用光敏二极管和微型话筒制作楼道灯的声光控开关

刘立财

在《普通高中物理课程标准》选修模块选修3－1的教学活动建议中，要求“用光敏二极管和微型话筒制作楼道灯的光控-声控开关”，如何指导学生完成这一活动，笔者作了初步的尝试，并取得了较为满意的效果。

1 实验原理

楼道灯要求在夜晚有声响时灯亮，灯亮一段时间后自动熄灭，而在白天，无论多大的声响灯也不亮。光控可通过光敏二极管或光敏电阻等对光敏感元件实现，声控可利用微型话筒把声信号转化为电信号，从而实现声音对灯的控制。光控与声控形成“与”逻辑关系，因此光控开关与声控开关应与被控制的楼道灯串联。除此之外，电路还应该有延时的功能。

原理是简单的，但如何用发光二极管实现光控、如何用微型话筒实现声控以及延时的功能呢？在教材中只介绍过一些常用的电学元件，如二极管的单向导电性、光敏二极管的电阻随光照强度的增大而减小，电容器的充放电等，没有现成的光控、声控与延时的资料。我们能过网络资料的查找，发现实现这些功能的电路无外乎两种，一是利用分立元件，二是利用集成电路。用集成电路来制作所需材料少，但不利于从原理上把握；用分立元件需要的元件相对来说要多一些，但有利于从原理上把所握，有利于通过实践活动进一步熟悉二极管、电容等的特性。

我们从市场上买来多种声光控开关，拆开内部的电路板，根据实物图绘制成电路简图。结合已学过的知识和网络资料来分析它们的原理，并加以整合，最终确定用较为简单的便于调节的分立元件电路来实现声光控功能。实验电路如图1所示。

2 电源部分

在图1中的右侧，照明电压220V经由四个二极管D2－D5组成的桥式整流电路后，再经过电阻R8和电容C3滤波，给电路提供12V左右的直流工作电压。

图1中PCR为单向可控硅，也就是人们常说的普通晶闸管。它的结构示意图和符号如图2所示。可控硅有两种状态导通与截止。导通必须具备两个条件：①可控硅阳极A与阴极G间加正向电压；②控制极G加正向触发电流。可控硅一旦导通后，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通。所以晶闸管有“一触即发”的特点。当可控硅的阳极与阴极间电压消失时，退出导通。

本实验中，可控硅两端所加电压是经过全波整流后的交流电压，电压的峰值在不停的变化，当控制极无触发电压且阳极A与阴极G之间电压瞬时值为零时，可控硅将退出导通，灯泡熄灭。

当可控硅导通时，用多用电表电压档测得E、F两点间的电压约为0.5V，E、F两点相当于导线直接相连，此时电源部分的电路等效图如图3所示，因为二极管的单向导电性，两个二极管并联，对交流220V几乎没有阻碍，因此此时灯泡可正常发光。

3 光控部分

白天有光线照射在光敏二极管时，二极管电阻较小，R7两端的电压较大，A点电位较大，三极管Q1导通，使得B点与地短接，此时即使环境有声响，话筒产生的信号被短接，无法输入到下一级。而当夜晚光线弱时，光敏二极管电阻变大，A点电位变小，三极管不再饱和导通，B点对地不再短接。此时，环境中的声音经微型话筒产生的信号可输入到下一级。

实验中，可把电阻器R₁换成一个470KΩ电位器，调节该电位器可改变对光的敏感程度。若想在光线较暗时灯才亮，可把电位器阻值调小。还可以在A点与Q1之间串联一开关，断开开关，光控作用不起作用，即使在强光下，只要有声响灯变亮。

本实验中光敏二极管采用2CU1B，它的最高工作电压可达30V，万用表R×1k电阻档检测，有光照射在光敏二极管时,它和普通的二极管一样具有单向导电作用。正向电阻为8-9kΩ,反向电阻大于5MΩ。检测时用手挡住光线，可看到电阻明显变化。光敏二极管也可以用光敏电阻来代替。

4 声控部分

微型话筒MIC的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式Q=CU，所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声电之间的变换。

值得注意的是，微型话筒接入电路中时要区分极性，负极接地。

白天或夜晚无声响时，Q2处于截止状态，整流后的直流电源对C3和C4充电。Q3工作于饱和导通状态，D点电势低，可控硅因无触发电压而截止，灯不亮。

当夜晚楼道里有人走动或有人谈话时，脚步声或谈话声将被话筒MIC拾取，并被转换为电信号，经电容器C2耦合到三极管Q2的基极，使Q2饱和导通，电容器C4两端的电压通过Q2加到Q3的基射极之间，使基射极因反向电压而截止，D点电位变高，使可控硅获得触发电压而导通，此时灯亮。导通后C4所充电荷通过三极管Q2和Q3放电，随着放电的进行，电容C4两端电压也越来越小，当可控硅失去触发电压而又处于正向电压瞬时电压为零时，退出导通状态而灯熄。

可见，电容器C4容量的大小对延时的时间起决定作用。C4的电容值越大，延时的时间越长。

5 元器件规格

本实验中选用的普通白炽灯功率不大于100W，对于电阻的要求不高，普通电阻就可以符合要求，具体阻值参照电路图所标数值。

整流用二极管D2-D5可采用IN4007，可控硅采用PCR 606J型，三极管Q1和Q2可采用S9014C128型，三极管Q3采用C945P331型，这些都是常见电子元件，可以在市场上买到，各管脚位置如图5所示。在安装之前，应用万用表认真检测各元件是否正常，重点检测二极管的单向导电性，光敏二极管的阻值是否随光照强度的增大而减少，话筒能否正常工作，三极管的管脚顺序务必注意。

6 安装与调试

为便于调试，我们把整个实验在插件式线路板上完成。

图6中去掉“连线1”则没有光控作用，调节电位器能改变灯泡开始亮的光线强度。改变“接线2”的位置，把电容器C4的容量改变，当C4取22μF时，延时在40秒左右。若C4取10μF，则延时在25秒左右。

本实验中，一定要注意用电安全。在测量、组装、调试时，务必不能给线路板通电，只有在组装调试结束后才能通电试验。

笔者在指导学生完成制作的过程中深深地体会到，要把一个设想变成现实，作为教师要具备多方面的能力，对于物理教师来说，动手能力尤其重要。学生在活动过程中也学习到了许多教材上学不到的知识与技能，通过动手操作，学会了使用烙铁的技能，对二极管的单向导电性，光敏二极管的特性，大容量电容的漏电与断路的判断等。

在物理教学中，如果我们能带领学生完成设计控制类装置的活动，可以引发了学生极大的兴致，对突破“简单的逻辑电路”、“传感器”等新增内容的教学难点，对培养学生动手动脑能力有很大帮助，一定能取得极佳的教学效果。

(栏目编辑王柏庐)