羅庚興

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山528137）

聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)電路的分析與仿真

羅庚興

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山528137）

采用Multisim軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真研究，測(cè)試檢測(cè)電路參數(shù)大小對(duì)非電量靈敏度的影響，分析聲控信號(hào)和光控信號(hào)與邏輯輸出電平信號(hào)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，該研究成果對(duì)優(yōu)化電路參數(shù)和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

聲光控；開(kāi)關(guān)電路；仿真

自動(dòng)開(kāi)關(guān)在樓道、走廊、衛(wèi)生間等場(chǎng)所應(yīng)用十分廣泛。隨著能源需求的劇增，節(jié)能降耗在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展中日顯重要，節(jié)能型產(chǎn)品獲得了廣闊的應(yīng)用和發(fā)展空間。聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)能自動(dòng)控制照明燈點(diǎn)亮、節(jié)能省電、延長(zhǎng)燈的使用壽命，是現(xiàn)代理想的新穎綠色照明開(kāi)關(guān)。利用Multisim10軟件進(jìn)行試驗(yàn)仿真，可以動(dòng)態(tài)直觀地觀察不同參數(shù)對(duì)聲光控電路性能的影響，對(duì)于理解原理、熟悉調(diào)試過(guò)程、優(yōu)化參數(shù)具有很大的幫助。

本文介紹了一種聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)電路，并用Multisim10軟件進(jìn)行了仿真分析。

1　電路組成及原理

1.1電路組成

聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)電路原理圖如圖1所示，由主電路、電源電路、聲控電路、光控電路、邏輯電平反轉(zhuǎn)及觸發(fā)電路和延時(shí)電路等幾個(gè)單元組成。

圖1中，各電路組成和工作情況如下。

（1）主電路由整流橋VD1～VD4和晶閘管SCR組成。

（2）電源電路由整流橋和VD6、C3、R7、R8等元件組成，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的直流穩(wěn)壓電源，將交流220 V進(jìn)行橋式整流，經(jīng)R8降壓，C3濾波，VD6穩(wěn)壓后，給整機(jī)供電。

（3）聲控電路由駐極體BM，三極管VT、電容C1及電阻R1、R2、R3等組成。

當(dāng)處于靜態(tài)時(shí)，三極管VT處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，集電極輸出低電平。

當(dāng)有噪聲時(shí)，BM電阻瞬間降低，C1產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，使VT截止，集電極輸出高電平。

（4）光控電路主要由電阻R4和光敏電阻RG組成。光敏電阻RG的阻值隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，RG的亮電阻為2～10 kΩ，暗電阻為1～10 MΩ。當(dāng)光照達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，RG阻值小于10 kΩ，經(jīng)R4分壓后得到的電壓小于0.2 V，ICA②腳為低電平。

當(dāng)光照很暗時(shí)，RG阻值大于1 MΩ，其分得的電壓高于4 V，ICA②腳為高電平。

（5）邏輯電平反轉(zhuǎn)及觸發(fā)電路由四二輸入與非門(mén)IC（CD4011）及R6組成，其中ICA作為與非門(mén)使用，其余3個(gè)均接成反相器作放大用。

當(dāng)ICA有一個(gè)輸入端為低電平時(shí)，輸出端③腳為高電平，經(jīng)3個(gè)反相器后，ICD11腳輸出低電平信號(hào)，晶閘管不被觸發(fā)而截止。

當(dāng)ICA②腳為高電平，ICA①腳也為高電平時(shí)，ICA③輸出端跳變?yōu)榈碗娖?，?jīng)3個(gè)反相器后，ICD11腳輸出高電平，晶閘管SCR被觸發(fā)導(dǎo)通。

（6）延時(shí)電路由VD5、C2、R5等元件組成。

當(dāng)ICB④腳輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，由于VD5的隔離作用，C2上的電壓仍維持ICC⑧、⑨腳為高電平。

C2上的電壓通過(guò)R5放電，直到C2上的電壓降至邏輯低電平時(shí)，ICD11腳輸出變?yōu)榈碗娖剑чl管在電壓過(guò)零時(shí)正向阻斷，燈熄滅。

1.2工作原理

其工作原理如圖1所示，分為強(qiáng)光和暗光兩種情況。

（1）當(dāng)白天或光線(xiàn)很強(qiáng)時(shí)，光敏電阻RG受光照呈低阻值，CD4011②腳始終為低電平。與非門(mén)ICA③腳始終輸出高電平，經(jīng)3次反相放大后，CD401111腳輸出為低電平，使晶閘管SCR截止，燈泡不亮。

（2）夜間或者光線(xiàn)很暗時(shí)，光敏電阻RG呈高阻值，CD4011②腳始終為高電平。若有聲音信號(hào)輸入使ICA①腳為高電平時(shí)，ICA③腳輸出端跳變?yōu)榈碗娖剑?jīng)電平轉(zhuǎn)換，ICD11腳輸出高電平，晶閘管SCR被觸發(fā)導(dǎo)通，燈點(diǎn)亮。晶閘管SCR觸發(fā)導(dǎo)通后，C3上的電壓降低，VT重新飽和，ICA①腳為低電平，使ICB④腳輸出電平由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，延時(shí)電路作用，ICD11腳延時(shí)跳變?yōu)榈碗娖?，晶閘管阻斷，燈熄滅。

2　電路仿真與分析

2.1構(gòu)建仿真電路

聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)仿真電路如圖2所示，其仿真采用Multisim10軟件。由于該仿真軟件沒(méi)有駐極體話(huà)筒和光敏電阻，需要作等效處理。

正常聲音信號(hào)的頻率范圍為20～20 kHz，等級(jí)為20～60 dB，可以用信號(hào)發(fā)生器模擬。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器XFG1的頻率為1 kHz、幅值為100 mVpp、波形為方波。光敏電阻的亮電阻為2～10 kΩ，暗電阻為1～10 MΩ，可采用一個(gè)1 MΩ的電位器模擬。此外，三極管9014用性能相似的2N2222代替，CD4011用7400 N代替。在U1B和隔離二極管VD5之間增加一個(gè)很小的電阻，避免仿真時(shí)過(guò)流報(bào)警。

2.2仿真分析

用虛擬電壓表檢測(cè)三極管集電極的輸出電位（即3號(hào)線(xiàn)電位），記作u3。其他，u4表示光敏電阻的電壓值，u15表示電源電壓值，u11表示延時(shí)電路的電壓，u12表示IC輸出的電壓值，上述監(jiān)測(cè)點(diǎn)也用電壓表一一檢測(cè)。在仿真軟件中，分別模擬白天、夜間無(wú)聲音和夜間有聲音幾種情況，并記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓值，將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)如表1所示。

表1　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓值

由表1可知，白天（RG阻值小于10 kΩ）穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電源電壓u15約為12 V，光敏電阻電位u4恒為低電平，IC被封鎖，邏輯輸出電平u12為0 V，晶閘管不能被觸發(fā)導(dǎo)通。夜間（RG阻值為1 MΩ），光敏電阻電位u4變?yōu)楦唠娖?，但是聲控電路輸出u3為低電平，邏輯輸出電平u12為0 V，晶閘管也不能被觸發(fā)導(dǎo)通。

因?yàn)閱?dòng)仿真后，需要近1 s電源電壓才能穩(wěn)定。為了便于分析，從第2秒開(kāi)始，閉合J1約1～2 s（模擬噪聲出現(xiàn)）。用虛擬示波器分別監(jiān)控各點(diǎn)的電壓曲線(xiàn)，將跟蹤的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓變化過(guò)程，繪制在一個(gè)圖形中。夜間，聲控使燈泡點(diǎn)亮到熄滅過(guò)程各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓變化曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖3可知，夜間當(dāng)有噪聲出現(xiàn)時(shí)，聲控電路輸出u3出現(xiàn)一個(gè)正跳變脈沖，使邏輯輸出電平u12為5 V，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，燈泡亮。晶閘管導(dǎo)通后，電源電壓u15被迅速拉低，在2～3 s內(nèi)從12 V降至十幾mV；同時(shí)光敏電阻電位u4也被從高電平拉為低電平。此后的近32 s內(nèi)，u3和u4一直維持為低電平，而延時(shí)電路的電壓u11則從4.7 V開(kāi)始緩慢下降，下降速度由放電時(shí)間常數(shù)R5×C2決定。到31.85 s處，即u11下降到2.5 V時(shí)，邏輯電平反轉(zhuǎn)，即u12從5 V跳變?yōu)? V，此時(shí)燈泡熄滅。電源電壓u15由于C3充電，迅速上升到12 V；同時(shí)光敏電阻電位u4也從低電平上升到高電平。跳變時(shí)，由于電源電壓的變化，導(dǎo)致三極管VT的輸出電壓u3有一個(gè)很小的尖脈沖。此尖脈沖很?。ㄖ挥?0～80 mV），對(duì)邏輯電路沒(méi)有影響。此后，u11一直下降到接近0 V，或者下一組聲控信號(hào)到來(lái)。

3　小結(jié)

用實(shí)際元器件做成電路板，燈亮后延遲時(shí)間大約35 s左右開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，得到的結(jié)果跟仿真基本一致。利用Multisim工具對(duì)電路過(guò)程進(jìn)行仿真，花費(fèi)少，效率高，而且結(jié)果快捷、準(zhǔn)確、形象。這一科研成果應(yīng)用在教學(xué)過(guò)程中，利用Multisim工具分析講解電路參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響，并觀察不同情況下各點(diǎn)的電壓值，可以取得良好的效果。同時(shí)，實(shí)際電路出現(xiàn)故障時(shí)，可以借鑒仿真效果來(lái)查找故障點(diǎn)。

［1］羅庚興,庹朝永.模擬電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:北京師范大學(xué)出版社,2012.

［2］張新喜,許軍.Multisim10電路仿真設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

［3］羅庚興.晶閘管調(diào)光電路的仿真研究［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31（10）:208-211.

［4］羅庚興,張艷.基于Multisim10的晶閘管調(diào)光電路的設(shè)計(jì)與仿真［J］.現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35（10）:186-188.

［5］趙應(yīng)艷.聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)的制作［J］.電子制作,2013（2）:105.

【責(zé)任編輯：任小平renxp90@163.com】

Analysis and simulation of acoustic light-activated for delay switch circuit

LUOGeng-xing

（Department ofMechanical and Electrical Engineering,Foshan Polytechnic,Foshan 528137,China）

Using multisim software simulation of the circuit,to detect the influence of size of parameters in circuit on the non-power sensitivity,and to analyze the acoustic signals and optical signals and the relationship between the output logic level signal,for optimization of circuit parameters and improve the quality of design.It has very important application value.

acoustic light-activated;switching circuit;simulation

TM564

A

1008-0171（2015）02-0080-04

2014-05-22

佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院資助項(xiàng)目（2012KC-005）

羅庚興（1972-），男，湖南郴州人，佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授。