电工电子技术在声光双控开关设计中的应用

赵瑞林，赵妮娜

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

随着人们生活现代化水平不断提高，国民经济的快速发展，电力的供需矛盾日益加剧，生产更多的电即意味着要消耗更多的煤、石油、天然气、核原料等不可再生资源，还会带来许多相应的环境问题。为此，我们应该从身边做起，珍惜并节约每一度电。所以，现在很多住宅楼道都安装了自动控制楼道灯。本设计安全节电、使用寿命长且成本低，达到了设计的要求，同时也实现了声光双控且能自动延时，可广泛使用于公共场所的照明控制，在日常生活中具有很大的实用性[1]。

1 总体方案设计

一个声光双控开关设计，使得该开关满足以下要求：1）白天不亮，晚上亮；2）晚上一有声音便能亮灯，并且时间持续在20 秒内灯是亮的；3）该开关适用于人们活动时能发出声响的场合，保证人们在光亮条件下活动，人走或休息后灯即熄灭[2]。

1.1 总体方案与原理说明

本设计主要由桥式整流电路、降压滤波电路、声音信号输入电路、光信号输入电路、延时控制电路以及外接电路6部分组成[3]，如图1 所示。

图1 声光双控电路框图Fig.1 Double acousto-optic control circuit diagram

1.2 桥式整流电路

整流电路的工作原理：桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图2 所示。整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。桥式整流电路将220 V 市电变成脉动直流电压，再经过限流，稳压，滤波输出12 V 直流电压，为集成块及三极管提供电源。声音信号和光敏电阻感受到的光信号以“与”的关系来控制集成块输出高低电平，构成的延时电路，实现自动延时，然后集成块的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。

二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系及二极管选择的条件：

输出电压VO、输出电流IO与输入电压V2的关系：

二极管所承受的电流及耐压值

图2 桥式二极管整流电路Fig.2 Diode bridge rectifier circuit

单向桥式整流电路二极管选择条件：

1.3 降压滤波电路

电路中灯泡也起到了很重要的降压作用。桥式整流电路输出的脉动直流电压经过R7限流降压，电容C2滤波，从而得到比较小的直流电压加到稳压管D6 上，获得12 V 的直流电压，作为控制电路的直流电源。由图3 中的电阻R7、电容C2和稳压管D6 组成。

图3 降压滤波电路Fig.3 Buck filter circuit

1.4 声音信号输入电路

驻极体话筒的基本结构是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；改变了电容两极板之间的距离，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：

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—电的变换。由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合，组成阻抗变换器。声音信号输入电路的工作原理：当没有声音时，三极管Q1 工作在饱和状态，CD4011 的2脚为低电平；当有声音时，声音信号经话筒MIC 转换为电信号后经C1 耦合至三极管Q1 放大，Q1 由饱和进入放大状态，其集电极由低电平转变成高电平并送入集成电路CD4011 的2脚。由图4中的驻极体话筒MIC、电阻R1、R2、R3、电容C1和三极管Q1组成[4]。

1.5 光信号输入电路

图4 声音信号电路Fig.4 Sound signal circuit

光信号输入电路的工作原理：光的强弱经光敏电阻RG转换为高、低电平后送入集成电路CD4011 的1脚。由降压滤波电路知，光敏电阻和R4的总电压U为12 V，白天光线射到光敏电阻RG上时，其阻值变得很小，约为20 kΩ，则光敏电阻的电压U1为：

CD4011 的1脚为低电平，则3脚被锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制。这时，门U1A 的3脚输出的高电平经过门U1B、U1C、U1D 3 次反相后成低电平，晶闸管D7 无触发信号不导通，灯不亮。夜晚，RG因无光线照射呈高阻，约为10 M。则光敏电阻的电压U2为：

则与非门U1A 的输入端1脚变成高电平，门U1A 的3脚输出状态受2脚输入电平的控制，这为声音通道的开通创造了条件。它是由图5 中的电阻R4和光敏电阻RG 组成。

图5 光信号输入电路Fig.5 Optical signal input circuit

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

1.6 延时控制电路

延时控制电路的工作原理：如图6 的电路图，在白天时，与非门U1A 的输入端1脚为低电平，则3脚被锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制[5]。这时，门U1A 的3脚输出的高电平经过门U1B、U1C、U1D 3 次反相后成低电平，晶闸管D7 无触发信号不导通，灯不亮。当在夜晚同时有声音信号时，与非门U1A 的输入端1脚和2脚都为高电平，则其输出为低电平，再经与非门U1B 反相输出高电平，通过隔离二极管D1 给电容C3充电，当C3充电电压达到与非门U1C 的阈值电平时，使与非门U1D 输出高电平，通过R5触发可控硅D7 使其导通，主回路便有较大的电流通过白炽灯使其发光。当声音消失后，与非门U1A 的输入端的2脚变为低电平，则其输出端为高电平，从而使与非门U1B 输出为低电平，因D1 的阻断作用，电容C2只能通过R5缓慢放电，经过大约1 分钟下降到与非门U1C 的阈值电压以下，使与非门U1D 输出低电平，当交流电过零点时，可控硅自动关断，白炽灯熄灭。延时时间理论值为[6]：

图6 延时控制电路Fig.6 The delay control circuit

2 总体电路设计及其原理相关说明

系统采用CD4011为核心控制晶闸管的通断。工作电路如图7 所示。二极管D2-D5 组成桥式整流电路将220 V 市电变成脉动直流电压，再经过R7限流，D6 稳压，C2滤波输出12 V直流电压，为集成块CD4011 及三极管Q1 提供电源。话筒MIC 声音信号和光敏电阻RG 感受到的光信号以“与”的关系来控制CD4011 输出高低电平，经过C3和R6构成的延时电路，实现自动延时，然后CD4011 的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡亮与灭[7]。

图7 总体电路原理图Fig.7 The overall circuit principle diagram

3 结束语

通过本次设计，使学生熟练应用电工电子技术，进一步掌握了各元器件的工作原理及功能，比如驻极体话筒和可控硅的管脚分布、参数及工作原理，进一步掌握了原理图的设计与电路板的焊接。在电路的设计与调试过程中也遇到了很多问题，在面包板上调试时，由于电路的一根线短路而导致调试失败，这使学生明白了在调试电路时必须先仔细检查各部分电路的连接情况，明白每一个元器件的工作原理及各管脚的功能。

本次设计让学生成功地制作出了一个节能的声光双控电子开关，实现以下功能：1）白天正常光照下，无论有无声音，灯泡不亮；2）夜晚无声音的时候，灯不亮；有声音触发时，灯亮；3）灯亮一定时间以后，自动熄灭且延时20 s 左右；4）灵敏度较高。

本设计安全节电、使用寿命长且成本低。达到了设计的要求。同时也实现了声光双控且能自动延时，可广泛使用于公共场所的照明控制，在日常生活中具有很大的实用性。

[1]夏克组，郑聚爽.一种声光双控节能自动开关的研制[J].中国照明电器，2011（3）：10-12.XIA Ke-zu，ZHENG Hu-shuang.Development of automatic switch for acoustooptic control energy-saving[J].China Lighting Electric Appliance，2011（3）：10-12.

[2]赵阳.声光控制延时开关电路的设计与制作[J].电子制作，2007（10）：39-41.ZHAO-Yang.Design and fabrication of the acousto-optic control delay switch circuit[J].Electronic Production，2007（10）：39-41.

[3]叶永茂.声光控延时节电开关[J].电子科技，2000（3）：67-69.YE Yong-mao.Sound and light control time-delay electricitysaving switch[J].Electronic Technology，2000（3）：67-69.

[4]焦忠平.照明灯声光控制电路及制作[J].科教文汇（中旬刊），2007（5）：87-88.JIAO Zhong-ping.Lighting the acousto-optic control circuit and making[J].Science Educ（CC），2007（5）：87-88.

[5]王晓静.声光延时控制电路的制作[J].电子测试，2009（4）：54-57.WANG Xiao-jing.Acousto-optic delay control circuit production[J].Electronic Test，2009（4）：54-57.

[6]廖贻谋.声光控延时灯[J].电子世界，2005（10）：64-65.LIAO Yi-mou.Acousto-optic controlled delay lamp[J].The Electronic World，2005（10）：64-65.

[7]卢涛.声光控节能灯的制作[J].电子制作，2006（10）：74-75.LU Tao.Making sound and light-controlled energy-saving lamps[J].Electronic Production，2006（10）：74-75.