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        自制觸摸定時(shí)燈

        2010-01-26 07:03:42
        物理通報(bào) 2010年8期
        關(guān)鍵詞:低電平高電平電路板

        曹 娟 王 云

        (宿遷學(xué)院基礎(chǔ)部 江蘇 宿遷 223800) (宿豫中學(xué) 江蘇 宿遷 223800 )

        1 引言

        隨著人們的要求及電子技術(shù)水平越來(lái)越高,新的電子產(chǎn)品層出不窮.遙控?zé)o線電話、光控開關(guān)等電子產(chǎn)品就是其中的幾種.目前用于樓道及洗手間的照明燈多數(shù)為聲控?zé)?,雖然很方便,但是由于一些干擾聲音也會(huì)引起它工作,以及在夜晚為開啟它而發(fā)聲有可能擾民.我們針對(duì)這些情況,自制了觸摸定時(shí)燈.它使用方便,安全可靠.該觸摸式定時(shí)燈,使用方便,只需用手輕輕一碰,燈便會(huì)亮起來(lái).其次,節(jié)省電能,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,并且易于制作.

        2 制作思路

        考慮到觸摸定時(shí),即由于手觸摸引起的觸發(fā)脈沖及電容充放電的情形便構(gòu)成了我們思考的出發(fā)點(diǎn).由此想到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特性適合制作的需要.其顯著特點(diǎn)是:在外界觸發(fā)脈沖作用下,能從穩(wěn)態(tài)翻到暫穩(wěn)態(tài),在暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后,再自動(dòng)返回穩(wěn)態(tài).單穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù),與觸發(fā)脈沖的寬度和幅度無(wú)關(guān).由于具備這些特點(diǎn),單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被廣泛應(yīng)用于延時(shí)和定時(shí)等方面.因此,我們采用數(shù)字電路中的CD4001或非門電路.

        3 制作原理

        為了更清楚說(shuō)明CD4001門電路工作過(guò)程,先來(lái)闡述CMOS門電路和RC微分電路構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器.

        對(duì)于CMOS門電路(圖1),可以近似地認(rèn)為電勢(shì)φOH≈φDD,φo1≈0,通常φTH≈0.5φDD,在穩(wěn)態(tài)下φ1=0,φ12=φDD,故φo=0,φo1=φDD.

        當(dāng)觸發(fā)脈沖φ1加到輸入端時(shí),在Rd和Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的正負(fù)脈沖φd.當(dāng)φd上升到φTH以后,將引發(fā)圖2的正反饋過(guò)程使φo1迅速跳變?yōu)榈碗娖?由于電容上的電壓不可能發(fā)生突跳,所以φ12也同時(shí)跳變至低電平,并使φo跳變?yōu)榈碗娖?,電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài).這時(shí)即使φd回到低電平,φo的高電平仍將維持.與此同時(shí),電容C開始充電.隨著充電過(guò)程的進(jìn)行φ12逐漸升高,當(dāng)升至φ12=φTH時(shí),又引發(fā)另外一個(gè)如圖3所示的正反饋過(guò)程.如果這時(shí)觸發(fā)脈沖已消失(φd已回到低電平),則φo1、φl(shuí)2迅速跳變?yōu)楦唠娖剑⑹馆敵龇祷卅誳=0的狀態(tài).同時(shí),電容通過(guò)電阻R和門F2的輸入保護(hù)電路向φDD放電,直至電容上的電壓為零,電路恢復(fù)穩(wěn)定.

        圖1 CMOS門電路

        圖2 正反饋過(guò)程

        圖3 正反饋過(guò)程

        CD4001或非門集成電路具體工作過(guò)程如圖4.或非門F1、F2與外圍元件構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)定時(shí)電路,平時(shí)F2的輸出端4腳為低電平,三極管T3、T4截止,繼電器不吸合,所以燈泡不亮.當(dāng)手摸電路的觸摸端時(shí),則人體感應(yīng)的雜波信號(hào)使三極管T1、T2導(dǎo)通,F(xiàn)1的1腳變?yōu)楦唠娢唬?腳輸出低電平,這樣F2的5、6腳為低電平,4腳變?yōu)楦唠娖?,電路進(jìn)入暫穩(wěn)狀態(tài),并使T3、T4飽和,繼電器線圈兩端得到5V電壓后,電磁鐵吸力大與彈性力,因而吸引平板銜鐵.這樣,觸頭系統(tǒng)中常閉觸頭斷開,而常開觸頭閉合.燈泡兩端加上220V電壓,燈泡亮.同時(shí)由于電容C2和電阻R2組成的充電電路,使F2的輸入端5、6腳電壓不斷升高,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間變?yōu)楦唠娖?,單穩(wěn)態(tài)定時(shí)結(jié)束,T3、T4截止,電磁鐵失去吸力.這樣,觸頭系統(tǒng)中常閉觸頭閉合,而常開觸頭斷開,燈泡熄滅.

        圖4 CD4001或非門集成電路工作過(guò)程

        電源E通過(guò)R2向C2充電,到F2的4腳變?yōu)榈碗娖竭@段時(shí)間,即為該電路的定時(shí)時(shí)間.由單穩(wěn)態(tài)電路中充放電時(shí)間的計(jì)算公式

        ln2×RC=0.69×RC

        tW大約為155s,此為理論值.實(shí)驗(yàn)值大約為180s.而放電時(shí)間則由于二極管2AP電阻很小,故時(shí)間很短.

        4 制作過(guò)程

        4.1 根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路圖購(gòu)買電子元件

        集成電路采用CD4001或非門集成電路.三極管T1、T2、T3的型號(hào)均為3DG6或9014、9013的普通三極管;T4則選用3DK4型三極管;電阻則選用5kΩ、1MΩ、3kΩ的各一個(gè);電容選用100μF、220μF的各一個(gè);二極管選用2AP型普通二極管;燈泡L采用功率為40W的普通照明燈泡.

        4.2 選擇電路板

        電路板有兩種,一種為已制作好的成品,另一種則是要根據(jù)電路原理圖自己制作.而自制常用的是漆圖法.其制作過(guò)程為:下料、拓圖、打孔、描漆圖、腐蝕、去漆膜、清洗、涂助焊劑.用此方法制作的電路板清晰、不容易出錯(cuò),適合用于復(fù)雜電路圖的電子制作.而另一種則是實(shí)驗(yàn)電路板,它采用單面敷銅板(基本材料是環(huán)氧玻璃絲),元器件可從電路板正面插入,在銅箔面用線連接.我們采用實(shí)驗(yàn)電路板.

        4.3 按原理圖在實(shí)驗(yàn)電路板上焊接電子元件

        焊接之前,應(yīng)先在電路板上安排好電子元件,并可反復(fù)拆裝,直到取得滿意效果后,再開始焊接.在焊接CD4001時(shí),另兩組不用的或非門輸入端8、9兩腳及12、13腳均接低電平,以防靜電損壞CD4001.將電路板及電源裝于有機(jī)玻璃盒內(nèi).在制作中特別要注意集成塊的輸入與輸出引腳之間出現(xiàn)擊穿短路或者與地電源等擊穿短路.有的器件是軟擊穿,一段時(shí)間內(nèi)也能正常工作,但會(huì)出現(xiàn)間歇性故障,直至完全擊穿.

        4.4 集成穩(wěn)壓電路的制作

        三項(xiàng)穩(wěn)壓集成電路有三個(gè)引腳,它們分別接電壓輸入、電壓輸出和公共地,其電路圖如圖5所示,其中的電解電容都是用于濾除直流中的脈動(dòng)成分,而另外兩個(gè)陶瓷電容則是用于濾除其中的高頻干擾.那么,為什么電解電容還不能濾除高頻干擾呢?這主要是因?yàn)殡娊怆娙菔怯脙蓮堜X箔中間加紙卷起來(lái)做的,而卷起來(lái)的鋁箔在頻率很高的時(shí)候就會(huì)表現(xiàn)出電感的性質(zhì)來(lái),所以就不能指望使用電解電容來(lái)濾除直流中的高頻干擾了.

        圖5 集成穩(wěn)壓電路

        4.5 電路的調(diào)試

        在調(diào)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)由于外界對(duì)觸摸端的干擾,常使電路不能正常工作,采取和觸摸線一起纏繞接地線,對(duì)外界干擾進(jìn)行屏蔽,可使電路正常工作.

        4.6 制作中的注意方面

        由于CD4001是場(chǎng)效應(yīng)管,所以在焊接時(shí),最好用變壓器降壓(隔離)的低壓電烙鐵,或?qū)⑵胀娎予F的外殼接地;若無(wú)法接地,則將烙鐵頭加熱到焊接溫度時(shí),再拔下電源插頭進(jìn)行焊接、拆卸工作.焊接元件時(shí),注意不能焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng),因?yàn)檫@樣可能會(huì)損害元件;但也不能過(guò)短,因?yàn)檫@樣會(huì)引起虛焊.

        5 改進(jìn)體會(huì)

        從上述原理可知,控制定時(shí)時(shí)間的是RC微分電路中電阻和電容的乘積,而電阻的大小變化可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的阻值來(lái)實(shí)現(xiàn),因此可根據(jù)對(duì)時(shí)間的需求選擇適當(dāng)型號(hào)的電位器,這樣可達(dá)到多種定時(shí)的功能.此外,日常生活用具如抽油煙機(jī)、烘干機(jī)等均是可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)的電子產(chǎn)品.因?yàn)檫@樣既節(jié)省了用戶的時(shí)間,又節(jié)約了電能.可以把此觸摸定時(shí)電路用于此類電子產(chǎn)品中,讓它們達(dá)到所需的時(shí)間后可自動(dòng)關(guān)閉.由此可以看出此觸摸定時(shí)電路具有廣闊的發(fā)展前景.

        參考文獻(xiàn)

        1 薛華,華慧明. 實(shí)用電子技術(shù)快速入門. 福州:福建科學(xué)技術(shù)出版社, 1992

        2 劉洪濤. 電子制作實(shí)用教程. 西安:電子科技大學(xué)出版社, 2001

        3 郭木森. 電工學(xué). 北京: 高等教育出版社, 2001

        4 楊震江.新穎實(shí)用電子設(shè)計(jì)與制作.西安:電子科技大學(xué)出版社,2000

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