电流 Ieo b1 开路，在额定反向电压 Vcb2 下， eb2 间的反向电流。 （ 5）发射极饱和压降 Veo 在最大发射极额定电流时， eb1 间的压降。 （ 6）峰点电流 Ip 单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极 电流 张弛振荡器的工作原理 电源未接通前， C1 上的电压为零，开关闭和后， C1通过 R 以时间常数 R*C1 充电， C1上的电压 Uc逐渐升高至峰点电压 UP 时 ， e — b1 导通，单结管进入负阻状态， C1 通过 e — b1 经 R4 放电。 于是在 R4 两端产生输出脉冲 UR4。 台灯亮度自动调节电路设计 15 由于 R 的阻值较大，当 C1 上的电压降到谷点电压 UV 时，经过 R 供给的电流小于谷点电流 ，不能满足导通的要求，于是 e — b1 之间的电阻 Rb1 迅速增大，单结管恢复阻断状态。 然后 C1 又重新充电重复上述过程。 由于 C1 的放 电时间常数 (Rb1+R4)*C1远远小于充电时间常数 R*C1，所以 C1 上的电压 Uc 呈锯齿波，R4 上的电压 UR4 为正向脉冲。 图 张弛振荡器原理 晶闸管（可控硅） 图 晶闸管 台灯亮度自动调节电路设计 16 可控硅的概念 晶闸管又叫可控硅 (Silicon Controlled Rectifier, SCR)。 自从 20世纪 50 年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。 可控硅器件是一种非常重要的功率器 件，可用来做高电压和高电流的控制。 可控硅器件主要用在开关方面，使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然。 可控硅器件与双极型晶体管有密切的关系，二者的传导过程皆牵涉到电子和空穴，但可控硅的开关机制和双极晶体管是不同的，且因为器件结构不同，可控硅器件有较宽广范围的电流、电压控制能力。 现今的可控硅器件的额定电流可以从几毫安到 5000A 以上，额定电压可以超过10000V。 下面将讨论基本可控硅器件的工作原理，然后给出一些高功率和高频率的可控硅器件。 图 可控硅结构示意图和符号图 可控硅的主要工作特性 为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，大家先看这块示教板(图 3)。 晶闸管 VS 与小灯泡 EL 串联起来，通过开关 S 接在直流电源上。 注意阳极 A 是接电源的 正极 ，阴极 K 接电源的负极，控制极G 通过按钮开关 SB 接在 直流电源的正极 (这里使用的是 KP1型晶闸管，若采用 KP5 型，应接在 3V 直流电源的正极 )。 晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控台灯亮度自动调节电路设计 17 制极所加的都是 正向电压。 现在我们合上电源开关 S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通；再按一下按钮开关 SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。 这个演示实验给了我们什么启发呢 ? 图 可控硅 这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极 A 与阴极 K 之间外加正向电压，二是在它的控制极 G 与阴极 K 之间输入一个正向触发电压。 晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。 可控硅的导通角 在电力电子领域，导通角是指在一个周期内，由电力电子器件（如晶闸管）控制其导通的角度。 交流电一般为正弦波形，它的一个周期为 360 度，正半周占 180度，负半周占 180 度。 这里以可控硅作可控整流器件为例，当交流电通过二极管整流器件时，器件让正半周期的 180 度电流通过，而负半周期的 180 度的电流则不能通过通过，这种方式称为半波整流。 当交流电通过可。