楼道触摸延时开关设计

西北工业大学明德学院课程设计2010年3 月12 日目录一、设计要求 (2)二、设计目的 (2)1.熟悉晶闸管的开关作用 (2)2.掌握桥式整流电路原理 (6)3.掌握三极管的开关作用 (8)4.掌握稳压管的作用 (9)三、设计的具体实现 (10)1.系统概述 (10)2.单元电路设计 (11)3.仿真测试 (13)四、结论与展望 (16)五、心得体会及建议 (16)六、附录 (17)七、参考文献 (18)楼道触摸延时开关设计报告一、设计要求1.设计一楼道触摸延时开关，其功能是当人用手触摸开关时，照明灯点亮，并延续一段时间后自动熄灭。

2.开关的延时时间约1分钟左右。

二、设计目的1.熟悉晶闸管的开关作用(1).晶闸管的开关作用晶闸管是一种开关组件，广泛的应用在各种电路，以及电子设备中。

典型的小电流控制大电流的组件，通过一个电流很小的脉冲触发，当晶闸管处于导通状态时它的电阻变得很小相当于一跟导线。

(2).晶闸管的结构和工作原理晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。

如图图2-1.1所示：图2-1.1等效图图2-1.2 器件符号当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN 结J 2失去阻挡作用。

每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。

因此是两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig 流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通。

设PNP 管和NPN 管的集电极电流分别为I C1和I C2，发射极电流相应为Ia 和I k ，电流放大系数相应为α1=I C1/Ia 和α2=I C2/I k ，设流过J 2结的反相漏电流为I CO ，晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：CO k COC C +I I Ia+α =α+I +I =I I 2121а (1) 若门极电流为Ig ，则晶闸管阴极电流为：g a k I I I +=得出晶闸管阳极电流为： )(121ααа+-+=g co I I I (2)硅PNP 管和硅NPN 管相应的电流放大系数α1和α2随其发射极电流的改变而急剧变化。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未接受电压的情况下，式(2)中Ig=0，(α1+α2)很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO，晶闸管处于正向阻断状态；当晶闸管在正向门极电压下，从门极G流入电流Ig ，由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高放大系数α2，产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数α1，产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结，这样强烈的正反馈过程迅速进行。

当α1和α2随发射极电流增加而使得(α1+α2)≈1时，式(2)中的分母1-(α1+α2)≈0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。

这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定，晶闸管已处于正向导通状态。

晶闸管导通后，式(2)中1-(α1+α2)≈0，即使此时门极电流Ig=0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断地减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流I H 以下时，由于α1和α2迅速下降，晶闸管恢复到阻断状态。

(3).晶闸管的工作条件●晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。

●晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

●晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何，晶闸管保持导通,即晶闸管导通后，门极失去作用。

●晶闸管在导通情况下，当主回路电压或电流减小到接近于零时，晶闸管关断。

(4).晶闸管的管脚鉴别●单、双晶闸管的判别：先任测两个极，若正、反测指针均不动（R×1挡），可能是A、K或G、A极（对单向晶闸管）也可能是T2、T1或T2、G极（对双向晶闸管）。

若其中有一次测量指示为几十至几百欧，则必为单向晶闸管。

且红笔所接为K极，黑笔接的为G极，剩下即为A极。

若正、反向测批示均为几十至几百欧，则必为双向晶闸管。

再将旋钮拨至R×1或R×10挡复测，其中必有一次阻值稍大，则稍大的一次红笔接的为G极，黑笔所接为T1极，余下是T2极。

图2-2 晶闸管管脚●性能的差别：将旋钮拨至R×1挡，对于1～6A单向晶闸管，红笔接K极，黑笔同时接通G、A极，在保持黑笔不脱离A极状态下断开G极，指针应指示几十欧至一百欧，此时可控硅已被触发，且触发电压低（或触发电流小）。

然后瞬时断开A极再接通，指针应退回∞位置，则表明可控硅良好。

对于1～6A双向晶闸管，红笔接T1极，黑笔同时接G、T2极，在保证黑笔不脱离T2极的前提下断开G极，指针应指示为几十至一百多欧（视晶闸管电流大小、厂家不同而异）。

然后将两笔对调，重复上述步骤测一次，指针指示还要比上一次稍大十几至几十欧，则表明晶闸管良好，且触发电压（或电流）小。

极时断开G极，指针立即退回∞位置，若保持接通A极或T2则说明晶闸管触发电流太大或损坏。

可按图2方法进一步测量，对于单向晶闸管，闭合开关K，灯应发亮，断开K灯仍不息灭，否则说明晶闸管损坏。

对于双向晶闸管，闭合开关K，灯应发亮，断开K，灯应不息灭。

然后将电池反接，重复上述步骤，均应是同一结果，才说明是好的。

否则说明该器件已损坏。

2.掌握桥式整流电路原理(1).单相桥式整流电路的组成单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证正、负半周内正确引导流向负载的电流，使在变压器副边电压u2其方向不变。

设变压器副边两段分别为a和b，则a为“＋”、b 为“－”时应有电流留出a点，a为“-”、b为“＋”时应有电流流入a点；相反，a为“＋”、ｂ为“－”时应有电流流入ｂ点，ａ为“－”、ｂ为“＋”时应有电流流出ｂ点；因而ａ和ｂ点均应分别接两只二极管，以引导电流；如图2-3所示。

图2-3 桥式整流原理(2).工作原理 设变压器副边电压t U u ωsin 222=，U 2为其有效值。

当ｕ2为正半周时，电流由a 点流出，经过V 1、R L 、D 3流入b点，因而负载电阻R L 上的电压等于变压器副边电压，即2u u o =，V 2和V 4管承受的反响电压为－u 2。

当u 2为负半周时，电流由b 点流出，经V 2、R L 、V 4流入a 点，负载电阻R L 上的电压等于－u 2，即2u u o -=，V 1、V 3承受的反向电压为u 2。

这样，由于V 1、V 3和V 2、V 4两对二极管交替导通，致使负载电阻R L 上在u 2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压t U u o ωsin 22=。

如图2-4所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。

图2-4 桥式整流电路电流、电压波形(3).输出电压平均值U O(AV)和输出电流平均值I O(AV)根据图2-4中所示u o 的波形可知，输出电压的平均值 )(sin 2120)(t td U U AV O ωωππ⎰=解得 22)(9.022U U U AV O ≈=π由于桥式整流电路实现了全波整流电路，它将u 2的负半周也利用起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值） LL AV O AV O R U R U I 2)()(9.0≈= 在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。

根据谐波分析，桥式整流电路的基波U OIM 的角频率是u 2的2倍，即100HZ ，π22232U U OIM ⨯=。

故脉动系数 67.032)(≈==AV O OIM U U S 与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。

3.掌握三极管的开关作用三极管工作在饱和导通状态(发射结和集电结都是正偏置)时，其c-e 极间电压很小，比PN 结的导通电压还要低(硅管在0.5V 以下)，c-e 极间相当“短路”，即呈“开”的状态。

三极管在截止状态(发射结、集电结都是反偏置)时，其c-e 极间的电流极小(硅管基本上量不到)，相当于“断开(即‘关’)”的状态。

三极管开关电路的特点是开关速度极快，远远比机械开关快，没有机械接点，不产生电火花。

开关的控制灵敏，对控制信号的要求低，导通时开关的电压降比机械开关大，关断时开关的漏电流比机械开关大。

不宜直接用于高电压、强电流的控制。

4.掌握稳压管的作用稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。

稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阻配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。

稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。

当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然增大，稳压管从而反向击穿，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利用这一特性，因此稳压管在电路到起到了稳压的作用。

图2-5 稳压管特性曲线稳压管与其普通二极管不同之处在于反向击穿是可逆性的。

当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。

三、设计的具体实现1.系统概述(1).系统原理图图3-1.1 触摸延时开关电路(2)系统原理综述电源电路由整流二极管VD1-VD4，电阻器R3,发光二极管VL,稳压二极管VS等组成;控制电路由触摸电极A，电阻器R6,R5,晶体管V1,V2和项晶闸管VT等组成。

接通电源后，交流220V电压经过VD1-VD4整流，R3限流及VS稳压后产生12V电压，供给控制电路。

此时，晶体管V1,V2及晶闸管VT均处于截止状态，流过照明灯EL中的电流仅有2mA左右，不足以使EL点亮。

当用手触摸金属片A时，人体感应信号经电阻器R5,R6加至V2的基极，使V2导通.V2导通后，其集电极电压降低，使V1也导通。

V1导通后，其集电极输出出发高电平，使晶闸管VT受触发而导通，照明灯EL点亮。

在V2导通瞬间,电容器C1通过V2集电极与发射极并接在+12V两端,使C1上迅速充满约12V左右的电压。

照明灯EL点亮，人手离开金属片A后，V2虽然截至，但C1上所充电压通过电阻器R1向V1的发射结放电，使V1仍维持导通，所以照明灯EL仍能持续发光。

当电容器C1放电结束后，V1截止，使晶闸管VT也截止，照明灯EL熄灭。

发光二极管串联在+12V电源电路中，可以作为夜间指示灯，指示接近金属片的位置。

R1，R2和C1的数值决定着照明灯的延迟时间，可通过改变R1的阻值来改变延迟时间：若R1为100千欧，则延迟时间为60S；若R1为150千欧,则延迟时间为90S；若R1为220千欧，则延迟时间为135S。