光电课程实践

庞宛文 蒋择

【摘 要】照相机电子快门电路是利用环境光照度的变化来控制照相机的曝光时间：光照度越强，曝光时间越短;反之则越长。光电课程实践中，根据其电路原理要求本科生以光敏电阻为核心元器件，辅以电容、电阻和电压比较器等，首先用Multisim软件设计仿真电路，然后在Altium Designer上绘制相应的原理图和电路图，最后烧制电路板并进行元器件焊接以完成电路板的制作。

【关键词】光敏电阻;电压比较器;三极管;电子快门

中图分类号： TN379 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）23-0055-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.023

【Abstract】The cameras electronic shutter can control the exposure time as the variation of the ambient light： when the illumination is higher， the exposure time will become shorter， otherwise， itll become longer. In the photoeleletric course exercise， the students are required to simulate and make the circuit of camera electronic shutter by using photosensitive resistor as the core component， the capacitance， the resistance and the voltage comparator， etc. The detailed progress was first to design and simulate the circuit based on the software of Multisim; and then to draw the schematics by Altium Designer; finally， to etch the circuit board and weld the electronic Components.

【Key words】Photosensitive resistor; Voltage comparator; transistor; Electronic shutter

0 引言

照相機快门有机械快门和电子快门两种，其主要作用是控制曝光时间以获得较好的成像效果。光电课程实践中，在电路中加入光敏电阻[1]（如图1（a）），通过被摄物的环境光照度改变其电阻值来控制电容充电的的时间，再以电压比较器作为开关功能电路进而控制照相机电子快门开启和关闭的时间，使曝光时间可以连续变化[2]。光敏电阻抗干扰能力较强，在电子快门电路中可以实现快门无限制地开启。

1 电路设计与仿真

电路仿真在Multisim软件上进行，由于元件库中缺少光敏电阻，仿真过程中用阻值为0-10kΩ的可调电阻替代其功能[3]。原因是光照度一定时，通过光敏电阻的电流与其两端的电压成线性比例关系;电压一定时，随着光照度的增强，光敏电阻的阻值减小，因此可以将光敏电阻看做一个阻值随光照度变化的可调电阻[4]。

电路主要由电容充放电电路、时间检出电路和放大电路三部分组成。核心元件分别是硫化镉（CdS）制作的光敏电阻、LM358电压比较器（如图1（b））和作为电流信号放大器的NPN型的高反压三极管2N5551（如图1（c））。

如图2所示，左边为电容充放电电路：电容C1、可调电阻R6与光敏电阻串联构成控制电容充电时间的结构。电阻R2一端接地一端接双掷开关的C点构成电容C1放电电路;当开关的B点与C点连接时则实现电容C1充电电路。

中间为时间检出电路：R3在电路中起到限流的功能。可调电阻R7两端的电压为基准电压。对比电压比较器LM358两个输入端电压值的大小，输出不同的电压值，以此达到控制电路开关的功能。当光照强时，光敏电阻阻值小，C1两端电压（即电压比较器的反向输入端电压）可以快速充到大于基准电压（即电压比较器的正向输入端电压）的电压值，LED灯亮的时间短;当光照弱时，光敏电阻阻值大，电容两端电压充到大于基准电压所需的时间变长，LED灯亮的时间长。

右边是放大电路，R4和R1与三极管Q1（2N5551）的集电极和基极相连，为集电极和基极提供合适的偏置电压，同时起到保护三极管的作用。当输入电压为低电平时（即电压比较器输出低电平），Q1的基极没有合适的偏置电压值，发射极比基极电压高，发射极处于反向偏置状态，Q1处于截止状态，LED1不亮;当输入电压为高电平时，基极电压大于发射极，发射极处于正向偏置状态，Q1处于放大状态，LED1灯亮。

仿真结果如图3（a）、（b）所示，通过调节相应的电阻值和电容的参数来控制被曝光时间。用示波器测LED1灯两端的波形，波形处于高电平状态的时间即为快门开启的时间。弱光照下，光敏电阻的阻值为9.5kΩ，测得快门开启时间为227ms;强光照下，光敏电阻的阻值为500Ω，测得快门开启时间为99ms。可以看出，当被摄物的光照度越大则所需要的曝光时间越短。

2 成品电路板的制作

根据仿真电路，用Altium Designer软件绘制电子快门电路的电路板[5]。如图4（a）是电路的PCB图，将元件进行合理的排布和连线并进行设计规则检查（Design Rules Check， DRC）。绘制完毕后可以通过3D察看，如图4（b）所示，观察元件之间的摆放是否合理。

之后将PCB图打印到转印纸上，再用热胶带将其贴在覆铜板上进行热转印，这样电路就被复印到覆铜板上了;然后将覆铜板放进腐蚀液中，覆铜板上的电路被墨粉覆盖因此不参加化学反应，其他未被覆盖处的铜会被腐蚀掉;用清水和砂纸将板子上的腐蚀液和线路上的墨擦去，再选择合适的钻头对PCB板进行打孔，最后进行元件焊接以及功能测试。如图5所示为电子快门电路的实物图[6]。

随着集成电路的发展，照相机电子快门电路可以集成到一块很小的电路板上，很大程度节省了空间。集成电路制作工艺精密，不太适合在本科实践教学中开展，但是可以设计制作同样功能的PCB电路板，这对于学生电路软件的学习使用水平和电路板的制作焊接技巧都有较大的提高。

【参考文献】

[1]邵先秀，陈国玉.光敏电阻在照相机电子快门中的应用[J].科技传播，2012（22）：117，87.

[2]王嘉仪，胡凡，赵永安等.教室灯光自动控制系统设计[J].电子测试，2019（12）：25-26.

[3]梁明理，朱俊，孙尽尧.电子线路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2010.5：14-24.

[4]张承畅，龚昱文，余洒等.Multisim在模电和数电混合实验案例中的应用[J].实验技术与管理，2019（6）：50-52，62.

[5]李瑞，耿立明.Altium Designer 14电路设计与仿真从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2014（11）.

[6]李鹏.电子线路中的PCB制作分析[J].电子世界，2019（10）.