应物-0-光控节能路灯电路的设计.

东北石油大学课程设计2013年3月1日课程光电检测技术题目光控节能电路的设计院系电子科学学院专业班级应学生姓名学生学号0112指导教师东北石油大学大学课程设计任务书课程光电检测技术题目光控节能路灯电路的设计专业姓名学号090主要内容：应用光敏二极管，与非门，继电器等，设计一光控节能电路，实现节能路灯控制。基本要求：1、研究光敏二极管，与非门，继电器的功能特性，实现节能。2、设计光控节能路灯电路的功能框图。3、设计光控节能路灯电路中的光电转换电路、驱动电路、逻辑电路。4、使电路的工作电流不大于1mA。5、调试安装。6、完成课程设计总结报告。主要参考资料：1）陈梓城编著，实用电子电路设计与调试[M]，北京：中国电力出版社，2006.6.2)陈振官等编著，光电子电路制作实例[M]，北京：国防工业出版社2006.4.3)黄继昌等编著，检测专用集成电路及应用[M]，北京：人民邮电出2006.10.完成期限2013.2.25~2013.3.1指导教师专业负责人2013年2月25日第1章概述光电检测技术是一种非接触测量的高新技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。光敏二极管作为一种光电器件在光电检测技术中有着非常重要的作用。在光电检测电路中,光电转换元件一般采用光敏二极管,通过对光敏二极管微弱光电流的检测,来获取光信息或其它信息(如位移、张力、压力、温度等),其原理是把调制到光载波上的有用信号解调出来,实现光信号到电信号的转换。因光纤末端输出的光信号通常是很微弱的,转换后的电信号也非常微小,由于背景噪声、电路噪声、元器件噪声的影响,要做到精确测量有较大难度。因此,光电检测放大电路中抗干扰功能的设计非常重要,它是提高信号检测灵敏度和精度的关键。另一方面,作为前置放大器必须有信号频率范围所需的带宽、高稳定性和小增益误差,以保证输出信号有高的信噪比。本文设计了实用电路,并分析了系统稳定性，并通过计算，选择元器件自行组装电路，进行调试，来分析说明这一特点。1.1课题作用、实用价值所谓光控路灯，就是能够在黄昏时自动接通路灯的电源，在黎明时自动关闭路灯，实现对路灯的自动控制。关于路灯自动控制的电路。基本原理都是相同的，即利用自动控制理论如何让实现自动控制。实现方式可谓各种各样，五花八门，这也是由于具体的使用要求和环境的差异所决定的。常见的控制方式有声控，光控以及声光结合的控制，当然还可以利用单片机，DSP等微控制器来实现。在保证足够可靠性的基础上，为了尽量节约成本，利用简易的分立元件来实现，显得既经济又实用，在提倡节约型社会的今天无疑值得推广。1.2光电二极管的发展前景光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。本设计选用了2DU型光敏二极管进行光控电路的设计。第2章基本原理与总体设计2.1光电二极管的主要工作原理光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光电二极管作为一种光伏探测器可以在光伏型（即物外加偏压）和光导型（即外加反向电压）两种工作模式工作。在光导模式下，施加反向偏压后，可以增加光电二极管PN结的耗尽层宽度好和结电场，在耗尽层中产生的电子空穴对由于复合较少，在结区强电场的作用下，不必经过引起复合的扩散过程，就可以对电流作出贡献，显然提高了光电二极管的光电灵敏度。但在这种模式下，由于给光电二极管施加了反向偏置电压，必然存在较大的暗电流，由此会产生较大的噪声电流，通常在光电通信等快速应用中应该使用该模式；而在光伏模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在等效二极管的反偏电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量。下面详细的介绍光电二极管的光伏型工作模式。2.2光伏模式检测电路的分析光电二极管的光伏检测电路及其等效电路如图1。图中Pi是光电二极管接受光辐射后所产生的光电流；SR是串联电阻，由接触电阻、非耗尽层材料的体电阻所组成，大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，偏压越大，耗尽区越宽，SR越小，对于大面积的硅光电二极管，SR的值一般在几欧姆至几十欧姆之间；jC是光电二极管的结电容，它的大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，可从几千皮法的几千皮法之间变化；dR是光电二极管的并联电阻，由光电二极管耗尽层电阻和污染引起的漏电阻所组成。它也是所温度的变化而变化，与光电二极管尺寸有关，结面积越小，dR越大；温度越高，dR越小。对不同光电二极管dR的数值变化范围很大，可从几十千欧到上百兆欧；D为PN结等效二极管，LR为负载电阻。图2-1光电二极管的光伏模式和等效电路在图1中，光电二极管等效电路通过等效二极管D的电流为1)exp(1)exp(ATUiAkTeUiiDSODSOD(1)A是有关常数，对于硅光电二极管ekTU2,AT，称为热电压。由图1可知，流过负载电阻LR上的电流Li为dLSLTLSLSOPRDDPLRRRiAURRiiiiiii1exp(2)由公式（2）可知光电二极管接受光辐射时输出的负载电流Li和光生电流Pi并非RLRSRDCpoISIPRLRSRDCpoISIP线性关系。如果去负载电阻为零，即输出短路的条件下，由于dsRR，则公式（2）可化简为1expTSLSOPLAURiiii(3)如果二极管的反向饱和电流很小，而输出电流不大，即保持TSLAURi时，可得PLii(4)即输出电流接近光生电流，也就是线性好。因此在实际使用光电二极管进行测量时要选取dR大、sR小和soi小的光电二极管，并在输出短路状态下工作。第3章光控节能路灯的设计3.1设计方案电路中，光控触发器电路由光电二极管S2、电阻器R1、R2，电位器R6，稳压二极管D1和电解电容C1以及74LS00组成，电源电路由电阻器R3、R4、R5，稳压二极管D2，二极管IN4007，NPN9013和3mm发光二极管以及继电器组成。在白天，光敏电阻器S2受光照导通，74LS00输入引脚电位降低，输出电压低，稳压管的反向电流较小，9013处于截止状态，从而发光二极管不被点亮。当黄昏来临时光照度逐渐减弱，光敏电阻S2截止，输入引脚电压增大，输出电压高，稳压管的反向电流较大，9013导通，发光二极管被点亮。直到第二天黎明来临时，光照度逐渐增强，S2导通，输入引脚电位降低，输出电压低，稳压管的反向电流较小，9013处于截止状态，从而发光二极管熄灭。调节R6的阻值，可控制该灯光自动控制器电路在不同光照下的动作。图3-1设计框图敏感元件放大电路继电器辅助电源照明电路外界光照变化图3-2关于光控节能路灯的设计图3.2理论计算：器件功能参数3.2.1光电二极管普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。图3-3光电二极管结构示意图3,2,2IN4007IN4007是一般常用的整流管，一般并联在线圈上，目的是为了防止线圈的断电瞬间存在的过渡过程产生较高的电压破坏电路，接在电路中应该正接负，负接正，即常态下二极管是截至的，在断电的瞬间导通释放储存在电感上的能量。3,2.3稳压二极管（5.6V/5V/9V）是用于起稳定电压作用的晶体二极管。利用二极管反向激穿时，两端电压基本不变的原理，常用于限幅、过载保护稳压电源等装置中。3.2.43CT103L（5A\1kV）A为阳极，K为阴极，G为控制极主要参数：It:0.2AVDRM/VRRM:20V~100VIGT：0.01mA~15mAVGr=2VIH：0.5mA~30mAIr为额定正向平均电流，VDRM为正向阻断蜂值电压，VRRM为反向阻断蜂值电压，IH为维持电流，VGT为控制极触发电压，IGT为控制极触发电流。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。3.2.574LS00图3-4外型及管脚排列图74LS00为四输入与非门，输入电压为5.5V，极限电压为7V。工作温度为0~70℃，存储温度-65~150℃。3.2.69013半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。本设计中是用于电流放大。9013是一种低电压,大电流,小信号的NPN型三极管和9012（PNP）相对图3-59013NPN型三极管3.2.7电位器（20k）作用：调节电压（含直流电压与信号电压）和电流的大小。结构特点：电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。第4章电路的安装调试4.1元器件的焊接对元件进行组装焊接，对实验条件进行准备。4.2电路的调试具在预定的条件下进行系统的整体性能进行检测，对一定条件下的输出值记录。得到足够数量的数据进行整体性能分析，得到结论，实际电路符合设计的要求，符合设计的预定结果。第5章结论本次设计的光控路灯电路基本实现了自动控制的功能，内容涉及光敏电阻，继电器以及电路设计等诸多方面的知识，整个显示系统设计完成后达到了预期的效果，系统工作稳定，不会因为偶然的强烈的光照而引起误动作或闪烁。但由于本人专业知识有限，因此设计中还有或多或少的不足之处。希望能够在以后有所进步。通过设计基本有以下几点收获：1、通过这个实验了解了光电探测技术的有关知识，学习了实现这种功能的一些器