红外遥控电灯开关亮度控制器原理及制作及有关方案

红外遥控电灯开关/亮度控制器原理及制作作者：孙清斯摘要：在日常生活中，一般都是用手动的方法来直接控制电灯，这样不但麻烦，而且还要受到控制距离的限制。本文以现在市场上流行的普通调光台灯为基础，研究红外线遥控电路的工作原理，从而实现红外信号的产生、发送、接收和变换等技术，让人们在一定距离之外就可以控制电灯的开关，以及亮度的调节。研究发现可以用红外遥控技术代替可变电阻实现对可控硅导通角的控制，从而改变流过电灯泡的电流，就可完成对电灯的亮度的调节。关键词：红外线遥控脉冲编码第一章绪论1﹒1红外线概述1﹒1﹒1红外线概念红外线实质上是一种电磁波．分析自然界中各种电磁波组成的波谱中可知，波谱是由r射线／x射线／紫外线／可见光／微波和无线电波组成的．如果按它们的波长依次排列，就会发现我们形影不离的可见光只占了整个波谱中0.38~0.76um波长的这么一点儿范围，而和可见光相念的红外线（包括远红外／中红外和近红外）却占了波谱中0.76~1000um的一大段．微米(mm)厘米(cm)米(m)10-610-510-410-310-210-111010+210-111011010+210+3r射线x射线紫外线可见光红外线微波无线电波微米(mm)10-10.380.7612.5102510+210+3紫外线可见光（紫／蓝／青绿／黄／橙／红近红外线中红外线远红外线微波表1—1电磁波的波谱1﹒1﹒2红外线的特性红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此它具有两相邻波的某些特性．在近红外区，它和可见光相邻，因此具有可见光的某些特性，如直线传播／反射／折射／散射／衍射／可被某些物质吸收以及可以通过透镜将其聚焦等．在远红外区，由于它邻近微波区，因此它具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等．1﹒2元器件介绍1﹒2﹒1红外线发光二极管红外线二极管是采用砷化镓（GaAs）和砷铝化镓(GaAlAs)等半导体材料制成的，它们的外形和普通二极管基本相同，用透明的树脂材料封装．中/大功率的红外发光二极管采用金属或陶瓷材料作底座，用玻璃或树脂透镜作窗口。1.2.1.1红外发光二极管的基本特性(1)伏安特性红外发光二极管的伏安特性曲线和普通二极管的伏安特性曲线相似．如图所示可知，红外发光二极管的正向压降Ｖf与材料及正向电流有关，砷化镓红外发光二极管的正向压降在1~2V之间；小功率的正向压降在1~1.3V之间；中功率管的正向压降在1.6~1.8V之间；大功率管的正向压降小于等于2V．在使用时应注意驱动电源电压的数值应大于红外发光二极管的正向压降Ｖf，否则不能克服死区电压产生的正向电流Ｉf。红外发光二极管的反向击穿电压Ｖr较低，约为5~30V。因此，使用中要注意其反向电压不得超过5Ｖ，否则可能造成元器件的损坏。所以，在实际使用中需加限流电阻予以保护。图(1-1)红外发光二极管的伏安特性曲线图(1-2)红外发光二极管的输出特性曲线饱和区线性区(2)输出特性红外发光二极管的输出特性曲线如图所示，它表示红外发光二极管的输出光功率Ｐo与正向工作电流If之间的关系。在工作电流If较小时，输出光功率Ｐo与工作电流If成线性关系．当工作电流If较大时，曲线产生了弯曲，红外发光二极管饱和，Ｐo与If就不再成线性关系了，形成了非线性工作区．在红外线遥控电路中，红外发光二极管一般都工作在开头状态。因此，对于输出特性是否在线性区没有要求。当红外发光二极管用在简单的光通信中时，它的工作状态为调幅工作状态（模拟调制）．这时必须使红外发光二极管工作在线性区．(3)指向特性红外发光二极管的指向特性是指它的发射光强度与光辐射的几何角度的关系，它是由封装透镜的形状／管芯与顶端的位置决定的。球面透镜封装的管子指向角度较小，在偏离发射是心（零发射角）10°的位置上，发射光强只有0°位置上的50％．平面封装的管子指向角度较大，在偏离0°发射角40°时发射光强为0°位置上的50％．采用多只发射管并列安装的方法，可以改善发射光的指向特性．用于摇控发射器的红外发光二极管所发射的红外光的波长在0.9~1.0um之间，属于近红外光．近红外光在电磁波谱中与可见光相邻，它具有可见光的反射特性．当红外遥控器在室内使用时，发射管不必正对接收管，可通过室内墙壁及家具的反射将发射的红外光反射到接收管中以实现摇控操作．红外线的这一特性使红外摇控器的使用十分方便．1.2.1.2红外发光二极管的主要参数(1)工作电流Ｉf及贬值电流Ifp一般小功率红外发光二极管的正向工作电流为30~50mA，在使用时如果长时间超过If工作范围，容易使红外发光二极管发热损坏．所以须加限流电阻进行保护．贬值电流Ifp是指流过管子的脉冲电流的最大贬值．若脉冲电流的平均值与恒定的直流值相等，则脉冲电流的幅值要比允许的工作电流大得多，其发射击效率也较高．所以一般摇控发射都采用占空比较小的脉冲工作方式．（2）管功率Pm与光功率Po管功耗是指流过管子的电流与管压降的乘积，最大功耗不得超过允许值．而消耗在管内的电功率仅有一小部分转变为光功率，故小功率红外发光二极管的光功率仅为1~3mW，发光效率只有百分之几．(3)反向漏电流Ir反相漏电流反映红外发光二极在示被击穿时反向电流的大小，这一指标应尽量小．(4)响应时间tw红外发光二极管ＰＮ结电容的存在会影响它的工作频率．一般红外发光二极管的响应时间约为10－6～10－7s，最高工作频率约为几十兆赫兹．1﹒2﹒2可控硅特性可控硅（SCR）国际通用名称为Thyyistor，中文简称晶闸管。它能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等特点，它是大功率形状型半导体器件，广泛应用于电力、电子线路中。1.2.2.1可控硅的工作原理可控硅的内部由四层半导体（PNPN）构成，所以有三个PN结：由最下层的P1引出阳极A，最上层的N2引出阴极K，中间的P2引出控制极G。如果只在可控硅的阳极和阴极之间加正向电压而控制极不加电压，此时PN结J2为反向偏置，所以可控硅管不导通；如果所加电压一极性与前相反时，由于J1和J3反偏，可控硅仍然阻断。只有当单向可控硅阳极A与阴极K之间加有正向电压，同时控制极G与阴极间加上所需的正向触发电压时，方可被触发导通。1.2.2.2可控硅的特性可控硅分单向可控硅、双向可控硅。单向可控硅有阳极A、阴极中、控制极G三个引脚。双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）、控制极G三个引脚。当单向可控硅导通时，A、K间呈低阻导通状态，阳极A与阴极K间压降约为1V。单向可控硅导通后，控制极G即使失去触发电压，只要阳极A和阴极K之间仍保持正向电压，单向可控硅继续处于低阻导通状态。只有把阳极A电压撤除或阳极A、阴极K之间电压极性发生改变（交流过零）时，单向可控硅才由低阻导通状态转换为高阻截止状态。单向可控硅一旦截止，即使阳极A和阴极间又重新加上正向电压，仍需在控制极G和阴极K之间重新加上正向触发电压方可导通。单向可控硅的导通与截止状态相当于形状的闭合和断开状态，用它可制成无触点开关。双向可控硅第一阳极A1与第二阳极A2间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要控制极G和第一阳极A1间加有正负极性不同的触发电压，就可触发导通呈低阻状态。此时A1、A2间压降也约1V。双向可控硅一旦导通，即使失去触发电压，也能继续保持导通状态。只有当第一阳极A1、第二阳极A2电流减小，小于维持电流或A1、A2间当电压极性改变且没有触发电压时，双向可控硅才截断，此时只有重新加触发电压方可导通。1﹒3方案论证通过对基本的元件的熟悉了解之后，对市场上流行的台灯进行分析和研究，找出它们工作的基本原理，是利用可控硅的单向导通特性，利用一个滑动变阻器的电阻值的变化。改变流过它本身的电流大小，从而影响流过单向可控硅的电流。流过可控硅的电流值不同，那么可控硅的导通角度就不一样，导通角是在41~159度。改变电容的充放电时间，即可控硅导通时间的前移或后退，有比较大的电流流过电灯泡，从而实现可控硅去控制流过电灯泡的电流，即可以起到调光的目的。现在就要用红外遥控技术来代替滑动变阻器。实现在一定距离之内也能有效地控制电灯泡的开和关，以及还能实现对电灯泡的亮度的调节。对于集成电路555功能的强大，可以直接驱动小电机的能力，所以用它作为发射的驱动是没有问题的。完全可以胜任。只不过在要求占空比较小的情况下，就要对原来的多谐振荡要作改进。减小占空比。在接收端，只要用一个普通的接收二极管就可以完成接收工作。但是接收到的信号不完全是我们人为所希望得到的信号。所以，要想得到理想的信号，还需要对它进行放大，滤波。稳态(形成有效的触发脉冲)。以及进行数/模转换。形成控制信号，驱动可控硅完成开关以及亮度的调节。接收到的原始信号在传输的过程中。还需要进行耦合。是为了防止直流电源对输入信号的影响。再经过放大器放大后，通过耦合传输给带通滤波进行滤波，要把无用的信号滤去，得到我们希望的信号。这时候信号来是一些连续的矩形脉冲信号。每一个上升沿或者说是在有些电路中是下降沿信号。就会对负载进行驱动。这时就要把输入脉冲信号进行分频，或者说是将信号进行稳态处理后。作为一个独立的单信号。去驱动调光电路。调光电路是根据CD4017十进制计数器/脉冲分配器在进行倍率的运用中得到应用。最后就是电源部分，采用对市电进行全波整流、稳压、滤波得到工作电压。原来是对触摸式的电灯电路进行分析，要求能产生一个用来控制触摸式(SM7232)集成电路的控制信号。再想到用十进制的集成电路(CD4017)用作为倍率电路的有效控制。当我们加入一个有效信号时，还能对它进行有效的识别，这样能在一定程度上起到抗干扰的作用。用CD4017B用作为人为的控制，效果没有用专门的编码发射IC和专门的解码IC的效果明显；但是专用的编/解码IC特别的不易购买。所以在设计的过程中，就不用编码和解码IC来完成预先提出的任务。第二章台灯电路的分析2﹒1手动台灯电路2.1.1分析电路结构与特点：该电路是采用双向可控硅制作调光器，可对白炽灯进行无级调光，经分析其优点是体积可以做得很小，其电路图如(2-1)所示：图(2-1)可控硅台灯电路图在图(2-1)中：当闭合开关S后，在220V某半个周期内，电源电压经灯泡直接加到双向可控硅VS的两端。起初触发二极管没有被触发，所以没有触发电压加到可控硅VS的门极，VS处于关断状态。此时电源电压经R1，R2向电容C1充电，使C1两端电压不断上升，当电压达到触发二极管的触发电压时，G被触发，这时电容C1通过G，(在C1的上方有一电压值，它能使二极管G导通)向VS的门极放电，双向可控硅的门极被触发导通，灯泡就有大电流流过。C1放电后电压跌落，且加到VS两端的交流过零时，双向可控硅VS就自动关断，电容又开始充电。交流电的另半个周期的工作情况与上述类似。当调节R1的阻值大小，就可以改变电容充电的速率，因而在任意半个周期里，使VS触发导通的时间前移或后退，即改变了可控硅VS导通角的大小，从而使流过电灯的平均电流发生变化，电灯两端平均电压也随之变化，所以能达到调光的目的。2.1.2该电路的缺点和改进由以上分析可知，该电路的工作状态还不是很稳定，当我们在开关电灯(或者在调节亮度)的时候，会产生干扰信号，该电路中没有抗干扰的电路，会对我们的收音机接收信号产生一定程度的影响，所以，要加一个能够吸收这个干扰信号的电路；就增加了R4和C3用它们来吸收调光时产生的干扰脉冲。为了保护双向可控硅的使用寿命，在双向可控硅的门极加一个电阻R3来保护双向可控硅，使流过触发电流不致过大，而烧坏可控硅；其次是C1容易短路；2.1.3元器件选择在图中，VS用1A/400V小型塑封双向可控硅，R1选用带开关的100K电位器，R2选用1.2K。R3可选用470殴姆，R4要用470殴姆金属膜电阻器；C1选用0.1uF。C2选用0.033uF，白炽灯泡应选在15-60W之间。(1)电路组装与调试调整时，接通电源，调节R1，台灯的亮度应能随意调节，台灯实际耗电大小决定灯泡发光的亮度大小，亮度调得大，耗电多；亮度调得小，耗电省，但与