电工电子技术在声光双控开关设计中的应用

摘要：随着人们生活现代化水平不断提高，电力的供需矛盾日益加剧，为珍惜并节约每一度电，声光双控开关的设计达到了节约电能的要求。通过声光双控开关的设计，使学生熟练应用电工电子技术，进一步掌握了各元器件的工作原理及功能。声光双控开关的设计安全节电，使用寿命长且成本低，在很多住宅楼道都安装了自动控制楼道灯，在日常生活中具有很大的实用性。
关键词：电工电子技术；声光双控开关；电路设计；应用性

随着人们生活现代化水平不断提高，国民经济的快速发展，电力的供需矛盾日益加剧，生产更多的电即意味着要消耗更多的煤、石油、天然气、核原料等不可再生资源，还会带来许多相应的环境问题。为此，我们应该从身边做起，珍惜并节约每一度电。所以，现在很多住宅楼道都安装了自动控制楼道灯。本设计安全节电、使用寿命长且成本低，达到了设计的要求，同时也实现了声光双控且能自动延时，可广泛使用于公共场所的照明控制，在日常生活中具有很大的实用性。

1 总体方案设计
一个声光双控开关设计，使得该开关满足以下要求：1)白天不亮，晚上亮；2)晚上一有声音便能亮灯，并且时间持续在20秒内灯是亮的；3)该开关适用于人们活动时能发出声响的场合，保证人们在光亮条件下活动，人走或休息后灯即熄灭。
1．1 总体方案与原理说明
本设计主要由桥式整流电路、降压滤波电路、声音信号输入电路、光信号输入电路、延时控制电路以及外接电路6部分组成，如图1所示。

1．2 桥式整流电路
整流电路的工作原理：桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图2所示。整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。桥式整流电路将220 V市电变成脉动直流电压，再经过限流，稳压，滤波输出12 V直流电压，为集成块及三极管提供电源。声音信号和光敏电阻感受到的光信号以“与”的关系来控制集成块输出高低电平，构成的延时电路，实现自动延时，然后集成块的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。

二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系及二极管选择的条件：
输出电压VO、输出电流IO与输入电压V2的关系：
VO=2×0．45V2=0．9V2 (1)
IO=0．9×(VO／RL) (2)
二极管所承受的电流及耐压值
IV=IO／2=0．45x(VO／RL) (3)
VRM=V2m (4)
单向桥式整流电路二极管选择条件：
IVZ≥IO／2=0．45x(VO／RL) (5)
VRM≥V2m (6)[p] [p]
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。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。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。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子一空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子一空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

1．6 延时控制电路
延时控制电路的工作原理：如图6的电路图，在白天时，与非门U1A的输入端1脚为低电平，则3脚被锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制。这时，门U1A的3脚输出的高电平经过门U1B、U1C、U1D 3次反相后成低电平，晶闸管D7无触发信号不导通，灯不亮。当在夜晚同时有声音信号时，与非门U1A的输人端1脚和2脚都为高电平，则其输出为低电平，再经与非门U1B反相输出高电平，通过隔离二极管D1给电容C3充电，当C3充电电压达到与非门U1C的阈值电平时，使与非门U1D输出高电平，通过R5触发可控硅D7使其导通，主回路便有较大的电流通过白炽灯使其发光。当声音消失后，与非门U1A的输入端的2脚变为低电平，则其输出端为高电平，从而使与非门U1B输出为低电平，因D1的阻断作用，电容C2只能通过R5缓慢放电，经过大约1分钟下降到与非门U1C的阈值电压以下，使与非门U1D输出低电平，当交流电过零点时，可控硅自动关断，白炽灯熄灭。延时时间理论值为：
t=2∏RC=2∏×10μF×1M≈62．8 s (10)

2 总体电路设计及其原理相关说明
系统采用CD4011为核心控制晶闸管的通断。工作电路如图7所示。二极管D2-D5组成桥式整流电路将220 V市电变成脉动直流电压，再经过R7限流，D6稳压，C2滤波输出12V直流电压，为集成块CD 4011及三极管Q1提供电源。话筒MIC声音信号和光敏电阻RG感受到的光信号以“与”的关系来控制CD4011输出高低电平，经过C3和R6构成的延时电路，实现自动延时，然后CD4011的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡亮与灭。

3 结束语
通过本次设计，使学生熟练应用电工电子技术，进一步掌握了各元器件的工作原理及功能，比如驻极体话筒和可控硅的管脚分布、参数及工作原理，进一步掌握了原理图的设计与电路板的焊接。在电路的设计与调试过程中也遇到了很多问题，在面包板上调试时，由于电路的一根线短路而导致调试失败，这使学生明白了在调试电路时必须先仔细检查各部分电路的连接情况，明白每一个元器件的工作原理及各管脚的功能。
本次设计让学生成功地制作出了一个节能的声光双控电子开关，实现以下功能：1)白天正常光照下，无论有无声音，灯泡不亮；2)夜晚无声音的时候，灯不亮；有声音触发时，灯亮；3)灯亮一定时间以后，自动熄灭且延时20 s左右；4)灵敏度较高。
本设计安全节电、使用寿命长且成本低。达到了设计的要求。同时也实现了声光双控且能自动延时，可广泛使用于公共场所的照明控制，在日常生活中具有很大的实用性。