1、 臺燈亮度自動調節電路設計 i 摘 要 電子產品應用非常廣泛，從交通工具到日常生活，從軍事武器到工 業生產，無處不見它的蹤影。電子技術的發展給我們的日常生活帶來了 極大的便利。從 70 年代后期起，隨著半導體光電子器件和硅基光導纖 維兩大基礎元件在原理和制造工藝上的突破，光子技術與電子技術開始 結合并形成了具有強大生命力的信息光電子技術和產業。 傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、 物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧） ，并將探知的信息 傳遞給其他裝置或器官。模擬電子技術基礎主要研究半導體器件的性能、 參數，模擬電子線路的基本原理、分析方法及其計算。 本設計中給

2、出的雙控調光臺燈具有“手控”和“光控”兩種功能， 它是在普通手動控制調光臺燈的基礎上加裝一光控電路，使其能根據周 圍環境照度自動調整臺燈亮度，當環境照度較弱時，其亮度就大；當環 境照度較強時，其亮度就小。該臺燈可適合學習者在合適的光線下學習， 以保護視力。 關鍵詞關鍵詞 光敏電阻；可控硅；導通角； 臺燈亮度自動調節電路設計 ii abstract electronic products are widely used to daily life from traffic tools, from military weapons into industrial production, nowhe

3、re not see it in sight. the development of electronic technology to our daily life brought great convenience. from the late 1970s onwards, with semiconductor optoelectronic devices and silica-based optical fiber, two basic components in principle and the manufacturing process breakthrough, photon te

4、chnology and electronic technology combined and formed began full of vitality optoelectronic technology and industry information the sensor is a physical device or biological organs, would be able to detect, feeling outside signal, physical conditions (as light, heat and humidity) or chemical compos

5、ition (such as smoke), and will discovery of information to other devices or organs. analog electronic technology foundation research semiconductor devices performance, parameters, the basic principle of analog electronic circuit and their calculation and analysis method. double control dimmer desk

6、lamp given in this paper with a manual control and optical two functions, it is in the common move light manual control based on the desk lamp of adding a light-activated circuit, make its can be automatic adjustment according to the surrounding environment, intensity of illumination, when environme

7、nt illuminance lamp brightness weaker, its brightness is big; when environment illumination stronger, its brightness is small. this desk lamp can suitable for learners to the light of learning in the right, in order to protect eyesight. keywordskeywords：photoconductive resistance； scr； conduction an

8、gles； light-activate 臺燈亮度自動調節電路設計 iii 目 錄 摘 要.i abstract.ii 第一章 緒論.1 1.1 前言.1 1.2 臺燈的發展歷史.2 1.3 臺燈的市場前景分析.3 1.3.1 品牌容量分析 .3 1.3.2 市場格局 .4 1.3.3 目前品牌狀況分析 .4 第二章 光照控制自動調光臺燈工作原理.5 2.1 普通 led 臺燈的電路原理圖.5 2.2 普通 led 臺燈工作原理.5 2.3 光控臺燈的電路原理圖.6 2.4 光控臺燈工作原理.6 第三章 方案設計.9 3.1 光感應部分.9 3.1.1 光敏電阻的定義.9 3.1.2.光敏電阻

9、的簡介.9 3.1.3光敏電阻的工作原理：.10 3.2 分壓器.11 3.2.1 串聯分壓的原理：.11 3.2.2 并聯分流的原理：.11 3.3 張弛振蕩器.12 3.3.1 張弛振蕩器電路圖 .12 3.3.2 單結晶體管的特性 .13 3.3.3 張弛振蕩器的工作原理.14 臺燈亮度自動調節電路設計 iv 3.4 晶閘管（可控硅）.15 3.4.1 可控硅的概念.16 3.4.2 可控硅的主要工作特性.16 3.4.3 可控硅的導通角.17 3.5 橋式整流電路.18 3.5.1 橋式整流電路的概念.18 3.5.2 橋式整流電路的原理.18 3.5.3 橋式整流電路的輸入、輸出關系

10、.19 第四章 硬件設計.21 4.1 原件清單.21 4.2 器件的檢測方法.21 4.2.1 可控硅的檢測.21 4.2.2 二極管的選擇及檢測 .22 4.2.3 電容的檢測 .22 4.3 電路原理框圖.23 4.4 protel dxp 簡介.23 4.4.1 protel的發展簡史.24 4.4.2 protel dxp 的組成.25 4.5 protel dxp 使用流程.26 4.5.1 設計文件怎樣保存.27 4.5.2 創建一個新項目.27 4.5.3 創建一個新的 pcb 項目：.27 4.5.4 元器件的選擇與放置.28 4.5.5 連接電路.32 4.5.6 創建一個

11、新的 pcb 文件 .33 4.5.7 電路原理圖轉換為 pcb 版圖.36 4.5.8 pcb 的布線層.37 4.5.9 設置布線規則.38 4.5.10 在 pcb 版圖中放置元件.41 臺燈亮度自動調節電路設計 v 4.5.11 打印 pcb 版圖 .42 4.5.12 加熱制版 .42 4.5.13 元器件插裝焊接.43 4.5.14 實物圖 .43 結論.44 致謝.45 參考文獻.46 臺燈亮度自動調節電路設計 1 第一章 緒論 1.1 前言 隨著電子技術的發展，尤其是數字技術的發展，用數字電路技術實 現燈的自動發亮、節能節電、延長燈的壽命變得越來越重要，而且貼近 我們的實際生活

12、。光控電路已成為人們日常生活中必不可少的必需品， 由于本電路廣泛應用于人們的日常生活中，所以，有很重要的作用。 由于近年來我國的照明器材行業的迅速崛起，中國已經成為電光源 產品的主要輸出國之一。照明器材行業屬一般性競爭行業，是我國輕工 業對外開放較早的行業之一。wto 后，國際上一些知名品牌大企業相 繼進入國內產銷領域，使得國內競爭國際化。努力增加節能光源和不同 檔次、花樣、不同用途的照明器具的開發，加快綠色、節能光源產品的 開發推廣和應用是我國目前照明器材行業結構調整的重點。我國照明器 材行業將面臨著前所未有的機遇和挑戰，而由此帶來的巨大商業利益也 成為一些企業矚目的焦點。 隨著全球經濟一體

13、化，發達國家產業調整的步伐進一步加快，一般 照明電器產品生產大量向發展中國家轉移，而中國又是一個比較適合的 國家，一是中國具備生產這些產品的條件，二是勞動力成本比較低，從 而使中國逐步成為照明電器產品出口大國。 展望未來的國內市場，需 求仍會呈逐年增長趨勢，以下強力因素都預示著我國照明市場仍有很大 的潛力可挖。基礎設施建設方面：機場、鐵路、港口、城市軌道交通等 訊速發展，每一項工程均需要照明。城市亮化工程方面：城市廣場、綠 地、道路、建筑物泛光照明，已從大城市發展到中小城市。 根據國內外市場需求預測，我國照明電器行業的高速增長期還將繼 續，對未來的預測如何更加科學化是我們面臨的問題。進一步提高

14、照明 產品的質量和檔次進一步提高照明產品的質量和檔次，這既是當前擺在 我們面前的課題，同時也是全行業共同努力的長期目標。就國內市場需 求而言，人們生活水平逐步提高，對生存環境質量的要求也越來越高， 臺燈亮度自動調節電路設計 2 對照明電器產品提出更高的要求。新的建筑照明標準已完成制訂工作， 即將批準執行，新標準基本與國際接軌，對不同場合的照明提高了要求， 也需要我們生產企業適應新標準的要求，為各類照明場所提供相應的產 品。從國際市場分析，雖然我們的出口逐年大幅度增長，但我國大部分 產品在國際市場仍屬中低檔水平，去過法蘭克福的人都有體會，我們的 產品與國際先進水平相比還存在較大差距。另外，如果大

15、量劣質低價產 品出口，還會遭遇反傾銷訴訟，從而影響全行業出口，因此我們仍要大 聲疾呼，質量是企業的生命。 我國目前已成為世界照明電器產品生產 大國，我們的目標是要成為照明電器產品生產強國，我們與發達國家在 照明電器產品的質量、檔次、生產工藝、設備、材料以及新產品開發能 力等方面均存在明顯差距。看到我們取得成績的同時，也能清醒地認識 我們存在的差距，才能不斷地進步。讓我們全行業共同努力，為照明電 器行業的健康發展做出更大的貢獻。 1.2 臺燈的發展歷史 ingo maurer 是生于 1931 年的德國設計師。大大小小的設計雜 志上似乎都不得不提到這位 “光之詩人”。而幾乎毫無疑問的 ingo

16、maurer 是這個世界上對光（燈）投入了最多心血和智慧的設計師。 距今為止 ingo maurer 設計了 120 多種不同類型的燈和照明裝 置，而世界上更是有著無以記數的展會現場，公共空間，建筑設施， 私人處所的美妙氛圍是由 ingo maurer 所一手營造。 ingo maurer 最早的自發的接觸到光（燈）的設計來源于其對燈的著迷，他為之形 容為“perfect union of technology and poetry”（技術與詩意的完美 結合）。1966 年 ingo maurer 受惠于波普藝術設計了其第一件作品 ：一款擁有有巨大燈泡的臺燈，完成了其向電燈的發明者愛迪生的敬

17、禮。此后的 30 多年間，ingo maurer 一直為光簡單之美的詩意 追求而不斷創造。 1992 年，lucellino 帶著詩意的天使翅膀飄落人間 這也是 ingo maurer 最受贊譽和暢銷的作品。工作在慕尼黑的 臺燈亮度自動調節電路設計 3 “詩人”既不是極簡主義者也不種牢牢守著那些設計理論的設計師。 只有對“無限多樣性”的追求才是 ingo maure 的一件件作品所要平靜 地闡發的。對他而言，設計不過是一種可以從日常生活就能獲取靈感 的有趣科學。一件件的作品的創作可以說也就是一次次和靈感的偶遇 ，ingo maurer 用他安靜的敏銳將它們（靈感）捕獲，再用他詩人的 氣質將一切

18、的美展現給一雙雙為之閃亮的雙眸。而ingo maure 對 光的材料的研究嘗試和革新才是其塑造一件件詩意作品的前提。從還 在學生時代作學校的印刷工起 ingo 就一直思考這用 “紙”來塑造光的 形狀。1980 年的 lampampe 和 1997 年的 zettelz 就是來于紙的創造 。而對織物的運用以及塑造雕塑般的視覺效果則是ingo 設計中的又 一大特色。而 ingo maure 還走在技術的前沿，是一個 “先鋒詩人” 。led（發光二極管）技術剛出現， ingomaure 馬上就把其運用到 了 labellissimabrutta（1997）的設計上，讓新技術散發詩的光芒。 其后作品

19、ohoodoo(1999),stardust(2000)和 el.e.dee(2001)的設計則無 一不繼續延續了 ingo maure 試驗風格和技術先鋒的詩意設計美學。 1.3 臺燈的市場前景分析 據中國照明學會調查資料表示：中國目前使用節能燈的家庭一億戶， 使用節能燈的酒店及公共場所更是多得難以統計；全國每年單節能燈市 場的總額在 120 億以上，同時每年城市化的進程在以 6%的速度增長， 在這一速度增長下，燈飾產品更是以 30%的速度在增長。前景實在可觀！ 1.3.1 品牌容量分析 目前，中國節能燈市場至少可以容納近 20 個知名品牌，而目前現階段 產業經營的品牌區隔還未開始! 臺燈亮

20、度自動調節電路設計 4 1.3.2 市場格局 在節能燈生產企業中，都未有產值超過 10 億的廠家(中國照明學會 資料)，可見行業的市場剛剛起步，目前不存在鮮明的市場格局。而且， 在照明企業中，多半數企業將產品多元化)工業、民用、城市照明等類 別)，沒有將資金及市場集中使用。 1.3.3 目前品牌狀況分析 在廣東，幾乎大大小小存在節能燈品牌不下 3000 個(據省工商局商 標科查詢)。目前銷售區域均沒有在全國鋪開，同時沒有出現強勢品牌 (老百姓指明購買)。 從以上市場背景分析，我們發現中國節能燈市場需求及市場容量 非常大，市場前景也非常可觀，但還缺少品牌競爭力，營銷網絡的管理 和品牌精英都欠缺。

21、需要制定正確的銷售渠道和營銷政策，并且要讓產 品形象清晰地攻入消費者心中，讓產銷縱聯。也就是縱聯品牌，縱聯品 牌的銷售方式有兩種：直營專賣、加盟聯銷專賣。直營專賣的最大弊端 是所需資金龐大，市場啟動資金太高；加盟聯銷專賣可以避免這一缺點。 即利用品牌及形象資源，結合銷售管理手段，利用社會上游離資金，進 行特許加盟經營，這樣既可以節省市場前期啟動資金，又可以掌握市場 網絡，有利于品牌形象的提升。 臺燈亮度自動調節電路設計 5 第二章 光照控制自動調光臺燈工作原理 2.1 普通 led 臺燈的電路原理圖 2.1 led 電路原理圖 2.2 普通 led 臺燈工作原理 遵循安全第一的民用電器的設計理

22、念，led 光源是一種低電壓直流 恒流源的發光器件，不能用 100220v 的交流高壓電直接點亮，因此， led 臺燈方案的設計思路是，首先要將高壓的交流電變換成低壓的直 流恒流源，才能點亮 led 光源。使用最經濟有效的方法降壓和進行交 直流變換是設計的首要考慮，當今便攜式電子產品使用交流電源的交直 流降壓變換器適配器(adapter)就成了既經濟實惠、又現成、又好用 的首選。適配器的輸出電壓要求穩定在 dc12v，輸出電流要根據 led 的光源的功率來選擇，一般要給予 30%的余量，以 31w 的白光 led 光源為例，1w 的白光 led 的標準工作電流應為 350ma，因而 3 個 l

23、ed 光源串聯其電路需要的電流也是 350ma，考慮到延長 led 壽命和 降低光衰，可以設計為 300ma330ma，不會明顯的影響 led 發光的 亮度，所以適配器的輸出電流應選 750ma1a 的。 臺燈亮度自動調節電路設計 6 ac220v 經由適配器在燈具外的安全降壓變換，向 led 臺燈提供穩 定的 12v 直流電源，在臺燈底座殼內安置恒流源電源板，將直流電壓 變換成穩定的直流恒流源，以滿足 led 光源發光的技術要求。在直流 恒流源前可加一電源開關，以便在臺燈不用時可關斷直流電源，但不能 關斷 220v 交流電源，因此不用時應從墻上取下適配器的電源插頭，這 也是這個實用方案的唯一

24、“缺點”。如不想采用機械開關，并想要一個更 有創意的賣點，可選用電子觸摸開關，如手指輕點可實現臺燈的開-全 亮、半暗、關；由于電子技術的快速進步，電子觸摸開關如今已是一個 低成本的器件。 2.3 光控臺燈的電路原理圖 2.2 光控臺燈電路圖 2.4 光控臺燈工作原理 雙控調光臺燈具有手控和光控兩種功能,它是在普通手動控制調 光臺燈的基礎上加裝一光控電路,使其能根據周圍環境照度自動調整臺 燈亮度,當環境照度較弱時,其亮度就大;當環境照度較強時,其亮度就小。 該燈電路見圖 1。當開關 s 撥向位置 2 時，它是一個普通調光臺燈。 rp、c 和氖泡 n 組成張弛振蕩器，用來產生脈沖觸發可控硅 vs。

25、一般 臺燈亮度自動調節電路設計 7 氖泡輝光導通電壓為 6080v，當 c 充電到輝光電壓時，n 輝光導通， vs 被觸發導通。調節 rp 能改變 c 充電速率，從而能改變 vs 導通角， 達到調光的目的。r2、r3 構成分壓器通過 vd5 也向 c 充電，改變 r2、r3 分壓也能改變 vs 導通角，使燈的亮度發生變化。 當 s 撥向位置 1 時，光敏電阻 rg 取代 r3，當周圍光線較弱時， rg 呈現高電阻，vd5 右端電位升高，電容 c 充電速率加快，振蕩頻率 變高，vs 導通角增大，電燈兩端電壓升高、高度增大。當周圍光線增 強時，rg 電阻變小，與上述相反，電燈兩端電壓變低，高度減小

26、。 主回路 2.3 光控臺燈原理圖 在 v2 的正半周期內，加在 scr 陽極的電壓為正，陰極為負，scr 承受正向電壓，此時具備導通條件之一。 在此期間的某一時刻 t1 以前，由于未加觸發脈沖，所以 scr 是正 向阻斷的，燈泡上沒有電流流過。如在 t1 時刻向 scr 的控制極施加 一觸發脈沖，scr 立即導通，燈泡上便有電流流過。忽略 scr 的正向 控制回路 臺燈亮度自動調節電路設計 8 壓降，則燈泡上變化著的直流電壓瞬時值 ud 和交流電源電壓瞬時值 v2 相同。當 t=180 時， v2 降至零，scr 流過的電流降到維持電流以下 而使 scr 關斷，此時燈泡上的電壓和電流都消失。

27、在 v2 的負半周期， scr 承受反向電壓，不能導通。直到第二個周期相當于 t1 時刻再施加 觸發脈沖，scr 再次導通。所以，負載上的電壓是變化著的脈動直流電 壓。 臺燈亮度自動調節電路設計 9 第三章 方案設計 根據題目的要求，確定如下方案：由實驗電路圖可將該系統分為五 個部分，這五個部分分別為： 1光感應部分 2分壓器 3張弛振蕩器 4晶閘管（可控硅） 5橋式整流電路 3.1 光感應部分 圖 3.1 光敏電阻 3.1.1 光敏電阻的定義 光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫 化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射 下，其阻值迅速減小的特性。

28、這是由于光照產生的載流子都參與導電， 在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源 的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。 3.1.2.光敏電阻的簡介 光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光 的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。 光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉 臺燈亮度自動調節電路設計 10 換為電的變化） 。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導 體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化 而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達110m 歐,在強光 條件（100lx）下，

29、它阻值（亮阻）僅有幾百至數千歐姆。光敏電阻 器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（ 0.40.76）m 的 響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設計光 控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使 設計大為簡化。 3.1.3光敏電阻的工作原理： 光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端 裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，為 了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是 金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒 結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體 圖 3.2 光敏電阻原理圖

30、及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內，以免 受潮影響其靈敏度。在黑暗環境里，它的電阻值很高，當受到光照時， 只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個 光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴， 這種由光照產生的電子 空穴對了半導體材料中載流子的數目，使 其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。 臺燈亮度自動調節電路設計 11 入射光消失后，由光子激發產生的電子 空穴對將復合，光敏電阻 的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便 有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從 而實現光電轉

31、換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時 既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導 帶內載流子數目的多少。 3.2 分壓器 圖 3.3 分壓器 3.2.1 串聯分壓的原理： 在串聯電路中，各電阻上的電流相等，各電阻兩端的電壓之和等 于電路總電壓。可知每個電阻上的電壓小于電路總電壓，故串聯電阻 分壓。 3.2.2 并聯分流的原理： 在并聯電路中，各電阻兩端的電壓相等，各電阻上的電流之和等 于總電流（干路電流）。可知每個電阻上的電流小于總電流（干路電 流），故并聯電阻分流。 分壓原理 r1:r2=u1：u2 分流原理 r1:r2= i 2:i 1 串聯電路中分壓原理：

32、u1：u2=r1：r2 并聯電路中分壓原理： i1：i2=r2：r1 臺燈亮度自動調節電路設計 12 由此可知，當開關撥到 1 時，該電路屬于 “光控”狀態。r2 與光 敏電阻 rg 組成分壓電路，可以向電容充電，當rg 變化時，vs 的導通角會發生變化。 當開關撥到 2 時，該電路屬于 “手控”狀態，這時 r2 于 r1 組成 固定的分壓器，以固定的電流向電容充電，當開關撥到2 時，該電 路屬于“手控”狀態，這時 r2 于 r1 組成固定的分壓器，以固定的電 流向電容充電，這是臺燈亮度不發生變化 . 3.3 張弛振蕩器 3.3.1 張弛振蕩器電路圖 圖 3.4 張弛振蕩器 臺燈亮度自動調節電

33、路設計 13 3.3.2 單結晶體管的特性 圖 3.5 單結管的特性 由圖 3.5 可以看出，兩基極 b1 與 b2 之間的電阻稱為基極電阻： rbb=rb1+rb2 式中：rb1-第一基極與發射結之間的電阻，其數值隨發射極電流 ie 而變化，rb2 為第二基極與發射結之間的電阻，其數值與ie 無關； 發射結是 pn 結，與二極管等效。 若在兩個基極 b2、b1 間加上正電壓 vbb，則 a 點電壓為： va=rb1/(rb1+rb2)vbb=(rb1/rbb)vbb=vbb 式中：-稱為分壓比，其值一般在 0.3-0.85 之間，如果發射極電 壓 ve 由零逐漸增加，就可測得單結晶體管的伏安

34、特性，見圖2 圖 3.6 單結晶體管的伏安特性 圖 3.6 單結晶體管 （1）當 ve vbb 時，發射結處于反向偏置，管子截止，發射 極只有很小的漏電流 iceo。 （2）當 ve vbb+vd vd 為二極管正向壓降（約為 0.7 伏）， pn 結正向導通， ie 顯著增加，rb1 阻值迅速減小， ve 相應下降， 臺燈亮度自動調節電路設計 14 這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負阻特性。管子由截止區 進入負阻區的臨界 p 稱為峰點，與其對就的發射極電壓和電流，分 別稱為峰點電壓 vp 和峰點電流 ip 和峰點電流 ip。ip 是正向漏電流， 它是使單結晶體管導通所需的最小電流，顯然

35、vp=vbb （3）隨著發射極電流 ie 不斷上升， ve 不斷下降，降到 v 點 后，ve 不在降了，這點 v 稱為谷點，與其對應的發射極電壓和電流， 稱為谷點電壓， vv 和谷點電流 iv。 （4）過了 v 點后，發射極與第一基極間半導體內的載流子達到 了飽和狀態，所以 uc 繼續增加時， ie 便緩慢地上升，顯然 vv 是維 持單結晶體管導通的最小發射極電壓，如果vevv，管子重新截 止。 單結晶體管的主要參數： （1）基極間電阻 rbb 發射極開路時，基極 b1、b2 之間的電阻， 一般為 2-10 千歐，其數值隨溫度上升而增大。 （2）分壓比 由管子內部結構決定的常數，一般0.3-0

36、.85。 （3）eb1 間反向電壓 vcb1 b2 開路，在額定反向電壓 vcb2 下， 基極 b1 與發射極 e 之間的反向耐壓。 （4）反向電流 ieo b1 開路，在額定反向電壓 vcb2 下，eb2 間 的反向電流。 （5）發射極飽和壓降 veo 在最大發射極額定電流時， eb1 間的 壓降。 （6）峰點電流 ip 單結晶體管剛開始導通時，發射極電壓為峰點 電壓時的發射極電流 3.3.3 張弛振蕩器的工作原理 電源未接通前， c1 上的電壓為零，開關閉和后， c1 通過 r 以 時間常數 r*c1 充電， c1 上的電壓 uc 逐漸升高至峰點電壓 up 時， 臺燈亮度自動調節電路設計

37、15 e b1 導通，單結管進入負阻狀態， c1 通過 e b1 經 r4 放電。 于是在 r4 兩端產生輸出脈沖 ur4 。 由于 r 的阻值較大，當 c1 上的電壓降到谷點電壓 uv 時， 經過 r 供給的電流小于谷點電流 ，不能滿足導通的要求，于是 e b1 之間的電阻 rb1 迅速增大，單結管恢復阻斷狀態。然后 c1 又重新充電重復上述過程。由于 c1 的放電時間常數 (rb1+r4)*c1 遠遠小于充電時間常數 r*c1，所以 c1 上的電壓 uc 呈鋸齒波， r4 上的電壓 ur4 為正向脈沖。 圖 3.7 張弛振蕩器原理 3.4 晶閘管（可控硅） 臺燈亮度自動調節電路設計 16

38、圖 3.8 晶閘管 3.4.1 可控硅的概念 晶閘管又叫可控硅 (silicon controlled rectifier, scr)。自從 20 世紀 50 年代問世以來已經發展成了一個大的家族，它的主要成員有 單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、 快速晶閘管，等等。 可控硅器件是一種非常重要的功率器件，可用來做高電壓和高電 流的控制。可控硅器件主要用在開關方面，使器件從關閉或是阻斷的 狀態轉換為開啟或是導通的狀態，反之亦然。可控硅器件與雙極型晶 體管有密切的關系，二者的傳導過程皆牽涉到電子和空穴，但可控硅 的開關機制和雙極晶體管是不同的，且因為器件結構不同，可控硅

39、器 件有較寬廣范圍的電流、電壓控制能力。現今的可控硅器件的額定電 流可以從幾毫安到 5000a 以上，額定電壓可以超過 10000v。下面 將討論基本可控硅器件的工作原理，然后給出一些高功率和高頻率的 可控硅器件。 圖 3.9 可控硅結構示意圖和符號圖 3.4.2 可控硅的主要工作特性 為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板 (圖 3)。晶閘管 vs 與小燈泡 el 串聯起來，通過開關 s 接在直流電 源上。注意陽極 a 是接電源的正極，陰極 k 接電源的負極，控制極 g 通過按鈕開關 sb 接在 1.5v 直流電源的正極 (這里使用的是 kp1 臺燈亮度自動調節電路設計 17

40、 型晶閘管，若采用 kp5 型，應接在 3v 直流電源的正極 )。晶閘管與 電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控制 極所加的都是 正向電壓。現在我們合上電源開關 s，小燈泡不亮， 說明晶閘管沒有導通；再按一下按鈕開關sb，給控制極輸入一個觸 發電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這個演示實驗給了我們什 么啟發呢? 圖 3.10 可控硅 這個實驗告訴我們，要使晶閘管導通，一是在它的陽極a 與陰 極 k 之間外加正向電壓，二是在它的控制極g 與陰極 k 之間輸入 一個正向觸發電壓。晶閘管導通后，松開按鈕開關，去掉觸發電壓， 仍然維持導通狀態。 3.4.3 可控硅的導通角 在電

41、力電子領域，導通角是指在一個周期內，由電力電子器件 （如晶閘管）控制其導通的角度。 交流電一般為正弦波形，它的一個周期為360 度，正半周占 180 度，負半周占 180 度。這里以可控硅作可控整流器件為例，當交 流電通過二極管整流器件時，器件讓正半周期的180 度電流通過， 而負半周期的 180 度的電流則不能通過通過，這種方式稱為半波整 流。 當交流電通過可控硅時，可以讓交流電電流通過控制使其在 0180 度的任一角度處開始導通，即所謂可控整流，當正半周加到 臺燈亮度自動調節電路設計 18 可控硅的陽極，在 180 度的某一角度時，在可控硅的控制極加一觸 發脈沖，例如在 30 度加一脈沖，

42、可控硅只能通過余下的150 度的 電流。這種使可控硅導電的起始角度稱為導通角。 3.5 橋式整流電路 圖 3.11 橋式整流電路 3.5.1 橋式整流電路的概念 整流電路的作用是將交流變壓電路輸出的交流電轉換成單向脈動 性直流電。整流電路主要由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。目 前主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負載 之間，用于濾除脈動直流電壓中的交流成分。變壓器設置與否視具體 情況而定，變壓器的作用是實現交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹 配以及交流電網與整流電路之間的電隔離。 經過整流電路之后的電壓已經不是交流電壓，而是一種含有直流 電壓和交流電壓的混合電壓，習慣上稱

43、單向脈動性直流電壓。它在直 流電動機的調速、發電機的勵磁調節、電解、電鍍等領域得到廣泛應 用。 臺燈亮度自動調節電路設計 19 3.5.2 橋式整流電路的原理 橋式整流電路是使用最多的一種整流電路。這種 電路由四只二 極管口連接成“橋”式結構。 圖 3.12 橋式整流電路 v2 為正半周時，對 vt1、vt3 加正向電壓， vt1、vt3 導通； 對 vt2、vt4 加反向電壓， vt2、vt4 截止。電路成 v2、vtl、r、vt3 通電回路，在 r 上形成上正下負的半波整洗電 壓，v2 為負半周時，對 vt2、vt4 加正向電壓， vt2、vt4 導通。 對 vt1、vt3 加反向電壓，

44、vt1、vt3 截止。電路中構成 v2、vt2、r 、vt4 通電回路，同樣在 r 上形成上正下負的另外半 波的整流電壓。如此重復下去，結果在r 上便得到全波整流電壓。 3.5.3 橋式整流電路的輸入、輸出關系 圖 3.13 整流電路輸出波形圖 臺燈亮度自動調節電路設計 20 二極管橋式整流電路輸入、輸出之間的數量關系及二極管選擇的條件： 輸出電壓、電流與輸入電壓的關系： vo=20.45v2=0.9v2 io=0.9(vo/r） 二極管所承受的電流及耐壓值 ： iv=io/2=0.45(vo/r） vrm=v2m 單向橋式整流電路二極管選擇條件： ivzio/2=0.45(vo/r） vrm

45、v2m 臺燈亮度自動調節電路設計 21 第四章 硬件設計 4.1 原件清單 本設計中所使用的元器件如下表 4.1 所示： 表 4.1 原件清單 編號名稱型號 數量 r1電阻100k 1/8w1 r2電阻47k 1/8w1 r3電阻10k 1/8w1 rp可調電阻200k1 rg光敏電阻mg451 c滌綸電容器0.022uf cl11400v1 vd1-vd5整流二極管in40075 n氖泡導通電壓為 6080v，如 nh4161 vs單向可控硅1a/400v 任何型號1 s單刀雙擲開關1 4.2 器件的檢測方法 4.2.1 可控硅的檢測 用 r1檔，將紅表筆接可控硅的負極，黑表筆接正極(如印制

46、板圖所 示)，這時表針無讀數，然后用黑表筆觸一下控制極 k，這時表針有讀數， 臺燈亮度自動調節電路設計 22 黑表筆馬上離開控制極 k 這時表針仍有讀數(注意觸控制極時正負表筆 是始終連接說明該可控硅是完好的。 4.2.2 二極管的選擇及檢測 二極管采用普通的整流二極管 in4001in4007。總之，元件的選擇 可靈活掌握，參數可在一定范圍內選用。在測試時先把指針表滿偏同時 將指針表打到1k 檔，其次：用表筆對電容進行放電，在用表進行測試， 用紅筆接負極，黑筆接正極；最后：看指針的偏轉，且還要指針還原， 如能還原就表明電容正常，不能回到原位則表明電容漏電。測試漏電電 容方法：用萬用表的電阻擋

47、（r*100和 r*1k） ，將表筆接觸電容器兩引 線。剛接觸時，由于電容充電電流大，表頭指針偏轉角度大，隨著充電 電流減小，指針逐漸向 r=無窮方向返回，最后穩定處即漏電電阻值。 4.2.3 電容的檢測 一般電容器的漏電電阻為幾百至幾千兆歐，漏電電阻相對小的電容 質量不好。測量時，若表頭指針指到或接近歐姆零點，表示電容器內部 短路。若指針不動，始終指在 r=無窮處，則意味著電容器內部短路或 已失效。對于電容量在 0.1f 以下的小電容，由于漏電電阻接近無窮， 難以分辨，故不能此法側漏電阻或判定好壞。 電解電容器的極性檢測： 電解電容的正負極性不允許接錯，當極 性接反時，可能因電解液的反向極化

48、，引起電解電容器的爆裂。當極性 標記無法辨認時，可根據正向連接時漏電電阻大、反向連接時漏電電阻 相對小的特點判斷極性。交換表筆前后兩次測量漏電電阻，阻值大的一 次，黑表筆接觸的是正極，因為黑表筆與萬用表內電池正極相接（采用 數字萬用表時，紅表筆接電池正極） 。但用這種辦法有時并不能明顯地 區分正、負向電阻，所以使用電解電容時，要注意保護極性標。 臺燈亮度自動調節電路設計 23 4.3 電路原理框圖 電 源 整流 電路 晶 閘 管 張 弛 振蕩器 (小燈) 光敏 電阻 單刀 雙擲 開關 普通 電阻 圖 4.1 電路原理框圖 1. 當開關撥向普通電阻時： 220v 交流電流經過整流電路變成單向電流

49、，流經小燈，此時為普通 臺燈。 2. 當開關撥向光敏電阻時： 220v 交流電流經過整流電路變成單向電流，當光敏電阻產生的電信 號發生變化時，電阻的阻值發生變化，從而會改變晶閘管的導通角，最 終小燈兩端的電壓會發生改變，從而改變小燈的亮度。 4.4 protel dxp 簡介 protel dxp 是一款 eda(electronic design automation，電子系統設 計自動化)設計軟件，主要用于電路設計、電路仿真和印制電路板(pcb) 臺燈亮度自動調節電路設計 24 的設計，同時還提供了超高速集成電器硬件描述語言(vhdl)的設計工 具進行現場可編程門陣列(fpga)設計。 4

50、.4.1 protel 的發展簡史 protel 公司于 1985 年在澳大利亞的悉尼成立，同年推出第一代 dos 版設計軟件1988 年 protel 軟件的雛形 tango 軟件包問世，它支 持原理圖及 pcb 的設計和打印輸出。同年，protel 公司在美國的硅谷設 立研發中心，開發的升級版 protel for dos 引入中國內地后，因其方便、 易學、實用的特點得到了廣泛的應用。進入 20 世紀 90 年代以后，隨著 個人計算機硬件性能的提高和 windows 操作系統的推出，protel 公司于 1991 年發布了世界上第一個基于 windows 環境的 eda 工具，奠定了其 在

51、桌面 eda 系統的領先地位。 1998 年，protel 公司推出 protel 98，將原理圖設計、pcb 設計、無 網格布線器、可編程邏輯器件設計和混合電路模擬仿真集成于一體化設 計環境中。隨后又推出了 protel 99 及 protel 99se 等產品。2002 年，該 公司更名為 altium 公司，又推出 protel dxp(design explorer)。protel dxp 與以前的 protel 99se 相比，在操作界面和操作步驟上有了很大的 改進，用戶界面更加友好、直觀，使用戶操作更加便利。 altium 公司 2004 年又發布了完整的板級設計系統 protel

52、 2004 service pack 2 (sp2)。所有 protel 2004 用戶可免費下載 sp2。據該公司 稱，sp2 是自 altium 的 dxp 技術集成平臺問世以來，protel 系統最實 質性的升級。 sp2 包括了 150 多項新功能和增強性能，以及 100 多處更新，使得 設計者能夠借助 protel 更快地完成較為復雜的設計。新的 storage manager 構成增強型設計管理和版本控制的中心，能提供完整的工程級 文件控制，并提供使用方便的本地歷史文檔管理系統，以便比較和重新 檢索文檔的早期版本。 protel 2004 service pack 2 是業界惟一的

53、板級設計系統，可完整支持 fpga 器件的設計與集成直至 pcb 的實現。sp2 通過引入對 verilog 代 臺燈亮度自動調節電路設計 25 碼和源文件的支持，增強了 protel 的 fpga 設計能力，使 protel 設計者 能夠同時使用原理圖和 vhdl/verilog 代碼完成 fpga 設計。hdl(硬件 描述語言)源代碼文件的編譯經過改善，能夠對 hdl 層次結構進行智能 化處理，系統因此可自動確定 hdl 文件的順序和層次結構，并在項目 面板上反映編譯過程。 4.4.2 protel dxp 的組成 protel dxp 主要由原理圖(schematics)設計模塊、電路仿

54、真(simulate) 模塊、pcb 設計模塊和 cpld/fpga 設計模塊組成。 原理圖設計模塊主要用于電路原理圖的設計，生成.schdoc 文件， 為 pcb 的設計做前期準備工作，也可以用來單獨設計電路原理 圖或生產線使用的電路裝配圖。 電路仿真模塊主要用于電路原理圖的仿真運行，以檢驗/測試電 路的功能/性能，可生成.sdf 和.cfg 文件。通過對設計電路引入 虛擬的信號輸入、電源等電路運行的必備條件，讓電路進行仿 真運行，觀察運行結果是否滿足設計要求。 pcb 設計模塊主要用于 pcb 的設計，生成的.pcbdoc 文件將直 接應用到 pcb 的生產中。 cpld/fpga 設計模

55、塊可以借助 vhdl 描述或繪制原理圖方式 進行設計，設計完成之后，提交給產品定制部門來制作具有特 定功能的元件。 protel 2004 中引入了集成庫的概念， protel 2004 附帶了 68 000 多個元件的設計庫，這使得在原理圖 中選擇的元件已經有了需要的封裝，并且這些封裝都能完全符 合設計要求，當然，如果不滿意的話也可以修改這個元件的封 裝，還可以在 pcb 庫編輯器中設計所需要的封裝。 protel 2004 有 74 個板層可供設計使用 32 層 signal(信號層)、16 層 mechanical(機械層)、16 層 internal plane(內電層)、2 層 so

56、lder mask(阻焊層)、2 層 paste mask(錫膏 層)、2 層 silkscreen(絲印層)、2 層鉆孔層(鉆孔引導和鉆孔沖壓)、 臺燈亮度自動調節電路設計 26 1 層 keep out(禁止布線層)和 1 層 multi-layer(橫跨所有的信號 板層)。 protel 2004 中焊盤(pad)的形式 焊盤(pad)的外形有圓形、方形和八角形。焊盤堆疊結構包含 simple(所有的層數都相同)、top-mid-bottom(可對不同的層數 給出外定義，有 top、bottom 或者是 mid layers)和 full stack(每 個層都能各自定義 pad 點外形

57、)。 4.5 protel dxp 使用流程 protel dxp 是一款 windows nt/xp 的全 32 位電子設計系統。 protel dxp 提供一套完全集成的設計，這些工具讓你很容易地將你的設 計從概念形成最終的板設計。 所有的 protel dxp 工具需要在一個單一應用環境-設計探索者（the design explorer）中運行。啟動 protel dxp，設計探索者打開。設計探 索者是設計界面。要啟動 protel 并打開設計探索者，從 windows 開始 菜單選擇 programs altium protel dxp 。 當你打開 protel dxp 后， 將顯

58、示最常用的初始任務以便方便選擇。 臺燈亮度自動調節電路設計 27 圖 4.3 dxp 界面 在建立了設計文件夾后，你就能在原理圖編輯器和 pcb 編輯器之 間轉換。設計探索者將根據你當前所工作的編輯器來改變工具欄和菜單。 一些工作區面板的名字最初也會顯示在工作區右下角。在這些名字上點 擊將會彈出面板，這些面板可以通過移動、固定或隱藏來適應你的工作 環境。 4.5.1 設計文件的保存 protel dxp 將所有的設計文件和輸出文件都作為個體文件保存在 你的硬盤。你可以使用 windows explorer 來查找。項目文件的建立可以 包含設計文件的連接，這樣使得設計驗證和同步成為可能。 4.5

59、.2 創建一個新項目 在 protel dxp 中，一個項目包括所有文件夾的連接和與設計有關的 設置。一個項目文件，例如 xxx.prjpcb ， 是一個 ascii 文本文件， 用于列出在項目里有哪些文件以及有關輸出的配置。與原理圖紙和目標 輸出的連接，例如 pcb、fpga、vhdl 或庫封裝，將添加到項目中。 一旦項目被編輯，設計驗證、同步和對比就會產生。例如，當項目被編 輯后，項目中的原始原理圖或 pcb 的任何改變都會被更新。 建立一個新項目的步驟對各種類型的項目都是相同的。我們將以 pcb 項目為例。首先我們要創建一個項目文件，然后創建一個空的原理 圖圖紙以添加到新的空項目中。在這

60、個教程的最后我們將創建一個空白 pcb 并將它同樣添加到項目中。 4.5.3 創建一個新的 pcb 項目： 1、在設計窗口的 pick a task 區中點擊 create a new board level design project。 臺燈亮度自動調節電路設計 28 圖 4.4 新建任務 另外，你可以在 files 面板 中的 new 區點擊 blank project (pcb) 。 如果這個面板未顯示，選擇 file new ， 或點擊設計管理面板底 部的 files 標簽。 2、 projects 面板出現。新的項目文件， pcb project1.prjpcb ， 與 “ no