光電課程實(shí)踐

龐宛文 蔣擇

【摘 要】照相機(jī)電子快門電路是利用環(huán)境光照度的變化來控制照相機(jī)的曝光時(shí)間：光照度越強(qiáng)，曝光時(shí)間越短;反之則越長。光電課程實(shí)踐中，根據(jù)其電路原理要求本科生以光敏電阻為核心元器件，輔以電容、電阻和電壓比較器等，首先用Multisim軟件設(shè)計(jì)仿真電路，然后在Altium Designer上繪制相應(yīng)的原理圖和電路圖，最后燒制電路板并進(jìn)行元器件焊接以完成電路板的制作。

【關(guān)鍵詞】光敏電阻;電壓比較器;三極管;電子快門

中圖分類號(hào)： TN379 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.023

【Abstract】The cameras electronic shutter can control the exposure time as the variation of the ambient light： when the illumination is higher， the exposure time will become shorter， otherwise， itll become longer. In the photoeleletric course exercise， the students are required to simulate and make the circuit of camera electronic shutter by using photosensitive resistor as the core component， the capacitance， the resistance and the voltage comparator， etc. The detailed progress was first to design and simulate the circuit based on the software of Multisim; and then to draw the schematics by Altium Designer; finally， to etch the circuit board and weld the electronic Components.

【Key words】Photosensitive resistor; Voltage comparator; transistor; Electronic shutter

0 引言

照相機(jī)快門有機(jī)械快門和電子快門兩種，其主要作用是控制曝光時(shí)間以獲得較好的成像效果。光電課程實(shí)踐中，在電路中加入光敏電阻[1]（如圖1（a）），通過被攝物的環(huán)境光照度改變其電阻值來控制電容充電的的時(shí)間，再以電壓比較器作為開關(guān)功能電路進(jìn)而控制照相機(jī)電子快門開啟和關(guān)閉的時(shí)間，使曝光時(shí)間可以連續(xù)變化[2]。光敏電阻抗干擾能力較強(qiáng)，在電子快門電路中可以實(shí)現(xiàn)快門無限制地開啟。

1 電路設(shè)計(jì)與仿真

電路仿真在Multisim軟件上進(jìn)行，由于元件庫中缺少光敏電阻，仿真過程中用阻值為0-10kΩ的可調(diào)電阻替代其功能[3]。原因是光照度一定時(shí)，通過光敏電阻的電流與其兩端的電壓成線性比例關(guān)系;電壓一定時(shí)，隨著光照度的增強(qiáng)，光敏電阻的阻值減小，因此可以將光敏電阻看做一個(gè)阻值隨光照度變化的可調(diào)電阻[4]。

電路主要由電容充放電電路、時(shí)間檢出電路和放大電路三部分組成。核心元件分別是硫化鎘（CdS）制作的光敏電阻、LM358電壓比較器（如圖1（b））和作為電流信號(hào)放大器的NPN型的高反壓三極管2N5551（如圖1（c））。

如圖2所示，左邊為電容充放電電路：電容C1、可調(diào)電阻R6與光敏電阻串聯(lián)構(gòu)成控制電容充電時(shí)間的結(jié)構(gòu)。電阻R2一端接地一端接雙擲開關(guān)的C點(diǎn)構(gòu)成電容C1放電電路;當(dāng)開關(guān)的B點(diǎn)與C點(diǎn)連接時(shí)則實(shí)現(xiàn)電容C1充電電路。

中間為時(shí)間檢出電路：R3在電路中起到限流的功能。可調(diào)電阻R7兩端的電壓為基準(zhǔn)電壓。對比電壓比較器LM358兩個(gè)輸入端電壓值的大小，輸出不同的電壓值，以此達(dá)到控制電路開關(guān)的功能。當(dāng)光照強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值小，C1兩端電壓（即電壓比較器的反向輸入端電壓）可以快速充到大于基準(zhǔn)電壓（即電壓比較器的正向輸入端電壓）的電壓值，LED燈亮的時(shí)間短;當(dāng)光照弱時(shí)，光敏電阻阻值大，電容兩端電壓充到大于基準(zhǔn)電壓所需的時(shí)間變長，LED燈亮的時(shí)間長。

右邊是放大電路，R4和R1與三極管Q1（2N5551）的集電極和基極相連，為集電極和基極提供合適的偏置電壓，同時(shí)起到保護(hù)三極管的作用。當(dāng)輸入電壓為低電平時(shí)（即電壓比較器輸出低電平），Q1的基極沒有合適的偏置電壓值，發(fā)射極比基極電壓高，發(fā)射極處于反向偏置狀態(tài)，Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，LED1不亮;當(dāng)輸入電壓為高電平時(shí)，基極電壓大于發(fā)射極，發(fā)射極處于正向偏置狀態(tài)，Q1處于放大狀態(tài)，LED1燈亮。

仿真結(jié)果如圖3（a）、（b）所示，通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的電阻值和電容的參數(shù)來控制被曝光時(shí)間。用示波器測LED1燈兩端的波形，波形處于高電平狀態(tài)的時(shí)間即為快門開啟的時(shí)間。弱光照下，光敏電阻的阻值為9.5kΩ，測得快門開啟時(shí)間為227ms;強(qiáng)光照下，光敏電阻的阻值為500Ω，測得快門開啟時(shí)間為99ms?？梢钥闯?，當(dāng)被攝物的光照度越大則所需要的曝光時(shí)間越短。

2 成品電路板的制作

根據(jù)仿真電路，用Altium Designer軟件繪制電子快門電路的電路板[5]。如圖4（a）是電路的PCB圖，將元件進(jìn)行合理的排布和連線并進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（Design Rules Check， DRC）。繪制完畢后可以通過3D察看，如圖4（b）所示，觀察元件之間的擺放是否合理。

之后將PCB圖打印到轉(zhuǎn)印紙上，再用熱膠帶將其貼在覆銅板上進(jìn)行熱轉(zhuǎn)印，這樣電路就被復(fù)印到覆銅板上了;然后將覆銅板放進(jìn)腐蝕液中，覆銅板上的電路被墨粉覆蓋因此不參加化學(xué)反應(yīng)，其他未被覆蓋處的銅會(huì)被腐蝕掉;用清水和砂紙將板子上的腐蝕液和線路上的墨擦去，再選擇合適的鉆頭對PCB板進(jìn)行打孔，最后進(jìn)行元件焊接以及功能測試。如圖5所示為電子快門電路的實(shí)物圖[6]。

隨著集成電路的發(fā)展，照相機(jī)電子快門電路可以集成到一塊很小的電路板上，很大程度節(jié)省了空間。集成電路制作工藝精密，不太適合在本科實(shí)踐教學(xué)中開展，但是可以設(shè)計(jì)制作同樣功能的PCB電路板，這對于學(xué)生電路軟件的學(xué)習(xí)使用水平和電路板的制作焊接技巧都有較大的提高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵先秀，陳國玉.光敏電阻在照相機(jī)電子快門中的應(yīng)用[J].科技傳播，2012（22）：117，87.

[2]王嘉儀，胡凡，趙永安等.教室燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測試，2019（12）：25-26.

[3]梁明理，朱俊，孫盡堯.電子線路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2010.5：14-24.

[4]張承暢，龔昱文，余灑等.Multisim在模電和數(shù)電混合實(shí)驗(yàn)案例中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019（6）：50-52，62.

[5]李瑞，耿立明.Altium Designer 14電路設(shè)計(jì)與仿真從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2014（11）.

[6]李鵬.電子線路中的PCB制作分析[J].電子世界，2019（10）.