电子线路设计可控路灯电路 指导老师 张丹 电子线路课程设计 题目 专业班级 学生姓名 指导教师 路灯控制器设计 09 物电电信一班 徐旷怡 陈梦达 周吉 张丹 一二年 二 O 一二年 十一 月 1 09 物电 1 班 徐旷怡 陈梦达 周吉 电子线路设计可控路灯电路 指导老师 张丹 路灯控制器的设计 设计说明: 安装在公共场所或道路两旁的路灯, 通常是随环境的亮和暗而自动的关断和 开启或者自身亮度,同时可以对消耗的电功率进行测量。实验时用 1W 白光 LED (3.3V@300mA) 代替路灯,用调光台灯替代环境光线变化。 (LED 采用恒流供 电,电流变化可以与 LED 亮度的变化约为线性变化。 ) 设计要求: 基本部分 1、自制电路供电的稳压电源; 2、LED 采用恒流供电。 3、该控制器具有环境亮度检测和控制功能,当处于暗(亮)环境下能够自 动开(关)灯,为了演示方便,在现场演示时,当调光台灯(模拟自然 光)较暗(较亮)时相当于暗环境(亮环境) ,此时另一个白光 LED(模 拟路灯)将被点亮(熄灭) ,以此实现光控功能。 发挥部分 1、设计一个环境光线检测器,其输出电压能随光线近线性变化; 2、受控的 LED 灯能随环境光线的明暗变化调整亮度,使在 LED 灯光照射范 围内的光照强度保持恒定。 一、设计方案 为了实现 LED 灯随环境光线的明暗变化调节亮度,我们使用了光敏三级管 3DU33 和运算放大器构成的基本电路。 通过光敏三级管得感光特性控制第一级运 算放大器的输入电压,然后通过反馈来调节 LED 灯的明暗变化。实现该电路的电 路原理图如下: 图1 2 09 物电 1 班 徐旷怡 陈梦达 周吉 电子线路设计可控路灯电路 指导老师 张丹 二、原件清单 三、电路原理 我们设计的电路原理图可以分为三个组成部分:电压控制电路,运算放大 器比较电路和电流负反馈电路。 1、运算放大器比较电路 如图 2,电压控制电路是根据 3DU33 的感光特性来控制支路电压值得变 3 09 物电 1 班 徐旷怡 陈梦达 周吉 电子线路设计可控路灯电路 指导老师 张丹 化。当有光照(1000lx)的情况下流过光敏三极管的光电流有 10mA,这时电 阻 R1(1k)就会分得大部分电压,于是支路的电压就很小甚至为零;反过来,当 环境光线不充足时,流过光敏三极管的暗电流只有几十微安,这时电阻 R1 分 压就会降低,支路就会获得更大的电压。通过光敏三极管的特性进行线性分 压,从而能很好的控制运算放大器输入电压的变化来调节 LED 灯。 图2 R1 阻值计算:要想 LED 能随外界光照强度发生比较明显的变化,也就是光敏 三极管的感光电流发生是那个变化时,R1 上的电压能有比较明显的变化。根据 3DU33 的电流特性可知,其光电流大概是 10mA,此时要想使 R1 上分得所有的 电压, R1 阻值与光电流应为电源电压, 则 由此可算出 R1 的阻值在 800 欧姆左右。 2、运算放大器比较电路 如图 3,根据运算放大器两个输入端(N、P)虚断虚短的特性来控制输出 端电压的范围。N 端的电压值是外加的可变电压,这个设定电压和 P 端电 压进行比较来调节使得运算放大器处于动态平衡状态。在这个实验中,我 们多次的调节滑动变阻器 R4 来改变 N 端电压, 最终使得 N 端电压为 3—5V 时,LED 灯才会随着光照强度有明显的变化。 4 09 物电 1 班 徐旷怡 陈梦达 周吉 电子线路设计可控路灯电路 指导老师 张丹 运算放大电路的工作原理:当外界光变强时,运算放大器 P 端电压会变小, 从而使输出端的电压变小,LED 灯变暗。随着 LED 的变暗,P 端电压增大,但是 N 端电压不变,输出电压变小,使 P 端电压变小,从而最终达到平衡,由于调节 过程很快,所以人眼分辨不出来,看到的 LED 光是稳定的。 图3 3、电流负反馈电路 如图 4,该电路是运算放大器 LM358、三极管 Q2 和电阻 R5 组成的电 流负反馈电路。这是路灯控制电路很重要的一个组成部分,它的反馈调节 的灵敏程度直接反映出 LED 灯对环境光线的自动调节能力。这个电路还设 置有个保护电路,稳压管 D2 的稳压值是 6V,当运算放大器 AR2 输出高于 6V 电压时稳压管起到保护电路的作用。而在电路中,三极管的作用是不可 以忽视的。LED 灯的额定电流是 300mA,运算放大器输出电流是达不到这 个要求的,这时三极管就起到放大电流的作用,基极的电流经过放大后可 以满足 LED 灯对电流的要求。 5 09 物电 1 班 徐旷怡 陈梦达 周吉 电子线路设计可控路灯电路 指导老师 张丹 图4 四、电路电阻值估算及调试 电路在最初设计时电阻用的是滑动变阻器,这样便于调试。主要是 R1 和 R5 的估算。我们提供的输入电压和 LED 灯的电压都是 6v。那么要使 LED 灯能达到 额定工作状态,R5=8V/0.3A=30Ω。对于 R1 的估算就必须根据光敏三极管的电流 变化范围。因为光敏三极管在光照的情况下电流达到 10mA,这时要是电阻 R1 分压基本上达到提供的电源电压,于是可以求出 R1=8V/0.01A=800Ω。 电阻值估算完了,就可以进行焊接了。焊接完成之后就是电路性能的测试和 调试了。我们在电路的测试和调试中用了大量的时间,这也是模拟电路设计中最 重要的一个环节了。最初调试的时候我们没有太在意比较电压,直接给了比较电 压一个很高的电压 6V,这时整个电路知识起到一个开关控制的作用,不管怎么 调节 R1 和 R5 都实现不了设计的电路功能。 之后就没有在进行调节了, 转过来分 析电路原理,思考是不是哪个部分设计出现了问题还是电路没有焊接好。在经过 6 09 物电 1 班 徐旷怡 陈梦达 周吉 电子线路设计可控路灯电路 指导老师 张丹 了仔细的测量阻值和电压电流,我们排除了电路没有焊接好的原因。在分析电路 的功能时, 我们意识到比较电路的电压是一个调节的电压, 于是我们又进行测试, 这次将比较电压降低了,4V 左右。根据估算的电阻值,我们把滑动变阻的阻值 调到电阻值附近,这次测试电路达到了预期的 LED 灯随环境光变化的功能。 五、焊接调试过程中遇到的问题、错误及改进方法 1、开始焊接的时候,觉得焊接部分比较简单,就没有认真去对待,导致运算放 大器的很多引脚都接错,还有的线也没有连,这样如果直接接电源调试的话很容 易烧坏元器件破坏电路。所以以后要认真对待焊接这一部分,这一部分的好坏也 直接影响了后面的调试部分。 2、R1 阻值选取错误:刚开始没有经过严密的计算就根据直观感觉选了 R1 的阻 值,结果过大,当外界光照强度发生变化的时候,R1 上的电压变化很小,导致 LED 亮度不随外界光照强度发生变化而且一直很亮。后来根据计算选取 R1 的阻 值之后,电路的整体效果就得到饿了很大的改善。 3、AR1 的 N 端外加电压值选取错误:调试时发现 LED 灯亮度随外界光照强度的 变化不是那么明显,基本是只是开关左右。于是检查电路是发现,AR1 的 N 端外 加的定值电压为 2 伏,太小了,这样使 LED 灯一直比较亮,而当外界光照强到一 定程度时,LED 突然变暗,基本上看不到线性变化。当我们把 N 端电压提高到 3~5V 时就较好地改善了这个问题。 4、开始我们给两个运算放大器的供电是 5V,但是在这种情况下,Q2 始终是截 止的,LED 没有电流流过,一直是暗的。后来通过老师的指导后,知道是运算放 大器的供电电压太小,使输出电压太小,不足以是三极管导通。当我们把运算放 大器的电压提高到 8V 时,就解决了这个问题。 六、课程设计体会 通过这次的模拟电子线路的课程设计,我们不仅加深了对模拟电路的理解, 分析电路调试电路的能力也得到了提高, 更明白了团队协作对于电子线路设计的 重要性。恩,虽然我们的课程设计比较简单,可我们没有马虎对待,从电路原理 图绘制到电路板的焊接再到电路的调试,都是很认真的完成。 以后的学习,我们会更加努力。不会因为简单而敷衍,从简单的做起,学 习课程的思想,逐步加深理解,才能更好的掌握复杂的技术和知识! 7 09 物电 1 班 徐旷怡 陈梦达 周吉