電工電子技術在聲光雙控開關設計中的應用

趙瑞林，趙妮娜

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

隨著人們生活現代化水平不斷提高，國民經濟的快速發展，電力的供需矛盾日益加劇，生產更多的電即意味著要消耗更多的煤、石油、天然氣、核原料等不可再生資源，還會帶來許多相應的環境問題。為此，我們應該從身邊做起，珍惜并節約每一度電。所以，現在很多住宅樓道都安裝了自動控制樓道燈。本設計安全節電、使用壽命長且成本低，達到了設計的要求，同時也實現了聲光雙控且能自動延時，可廣泛使用于公共場所的照明控制，在日常生活中具有很大的實用性[1]。

1 總體方案設計

一個聲光雙控開關設計，使得該開關滿足以下要求：1）白天不亮，晚上亮；2）晚上一有聲音便能亮燈，并且時間持續在20 秒內燈是亮的；3）該開關適用于人們活動時能發出聲響的場合，保證人們在光亮條件下活動，人走或休息后燈即熄滅[2]。

1.1 總體方案與原理說明

本設計主要由橋式整流電路、降壓濾波電路、聲音信號輸入電路、光信號輸入電路、延時控制電路以及外接電路6部分組成[3]，如圖1 所示。

圖1 聲光雙控電路框圖Fig.1 Double acousto-optic control circuit diagram

1.2 橋式整流電路

整流電路的工作原理：橋式整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路，如圖2 所示。整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向導電性。橋式整流電路將220 V 市電變成脈動直流電壓，再經過限流，穩壓，濾波輸出12 V 直流電壓，為集成塊及三極管提供電源。聲音信號和光敏電阻感受到的光信號以“與”的關系來控制集成塊輸出高低電平，構成的延時電路，實現自動延時，然后集成塊的輸出控制晶閘管的導通和斷開，從而控制燈泡的亮與滅。

二極管橋式整流電路輸入、輸出之間的數量關系及二極管選擇的條件：

輸出電壓VO、輸出電流IO與輸入電壓V2的關系：

二極管所承受的電流及耐壓值

圖2 橋式二極管整流電路Fig.2 Diode bridge rectifier circuit

單向橋式整流電路二極管選擇條件：

1.3 降壓濾波電路

電路中燈泡也起到了很重要的降壓作用。橋式整流電路輸出的脈動直流電壓經過R7限流降壓，電容C2濾波，從而得到比較小的直流電壓加到穩壓管D6 上，獲得12 V 的直流電壓，作為控制電路的直流電源。由圖3 中的電阻R7、電容C2和穩壓管D6 組成。

圖3 降壓濾波電路Fig.3 Buck filter circuit

1.4 聲音信號輸入電路

駐極體話筒的基本結構是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；改變了電容兩極板之間的距離，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：

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—電的變換。由于實際電容器的電容量很小，輸出的電信號極為微弱，輸出阻抗極高，可達數百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連接，必須連接阻抗變換器。通常用一個專用的場效應管和一個二極管復合，組成阻抗變換器。聲音信號輸入電路的工作原理：當沒有聲音時，三極管Q1 工作在飽和狀態，CD4011 的2腳為低電平；當有聲音時，聲音信號經話筒MIC 轉換為電信號后經C1 耦合至三極管Q1 放大，Q1 由飽和進入放大狀態，其集電極由低電平轉變成高電平并送入集成電路CD4011 的2腳。由圖4中的駐極體話筒MIC、電阻R1、R2、R3、電容C1和三極管Q1組成[4]。

1.5 光信號輸入電路

圖4 聲音信號電路Fig.4 Sound signal circuit

光信號輸入電路的工作原理：光的強弱經光敏電阻RG轉換為高、低電平后送入集成電路CD4011 的1腳。由降壓濾波電路知，光敏電阻和R4的總電壓U為12 V，白天光線射到光敏電阻RG上時，其阻值變得很小，約為20 kΩ，則光敏電阻的電壓U1為：

CD4011 的1腳為低電平，則3腳被鎖定為高電平，與2腳的輸入高低電平無關，所以電路封鎖了聲音通道，使聲音信號不能通過，即燈泡亮滅不受聲音控制。這時，門U1A 的3腳輸出的高電平經過門U1B、U1C、U1D 3 次反相后成低電平，晶閘管D7 無觸發信號不導通，燈不亮。夜晚，RG因無光線照射呈高阻，約為10 M。則光敏電阻的電壓U2為：

則與非門U1A 的輸入端1腳變成高電平，門U1A 的3腳輸出狀態受2腳輸入電平的控制，這為聲音通道的開通創造了條件。它是由圖5 中的電阻R4和光敏電阻RG 組成。

圖5 光信號輸入電路Fig.5 Optical signal input circuit

光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導體。半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。當光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產生空穴，電子—空穴對的出現使電阻率變小。光照愈強，光生電子—空穴對就越多，阻值就愈低。當光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子-空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值，電流也逐漸減小。

1.6 延時控制電路

延時控制電路的工作原理：如圖6 的電路圖，在白天時，與非門U1A 的輸入端1腳為低電平，則3腳被鎖定為高電平，與2腳的輸入高低電平無關，所以電路封鎖了聲音通道，使聲音信號不能通過，即燈泡亮滅不受聲音控制[5]。這時，門U1A 的3腳輸出的高電平經過門U1B、U1C、U1D 3 次反相后成低電平，晶閘管D7 無觸發信號不導通，燈不亮。當在夜晚同時有聲音信號時，與非門U1A 的輸入端1腳和2腳都為高電平，則其輸出為低電平，再經與非門U1B 反相輸出高電平，通過隔離二極管D1 給電容C3充電，當C3充電電壓達到與非門U1C 的閾值電平時，使與非門U1D 輸出高電平，通過R5觸發可控硅D7 使其導通，主回路便有較大的電流通過白熾燈使其發光。當聲音消失后，與非門U1A 的輸入端的2腳變為低電平，則其輸出端為高電平，從而使與非門U1B 輸出為低電平，因D1 的阻斷作用，電容C2只能通過R5緩慢放電，經過大約1 分鐘下降到與非門U1C 的閾值電壓以下，使與非門U1D 輸出低電平，當交流電過零點時，可控硅自動關斷，白熾燈熄滅。延時時間理論值為[6]：

圖6 延時控制電路Fig.6 The delay control circuit

2 總體電路設計及其原理相關說明

系統采用CD4011為核心控制晶閘管的通斷。工作電路如圖7 所示。二極管D2-D5 組成橋式整流電路將220 V 市電變成脈動直流電壓，再經過R7限流，D6 穩壓，C2濾波輸出12 V直流電壓，為集成塊CD4011 及三極管Q1 提供電源。話筒MIC 聲音信號和光敏電阻RG 感受到的光信號以“與”的關系來控制CD4011 輸出高低電平，經過C3和R6構成的延時電路，實現自動延時，然后CD4011 的輸出控制晶閘管的導通和斷開，從而控制燈泡亮與滅[7]。

圖7 總體電路原理圖Fig.7 The overall circuit principle diagram

3 結束語

通過本次設計，使學生熟練應用電工電子技術，進一步掌握了各元器件的工作原理及功能，比如駐極體話筒和可控硅的管腳分布、參數及工作原理，進一步掌握了原理圖的設計與電路板的焊接。在電路的設計與調試過程中也遇到了很多問題，在面包板上調試時，由于電路的一根線短路而導致調試失敗，這使學生明白了在調試電路時必須先仔細檢查各部分電路的連接情況，明白每一個元器件的工作原理及各管腳的功能。

本次設計讓學生成功地制作出了一個節能的聲光雙控電子開關，實現以下功能：1）白天正常光照下，無論有無聲音，燈泡不亮；2）夜晚無聲音的時候，燈不亮；有聲音觸發時，燈亮；3）燈亮一定時間以后，自動熄滅且延時20 s 左右；4）靈敏度較高。

本設計安全節電、使用壽命長且成本低。達到了設計的要求。同時也實現了聲光雙控且能自動延時，可廣泛使用于公共場所的照明控制，在日常生活中具有很大的實用性。

[1]夏克組，鄭聚爽.一種聲光雙控節能自動開關的研制[J].中國照明電器，2011（3）：10-12.XIA Ke-zu，ZHENG Hu-shuang.Development of automatic switch for acoustooptic control energy-saving[J].China Lighting Electric Appliance，2011（3）：10-12.

[2]趙陽.聲光控制延時開關電路的設計與制作[J].電子制作，2007（10）：39-41.ZHAO-Yang.Design and fabrication of the acousto-optic control delay switch circuit[J].Electronic Production，2007（10）：39-41.

[3]葉永茂.聲光控延時節電開關[J].電子科技，2000（3）：67-69.YE Yong-mao.Sound and light control time-delay electricitysaving switch[J].Electronic Technology，2000（3）：67-69.

[4]焦忠平.照明燈聲光控制電路及制作[J].科教文匯（中旬刊），2007（5）：87-88.JIAO Zhong-ping.Lighting the acousto-optic control circuit and making[J].Science Educ（CC），2007（5）：87-88.

[5]王曉靜.聲光延時控制電路的制作[J].電子測試，2009（4）：54-57.WANG Xiao-jing.Acousto-optic delay control circuit production[J].Electronic Test，2009（4）：54-57.

[6]廖貽謀.聲光控延時燈[J].電子世界，2005（10）：64-65.LIAO Yi-mou.Acousto-optic controlled delay lamp[J].The Electronic World，2005（10）：64-65.

[7]盧濤.聲光控節能燈的制作[J].電子制作，2006（10）：74-75.LU Tao.Making sound and light-controlled energy-saving lamps[J].Electronic Production，2006（10）：74-75.