路灯声光双控延时电路实验讲义

二、实验目的
1. 2. 3. 4. 5. 分析声光双控延时电路原理、练习组装电路，演示声光双控延时电路工作方式。 测试电路工作状态，了解利用各种传感器采集信息和处理信息的方法。 学习数字式万用表的使用。 测量光敏电阻的光电特性。 根据学到的知识，设计一些其它控制电路，再利用本实验装置进行实验。
图 1 SGY-04 声光双控延时电路实验板和 SGY-05 声光双控延时电路电源面板
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（仪器内的元件可能与电路图有些差别，这不影响实验）。 电路的工作原理是：三极管 VT 由于从电阻 R5 获得正偏压而导通， M 点为低电位，白 天当有光照到光电传感器 RG 上时，其电阻相对 R6 较小， Q 点处于低电位，即使有声音，
基极
负极
图 2 声光双控延时电路 三极管 VT 截止， M 点的电压也上不去（ M 和 Q 为同一电位），加到与非门 F3 之 1 、 2 脚的 始终为低电位，结果与非门 F3 输出为高电位。此高电位输入与非门 F4 后， F4 输出为低 电位，从而使二极管 VD 截止。因 R7 接地，从而使与非门 F2 输入为低电位，输出为高电 位，此高电位输入与非门 F1 ，使 F1 输出为低电位，从而不能使单向晶闸管 VS 触发导通， 这样与 VS 串联 ( 在交流 18V 电路中 ) 的路灯就无法通电发光了。 当夜幕降临时，光电传感器 RG 光照减弱，电阻升高， Q 点电位较高，但由于三极管 VT 平时都导通， M 点为低电位，加到与非门 F3 之 1 、 2 脚为低电位，此时如果驻极体话筒 MIC 接受到某一声音时就会产生电信号，并通过电容 C2 耦合到三极管 VT ，使 VT 截止，这 样 M 点电位升高，与非门 F3 的输入脚为高电位，从而使 F3 输出为低电位。与非门 F3 输 出的低电位造成与非门 F4 反相，输出高电位，使 二极管 VD 导通，并对电容 C3 充电，这 又造成与非门 F2 输入为高电位，输出为低电位。与非门 F2 输出的低电位又造成与非门 F1 反相， F1 输出的高电位使可控硅 VS 触发导通，从而使 18V 回路中的路灯通电发光。因为 人经过时，脚步声音短暂，三极管 VT 又很快恢复导通，从而使二极管 VD 再次截止，但由 于电容 C3 放电需要一段时间，C3 正极端还能使与非门 F1 输出高电位，故路灯不会立即熄 灭。当 C3 通过 R7 放电完毕，路灯也就停止发光，这就是延时控制过程， SGY-04 声光双控 延时电路实验板上已装有一个约 1.5MΩ的电阻 R7 ，若要改变延时时间，只要将所配的小电阻 双插头插上即可，阻值可通过并联计算或直接测量得到。 集成电路 IC 选用 TC4001 型四 2 输入与非门，三极管 VT 选用 3DG6 ，β =80 左右。可 控硅 VS 选用 1A400V 单向晶闸管（只能配 36V25W 以下的灯泡，否则要烧坏可控硅）。 MIC 选用何种话筒可自行考虑。电阻可选用 1 ／ 4W 的金属膜电阻。
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已有一百多年，但直到 1962 年美国贝尔实验室才制成世界上第一个聚合物薄膜驻极体话筒。驻 极体电容话筒的振膜和底极已存储了永久性电荷，它是在高温条件下，施加很高的极化电压通过 电晕放电或电子束轰击形成的。 因此它就和普通的电容传声器不同， 不需要再附加一个 70V～280V 电压的极化电源。由于驻极体电容话筒体积小、重量轻、成本低、频响特性好、信噪比高，所以 在磁带录音、电视电影摄像机、声级计、噪声测量、助听器等方面获得了广泛应用。 5. TC4001 四 2 输入与非门 TC4001 型集成电路是双输入端四与非门 CMOS 数字电路。 门电路是各种逻辑电路的基本单元。 所谓“门’ ，就是一种条件开关，在一定条件下，允许信号通过；条件不满足，信号就不能通过， 因此在门电路的输入和输出之间存在着一定的逻辑关系，故又称逻辑门电路。基本的逻辑门电路 有“与”门、 “或”门或“非”门，及其组合而成的门。它们大量应用在电子线路的辅助电路和 外围接口电路上。对一个门电路来说，输入端一般有两个信号，一个是控制信号，一个是输入信 号。单独使用门电路的作用有：一、取样逻辑。用控制信号来检测输入信号是高电平，还是低电 平，从而决定是否取样。二、选通逻辑。只允许输入信号在控制信号的时间宽度内通过，不在此 时间范围内，逻辑门就不准通行。三、禁止逻辑。在控制信号时间范围内，输入信号禁止通过逻 辑门。本实验中采用的 CC4011 型集成电路四个与非门的作用都相应于“非”门，即输出和输入 倒相，输入是低电平，输出就为高电平。对于其中的几，只有当输入端的两个信号均为高电平或 低电平时，才能倒相。对 CMOS 集成电路在应用时要特别注意。使用时，不可将多余输入端悬空， 应根据逻辑功能的不同而接 VDo 或 Vas；焊接时，应暂时断开烙铁电源，用烙铁的余热焊接。储 存、运输或使用不当时，静电荷的积累会使电路中的 CMOS 场效应管损坏。因此用完后，应该用 铝箔把电路引出端短接或放在等电位的金属盒内， 以避免与尼龙、 塑料等易产生静电的物体接触。 6. 单向可控硅 可控硅也称晶闸管，是一种大功率半导体器件，具有效率高、控制特性好、寿命长、体积小 等优点。自 20 世纪 60 年代以来在电力控制、工业机械、交通工具、家用电器等方面得到广泛应 用。 晶闸管一般分为单向和双向两种， 是一种 PNPN 四层半导体元件， 有三个 PN 结， 可看作是 PNP 和 NPN 两个三极管的组合，通常有阳极、阴极和控制极三个引出极。单向晶闸管当阴极和阳极间 加反向电压时，电路截止，处于反向阻断状态。如果在阴极和阳极间加正向电压时，控制极和阴 极间电压小于或等于零，晶闸管也不导通，只有加上正向偏置电压后，晶闸管才导通。导通后， 如果切断正向偏置电压，晶闸管仍导通。当阳极和阴极间的正向电压降低时，导通电流减小，当 电流降到一定大小时，电路截止。维持晶闸管导通的最小阳极电流，称晶闸管维持电流。晶闸管 在正、反向电压过大或电压变化太快时都会非正常工作，易使管子击穿，因此使用时必须注意。 单向晶闸管三个电极的区分可用多用表来判断，方法类似判断普通二极管。如果发现有两个极的 正、反向电阻相差很大，那么当电阻小时，接黑表棒的那个极就是控制极，接红表棒的是光双控延时电路原理 如图 2 所示， 电阻 R1 和电容 C1 组成滤波部分，它们共同组成低压直流电源。驻极 体话筒 MIC 、三极管 VT 和光敏电阻 RG 及周围元件构成传感部分；集成电路 IC 和单向可控 硅（单向晶闸管） VS 构成控制和触发开关；二极管 VD 、 电容 C3 、电阻 R7, 组成延时部分
图 4 硫化镉光敏电阻的光照特性
图5
硫化镉光敏电阻的伏安特性
CdSe 光敏电阻的光谱特性曲线与人眼最为接近，因止，CdSe 光敏电阻比较适合用于照相机 曝光表、空气烟尘检测器等可见光装置。 光敏电阻的主要特点是灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定，可以交直流两用，而且工 艺简单，价格便宜，因此，近年来被广泛应用于照相机闪光控制、光电自动控制、光电耦合、光 电自动检测、电子光控玩具、自动灯开关及各类可见光波段光电控制、测量场合。 4. 驻极体话筒 驻极体话筒，即驻极体电容传声器、驻极体 声电换能器。它是电容传声器的一种，是目前广 泛使用的优良传声器。电容传声器的结构如图 6 所示，电容器的一个极端是极薄的振膜，另一个 极端是底极，中间隔有很薄 的气膜。对于这种 电容器， 要有较高的极化电源使其充电， 按 Q=C· U 公式储存电荷，式中 U 为加在两极间的电压 (即 电源 E 的电压 ) ， Q 为电荷量， C 为电容量。当 图 6 电容传声器结构 振膜在外界声波作用下振动时，电容量发生变化， 由于电阻 R 足够大，充电电荷 Q 来不及释放或继续充入，电压 U 就按式子ΔU=Q／ΔC 发生变化， 即电容器两端电压的变化是与电容量的变化成反比。ΔU 加在电阻两端，经预放大器将ΔU 放大， 并把高阻转为低阻，送入前级放大器继续放大，从而完成声电转换过程。 驻极体是具有能长期储存电荷的介质材料，如高绝缘聚合物、无机二氧化硅。驻极体从发现至今
路灯声光双控延时电路 实验讲义
2009.2
路灯声光双控延时电路实验
一、概述
声光双控延时开关是用于公共过道、楼梯照明路灯控制的实用技术，其中包含 了驻极体声音传感器、光敏电阻光传感器、逻辑控制集成电路、可控硅触发开关、 RC 延时电路等许多基本的物理内容， 是一个物理知识在日常生活中应用的典型例子。 声光双控延时电路实验仪主要由 SGY-04 声光双控延时电路实验板和 SGY-05 声光 双控延时电路电源组成（仪器面板如图 1 所示） ，另配一些特制的连接线和调节电阻 双插头以及测量所需的数字万用表，可以灵活设计、连接各种控制电路，模拟演示白 天、黑夜、有声、无声等各种情况下灯的工作状态，还可改变 RC 参数，调整延时时 间，测量各工作点在不同状态下的参数，了解有关传感器和控制过程的知识。
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敏电阻的光照特性为非线性。 也可以利用数字式万用表欧姆档直接测量光敏电阻的电阻值，改变光源与光敏电阻的距离， 利用距离平方反比关系测量相对光强与光敏电阻阻值的关系。 在一定光照下，光敏电阻的电流 I 与所加电压 U 的伏安特性如图 5 所示，直线 A 对应于照 度 E 0 ，直线 B、C、D 分别对应于不同照度。从图中可以看出，光敏电阻是一个纯电阻，其 伏安特性线性良好。在不同的光照条件下的伏安特性斜率不同，相应光敏电阻的阻值不同。在给 定偏压下，光照度越大，电流也越大。在一定光照下，电压越大，电流越大，而且没有饱和现象。 但是不能无限度地提高工作电压，光敏电阻的最高使用电压要由它的耗散功率所决定，而光敏电 阻的耗散功率又与其面积大小和散热条件等因素有关。图 5 中的 P UI 虚线划分出了额定功耗 区，使用时应注意不要使电阻的功率超过额定功耗。 使用光敏电阻时还需要注意元件的光谱特性，温度特性和频率特性，以及使用注意事项。例 如，光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性相匹配；要防止光敏电阻受到杂散光的影响等。
图 3 光敏电阻的结构图（a）和封装图（b） 在室温条件下，光敏电阻在全暗后经过一段时间测得的电阻值，称为暗阻 Rd ；此时在给定 工作电压下流过光敏电阻的电流称为暗电流 I d 。 光敏电阻在某一光照条件下的阻值，称为该光照下的亮电阻 Rb ；此时流过光敏电阻的电流 称为亮电流 I b 。亮电流和暗电流之差为光电流 I L 。 亮阻和暗阻之差越大，说明光敏电阻的性能越好，灵敏度越高，实用光敏电阻的暗阻一般大 于 1500 千欧数量级，亮阻在几千欧以下，暗阻和亮阻之比一般在 10 ~ 10 之间。 3. 光敏电阻的基本特性 光敏电阻的基本特性包括光照特性、伏安特性、光谱特性、温度特性等，本实验主要研究光 敏电阻的光照特性（也称光电特性）和伏安特性。 当光电器件电极上的电压一定时，光电流 I L 与入射到光电器件上的光照度 E 之间的关系称 为光照特性。光敏电阻的光照特性如图 4 所示，图中入射光照度 E 的单位是 lx，由图中可见，光