项目四 CD4011声光控开关(葛中海)

项目CD4011 声光控开关一、教学目标 认识光敏电阻、单向可控硅和驻极体话筒的结构和工作特性。 熟悉 CD4011 内部功能框图，掌握 CD4011 的逻辑功能。 掌握反相器构成的电压放大器的工作原理。 学会透过故障现象分析故障原因，并能独自解决之。 理解并熟悉声光控开关的工作原理。二、电路结构 本电路可分为几大部分，它们分别是电源变换电路、触发驱动电路、延时关断电路、光敏控 制电路和音频放大电路、。1电源变换电路：由D2D6、QI、R6和C1组成；2. 触发控制电路：由R7、CD4011的A单元组成，目标直指单向可控硅Q1 （BT169）门极。3. 光敏控制电路：由R3、Rg与CD4011的D单元组成；4音频放大电路：由R1、BM1、C2、R2与CD4011的C单元组成；5.延时关断电路：由C4、R8与CD4011的B单元组成；三、认识特殊器件1CD4011如图 4.1， CD4011 内部包含四个双端输入的与非门，电源正极和接地共用。 CD4011 只 是与非门的其中一种型号，中山市高级技工学校电子实验室有CD4011和HEF4011，电路参图 4.2 光敏电阻图 4.1 CD4011 内部框图数设计选用CD4011 （若采用HEF4011，需要更改几个参数，请参考电路原理图）。2光敏电阻光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体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。受到适当波长的光线照射时在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压便有电流通 过：入射光强、电阻减小，入射光弱、电阻增大。 光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。通 常光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能，如图4.2。光敏电阻有多种型号，光照时的等效电阻差异很大，中山市高级技工学校电子实验室有多种 光敏电阻，表4.1是3种光敏电阻在光照（亮电阻）和无光照（暗电阻）情况下的实测等效电 阻。表 4.1有光照无光照13.5 K -3.8K20 K21.5K28 K/ 12K85 K /90K365 K -95K650 K 750K3.单向可控硅BT169单向可控硅BT169是小功率器件，其性能优越，各管脚分布和主要的电气参数如图4.3。 主要用途：电动机控制器、漏电保护器、电子点火器等。主要特点：击穿电压高（600V）、输出电流大（1A）。封装形式：TO-92参数名称符号额定值单断态重复峰值电压Vnh600V反向重复峰值电压Vrem600V通态平均电流It1A通态不重复浪涌电流Itsm10A最高结温Tjm110r贮存温度Tstg一 55 150b）BT169 电气参数 图 4.3 BT169 引脚及电气参数1|anode阳极2gate门极33cathode阴极a)BT169 引脚4. 驻极体话筒驻极体话筒的特点是体积小、灵敏度高、结构简单、电声性能好、价格低廉，应用非常广泛。 手机的受话器几乎都是采用驻极体话筒。驻极体话筒的内部结构如图4.4所示，内部由声电转换系统和场效应管两部分组成。接法1接法2图 4.4 话筒的内部结构电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。当采用源极输出时器件有三根引出线，漏极D接 电源正极，源极S经电阻接地，再经电容作信号输出（接法1）；当采用漏极输出时，器件有两 根引出线，漏极D经电阻接至电源正极，再经电容作信号输出，源极S直接接地（接法2）。所 以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。四、工作原理 1电源变换电路JP1是接市电插头，市电经二极管D2半波整流、电阻R2限流和电容C1滤波，作为CD4011 的工作电源Vcc。R2的作用是通过限流而降低工作电源Vcc的电压，以满足CD4011的安全 工作需要（实际测量Vcc大约5.5V 6.5V之间）。注：电胳中的“地”只是参考电平，并丕是真正的“地”对人体而言是危险电压。高压二极管D3D6组成桥式整流电路，灯泡DS1是在路负载。JP1接交流电压，电流方 向要么为f DS1-D6-Q1-D5-，要么为一D6-Q1-D4-DS1-。即流过灯泡DS1的是交流电流，流过单向可控硅Q1的是脉动直流电流，如果采用双向可控硅高压二极管 D3D6完全可以去掉，如图4.5。图 4.5 双向可控硅控制电路 2触发控制电路触发控制电路由R7、CD4011的A单元组成，控制逻辑如表4.2。表4.2CD4011的端为高电平Q1触发、正向导通CD4011的端为低电平Q1不能触发、正向阻断那么端何时为高电平呢？答：只要CD4011的A单元输入（或）中有一个为低电平！首先，CD4011的和直通，而是B单元的输出。正常情况下（静态）电解电容C4 开路，、端通过R8接地，因此端为高电平。其次，CD4011的端连接的电路很复杂，它既可以为高电平也可以为低电平，下面接着 探讨3光敏控制电路光敏电阻Rg的等效电阻随光照而变化，R3和Rg分压值也随之改变，从而影响D单元的 输出状态，而光敏电阻又有多种型号，它们的剌暗电阻有多种档次，如表4.4。因此，R3必须 和光敏电阻配合选用，不同的光敏电阻就要匹配不同的上拉电阻。表4.3有光照无光照R3匹配阻值范围13.5 3.8K20-21.5K8 12K28 12K85-90K33 47K365 95K650750K200470K当选择第二类光敏电阻时，在有/无光照射的情况下，R3与光敏电阻串联分压，等效电路如 图4.6和图4.7。图 4.6 有光照射等效电路图1）、有光照射光敏电阻如图4.6,有光照射到光敏电阻时，D单元状态如表4.5 （第一行）。表4.5有光照射D单元两输入为逻辑0D单元输出为逻辑1D1导通端逻辑为1无光照射D单元两输入为逻辑1D单元输出为逻辑0D1截止端逻辑为0此时无论端的状态如何都不会影响端电压，这是因为D1的钳位作用使端电压置于高 电位。也就是说CD4100的D单元锁定其输出为高电平、继而钳位位端于高电平的优先级最结合上面已经分析出端为高电平，于是端为低电平，单向可控硅因没有控制信号而不能 导通。（2）、无光照射光敏电阻如图4.7,无光照射（光敏电阻）时，D单元状态如表4.5（第二行），此时D1反向截止, 端电压将由 C 单元输出状态决定4音频放大电路在分析音频放大电路时假定光敏电阻Rg无光照射，即D单元输出为低电平，D1反向截止, 对端无控制作用。参考电路原理图，R1为驻极体话筒提供工作电压（驻极体话筒工作的必要条件，动圈式话 筒工作丕需要偏置电压），声音震动引起电压波动、经C2耦合输入到C单元。R2跨接于反C 单元两端，此时C单元的作用类似于运算放大器，端输出放大电压信号一一数字电路模拟（线性）使用，如图4.8。N Pos: O.OOOsI I IJ I I I I I I 11 I III I 1+ I IICH1 2.0( V CH22.OCVM 2.50ms 18-Mar-D3 17:48图4.9 CHI、CH2分别是、端1J-Mcir-03 K:51带宽限制2O0MHZ带宽限制 20DMHZ=择头1CWVoltage反相图4.8 CHI、CH2分别是、端如果突然拍手，经C单元电压放大、输出振幅很大的信号拉低端电压（实际上是某一个幅度较大的波谷拉低端电压）、经R4传导到端，即端突变为低电平，于是端由“0”变为“ 1”触发Q1导通、DS1点亮，突发状态波形如图4.9。 5延时关断电路紧接上面的描述，当端由0-1时，端由0-1 （电容两端电压不能突变）。但是， 端高电平不能持续维持，随着电容C4充电的不断进行，端电压会逐渐下降，直到端1-0, 端由10,如图4.10。231DR6ClR5AQ1R4GCKR7R313U1AD12U1DC4JP1B6Rg4U1BjR8A>3I1 2-D21N4007T1N40071Vyc -I DS1LAMPQ51N40071 rT1N4007DH1N400747K100uF100KTC401147Ki13BT16 94.7K1M1N414868K22uFTC4011TC4011HEF4011:R2 = 100KR6 = 20K 1/2W用47K,VCC偏低(4.2V)电路全图五、元器件的作用和故障分析1C3 的作用由于C单元电压放大倍数很大、很容易形成自激，因此输出端并连电容C3滤除高频信号 防止自激。2如图4.11是C3开路时C单元输入/输出波形（时基挡为1OOns,显示的是高频信号）。CH2耦合M 100ns.±a TrigdM Pos: 0.000s探头10XVoltage反相带宽限制31-Mar-09 07:8CH1 f -3.00mV图4.11 CHI、CH2是、端1*回 AutoM Pos: 0.000s探头10X 讥|咖已反相CH1 1IF ftrai31-Mar-09 09:16CH2 2.00V M 1.00msCH1 I -3.00mV图4.12 CH1、CH2是、端声控失效电路板声控失效具体表现为“无论声音多大，灯都不能点亮”，这种故障的原因一般有以下 几种情况：（1）、电阻R1虚焊；（2）、驻极体话筒插反；（3）、电阻R4误焊成82K。前两种故障比较容易理解，也比较容易解决，为什么第三种情况也不行呢？吹口哨时测量端、端波形如图4.12。声音电压信号已足够大，上下都达到削顶的程度, 即使这样也不能引起A单元翻转，这说明端波谷位置的电压（大约2.4V）高于“与非门”的 翻转阀值，因此才造成如此尴尬的情形。解决方案：减小R4降低端静态电压，把82K改成68K。3.光控失效有光照射到光敏电阻Rg的情况下有声音响时灯就会亮。根据前面的分析：当有光照射到光敏电阻时，D单元锁定（11）端为高电平、继而钳位端电 压于高电平，此时无论端的状态如何都不会影响端电压，因此灯是不会亮的。Tek Jk Trig'dM Pos: 200.0jus图 4.13 CH1、CH2 是、（端那么部分同学的电路板为什么会出现这种故障呢？实测发现这种故障的板D单元输出波形 不是稳定的高电平，而是周期不定的脉冲。于是我们想象：当端为低电平时，一旦有声响端 电压就会拉低，促使A单元翻转，如图4.13,在端为低电平时声响放大后