路灯开关模拟电路

八、路灯开关模拟电路

(一)实训

1.实训电路设计要求

设计一个路灯开关电路，可以实现如下功能：　有一集镇的街道路灯，以高压汞灯与钠灯隔盏交叉安排在街道两旁，为了节约用电，当行人稀少的后半夜，将钠灯关闭，仅保留汞灯。这就是说，傍晚全部灯亮，约六小时后(实验中可设定为6S)，隔盏关灯，第二天清早路灯全部关闭，傍晚又自动开启，后半夜隔盏关灯……如此往复。

2.实训目的

①了解集成电路CD4011、NE555的使用方法。

②通过实训能够熟练地掌握NE555的单稳态。

③能巧用CD4011、能结合实际电路运用稳压管

3.实训电路原理图

如图7－15所示。

图7－15　模拟路灯开关

4.实训知识储备

①NE555、CD4011集成电路知识。

②继电器、光敏电阻器的使用。

③稳压二极管运用。

5.实训工作原理

(1)元器件基本功能

交流电220V给变压器T1供电，其次级的输出交流电压约为12V，再经整流桥(D1～D4组成)，再经过滤波电容C3的滤波，最后经7812稳压后给电路提供12V的直流电压。R1和LED1组成12V输出指示器，RG为光敏电阻，作为亮度传感器，检测白天和黑夜，调节R2的阻值能改变RG的取样电压，四双输入与非门分别接成四反相器，9013推动电磁继电器K1，K1的常开触点接红色发光二极管(模拟高压汞灯)。由555电路组成单稳态触发器，定时时间长短由RP和C5定时元件决定，C4为触发信号的耦合电容，电磁继电器K2的常开触点接绿色二极管(模拟高压钠灯)，DZ的稳压管的稳压值约为3V，R4为DZ的降压限流电阻，C1、C7分别为电磁继电器K1、K2的保护电容。

(2)电路工作原理

①白天RG受光照(演示时可用手电光模拟白天光线)，阻值很小，V_RG电位很低，即CD4011的1、2脚为低电平，3脚为高电平，4脚为低电平，10脚为高电平。因此11脚为低电平，三极管9013截止，继电器K1的线圈无电流流过，常开触点处于断开状态，红色发光二极管没有电流通过处于关闭状态。10脚突变为高电平的同时，有一正脉冲输入555时基集成电路的2脚，3脚则输出低电平，K2处于释放状态，红色发光二极管没有电源电压也处于关状态。

②晚上天色渐暗(用黑胶布遮住RG表面模拟)，RG阻值变大，V_RG电位升高。CD4011的1、2脚为高电平，3脚低高电平，4脚为高电平，10脚为低电平。因此11脚为高电平，三极管9013导通，继电器K1的线圈有电流流过，吸合，常开触点闭合，绿色发光二极管亮。10脚突变为低电平的同时，有一负脉冲输入NE555时基集成电路的2脚，3脚则输出高电平，K2得电吸合状态，红色发光二极管电源接通，开始工作。

③后半夜：　当NE555的2脚获得负脉冲，红色发光二极管开始发光。同时，NE555的6、7脚上连接的充电电容C5开始充电，约为6s(模拟6小时)V_C5的充电电压大于2/ 3VDD，则NE555三脚变为低电平，K2线圈失电，其常开触点断开使绿色发光二极管失电灭(这就是模拟后半夜隔盏关灯)。

④早晨：　白天的亮度使得光敏电阻的阻值变小(揭开黑胶布模拟)，VRG变为低电平使三极管9013截止，红色发光二极管失电不亮。与此同时NE555脚获得正脉冲，其3脚依然维持低电平，K2继续失电，处于释放状态，绿色发光二极管依然处于熄灭状态，即所有灯在白天都是灭的。

6.实训中出现的问题及问题解决方框图

(1)电路工作方框图

图7－16　路灯开关模拟电路图

(2)实训中出现的问题及解决方法

①如果作品完成后上电，LED1发光二极管不发光，请问怎么去分析解决？A.查变压器有没有交流12V的电压＞＞有。B.查U1(7812)的3脚有没有12V的直流输出＞＞有。C.查LED1有无安装正确＞＞正确＞＞成功。

②如果作品完成后上电，发现RG不起作用，请问怎么分析去解决？A.查U2A的1和2脚有没有和RG相连接＞＞有。B.在背光条件下，测U2A的1和2脚的有没有高电平＞＞没有。C.调节R2使得U2A的1和2脚的有高电平＞＞有＞＞成功。

③如果作品完成后上电，给RG遮住，发现只有红色发光管点亮，请问怎么分析去解决？A.先断开C4，给U3的2脚接一下负极，看看有没有亮绿灯＞＞没有。B.在上面的过程中，用万用表查U3的3脚有没有高电平＞＞有。C.查K2有没有连接正确＞＞有。D.将C4连接上＞＞成功。

④如果作品完成后上电，给RG遮住，红色发光管点亮，6S后，绿色发光管不发光，RG见光后，绿色灯发光，6S后熄灭。请问怎么分析去解决？A.从上分析，触发刚好反过来＞＞。B.将C4连接到U2C的输出端＞＞成功。

(二)元器件的选择

1.元器件清单

表7－9　路灯开关模拟电路元器件清单表

续表：

2.元器件选择注意

①控制继电器K1，使用功率三极管9013，不用9014。

②U2选用四双输入与非门CD4011或非门CD4069集成电路。

③DZ选择HZD5224B，最大稳压值2.94V，最小稳压值2.66V，正常值2.8V，稳压电流20mA，最大电流162mA。

R4的范围值为：　

其中V_max和V_min：　表示R4输入的最大和最小电压。

V_a：　表示经过稳压二极管稳压后的电压。

Io_min和Io_max：　表示发光二极管所需要的最小和最大电流。

Io_min和Io_max：　表示稳压二极管能通过的最大和最小电流。

假设二极管工作时的电流为10mA，由电路图和具体参数可知：　

12－2.8≥R4≥12－2.8

0+0.162 0.2+0.02

综上所述得：　57＞R4＞42，本实验取R4为51。

功率P=UI=U₂/R可确定R4电阻应选2W功率大小，则R4为：　51Ω/2W。

(三)知识升华

CD4011可不可以用LM324代替？请画出电路图。