1、紅外感應(yīng)燈電路設(shè)計(jì)及原理1、電路主要光學(xué)元件（1）光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻又稱光導(dǎo)管, 它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性, 是一個(gè)電阻器件。制作光敏電阻的材料一般是金屬硫化物和金屬硒化物，通常采用涂敷、噴涂等方法，在陶瓷基片上涂上半導(dǎo)體薄膜，經(jīng)燒結(jié)而成。光敏電阻的結(jié)構(gòu)：在底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極與引出線端相連接，通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，光敏電阻結(jié)構(gòu)，光敏電阻電極，光敏電阻

2、接線圖光敏電阻工作原理-內(nèi)光電效應(yīng)。光照射到本征半導(dǎo)體上，材料中的價(jià)帶電子吸收了光子能量躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子、空穴對(duì)，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能，使阻值降低。光照停止，電子空穴對(duì)又復(fù)合，阻值恢復(fù)。亮電阻很小，暗電阻很大。要使價(jià)帶電電子躍遷到導(dǎo)帶，入射光子的能量滿足剛好發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長。常用的光敏電阻器是硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強(qiáng)弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)1-10M；在強(qiáng)光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見光（0.4-0.76um）的響應(yīng)很接近，只要人

3、眼可感受的光，都會(huì)引起它的阻值變化。本電路采用MG42型CdS光敏電阻，CdS光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，產(chǎn)品經(jīng)受強(qiáng)化老練實(shí)驗(yàn)，除具有靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性好等特點(diǎn)外，在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下，仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性，適合于將其用于各種環(huán)境，MG42型光敏電阻與其它型號(hào)相比具有：工作電壓和額定功率比較低的特點(diǎn)，其亮、暗電阻也適合于本照明電路的需要，所以在設(shè)計(jì)時(shí)選擇了這個(gè)型號(hào)。（2）可控硅元件的工作原理可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè)PN結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成，其等效圖解如圖1所示 圖1 可控硅等效圖解圖當(dāng)陽極A加上正向電壓

4、時(shí)，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時(shí)，如果從控制極G輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號(hào)，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=2ib2。因?yàn)锽G2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。此時(shí)，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=1ib1=12ib2。這個(gè)電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個(gè)管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔茫砸坏┛煽毓鑼?dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號(hào)只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。由于

5、可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表1表1 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件狀態(tài)條件說明從關(guān)斷到導(dǎo)通1、陽極電位高于陰極電位2、控制極有足夠的正向電壓和電流兩者缺一不可維持導(dǎo)通1、陽極電位高于陰極電位2、陽極電流大于維持電流兩者缺一不可從導(dǎo)通到關(guān)斷1、陽極電位低于陰極電位2、陽極電流小于維持電流任一條件即可 在控制極G上加入正向電壓時(shí)因J3正偏，P2區(qū)的空穴時(shí)入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進(jìn)入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在可控硅的內(nèi)部正反饋?zhàn)饔茫ㄒ妶D2）的基礎(chǔ)上，加上IGT的作用，使可控硅提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖2的伏安特性O(shè)A段左移，IGT越大，特性左移越快。

6、利用可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通性能就可實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈的控制，即相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)的作用。單向可控硅具有一觸即發(fā)實(shí)現(xiàn)自鎖的功能。本電路選用單向可控硅，其最大工作電流（1A）和最高工作電壓（400V）完全能滿足本電路的需要，控制極電流在10uA30uA之間，故觸發(fā)靈敏度很高。（3）菲涅爾透鏡的應(yīng)用所謂的菲涅爾透鏡就是一種由塑料制成的特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡組，它與熱釋電元件配合，可以提高傳感器的靈敏度，擴(kuò)大監(jiān)視范圍。實(shí)驗(yàn)證明，傳感器加上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可以由原來的2米而增加到10米。透鏡的工作原理是當(dāng)移動(dòng)物體或人體發(fā)射的紅外線進(jìn)入透鏡的監(jiān)視范圍，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交替的“盲區(qū)”和“高敏感區(qū)”，使傳感器晶片的兩個(gè)反向串

7、聯(lián)的熱釋電元件是輪流感受到運(yùn)動(dòng)物體，所以人體的紅外輻射以光脈沖的形式不斷改變熱釋電元件的溫度，使它輸出一串脈沖信號(hào)，若人體靜止不動(dòng)地站在熱釋電元件前，它會(huì)無輸出，可提高熱釋電紅外傳感器的抗干擾性能8。菲涅爾透鏡的主要作用就是將探測空間的紅外線有效地集中到傳感器上。通過分布在鏡片上的同心圓的窄帶（視窗）用來實(shí)現(xiàn)紅外線的聚集，相當(dāng)于凸透鏡的作用。這部分選擇主要是看透鏡窄帶的設(shè)計(jì)及透鏡材質(zhì)。考慮透鏡的參數(shù)主要有：光通量、不同透鏡同心度、厚度不均勻性、透鏡光軸與外形同心度、透過率、焦距誤差等。菲涅爾透鏡窄帶（視窗）的設(shè)計(jì)一般都是不均勻的，自上而下分為幾排，上面較多、下邊較少，一般中間密集、兩側(cè)疏。因?yàn)?/p>

8、人臉部、膝部、手臂紅外輻射較強(qiáng)，正好對(duì)著上邊的透鏡；下邊較少，一是因?yàn)槿梭w下部紅外輻射較弱，二是為防止地面小動(dòng)物紅外輻射干擾。材質(zhì)一般用有機(jī)玻璃。2、系統(tǒng)及工作流程設(shè)計(jì)整個(gè)照明控制系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)濾波和放大、信號(hào)處理和執(zhí)行電路等及部分組成。在光學(xué)系統(tǒng)中菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元要求信號(hào)不斷變化的特性9；熱釋電紅外探測器是紅外感應(yīng)燈的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)以供信號(hào)處理部分使用；信號(hào)處理主要是把傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、比較、延時(shí)，為照明功能的實(shí)現(xiàn)

9、打下基礎(chǔ)。（1）雙元熱釋電紅外傳感器工作原理分析圖2傳感器工作原理示意圖 a b (c) a b (b) 紅外窗口 a b (a) (f) (e) a b (d)無論反向串聯(lián)型傳感器中的兩個(gè)紅外敏感元件的幾何形狀和相互位置關(guān)系如何，都可以用圖2(a)來表示（假設(shè)a為檢測元件，b為噪聲補(bǔ)償元件）。現(xiàn)在假設(shè)有人體從傳感器前沿著兩個(gè)敏感元件反向串聯(lián)的方向從左向右經(jīng)過，則根據(jù)人體與敏感元件相對(duì)位置的不同可對(duì)傳感器信號(hào)產(chǎn)生作出分析。如圖2(b)所示，當(dāng)人體剛剛進(jìn)入傳感器視野的時(shí)候，由于人體到兩個(gè)敏感元件的距離及角度不同而造成入射到兩敏感元件上的能量變化速率不同，具體是ab，因此傳感器輸出信號(hào)應(yīng)以a的信號(hào)

10、為主，可設(shè)符號(hào)為“”。如圖2(c)所示，當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)到傳感器視野中央位置附近時(shí)，對(duì)于兩個(gè)敏感元件來說一個(gè)是離開一個(gè)是接近，于是各自產(chǎn)生的信號(hào)符號(hào)不同，但由于兩元件反向串聯(lián)，因此傳感器輸出信號(hào)應(yīng)是二者信號(hào)的反向迭加的結(jié)果，其值比任一元件單獨(dú)產(chǎn)生的信號(hào)都要大，故符號(hào)為“”。如圖2(d)所示，當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)到即將離開傳感器視野時(shí)，兩敏感元件上的能量變化情況是ba，因此傳感器輸出信號(hào)應(yīng)該以b為主，由于對(duì)于b來說人體離開且它的串聯(lián)方式與a相反，故符號(hào)為“”。由于傳感器輸出信號(hào)波形是連續(xù)的，再根據(jù)以上分析，可以得出傳感器輸出波形大致如圖2(e)所示，波形的第二個(gè)正峰值低于第一個(gè)正峰值是由于敏感元件b為噪聲補(bǔ)償元

11、件，蒸有紅外反射膜，因此它產(chǎn)生的輸出信號(hào)較小。如果人體運(yùn)動(dòng)方向相反，則分析也可類似進(jìn)行，而得到的結(jié)果恰好相反，如圖2(f)所示。這樣，根據(jù)上面的分析就可將人體運(yùn)動(dòng)通過傳感器的輸出信號(hào)波形檢測出來。 （2） 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 通過前面對(duì)雙元型傳感器對(duì)人體運(yùn)動(dòng)判斷工作原理的分析，已經(jīng)知道從傳感器的輸出信號(hào)波形來看是可以判斷出人體的運(yùn)動(dòng)。但是，從傳感器輸出的信號(hào)顯然是不可以直接作為照明系統(tǒng)的控制信號(hào)，因此傳感器的輸出信號(hào)必須經(jīng)過一個(gè)專門的信號(hào)處理電路，使得傳感器輸出信號(hào)的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于控制照明燈的信號(hào)。放大電路本電路使用的芯片IC1使用廉價(jià)的四運(yùn)放LM324，用其中兩個(gè)運(yùn)放組成帶通放大器。放

12、大電路由R2、R3、IC1a和R6、R7、IC1b組成兩級(jí)低頻帶通高增益放大器，增益取值應(yīng)以能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)電壓放大至便于處理的1.04.5 V為宜。第一級(jí)放大器增益為:AV1=R3/R2,第二級(jí)放大器增益為：AV2=R7/R6,總放大增益為：AV =AV1 AV2。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚岛缶涂蓪⒃鲆嬖O(shè)置到適當(dāng)?shù)闹怠ｋ妷罕容^器電壓比較器起到有無人體進(jìn)入檢測區(qū)的作用，同時(shí)也消除環(huán)境溫度變化所產(chǎn)生的干擾。當(dāng)傳感器探測到人體輻射的紅外線信號(hào)并經(jīng)放大后送到窗口比較器時(shí)，若信號(hào)幅度超過窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出低電平信號(hào)；無異常情況時(shí)則輸出高電平信號(hào)。LM324另外兩個(gè)運(yùn)放組成電壓比較檢測窗口，在

13、比較器中，兩個(gè)電阻與兩只二極管用作參考電壓，將分壓器的中點(diǎn)電壓設(shè)定到電源電壓6V的一半3V，經(jīng)兩只二極管分壓后將上下限電壓分別設(shè)定到3.6V、2.4V。靜態(tài)時(shí)第一級(jí)放大器輸出的干擾信號(hào)電壓幅度在2.43.6V這個(gè)范圍。延時(shí)電路 延時(shí)電路使用IC2單時(shí)基電路NE555，延時(shí)時(shí)間T=1.1RC。選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)就可以控制延時(shí)時(shí)間。其作用有兩個(gè)：一是為人離開檢測區(qū)是提供一段延時(shí)時(shí)間；二是在人進(jìn)入檢測區(qū)后提供關(guān)斷檢測器所需的時(shí)間，延時(shí)電路工作是輸出的高電平使可控硅導(dǎo)通，照明燈接通電源后就亮。3、電路原理圖 電路原理如圖3所示圖3 紅外感應(yīng)燈電路設(shè)計(jì)圖4、電路工作原理熱釋電控制自動(dòng)節(jié)能燈電路中的信號(hào)放大器

14、由兩部分組成，第一部分是由lCla 、lClb 組成的兩級(jí)低頻帶通高增益放大器，第二部分是由lClc 和lCld 組成的雙限電壓比較器。本電路采用的信號(hào)電壓比較器稱為雙限式電壓比較器，也稱為窗口比較器。這個(gè)雙限電壓比較器由lClblCld 組成，其中l(wèi)Clc 用作上限比較， lCld 用作下限比較。上限比較器的參考電壓加于lClc 的同相輸入端，下限比較器的參考電壓加于lCld 的反相輸入端。上、下限比較器的兩個(gè)參考電壓是通過R5 ， R8 與VDl ， VD2 分壓后取得的。由于R5 =1M，R8=1M，VDl 與VD2 的壓降固定為O. 60. 7V。設(shè)壓降為0.6V ，則這個(gè)分壓器的中點(diǎn)

15、電壓(也就是lClb 的反相端電壓)等于電源電壓(6V) 的一半，即3V。該電壓作為帶通放大器lClb輸出的正弦信號(hào)電壓的中點(diǎn)。VDl 上端的電壓作為上限比較器lClc 的參考電壓加在它的同相端，其數(shù)值等于3.6V (即3V+0. 6V); VD2 下端的電壓作為下限比較器lC1 d 的參考電壓加在它的反相端，其數(shù)值等于2.4V (即3V一0.6V) 。由電壓比較器的工作原理可知，當(dāng)同相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓時(shí)，比較器輸出高電平;當(dāng)同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓時(shí)，比較器輸出低電平。由于帶通放大器的輸出電壓中點(diǎn)設(shè)在3V ，因此雙限電莊比較器的門限電壓分別設(shè)在3.6V 和2.4V

16、。靜態(tài)時(shí)，lCla 輸出的干擾信號(hào)電壓幅度在2. 4-3. 6V 這個(gè)范圍，這時(shí)比較器lClc、lCld 均輸出高電平，隔離二極管VD3 ，VD4 被反向偏置而截止。當(dāng)有傳感信號(hào)輸入時(shí)，帶通放大器lCla 輸出控制信號(hào)。在信號(hào)的正半周，當(dāng)信號(hào)電壓幅度大于3.6V 時(shí)，lClc 輸出低電平；在信號(hào)的負(fù)半周，當(dāng)信號(hào)電壓幅度低于2.4V 時(shí)，lCld 輸出低電平。這樣，既保證了在信號(hào)的正負(fù)半周電壓比較器都有觸發(fā)信號(hào)輸出，又抑制了干擾信號(hào)。NE555與R11、C7 組成一個(gè)脈沖啟動(dòng)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，一方面用來觸發(fā)雙向晶閘管VS，另一方面組成單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路，使電燈在人離開時(shí)延時(shí)一段時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉。該單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由低電平或負(fù)向脈沖觸發(fā)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)lClc、lCld 輸出低電平時(shí)， lC2 被觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，它的輸出端腳輸出高電平。該高電平通過R14 將雙向晶閘管VS 觸發(fā)，使其導(dǎo)通，電燈亮。lC2 翻轉(zhuǎn)后，電源經(jīng)Rll 向C7 充電，充電時(shí)間T = 1.1R11C7 ,延時(shí)60s