电工电子技术在声光双控开关设计中的应用

摘要：随着人们生活现代化水平不断提高，电力的供需矛盾日益加剧，为珍惜并节约每一度电，声光双控开关的设计达到了节约电能的要求。通过声光双控开关的设计，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。声光双控开关的设计安全节电，使用寿命长且成本低，在很多住宅楼道都安装了自动控制楼道灯，在日常生活中具有很大的实用性。
关键词：电工电子技术；声光双控开关；电路设计；应用性

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 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。
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，如图1所示。

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：
VO=2×0．45V2=0．9V2 (1)
IO=0．9×(VO／RL) (2)
二极管所承受的电流及耐压值
IV=IO／2=0．45x(VO／RL) (3)
VRM=V2m (4)
单向桥式整流电路二极管选择条件：
IVZ≥IO／2=0．45x(VO／RL) (5)
VRM≥V2m (6)
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。

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：
Q=CU (7)
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，实现声一电的变换。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。

1．5 光信号输入电路
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：
U1=UxRG／(R4+RG)=12 Vx20／(180+20)=1．2 V (8)
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：
U2=UxRG／(R4+RG)=12 V×10 000 000／(180+10 000 000)≈12 V (9)
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。