光控自充电节能灯(年赛题)

1．题意

众所周知，白炽灯是爱迪生的重要发明，这一发明使人类的夜晚从此告别了黑暗，迎来了光明。但白炽灯太耗电了，占据照明灯主要市场的白炽灯由节能型的光源灯取代，是无可争辩的事实。于是节能、环保且寿命长的LED灯应运而生，其应用、发展势头在近几年，一年比一年迅猛，北京奥运场馆大量采用LED灯就是一个很好的例子。现在要求参赛者在应用LED灯方面作个尝试，即请参赛学生在赛场提供的元器件中选用必需的器材，设计、制作一个LED楼道照明灯，要求是:

(1)基本部分

①LED楼道照明灯经蓄电池接220V/50Hz的交流电使用，白天不亮，夜晚受声音控制发光，发光时间约为10s。

②LED照明好，本应由4组并联、每组串联3个高亮度的发白光的二极管组成。限于赛场条件，仅用一组(即只串无并)3只白光发光管组成，必须安装在万能板上，并只能用晶闸管作开关。

③蓄电池与充电电源的处理。蓄电池标称电压为10V，由于要在短时间内表明电池电压的变化情况，要求采用自制“317”可调电源代替蓄电池(不提供蓄电池也不涉及制作充电电源)。

④指示灯说明

a．用绿色发光管代表“317”电源输出指示;

b．红色发光管亮表示电池充电;

c．电池电压高于12V时，蓝色发光管亮。

⑤要有防过充电、过放电保护电路。蓄电池电压UO正常为10V。为了延长充电电池的寿命，当电压低于8．5V时，停止对外供电并转为充电; 当电池电压高于12V时，停止充电并转为供电。

⑥该作品的工作过程。白天，蓄电池充电(红色发光管亮)，当蓄电池电压高于12V时，自动切断充电，红色发光管灭，并转至给LED照明灯及其控制电路供电状态，此时蓝色发光管亮。

晚上，蓄电池给LED灯及其控制电路供电(蓝色发光管亮)，当楼道有声音(如击掌)时， LED照明灯亮，灯亮时间约为10s，过后若楼道无声音，LED照明灯自动熄灭。

如果蓄电池电压低于8．5V，控制电路将会自动切断供电并接通充电电路进行充电(红色发光管亮表示)。

(2)发挥部分

本题要求分基本部分与发挥部分完成，基本部分要设计制作成实物，而发挥部分仅提供设计图，不制作。

①画图(不制作)——在赛题中未要求设计制作充电电源，是因为用“LM317”可调电源代替了蓄电池。现要求根据楼道LED灯的自身特点，另行选择赛场提供的器材，设计一个小电流充电电源，仅绘图表示。

②画图(不制作)——加在每只LED白色发光二极管的电压大于3．6V时，只要电压稍有增加，电流就会成倍增加，增大热效应，大大衰减发光亮度，甚至烧毁发光二极管。如能长期维持恒流供电，则很理想，亮度好，寿命长。你能设计一个这样的电路吗? 请在给你的器材中选用元件设计，仅画图示之。

2．参考电路

电路如图10－27所示。

延时电路由RP6、C5组成，D10是隔离二极管。当IC5C输出端为高电平时，能通过二极管D10很快向C5充电，充电时间常数T=RD×C5(RD为D10的正向导通电阻)较小，C5的电压很快充高到近似等于IC5C输出端电压，同时LED照明灯亮。随后C5充电停止并开始放电，由于D10反向电阻RD远大于RP6(阻值趋近于无穷)，也大于IC5D的输入阻抗，因此放电回路主要由C5和RP6组成，放电时间常数殴T=RP6×C5。因RP6可调，故放电时间也就是LED照明灯发光的延时时间可根据需要调整，本作品要求延时10s即是通过调RP6阻值获得，若调RP6达不到要求则必须加大C5的容量值。

3．电路工作原理

(1)电源部分

根据题意，用LM317为核心的可调式直流稳压电源代替蓄电池，其输出端用绿色发光二极管作指示。LM317电源输出电压能在6．0～15．0V范围内可调，确保实现UO＜8．5V时，“蓄电池”充电，而UO＞12V时停止充电。根据题意，该电源为本作品所有电路直接供电，即使是给集成运放LM358提供比较基准电压的集成稳压器件7806，其输入电压也必须取自LM317的输出电压Uout。

①晚上供电。电磁继电器平时处于常闭态。光敏三极管VT5控制蓄电池对外供电与接受充电的工作。晚上，光敏三极管VT5无自然光照射时，截止，其集电极为高电位，施密特触发器(CD40106)输出端为低电位，VD7不通，K不动作，维持原态(常闭)，“蓄电池”为楼道LED2及其控制电路供电。

②白天充电。白天，有自然光照射在VT5三极管上，便导通。使VT5集电极电位下降为低电位，触发器(CD40106)输出端为高电平，VT2饱和导通，K动作，其常闭点断开并接通充电电路，红色发光管LED3亮，故白天“电池”处于充电态，补充电池晚上为照明电路供电所降低的电压。

③电池的保护。题意指出，为了延长蓄电池的使用寿命，不应过放电，也不要过充电，应设置保护措施。通常蓄电池电压高于正常值20%时，应自动切断充电电路; 而蓄电池放电时，避免其电压低于正常值的25%，能自动转向充电。本作品设定电池平时为10V，当放电到输出电压UO≤8．5V时，电压比较电路(RP2、R3、R5、VD8与IC3B组成)的运放IC3B输出高电压，VT2饱和导通，K动作，断开供电改为充电状态(红色发光二极管亮); 当“电池”充电到UO≥12V时，电压比较电路(RP3、R4、R5、VD8与IC3A、IC4B组成)的运放IC3B输出高电平，IC4B输出低电平，VT2基极电位降低，使VT2截止，K失电，转回常闭态，断开充电，恢复供电。

(2)光一电控制部分

①光敏三极管VT5如上所述，它控制“电池”白天自行充电，晚上对LED灯及其控制电路供电。

②光敏电阻RG控制LED照明灯白天失电，晚上可得电RG与可调电阻RP5串接后并联在供电电池的正负两端。白天，RG与RP5分压后的电压给集成运放IC5C、IC5D提供的反相端电压远高于同相端电压。调整RP5阻值，可确保即使同相端有输入信号电压也不至于高于反相端电位，于是运放IC5D输出低电平，双向晶闸管VS不被触发而断开LED灯的供电电路，故照明灯白天不亮。晚上，正好相反，RG暗阻很大，RP5得到压降较小，IC5C、IC5D的反相端电位绝对值较小，只要IC5C、IC5D同相端有信号输入，IC5D就能输出高电平，触发双向晶闸管VS导通，LED照明灯打开供电通路而亮灯。

(3)声控电路

驻极体话筒BM通过偏置电阻R12接入电路，C4为信号耦合电容，VT3、VT4为直接耦合放大器。BM未接收声音时，VT3饱和，当BM接收到声音信号后，VT3集电极电位上升，VT4集电极电位下降，IC5B输出电位升高，导致IC5C、IC5D同相端电位高于反相端，使之均输出高电平，双向晶闸管VS触发导通，LED照明灯亮。但是尽管IC5C、IC5D反相端电平较低(因RG暗阻大)，但当驻极体没接收到声音时，运放IC5D输出仍为低电平，不足以触发多向晶闸管VS。可见，要LED照明灯亮，必须同时具备: 一是晚上、二是有声音传给驻极体话筒。

(4)延时电路

题意要求当LED照明灯发光后至少能延时10s，此后若楼道无声音发出，LED照明灯便自动熄灭，否则第二次声响后，楼道灯还须延长10s。

4．单元电路

(1)M317的稳压电源电路、声光控制电路、继电器驱动电路。

(2)窗口比较器电路、光耦合器电路。