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信号
楼道触摸延时开关的设计
摘要:
当今社会人们更加注重节能环保,照明这一领域也发生了很大的变化,从传统的白炽灯具向LED照明灯发展,照明开关电子化进程也从公共照明的节点控制开始。
适宜于门厅、楼梯和楼道中使用的触摸延时开关使公共照明基本实现了“人来灯亮、人离灯熄”的自动控制,明显改善了楼房照明的公共效果,还能大幅度节省公共照明用电,照明灯的实际使用寿命也明显延长。
这类开关使受到欢迎和推广的。
与公共照明开关相比,室内用电子式开关的技术难度较大。
研制确有实用价值的电子式室内照明开关市场潜力可能更大。
基于555定时器的延时开关设计可以很方便的解决多点控制走廊延时触摸开关电路的设计。
关键词:
触摸式电路,555定时器,晶体管
Thedesignofthedelayswitchcorridortothetouch
Abstract:
intoday'ssocietypeoplepaymoreattentiontoenergyconservationandenvironmentalprotection,lightingthefieldalsoproducedverybigchange,fromthetraditionalincandescentlampsLEDlightstodevelopment,lightingswitchelectronicprocessfrompubliclightingnodealsobegantocontrol.Suitableforhallway,stairandcorridoroftimedelayswitchusedintouchpubliclightingbasicrealizedthe"peopletoemitlight,peoplefromthelight"automaticcontrol,cansignificantlyimprovethebuildingofpubliclightingeffect,stillcansavepubliclightingelectricity,theactualuseofthelightingwassignificantlylongerlifeexpectancy.Suchaswitchtowelcomeandpromotion.Andpubliclightingswitch,comparedwiththetechnologyofelectronicswitchindoordifficultyislarge.Developmentisthepracticalvalueoftheelectronicindoorlightingswitchthepotentialmarketmaybeevengreater.Basedonthe555thedelayofthetimerswitchdesigncaneasilysolvemultipointcontrolcorridordelaytouchswitchcircuitdesign.
Keywords:
feelingtypecircuit,555timer,transistor
1.绪论
本论文题目设计是一种新型实用触摸延时开关,它是一种内无接触点,利用人体感应电压控制受控肜电器的开启,经延时后能自动断开电源的节能电子开关。
开关主控采用电子元件无接触点,可消除浪冲电流及电花,延长用电器使用寿命,用手指点触触摸点,通过触摸方式对受控用电器进行开启控制,脱离触摸片后数十秒后该开关将自动关断,减少不必要的电能浪费,实用方便,内设防漏电触电之保险电路,安全可靠。
2系统设计
2.1设计要求
1.设计一楼道触摸延时开关,其功能是当人用手触摸开关时,照明灯点亮,并延续一段时间后自动熄灭。
2.开关的延时时间约1分钟左右。
2.2方案设计
2.2.1熟悉晶闸管的开关作用
(1).晶闸管的开关作用
晶闸管是一种开关组件,广泛的应用在各种电路,以及电子设备中。
典型的小电流控制大电流的组件,通过一个电流很小的脉冲触发,当晶闸管处于导通状态时它的电阻变得很小相当于一跟导线。
(2).晶闸管的结构和工作原理
晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。
如图图2-1.1所示:
图2-1.1等效图
图2-1.2器件符号
当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。
每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。
因此是两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2,发射极电流相应为Ia和Ik,电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J2结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:
(1)
若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:
得出晶闸管阳极电流为:
(2)
硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2随其发射极电流的改变而急剧变化。
当晶闸管承受正向阳极电压,而门极未接受电压的情况下,式
(2)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO,晶闸管处于正向阻断状态;当晶闸管在正向门极电压下,从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结,从而提高放大系数α2,产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数α1,产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结,这样强烈的正反馈过程迅速进行。
当α1和α2随发射极电流增加而使得(α1+α2)≈1时,式
(2)中的分母1-(α1+α2)≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。
这时,流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定,晶闸管已处于正向导通状态。
晶闸管导通后,式
(2)中1-(α1+α2)≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通,门极已失去作用。
在晶闸管导通后,如果不断地减小电源电压或增大回路电阻,使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时,由于α1和α2迅速下降,晶闸管恢复到阻断状态。
(3).晶闸管的工作条件
●晶闸管承受反向阳极电压时,无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。
●晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
●晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。
●晶闸管在导通情况下,当主回路电压或电流减小到接近于零时,晶闸管关断。
(4).晶闸管的管脚鉴别
●单、双晶闸管的判别:
先任测两个极,若正、反测指针均不动(R×1挡),可能是A、K或G、A极(对单向晶闸管)也可能是T2、T1或T2、G极(对双向晶闸管)。
若其中有一次测量指示为几十至几百欧,则必为单向晶闸管。
且红笔所接为K极,黑笔接的为G极,剩下即为A极。
若正、反向测批示均为几十至几百欧,则必为双向晶闸管。
再将旋钮拨至R×1或R×10挡复测,其中必有一次阻值稍大,则稍大的一次红笔接的为G极,黑笔所接为T1极,余下是T2极。
图2-2晶闸管管脚
●性能的差别:
将旋钮拨至R×1挡,对于1~6A单向晶闸管,红笔接K极,黑笔同时接通G、A极,在保持黑笔不脱离A极状态下断开G极,指针应指示几十欧至一百欧,此时可控硅已被触发,且触发电压低(或触发电流小)。
然后瞬时断开A极再接通,指针应退回∞位置,则表明可控硅良好。
对于1~6A双向晶闸管,红笔接T1极,黑笔同时接G、T2极,在保证黑笔不脱离T2极的前提下断开G极,指针应指示为几十至一百多欧(视晶闸管电流大小、厂家不同而异)。
然后将两笔对调,重复上述步骤测一次,指针指示还要比上一次稍大十几至几十欧,则表明晶闸管良好,且触发电压(或电流)小。
若保持接通A极或T2极时断开G极,指针立即退回∞位置,则说明晶闸管触发电流太大或损坏。
可按图2方法进一步测量,对于单向晶闸管,闭合开关K,灯应发亮,断开K灯仍不息灭,否则说明晶闸管损坏。
对于双向晶闸管,闭合开关K,灯应发亮,断开K,灯应不息灭。
然后将电池反接,重复上述步骤,均应是同一结果,才说明是好的。
否则说明该器件已损坏。
2.2.2掌握桥式整流电路原理
(1).单相桥式整流电路的组成
单相桥式整流电路由四只二极管组成,其构成原则就是保证在变压器副边电压u2正、负半周内正确引导流向负载的电流,使其方向不变。
设变压器副边两段分别为a和b,则a为“+”、b为“-”时应有电流留出a点,a为“-”、b为“+”时应有电流流入a点;相反,a为“+”、b为“-”时应有电流流入b点,a为“-”、b为“+”时应有电流流出b点;因而a和b点均应分别接两只二极管,以引导电流;如图2-3所示。
图2-3桥式整流原理
(2).工作原理
设变压器副边电压
,U2为其有效值。
当u2为正半周时,电流由a点流出,经过V1、RL、D3流入b点,因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压,即
,V2和V4管承受的反响电压为-u2。
当u2为负半周时,电流由b点流出,经V2、RL、V4流入a点,负载电阻RL上的电压等于-u2,即
,V1、V3承受的反向电压为u2。
这样,由于V1、V3和V2、V4两对二极管交替导通,致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过,而且方向不变,输出电压
。
如图2-4所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。
图2-4桥式整流电路电流、电压波形
(3).输出电压平均值UO(AV)和输出电流平均值IO(AV)
根据图2-4中所示uo的波形可知,输出电压的平均值
解得
由于桥式整流电路实现了全波整流电路,它将u2的负半周也利用起来,所以在变压器副边电压有效值相同的情况下,输出电流的平均值(即负载电阻中的电流平均值)
在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下,输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。
根据谐波分析,桥式整流电路的基波UOIM的角频率是u2的2倍,即100HZ,
。
故脉动系数
与半波整流电路相比,输出电压的脉动减小很多。
2.2.3掌握三极管的开关作用
三极管工作在饱和导通状态(发射结和集电结都是正偏置)时,其c-e极间电压很小,比PN结的导通电压还要低(硅管在0.5V以下),c-e极间相当“短路”,即呈“开”的状态。
三极管在截止状态(发射结、集电结都是反偏置)时,其c-e极间的电流极小(硅管基本上量不到),相当于“断开(即‘关’)”的状态。
三极管开关电路的特点是开关速度极快,远远比机械开关快,没有机械接点,不产生电火花。
开关的控制灵敏,对控制信号的要求低,导通时开关的电压降比机械开关大,关断时开关的漏电流比机械开关大。
不宜直接用于高电压、强电流的控制。
2.2.4掌握稳压管的作用
稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管,其V-A特性曲线与普通二极管相似,但反向击穿曲线比较陡。
稳压二极管工作于反向击穿区,由于它在电路中与适当电阻配合后能起到稳定电压的作用,故称为稳压管。
稳压管反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小。
当反向电压增高到击穿电压时,反向电流突然增大,稳压管从而反向击穿,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管两端的电压的变化却相当小,利用这一特性,因此稳压管在电路到起到了稳压的作用。
图2-5稳压管特性曲线
稳压管与其普通二极管不同之处在于反向击穿是可逆性的。
当去掉反向电压稳压管又恢复正常,但如果反向电流超过允许范围,二极管将会发热击穿,所以,与其配合的电阻往往起到限流的作用。
3设计的具体实现
3.1系统概述
系统框图
指示灯
照明灯
触发电路
整流电路
延时电路
3.2系统原理图
图3-1.1触摸延时开关电路
3.3系统原理综述
电源电路由整流二极管VD1-VD4,电阻器R3,发光二极管VL,稳压二极管VS等组成;控制电路由触摸电极A,电阻器R6,R5,晶体管V1,V2和项晶闸管VT等组成。
接通电源后,交流220V电压经过VD1-VD4整流,R3限流及VS稳压后产生12V电压,供给控制电路。
此时,晶体管V1,V2及晶闸管VT均处于截止状态,流过照明灯EL中的电流仅有2mA左右,不足以使EL点亮。
当用手触摸金属片A时,人体感应信号经电阻器R5,R6加至V2的基极,使V2导通.V2导通后,其集电极电压降低,使V1也导通。
V1导通后,其集电极输出出发高电平,使晶闸管VT受触发而导通,照明灯EL点亮。
在V2导通瞬间,电容器C1通过V2集电极与发射极并接在+12V两端,使C1上迅速充满约12V左右的电压。
照明灯EL点亮,人手离开金属片A后,V2虽然截至,但C1上所充电压通过电阻器R1向V1的发射结放电,使V1仍维持导通,所以照明灯EL仍能持续发光。
当电容器C1放电结束后,V1截止,使晶闸管VT也截止,照明灯EL熄灭。
发光二极管串联在+12V电源电路中,可以作为夜间指示灯,指示接近金属片的位置。
R1,R2和C1的数值决定着照明灯的延迟时间,可通过改变R1的阻值来改变延迟时间:
若R1为100千欧,则延迟时间为60S;若R1为150千欧,则延迟时间为90S;若R1为220千欧,则延迟时间为135S。
3.4单元电路设计
●照明灯电路:
照明电路采用220V交流输出,将功率小于100W的灯泡与整流电路部分串联连接。
●整流电路:
电路中采用四个IN4007二极管,互相接成桥式结构。
利用二极管的电流导向作用,在交流输入电压U的正半周内,二极管VD1、VD3导通,VD2、VD4截止,在负载RL上得到上正下负的输出电压;在负半周内,正好相反,VD1、VD3截止,VD2、VD4导通,流过负载RL的电流方向与正半周一致。
因此,利用四个二极管,使得在交流电源的正、负半周内,整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。
●指示灯:
VD1~VD4、VT组成开关的主回路。
平时,VT处于关断状态,灯不亮。
VD1~VD4输出220V脉动直流电经R3限流,VS稳压,C2滤波输出直流电供VT1使用。
此时VL发光,指示开关位置,便于夜间寻找开关。
●延时电路:
延时电路的实现,主要运用电容的充放电原理。
在VT2得到触发信号导通后,电流流经电容C2进行充电,电容储存一定量的电荷。
当人手离开电极片后,触发信号消失,电容放电使VT1、VT保持一定时间内处于导通状态下,实现灯泡EL延时1min左右后熄灭。
延时时间长短主要由R1、C1充电时间常数决定,若要延长或缩短延时时间,可适当增大或减小R1的数值。
●触发电路:
触摸灯的触摸开关是通过人体接触后产生的电流泄露而工作的。
当用手触摸一下触摸开关的电极片A时,人体泄漏电流使VT2导通。
此时,电容C1开始充电,VT1随即导通,晶闸管门极得到正向触发电流导通。
(其中泄露的电流十分微小,只有多少微伏。
而人体本身带的静电都有几千几万伏。
所以触摸开关对人体的影响是微乎其微的几乎没有。
)
3结论
本论文题目设计的是一种新型实用触摸式电子延时开关,触摸电路的输入端与一个触摸片相接,其输出端与电子开关电路的控制端相接;电子开关电路中的开关元件通过整流稳压电路中的稳压元件接在整流电路的直流端。
该电路广泛应用于楼道、宾馆等公共场所的双线触摸延时断电电子开关。
减少不必要的电能浪费,实用方便。
触摸片为优良金属导体,使用时只需轻轻触摸一下即可将人体感应信号传递给电路,使用很方便
这次通过楼道触摸延时开关的设计,给我最大的体会是对一个程序整体的把握和控制,只有将子程序有效的结合起来,才能完成设计的目的。
另外,让我也了解到了设计电路的程序,知道了触摸延时开关的原理,加深了我对专业知识的了解与认识。
受益匪浅的一次设计让我明白了许多,理论知识是实践的“先锋军”只有先掌握理论然后结合实践才能更好的发挥作用。
在这次设计中还让我培养出了很好的自主能力,也给了自己很大的发挥空间,更好的挖掘自己能力。
这次毕业设计给我各方面带来了很大的提升,让我明白了对任何事物都要从多个角度考虑与分析,加强了我对问题的观察、分析、解决的能力。
这次设计是我对这三年来课程知识的考核,也是对专业知识的总结,并且还加强了我个人能力,总之,这次设计让我大有收获。
参考文献
[1]张庆双。
《实用电子线路200例》机械工业出版社。
[2]单海校。
《电子综合实训》北京大学出版社。
[3]汤琳宝。
《电子技术实验教程》清华大学出版社。
[4]张宪,何宇斌。
《电子电路制作指导》化学工业出版社。
[5]康华光,陈大钦。
《电子技术基础》高等教育出版社。
[6]林大灶。
《最新世界三极管特性代换手册》福建科学技术出版
致谢:
经过一个多月的忙碌,本次毕业设计终于在郭红玉老师的指导下顺利完成,作为一个专科生的毕业设计,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有导师的督促指导,以及一起工作的同学们的支持,想要完成这个设计是难以想象的。
在这里首先要感谢我的导师郭红玉老师,郭老师平日里工作繁多,但在我做毕业设计的每个阶段,从开题报告到查阅资料,设计草案的确定和修改,论文的修改等整个过程中都给予了我悉心的指导。
她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样,并将积极影响我今后的学习和工作。
其次感谢大学三年来所有的老师,为我们打下电力专业知识的基础;同时感谢所有的同学们,正是因为有了你们的支持和鼓励,此次毕业设计才会顺利完成。
然后还要感谢我的父母,没有他们辛勤的付出也就没有我今天,在这一刻,将最崇高的敬意献给你们!
最后感谢朔州职业技术学院三年来对我的大力栽培。
在此真诚的跟你们说声:
谢谢!
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