用光敏二極管和微型話筒制作樓道燈的聲光控開關

劉立財

在《普通高中物理課程標準》選修模塊選修3－1的教學活動建議中，要求“用光敏二極管和微型話筒制作樓道燈的光控-聲控開關”，如何指導學生完成這一活動，筆者作了初步的嘗試，并取得了較為滿意的效果。

1 實驗原理

樓道燈要求在夜晚有聲響時燈亮，燈亮一段時間后自動熄滅，而在白天，無論多大的聲響燈也不亮。光控可通過光敏二極管或光敏電阻等對光敏感元件實現，聲控可利用微型話筒把聲信號轉化為電信號，從而實現聲音對燈的控制。光控與聲控形成“與”邏輯關系，因此光控開關與聲控開關應與被控制的樓道燈串聯。除此之外，電路還應該有延時的功能。

原理是簡單的，但如何用發光二極管實現光控、如何用微型話筒實現聲控以及延時的功能呢？在教材中只介紹過一些常用的電學元件，如二極管的單向導電性、光敏二極管的電阻隨光照強度的增大而減小，電容器的充放電等，沒有現成的光控、聲控與延時的資料。我們能過網絡資料的查找，發現實現這些功能的電路無外乎兩種，一是利用分立元件，二是利用集成電路。用集成電路來制作所需材料少，但不利于從原理上把握；用分立元件需要的元件相對來說要多一些，但有利于從原理上把所握，有利于通過實踐活動進一步熟悉二極管、電容等的特性。

我們從市場上買來多種聲光控開關，拆開內部的電路板，根據實物圖繪制成電路簡圖。結合已學過的知識和網絡資料來分析它們的原理，并加以整合，最終確定用較為簡單的便于調節的分立元件電路來實現聲光控功能。實驗電路如圖1所示。

2 電源部分

在圖1中的右側，照明電壓220V經由四個二極管D2－D5組成的橋式整流電路后，再經過電阻R8和電容C3濾波，給電路提供12V左右的直流工作電壓。

圖1中PCR為單向可控硅，也就是人們常說的普通晶閘管。它的結構示意圖和符號如圖2所示。可控硅有兩種狀態導通與截止。導通必須具備兩個條件：①可控硅陽極A與陰極G間加正向電壓；②控制極G加正向觸發電流。可控硅一旦導通后，即使降低控制極電壓或去掉控制極電壓，可控硅仍然導通。所以晶閘管有“一觸即發”的特點。當可控硅的陽極與陰極間電壓消失時，退出導通。

本實驗中，可控硅兩端所加電壓是經過全波整流后的交流電壓，電壓的峰值在不停的變化，當控制極無觸發電壓且陽極A與陰極G之間電壓瞬時值為零時，可控硅將退出導通，燈泡熄滅。

當可控硅導通時，用多用電表電壓檔測得E、F兩點間的電壓約為0.5V，E、F兩點相當于導線直接相連，此時電源部分的電路等效圖如圖3所示，因為二極管的單向導電性，兩個二極管并聯，對交流220V幾乎沒有阻礙，因此此時燈泡可正常發光。

3 光控部分

白天有光線照射在光敏二極管時，二極管電阻較小，R7兩端的電壓較大，A點電位較大，三極管Q1導通，使得B點與地短接，此時即使環境有聲響，話筒產生的信號被短接，無法輸入到下一級。而當夜晚光線弱時，光敏二極管電阻變大，A點電位變小，三極管不再飽和導通，B點對地不再短接。此時，環境中的聲音經微型話筒產生的信號可輸入到下一級。

實驗中，可把電阻器R₁換成一個470KΩ電位器，調節該電位器可改變對光的敏感程度。若想在光線較暗時燈才亮，可把電位器阻值調小。還可以在A點與Q1之間串聯一開關，斷開開關，光控作用不起作用，即使在強光下，只要有聲響燈變亮。

本實驗中光敏二極管采用2CU1B，它的最高工作電壓可達30V，萬用表R×1k電阻檔檢測，有光照射在光敏二極管時,它和普通的二極管一樣具有單向導電作用。正向電阻為8-9kΩ,反向電阻大于5MΩ。檢測時用手擋住光線，可看到電阻明顯變化。光敏二極管也可以用光敏電阻來代替。

4 聲控部分

微型話筒MIC的基本結構由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個上面有若干小孔的金屬電極（背稱為背電極）構成。駐極體面與背電極相對，中間有一個極小的空氣隙，形成一個以空氣隙和駐極體作絕緣介質，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個電極構成一個平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。由于駐極體薄膜上分布有自由電荷。當聲波引起駐極體薄膜振動而產生位移時；改變了電容兩極版之間的距離，從而引起電容的容量發生變化，由于駐極體上的電荷數始終保持恒定，根據公式Q=CU，所以當C變化時必然引起電容器兩端電壓U的變化，從而輸出電信號，實現聲電之間的變換。

值得注意的是，微型話筒接入電路中時要區分極性，負極接地。

白天或夜晚無聲響時，Q2處于截止狀態，整流后的直流電源對C3和C4充電。Q3工作于飽和導通狀態，D點電勢低，可控硅因無觸發電壓而截止，燈不亮。

當夜晚樓道里有人走動或有人談話時，腳步聲或談話聲將被話筒MIC拾取，并被轉換為電信號，經電容器C2耦合到三極管Q2的基極，使Q2飽和導通，電容器C4兩端的電壓通過Q2加到Q3的基射極之間，使基射極因反向電壓而截止，D點電位變高，使可控硅獲得觸發電壓而導通，此時燈亮。導通后C4所充電荷通過三極管Q2和Q3放電，隨著放電的進行，電容C4兩端電壓也越來越小，當可控硅失去觸發電壓而又處于正向電壓瞬時電壓為零時，退出導通狀態而燈熄。

可見，電容器C4容量的大小對延時的時間起決定作用。C4的電容值越大，延時的時間越長。

5 元器件規格

本實驗中選用的普通白熾燈功率不大于100W，對于電阻的要求不高，普通電阻就可以符合要求，具體阻值參照電路圖所標數值。

整流用二極管D2-D5可采用IN4007，可控硅采用PCR 606J型，三極管Q1和Q2可采用S9014C128型，三極管Q3采用C945P331型，這些都是常見電子元件，可以在市場上買到，各管腳位置如圖5所示。在安裝之前，應用萬用表認真檢測各元件是否正常，重點檢測二極管的單向導電性，光敏二極管的阻值是否隨光照強度的增大而減少，話筒能否正常工作，三極管的管腳順序務必注意。

6 安裝與調試

為便于調試，我們把整個實驗在插件式線路板上完成。

圖6中去掉“連線1”則沒有光控作用，調節電位器能改變燈泡開始亮的光線強度。改變“接線2”的位置，把電容器C4的容量改變，當C4取22μF時，延時在40秒左右。若C4取10μF，則延時在25秒左右。

本實驗中，一定要注意用電安全。在測量、組裝、調試時，務必不能給線路板通電，只有在組裝調試結束后才能通電試驗。

筆者在指導學生完成制作的過程中深深地體會到，要把一個設想變成現實，作為教師要具備多方面的能力，對于物理教師來說，動手能力尤其重要。學生在活動過程中也學習到了許多教材上學不到的知識與技能，通過動手操作，學會了使用烙鐵的技能，對二極管的單向導電性，光敏二極管的特性，大容量電容的漏電與斷路的判斷等。

在物理教學中，如果我們能帶領學生完成設計控制類裝置的活動，可以引發了學生極大的興致，對突破“簡單的邏輯電路”、“傳感器”等新增內容的教學難點，對培養學生動手動腦能力有很大幫助，一定能取得極佳的教學效果。

(欄目編輯王柏廬)