項目一-照明自動控制電路制作課件

實用數(shù)字電子技術項目教程

項目一照明自動控制電路制作項目任務知識鏈接任務原理分析知識拓展項目任務一、電路原理圖和實物圖二、器件清單三、制作步驟四、注意事項一、電路原理圖和實物圖下圖所示為照明燈的自動控制電路原理圖。下圖所示為照明燈的自動控制電路實物圖。二、器件清單下表中列出了實物圖電路板中需要用到的所有元器件。三、制作步驟（1）在單面印制板上安裝電路元器件。（2）在白天自然光線照射下，照明燈應熄滅，測試門G1A和G1B的輸入、輸出電壓。（3）擋住照射到光敏三極管上的光線，照明燈應點亮，測試G1A和G1B的輸入、輸出電壓。（4）將電阻R3的值改為200Ω或5.1kΩ，觀察照明燈的亮度變化，并注意測量G1B的輸出電壓。（5）斷開門G1A和門G1B的連線，單獨測試門G1B的電壓傳輸特性。（6）在合上開關K1，振蕩器停振的情況下，觀察照明燈的變化情況。表1-2所示為測試數(shù)據(jù)記錄表。四、注意事項（1）不能帶電插拔集成電路元件。插拔前，一定要先切斷電源。（2）注意正確安裝極性電容、二極管、光敏三級管、集成電路和繼電器。（3）焊接時要注意檢查電烙鐵是否漏電以及設備是否帶靜電，以確保人身安全，防止損壞集成電路。知識鏈接一、TTL集成電路二、集電極開路輸出門（OC門）三、光敏三極管四、電磁繼電器一、TTL集成門電路TTL（Transistor-TransistorLogic）電路是目前雙極型數(shù)字集成電路中使用最多的一種。由于這種數(shù)字集成電路的輸入級和輸出級都采用了半導體三極管，所以一般稱為晶體管—晶體管集成邏輯門電路，簡稱TTL電路。TTL集成電路具有生產(chǎn)工藝成熟、產(chǎn)品質量穩(wěn)定、工作性能可靠、開關速度快等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。（一）TTL與非門的電路組成與非門是一種最基本的、應用最廣泛的集成門電路，任何邏輯運算都可以用與非門實現(xiàn)。下圖所示為典型與非門74LS00的實物圖和引腳圖，此集成電路是雙列直插式外形，共有14個引腳，將凹槽置于左方，引腳向下，左下角處的是引腳1，其余引腳按逆時針方向順序編號，7腳接地（GND），14腳接電源（VCC）。74LS00共有4個與非門，可以使用其中一個，也可以一起使用，使用前一定要先將此芯片的電源接上。如下左圖所示為74LS00的電路，與其對應的與非門邏輯符號如下右圖所示，A、B為邏輯輸入端，Y為邏輯輸出端。為了提高工作速度，LSTTL電路內部利用了肖特基二極管的特性，組成了抗飽和型的肖特基三極管，有效地減輕了三極管的飽和深度，這種技術叫做抗飽和技術。肖特基二極管的正向壓降約為0.3~0.4V，且開關時間極短（小于普通開關二極管的十分之一）。肖特基二極管的符號、肖特基三極管的電路和符號如下圖所示。當三極管飽和時，集電結正偏，肖特基二極管導通，將集電極正向偏壓鉗制在0.3~0.4V之間，使三極管處于淺飽和狀態(tài)（或稱抗飽和狀態(tài)）。另外，由于肖特基三極管的分流，三極管基極電流減小，飽和深度降低，開關時間減少，工作速度提高。LSTTL與非門電路由輸入級、中間倒相級和輸出級三部分組成。1．輸入級輸入級由電阻R1和肖特基二極管VD1、VD2、VD3、VD4組成。VD1和VD2為輸入端鉗位二極管，它們能限制輸入端可能出現(xiàn)的負極性干擾脈沖，以保護輸入級。當輸入端信號為正時，二極管截止，不起作用。輸入級可以完成與邏輯功能。2．中間倒相級中間倒相級由V2、R2、V6、R3和R6組成，它的作用是將輸入級送來的信號分成兩路輸出：一路由V2的發(fā)射極輸出，它與基極輸入信號同相，并供給輸出管以必要的驅動電流；另一路由V2的集電極輸出，它與基極輸入信號反相。V6、R3和R6組成V5的有源泄放網(wǎng)絡，當V5由飽和狀態(tài)退出時，其基極的過剩電荷可通過有源泄放網(wǎng)絡泄放，開關時間減少，可改善瞬態(tài)特性，提高工作速度。3．輸出級輸出級由V3、V4、V5、VD5、VD6、R4、R5組成。其中，V3和V4為達林頓上拉電路，V4它和V5組成推拉式輸出電路，

R5為限流電阻。推拉工作方式有利于提高工作速度、減少功耗和提高帶負載能力。（二）TTL與非門的工作原理1．輸入有低電平時，輸出為高電平設輸入端A為低電平0.35V，B為高電平3.4V。由右圖可知，與A端相連的肖特基二極管VD3正偏，流過R1的電流IR1通過VD3流入輸入端A。假設UVD3=0.35V，則UB2=0.7V，三極管V2、V5、V6截止，UC2約為5V，V3和V4導通，此時電路輸出高電平，即UOH=UC2-UBE3-UBE4

≈5-0.7-0.7=3.6V?？紤]到R4上存在的電壓，應產(chǎn)生一定的電流，V3的基極也有一定的電流，在R2上會產(chǎn)生一定的壓降，則實際的輸出高電平約為3.4V。在此狀態(tài)下，輸出管V5截止，故稱截止狀態(tài)或關門狀態(tài)。2．輸入全為高電平時，輸出為低電平若輸入全為高電平3.4V，則VD3、VD4截止，電源電壓VCC通過電阻R1向V2注入基極驅動電流，使V2飽和，V2導通后，就向V5的基極注入電流，使V5管工作于抗飽和狀態(tài)，故輸出低電平UOL

≈0.35V。這時UE2=0.7V，UC2=UE2+UCES2=1V，UC2這個電壓不足以使V3和V4都導通，所以V4截止，輸出端和電源之間可看成開路，減少了電路功耗。此時，輸出管V5飽和導通，故稱為導通狀態(tài)或開門狀態(tài)。由以上分析可知，當電路的任一輸入端有低電平時，輸出為高電平；當輸入全為高電平時，輸出為低電平，即有0出1，全1出0。電路的輸出和輸入之間是與非邏輯關系，即（三）TTL與非門的外部特性1．電壓傳輸特性電壓傳輸特性是指在空載的情況下，輸出電壓uO隨輸入電壓uI變化的關系曲線，即。圖1-7所示為LSTTL與非門電壓傳輸特性的測試電路和電壓傳輸特性曲線。從電壓傳輸特性曲線上可以看出，當輸入信號偏離低電平0.35V而上升時，輸出的高電平并不立即下降。同樣，當輸入信號偏離高電平3.4V而下降時，輸出的低電平也不立即上升。因此，在數(shù)字系統(tǒng)中，即使有噪聲電壓疊加到輸入信號的高、低電平上，只要噪聲電壓的幅度不超過允許的界限，就不會影響輸出的邏輯狀態(tài)，通常把這個界限叫做噪聲容限。由電壓傳輸特性不僅可以知道TTL與非門輸出高電平、低電平的值，還可以求出閾值電壓、開門電平、關門電平和噪聲容限。（1）閾值電壓UTH閾值電壓是輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑蛴傻碗娖阶優(yōu)楦唠娖降姆纸缇€所對應的輸入電壓的值，也是V5管截止和飽和的分界線。實際上，電壓傳輸特性的轉折區(qū)是有一定范圍的，閾值電壓就是轉折區(qū)中點所對應的輸入電壓值。（2）關門電平UOFF關門電平是指在空載的情況下，輸出電壓達到生產(chǎn)廠家所規(guī)定的高電平的下限值（即標準高電平USH）時，所允許的最大輸入電平值，通常用UOFF表示。它是輸入端的特性參數(shù)。（3）開門電平UON開門電平是指在電路帶有額定負載的情況下，輸出電平達到低電平的上限值（即標準低電平USL）時，所允許的最小輸入電平值，通常用UON表示。它也是輸入端的特性參數(shù)。（4）噪聲容限由于輸入低電平和高電平的抗干擾能力不同，因此有低電平噪聲容限UNL和高電平噪聲容限UNH之分。噪聲容限越大，抗干擾能力越強。當輸入低電平時，雖有外來正向干擾，但輸入信號的總值只要不超過UOFF，電路的關門狀態(tài)就不會受到破壞。故UNL=UOFF－USL當輸入高電平時，雖有外來正向干擾，但輸入信號的總值只要不低于UON，電路的開門狀態(tài)就不會受到破壞。故UNH=USH－UON2．輸入伏安特性輸入伏安特性是指輸入電流隨輸入電壓變化的關系曲線。下圖8（a）所示為輸入伏安特性的測試電路，下圖（b）所示為LSTTL與非門的輸入伏安特性曲線。當uI=0時，LSTTL與非門內部電路中的V2是截止的，電阻R1的電流全部流入輸入端，

，電流IIS稱為輸入短路電流，這里的“－”號表示實際電流方向與參考電流方向相反，指從輸入端流出來。隨著uI的增加，iI的絕對值在減小，當uI>1V時，V2開始導通，IR1的一部分流入V2的基極，iI的減小速度加快，當uI足夠大時，iI的方向由負變?yōu)檎４藭r，肖特基二極管反偏，iI為反向截止電流，方向和參考方向一致，數(shù)值小于20。以后uI繼續(xù)增加，iI僅有微小增加，可以認為基本不變。3．輸入端負載特性輸入端負載特性是指輸入端對地接上電阻RI時，輸入電壓uI隨RI變化的關系曲線。輸入端負載特性的測試電路如下圖（a）所示，輸入端負載特性曲線如下圖（b）所示。由上圖（b）可以看出，當uI較小時，uI隨RI的增大而上升，但當輸入電壓uI上升到1V左右時，再增加RI的值，由于uB2限制在1.4V不變，因此uI=uB2-uVD≈1V也將保持不變。這時，V2、V5飽和導通，輸出為低電平0.35V。（1）關門電阻ROFF由圖1-9（b）可知，當RI較小時，uI<UOFF。當uI=UOFF時，所對應的RI值稱為關門電阻ROFF。若RI<ROFF，則uI<UOFF，輸入端相當于接低電平，電路處于關門狀態(tài)，輸出高電平。（2）開門電阻RON由圖1-9（b）可知，當uI達到1.4V時，uI的值基本不再變化，流過RI的電流IR1也基本不變。當uI=UON時，所對應的RI值稱為開門電阻RON。若RI增加，則流過它的電流減小，流入V2基極的電流增加。當RI>RON時，iB2足夠大，V2、V5飽和導通，輸出低電平UOL=0.35V。因此，當輸入端所接電阻RI>RON時，輸入端相當于接高電平，輸出為低電平；當輸入端所接電阻RI<ROFF時，輸入端相當于接低電平，輸出為高電平。4．輸出特性輸出特性是指輸出電壓uO隨負載電流（輸出電流）iL變化的關系曲線。（1）輸出高電平（帶拉電流負載）時的輸出特性TTL與非門輸出高電平時的輸出特性的測試電路和特性曲線如下圖所示。由圖（b）可以看出，當uI=0.35V，空載時的輸出電壓為uO=3.4V；當負載電流較小時，uO將隨iL的增大而下降。74LS00輸出為高電平時，允許的拉電流為4mA左右，大于此值時，uO下降較快，可能會低于允許的標準高電平。（2）輸出低電平（帶灌電流負載）時的輸出特性當輸入全為高電平時，TTL與非門導通，輸出為低電平。此時，V5管飽和，基極電流恒定，V3和V4截止，V5集電極電流即為負載電流，從外電路灌入V5管。因此，輸出特性就是一個三極管在基極電流恒定時的共射接法的輸出特性曲線。TTL與非門輸出低電平時的輸出特性的測試電路和特性曲線如下圖所示。74LS00輸出為低電平時所允許的灌電流較大，約為8mA左右。（四）TTL集成門電路的主要參數(shù)表1-3列出了常見TTL集成門電路的主要參數(shù)。（五）TTL集成門電路多余輸入端的處理1．TTL與門、與非門多余輸入端的處理對于TTL與門電路，只要電路輸入端有低電平輸入，輸出就為低電平；只有輸入端全為高電平時，輸出才為高電平。對于TTL與非門而言，只要電路輸入端有低電平輸入，輸出就為高電平；只有輸入端全部為高電平時，輸出才為低電平。由于當某輸入端外接高電平時對其邏輯功能無影響，因此這兩種TTL集成門電路可以采用以下4種方法來處理多余輸入端。（1）將多余輸入端接高電平，即通過限流電阻與電源相連接。（2）根據(jù)TTL門電路的輸入特性可知，當外接電阻為大電阻時，其輸入電壓為高電平。這樣可以把多余的輸入端懸空，此時，輸入端相當于外接高電平。（3）通過大電阻接地，這也相當于輸入端外接高電平。（4）當TTL門電路的工作速度不高，信號源驅動能力較強時，多余輸入端也可以與使用的輸入端并聯(lián)使用。2．TTL或門、或非門多余輸入端的處理對于TTL或門電路，只要輸入端有高電平，輸出就為高電平；只有輸入端全部為低電平時，輸出才為低電平。對于TTL或非門而言，只要輸入端有高電平，輸出就為低電平；只有輸入端全部為低電平時，輸出才為高電平。結合上述邏輯功能可知，TTL或門、或非門可以采用以下方法來處理多余輸入端。（1）接低電平；（2）接地；（3）和其他輸入端并接。（六）TTL數(shù)字集成電路的分類TTL數(shù)字集成電路的分類情況如表1-4所示。表1-4中介紹的“74”系列TTL都是民用產(chǎn)品，除此以外，TTL還有“54”系列的軍用產(chǎn)品，兩者的區(qū)別主要在于工作環(huán)境溫度范圍和電源允許的變化范圍不同。二、集電極開路輸出門（OC門）（一）OC門的電路組成在TTL電路中有一種集電極開路（OpenCollector）輸出結構的門電路，稱為集電極開路輸出門，簡稱OC門。典型LSTTL集電極開路與非門的電路和邏輯符號如下圖所示。（二）OC門的主要用途（1）實現(xiàn)“線與”功能，即幾個OC門的輸出端可以直接連接，輸出端通過一個公用負載電阻RL連接到電源

上，如下圖所示。一般的TTL門電路是不允許直接將輸出端連接在一起的。（2）OC門可以實現(xiàn)電平轉換，其輸出的高電平電壓值由外電源

決定。（3）OC門可以驅動一些較大電流的執(zhí)行機構。例如六高壓OC輸出反相緩沖器/驅動器74LS06，其輸出低電平電流可達40mA，

可高達30V。三、光敏三極管光敏三極管是一種具有放大能力的光—電轉換三極管，廣泛應用于各種光控電路中。當無光信號照射時，光敏三極管處于截止狀態(tài)，無信號輸出。當有光信號照射其基極（受光窗口）時，光敏三極管將導通，從發(fā)射極或集電極輸出放大后的電流信號。光敏三極管一般只有集電極C和發(fā)射極E兩個引腳，基極B為受光窗口（已在管內連接）。通常，較長（或靠近管鍵一端）的引腳為E，較短的引腳為C。下圖所示為光敏三極管的實物圖和符號。在使用光敏管時，不能從外形來區(qū)分是二極管還是三極管，只能由型號來決定。四、電磁繼電器電磁繼電器是一種能夠用較小電流控制較大電流的自動控制器件，在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換等作用，如下圖所示。（一）工作原理電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等部分組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而使動合型觸點（常開觸點）閉合，動斷型觸點（常閉觸點）斷開。當線圈斷電后，電磁吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的作用下返回原來的位置，從而使動斷型觸點、動合型觸點恢復到原來閉合或分開的狀態(tài)。應用時只要把需要控制的電路接到觸點上，就可以利用繼電器達到控制的目的。（二）特性參數(shù)電磁繼電器的主要特性參數(shù)如下：1．額定工作電壓（或電流）額定工作電壓（或電流）指的是繼電器正常工作時線圈所需要的電壓（或電流）。同型號繼電器的構造大體是相同的。為了適應不同電路對電壓（或電流）的要求，一種型號的繼電器通常有多種額定工作電壓（或電流），并用規(guī)格代號加以區(qū)別。2．直流電阻此參數(shù)是指繼電器中線圈的直流電阻。有些產(chǎn)品說明書中給出額定工作電壓和直流電阻，這時可根據(jù)歐姆定律求出額定工作電流。若已知額定工作電流和直流電阻，亦可求出額定工作電壓。3．吸合電流此參數(shù)是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動作的最小電流。在實際使用中，要使繼電器可靠吸合，給定電壓可以等于或略高于額定工作電壓。一般不要大于額定工作電壓的1.5倍，否則可能會燒毀線圈。4．釋放電流此參數(shù)是指繼電器產(chǎn)生釋放動作的最大電流。如果減小處于吸合狀態(tài)的繼電器的電流，當電流減小到一定程度時，繼電器就會恢復到未通電時的狀態(tài)，這個過程稱為繼電器的釋放動作。釋放電流遠遠小于吸合電流。5．觸點負荷此參數(shù)是指繼電器觸點所允許的電壓或電流。它決定了繼電器所能控制電壓和電流的大小。實際應用時不能用觸點負荷小的繼電器去控制大電流或高電壓。例如，JRX-13F電磁繼電器的觸點負荷是0.02A×12V，就不能用它去控制220V電路的通斷。（三）形狀及電路符號繼電器線圈在電路中用一個矩形框符號表示。繼電器的觸點有兩種表示方法：一種是把它們直接畫在矩形框一側；另一種是按照電路連接的需要，把各個觸點分別畫到各自的控制電路中，同一繼電器的觸點與線圈旁分別標注上相同的文字符號。下圖所示為電磁繼電器的電路符號。（四）觸點形式電磁繼電器的觸點有三種基本形式。（1）動合型（H型）線圈不通電時，兩個觸點是斷開的；通電后，兩個觸點就閉合。用“合”字的拼音字頭“H”表示。（2）動斷型（D型）線圈不通電時，兩個觸點是閉合的；通電后，兩個觸點就斷開。用“斷”字的拼音字頭“D”表示。（3）轉換型（Z型）此為觸點組型。這種觸點組共有三個觸點，即中間是動觸點，上下各一個靜觸點。線圈不通電時，動觸點和其中一個靜觸點斷開，和另一個靜觸點閉合；線圈通電后，動觸點就會移動，使原來斷開的觸點組變成閉合，使原來閉合的觸點組變成斷開狀態(tài)，以達到轉換的目的。這樣的觸點組稱為轉換觸點。用“轉”字的拼音字頭“Z”表示。此外，一個繼電器還可以有一個或多個觸點組，但均不外乎以上三種形式。在電路圖中，規(guī)定觸點和觸點組一律按不通電時的狀態(tài)畫出。（五）選用原則（1）先了解必要的條件，如控制電路的電源電壓，能提供的最大電流；被控制電路中的電壓和電流；被控電路需要幾組、什么形式的觸點等。選用繼電器時，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)?？刂齐娐窇芙o繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。（2）查閱有關資料確定使用條件后，可查找相關資料，找出匹配的繼電器型號和規(guī)格。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對是否可以利用，最后考慮尺寸是否合適。（3）注意器具的容積。對于一般用電器，除考慮機箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板的安裝布局。對于小型電器，如玩具、遙控裝置等，則應選用超小型的繼電器產(chǎn)品。任務原理分析一、當外來光線較強時，照明燈不亮二、當外來光線較暗時，照明燈自動點亮并閃爍三、當外來光線較暗時，合上開關K，照明燈常亮根據(jù)三種可能出現(xiàn)的情況，現(xiàn)將照明燈自動控制電路（下圖）的工作原理分析如下：一、當外來光線較強時，照明燈不亮當外來光線較強時，光敏三極管流過較大電流，門G1A的1腳輸入電壓為低，門G1A的輸出為高，則門G1B的輸出電壓為低，發(fā)光二極管L1不亮。OC門輸出為高，繼電器線圈K不得電，動合觸點不閉合，照明燈L2不亮。二、當外來光線較暗時，照明燈自動點亮并閃爍當外來光線較暗時，光敏三極管截止。門G1A的1腳輸入電壓為高。G1C、GID構成多諧振蕩器，門G1A的2腳為矩形振蕩波，高低電平交替變化。門G1A、G1B的輸出也為矩形振蕩波，高低電平交替變化，所以發(fā)光二極管L1閃爍。OC門輸出也是高低電平交替變化。當OC門輸出為高電平時，繼電器線圈K不得電，動合觸點不閉合，照明燈L2不亮。當OC門輸出為低電平時，繼電器線圈K得電，動合觸點閉合，照明燈L2亮。因此，照明燈L2是閃爍的，和發(fā)光二極管L1同步變化。三、當外來光線較暗時，合上開關K，照明燈常亮當外來光線較暗時，光敏三極管截止。門G1A的1腳輸入電壓為高。由于開關K1合上，所以門G1D的12腳輸入電壓為0V，門G1D的輸出電壓為高，即門G1A的2腳輸入電壓為高，門G1A的輸出為低，門G1B的輸出電壓為高，發(fā)光二極管L1常亮