光控节能路灯的设计.docx
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光控节能路灯的设计
东北石油大学
课程设计
课程光电检测技术
题目光控节能路灯的设计
院系电子科学学院
专业班级应用物理07--2班
学生姓名汪杨木
学生学号070901340207
指导教师
2010年3月8日
东北石油大学课程设计任务书
课程光电检测技术
题目光控节能路灯的设计
专业应用物理姓名汪杨木学号070901340207
主要内容：
利用2DU型光敏二极管等电子器件，设计光控电路，驱动电路等，并对电路进行仿真。
基本要求：
（1）天黑时灯亮，天亮时灯灭。
（2）根据光敏二级的特性给出功能框图，并设计光控电路及驱动电路。
（3）逐步要有详细的电路设计说明。
（4）对电路进行仿真研究。
（5）完成课程设计总结报告。
主要参考资料：
1、陈振官等编著，光电子电路制作实例[M]，北京：
国防工业出版社2006.1.
2、陈锌城编著，使用电子电路设计与调试[M]，北京：
中国电力出版社2006.6.
3、黄继昌等编著，使用报警电路[M]，北京：
人民邮电出版社2005.2.
完成期限2011-3-10
指导教师
专业负责人
2011年3月8日
目录
第1章概述4
1.1课题作用、实用价值4
1.2光敏电阻器的发展前景4
第2章基本原理与总体设计6
2.1光电二极管的主要工作原理6
2.2光伏模式检测电路的分析7
第3章光控节能路灯的设计9
3.1设计方案9
3.2理论计算：
器件功能参数10
3.2.1光敏电阻（MG45系列）10
3.2.2IN400711
3.2.3稳压二极管（5.6V/5V/9V）11
3.2.43CT103L（5A\1kV）11
3.2.5LM33912
3.2.6901313
3.2.7电位器（20k）14
第4章电路的安装调试15
4.1元器件的焊接15
4.2电路的调试15
第5章总结16
参考文献17
第1章概述
光敏二极管也叫光电二极管。
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
常见的有2CU、2DU等系列。
本设计选用了2DU型光敏二极管进行光控电路的设计。
课题作用、实用价值
所谓光控路灯，就是能够在黄昏时自动接通路灯的电源，在黎明时自动关闭路灯，实现对路灯的自动控制。
关于路灯自动控制的电路。
基本原理都是相同的，即利用自动控制理论如何让实现自动控制。
实现方式可谓各种各样，五花八门，这也是由于具体的使用要求和环境的差异所决定的。
常见的控制方式有声控，光控以及声光结合的控制，当然还可以利用单片机，DSP等微控制器来实现。
在保证足够可靠性的基础上，为了尽量节约成本，利用简易的分立元件来实现，显得既经济又实用，在提倡节约型社会的今天无疑值得推广。
光敏电阻器的发展前景
光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。
它是在一块匀质的光电导体两端加上电极构成。
两电极加上一定电压后，当光照射到光电导体上，由光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿一定方向运动，在电路中产生电流，达到光电转换目的。
它以其高度的稳定性而广泛地应用在自动化技术。
主要用于照相机、光度计、光电自动控制、能量辐射物搜索和跟踪等，作辐射接收元件。
当有光照时电阻很小。
无光照时电阻很大。
可用晶体管组成放大器，做成自动控制电路。
实现你所需要的电路。
把光敏电阻作为晶体管的偏流电阻。
这样当有光照时晶体管导通，驱动灵敏继电器。
如可用继电器JRX--13F灵敏继电器。
其吸合电流不大于50MA。
前级放大器可用达林顿管组成。
放大器后可接一个反向器。
反向器驱动继电器。
利用光导效应可以光电开关或其它实用电路。
第2章基本原理与总体设计
光电二极管的主要工作原理
光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。
它的核心部分是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。
光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
光电二极管作为一种光伏探测器可以在光伏型（即物外加偏压）和光导型（即外加反向电压）两种工作模式工作。
在光导模式下，施加反向偏压后，可以增加光电二极管PN结的耗尽层宽度好和结电场，在耗尽层中产生的电子空穴对由于复合较少，在结区强电场的作用下，不必经过引起复合的扩散过程，就可以对电流作出贡献，显然提高了光电二极管的光电灵敏度。
但在这种模式下，由于给光电二极管施加了反向偏置电压，必然存在较大的暗电流，由此会产生较大的噪声电流，通常在光电通信等快速应用中应该使用该模式；而在光伏模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在等效二极管的反偏电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量。
下面详细的介绍光电二极管的光伏型工作模式。
光伏模式检测电路的分析
光电二极管的光伏检测电路及其等效电路如图1。
图中
是光电二极管接受光辐射后所产生的光电流；
是串联电阻，由接触电阻、非耗尽层材料的体电阻所组成，大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，偏压越大，耗尽区越宽，
越小，对于大面积的硅光电二极管，
的值一般在几欧姆至几十欧姆之间；
是光电二极管的结电容，它的大小同光电二极管尺寸、结构和偏压有关，可从几千皮法的几千皮法之间变化；
是光电二极管的并联电阻，由光电二极管耗尽层电阻和污染引起的漏电阻所组成。
它也是所温度的变化而变化，与光电二极管尺寸有关，结面积越小，
越大；温度越高，
越小。
对不同光电二极管
的数值变化范围很大，可从几十千欧到上百兆欧；D为PN结等效二极管，
为负载电阻。
图2-1光电二极管的光伏模式和等效电路
在图1中，光电二极管等效电路通过等效二极管D的电流为
（1）
A是有关常数，对于硅光电二极管
，称为热电压。
由图1可知，流过负载电阻
上的电流
为
（2）
由公式
（2）可知光电二极管接受光辐射时输出的负载电流
和光生电流
并非线性关系。
如果去负载电阻为零，即输出短路的条件下，由于
，则公式
（2）可化简为
（3）
如果二极管的反向饱和电流很小，而输出电流不大，即保持
时，可得
（4）
即输出电流接近光生电流，也就是线性好。
因此在实际使用光电二极管进行测量时要选取
大、
小和
小的光电二极管，并在输出短路状态下工作。
第3章光控节能路灯的设计
设计方案
电路中，光控触发器电路由光敏电阻器RG、电阻器R1、R2，电位器R6，稳压二极管D1和电解电容C1以及LM339组成，电源电路由电阻器R3、R4、R5，稳压二极管D2，二极管IN4007，NPN9013和3mm发光二极管以及继电器组成。
在白天，光敏电阻器RG受光照而呈低阻状态，LM339的7脚电位降低，1脚输出电压低，稳压管的反向电流较小，9013处于截止状态，从而发光二极管不被点亮。
当黄昏来临时光照度逐渐减弱，光敏电阻RC的阻值逐渐增大，LM329的7脚电压增大，1脚输出电压高，稳压管的反向电流较大，9013导通，发光二极管被点亮。
直到第二天黎明来临时，光照度逐渐增强，RG的阻值逐渐减小，LM339的7脚电位降低，1脚输出电压低，稳压管的反向电流较小，9013处于截止状态，从而发光二极管熄灭。
调节RP的阻值，可控制该灯光自动控制器电路在不同光照下的动作。
图3-1设计框图
图3-2关于光控节能路灯的设计图
理论计算：
器件功能参数
光敏电阻（MG45系列）
光敏电阻是一种半寻体器件，利用半寻体的光电效应。
当有光照时电阻很小。
无光照时电阻很大。
可用晶体管组成放大器，做成自动控制电路。
实现你所需要的电路。
把光敏电阻作为晶体管的偏流电阻。
光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
图3-3光敏电阻结构示意图
光电导体贴在绝缘材料基板上，封装在有窗口的金属或塑料外壳内，两端有电极引线。
为增大受光面、减小电极间距使电子渡越时间小，光敏面作成蛇形、电极作成梳状。
IN4007
IN4007是一般常用的整流管，一般并联在线圈上，目的是为了防止线圈的断电瞬间存在的过渡过程产生较高的电压破坏电路，接在电路中应该正接负，负接正，即常态下二极管是截至的，在断电的瞬间导通释放储存在电感上的能量。
稳压二极管（5.6V/5V/9V）
是用于起稳定电压作用的晶体二极管。
利用二极管反向激穿时，两端电压基本不变的原理，常用于限幅、过载保护稳压电源等装置中。
3CT103L（5A\1kV）
A为阳极，K为阴极，G为控制极
主要参数：
It:
0.2A
VDRM/VRRM:
20V~100V
IGT：
0.01mA~15mA
VGr<=2V
IH：
0.5mA~30mA
Ir为额定正向平均电流，VDRM为正向阻断蜂值电压，VRRM为反向阻断蜂值电压，IH为维持电流，VGT为控制极触发电压，IGT为控制极触发电流。
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。
可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。
具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
LM339
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：
1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。
LM339集成块采用C-14型封装，下图为外型及管脚排列图。
图3-4外型及管脚排列图
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
9013
半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。
它最主要的功能是电流放大和开关作用。
三极管顾名思义具有三个电极。
本设计中是用于电流放大。
9013是一种低电压,大电流,小信号的NPN型三极管
和9012（PNP）相对
图3-59013NPN型三极管
电位器（20k）
作用：
调节电压（含直流电压与信号电压）和电流的大小。
结构特点：
电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。
第4章电路的安装调试
元器件的焊接
对元件进行组装焊接，对实验条件进行准备。
电路的调试
具在预定的条件下进行系统的整体性能进行检测，对一定条件下的输出值记录。
得到足够数量的数据进行整体性能分析，得到结论，实际电路符合设计的要求，符合设计的预定结果。
第5章总结
本次设计的光控路灯电路基本实现了自动控制的功能，内容涉及光敏电阻，继电器以及电路设计等诸多方面的知识，整个显示系统设计完成后达到了预期的效果，系统工作稳定，不会因为偶然的强烈的光照而引起误动作或闪烁。
但由于本人专业知识有限，因此设计中还有或多或少的不足之处。
希望能够在以后有所进步。
通过设计基本有以下几点收获：
1、通过这个实验了解了光电探测技术的有关知识，学习了实现这种功能的一些器件的工作原理。
2、巩固了模拟电路，数字电路，与光电技术的知识。
3、通过查阅资料学习了一些器件的检测技术。
4、复习了电路原理图的绘制。
参考文献
[1]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2006：
74-116.
[2]阎石.数字电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2006：
466-488.
[3]姚建铨.光电子技术.北京：
高等教育出版社，2006：
158-165.
[4]杨承毅.电子技能实训基础——电子元器件的识别和检测.北京：
人民邮电出版社出版发行，2005：
115-123.
[5]光行天下
东北石油大学课程设计成绩评价表
课程名称
光电检测技术
题目名称
光控节能路灯的设计
学生姓名
汪杨木
学号
070901340207
指导教师姓名
职称
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
年月日
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