项目四 cd4011声光控开关(葛中海)

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1、1项目四项目四 CD4011 声声光光控控开开关关 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、Q1、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

2、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 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） 。图 4.1 CD4011 内部框图 图 4.2 光敏电阻 2

3、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

4、电阻。表 4.1 有光照无光照 13.5 K 3.8K20 K 21.5K 28 K 12K85 K 90K2365 K 95K650 K 750K 3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 a）BT169 引脚 b）BT169 电气参数 图 4.3 BT169 引脚及电气参数 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

5、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。 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 接电源正极，源极经电阻接地，再经电容作信号输出（接法 1）；当采用漏极输出时，器DS 件有两根引出线，漏极经电阻接至电源正极，再经电容作信号输出，源极直接接地（接法DS 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。 图 4.4 话筒的内部结构 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。R2 的作

6、用是通过限流而降低工作电源的电压，以满足VccVcc CD4011 的安全工作需要（实际测量大约之间） 。VccVV5 . 65 . 5注：电路中的“地”只是参考电平，并不是真正的“地” ，对人体而言是危险电压。3高压二极管组成桥式整流电路，灯泡 DS1 是在路负载。JP1 接交流电压，电流63DD 方向要么为DS1D6Q1D5，要么为D6Q1D4DS1。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

7、组成，控制逻辑如表 4.2。 表 4.2 CD4011 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 的单元输入（或）中有一个为低电平！A 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

8、的亮/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 13.53.8K20-21.5K812K 2812K85-90K3347K 36595K650750K200470K 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。4图 4.6 有光照射等效电路图 图 4.7 无光照射等效电路图 （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

9、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 级最高！ 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

10、 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，动圈式驻极体话筒工作的必要条件，动圈式 话筒工作不需要偏置电压话筒工作不需要偏置电压），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数字电路模拟 （线性）使用，如图 4.8。图 4.8 CH1、CH2 分别是、端 图 4.9 CH1、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

11、拉低端电压）、经 R4 传导到端，即端突变为低电平，于是端由 5“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 01 时，端由 01 （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 10，端由 10，如图 4.10。图 4.10 CH1、CH2 是、端61234ABCD4321DCBA8910U1CTC4011123U1ATC4011121311U1DTC401156 4U1BTC4011R1 10KR3 47KR2 1MR4 68KR5 100KR6 47K

12、R8 1MR7 4.7KQ1 BT169D2 1N4007D3 1N4007D4 1N4007D5 1N4007D6 1N4007DS1 LAMPBM1RgC1 100uFC3 103C2 103D1 1N4148C4 22uFAKG1 2JP1VccHEF4011: R2 = 100K R6 = 20K 1/2W 低47K,V CC低低(4.2V )电路全图77五、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。 如图 4.11 是 C3 开路时 C 单元输入/输出波形（时基挡为 100ns，显示的是

13、高频信号） 。图 4.11 CH1、CH2 是、端 图 4.12 CH1、CH2 是、端 2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） 、电阻虚焊；（2） 、驻极体话筒插反；（3） 、电阻 R4 误焊成 82K。1R 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

14、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。 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作用于 A 单 元翻转、端输出高电平。图 4.13 CH1、CH2 是、端88我们疑问：有光照射到光敏电阻时

15、端电压较低、视为逻辑“0” ，端输出逻辑“1” ，即 端应该为稳定的高电平，为什么会出现“非高非低”的不稳定状态呢？ 深入查找发现出现此类故障的电路板，光敏电阻亮电阻约为 36K。于是，问题就比较清楚 了，因为 R3 才 47K，它与光敏电阻的亮电阻分压“非高非低” ，即 D 单元输入处于翻转阀门 的临界状态，所以它就会输出无规律的脉冲信号。 更为精细的实验测试发现，当手离开光敏电阻 20-30cm 遮挡照射光敏电阻的灯光时， 端脉冲的宽度也随之改变，遮挡愈多脉冲愈窄，反之亦反；若用强光照射光敏电阻，端将会 变为稳定的高电平。 解决方案：把 R3 更改为 100K，光控失效问题随之解决！ 4灯常亮 无光照射到光敏电阻的情况下，无论有没声音响灯都会亮。 仔细观察这种故障会发现灯亮了一段时间后会瞬间熄灭一下，然后又亮起来。在无声的情 况下，这种故障现象会周期性出现，如图 4.14 是端和端电压波形。图 4.14 CH1、CH2 是、端 根据故障现象和波形图我们能推演如下：由于在无声的情况下端输出规则的方波信号， 说明音频电压放大的倍数很大，这个信号会很容易的引起 A 单元触发，并使 B 单元翻转使 A 单 元自锁。一段时间后自锁解除，