用光敏二極管和微型話筒制作樓道燈的聲光控開關(guān)

劉立財(cái)

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》選修模塊選修3－1的教學(xué)活動(dòng)建議中，要求“用光敏二極管和微型話筒制作樓道燈的光控-聲控開關(guān)”，如何指導(dǎo)學(xué)生完成這一活動(dòng)，筆者作了初步的嘗試，并取得了較為滿意的效果。

1 實(shí)驗(yàn)原理

樓道燈要求在夜晚有聲響時(shí)燈亮，燈亮一段時(shí)間后自動(dòng)熄滅，而在白天，無論多大的聲響燈也不亮。光控可通過光敏二極管或光敏電阻等對(duì)光敏感元件實(shí)現(xiàn)，聲控可利用微型話筒把聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)聲音對(duì)燈的控制。光控與聲控形成“與”邏輯關(guān)系，因此光控開關(guān)與聲控開關(guān)應(yīng)與被控制的樓道燈串聯(lián)。除此之外，電路還應(yīng)該有延時(shí)的功能。

原理是簡(jiǎn)單的，但如何用發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)光控、如何用微型話筒實(shí)現(xiàn)聲控以及延時(shí)的功能呢？在教材中只介紹過一些常用的電學(xué)元件，如二極管的單向?qū)щ娦浴⒐饷舳O管的電阻隨光照強(qiáng)度的增大而減小，電容器的充放電等，沒有現(xiàn)成的光控、聲控與延時(shí)的資料。我們能過網(wǎng)絡(luò)資料的查找，發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這些功能的電路無外乎兩種，一是利用分立元件，二是利用集成電路。用集成電路來制作所需材料少，但不利于從原理上把握；用分立元件需要的元件相對(duì)來說要多一些，但有利于從原理上把所握，有利于通過實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)一步熟悉二極管、電容等的特性。

我們從市場(chǎng)上買來多種聲光控開關(guān)，拆開內(nèi)部的電路板，根據(jù)實(shí)物圖繪制成電路簡(jiǎn)圖。結(jié)合已學(xué)過的知識(shí)和網(wǎng)絡(luò)資料來分析它們的原理，并加以整合，最終確定用較為簡(jiǎn)單的便于調(diào)節(jié)的分立元件電路來實(shí)現(xiàn)聲光控功能。實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。

2 電源部分

在圖1中的右側(cè)，照明電壓220V經(jīng)由四個(gè)二極管D2－D5組成的橋式整流電路后，再經(jīng)過電阻R8和電容C3濾波，給電路提供12V左右的直流工作電壓。

圖1中PCR為單向可控硅，也就是人們常說的普通晶閘管。它的結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)如圖2所示?？煽毓栌袃煞N狀態(tài)導(dǎo)通與截止。導(dǎo)通必須具備兩個(gè)條件：①可控硅陽極A與陰極G間加正向電壓；②控制極G加正向觸發(fā)電流?？煽毓枰坏?dǎo)通后，即使降低控制極電壓或去掉控制極電壓，可控硅仍然導(dǎo)通。所以晶閘管有“一觸即發(fā)”的特點(diǎn)。當(dāng)可控硅的陽極與陰極間電壓消失時(shí)，退出導(dǎo)通。

本實(shí)驗(yàn)中，可控硅兩端所加電壓是經(jīng)過全波整流后的交流電壓，電壓的峰值在不停的變化，當(dāng)控制極無觸發(fā)電壓且陽極A與陰極G之間電壓瞬時(shí)值為零時(shí)，可控硅將退出導(dǎo)通，燈泡熄滅。

當(dāng)可控硅導(dǎo)通時(shí)，用多用電表電壓檔測(cè)得E、F兩點(diǎn)間的電壓約為0.5V，E、F兩點(diǎn)相當(dāng)于導(dǎo)線直接相連，此時(shí)電源部分的電路等效圖如圖3所示，因?yàn)槎O管的單向?qū)щ娦?，兩個(gè)二極管并聯(lián)，對(duì)交流220V幾乎沒有阻礙，因此此時(shí)燈泡可正常發(fā)光。

3 光控部分

白天有光線照射在光敏二極管時(shí)，二極管電阻較小，R7兩端的電壓較大，A點(diǎn)電位較大，三極管Q1導(dǎo)通，使得B點(diǎn)與地短接，此時(shí)即使環(huán)境有聲響，話筒產(chǎn)生的信號(hào)被短接，無法輸入到下一級(jí)。而當(dāng)夜晚光線弱時(shí)，光敏二極管電阻變大，A點(diǎn)電位變小，三極管不再飽和導(dǎo)通，B點(diǎn)對(duì)地不再短接。此時(shí)，環(huán)境中的聲音經(jīng)微型話筒產(chǎn)生的信號(hào)可輸入到下一級(jí)。

實(shí)驗(yàn)中，可把電阻器R₁換成一個(gè)470KΩ電位器，調(diào)節(jié)該電位器可改變對(duì)光的敏感程度。若想在光線較暗時(shí)燈才亮，可把電位器阻值調(diào)小。還可以在A點(diǎn)與Q1之間串聯(lián)一開關(guān)，斷開開關(guān)，光控作用不起作用，即使在強(qiáng)光下，只要有聲響燈變亮。

本實(shí)驗(yàn)中光敏二極管采用2CU1B，它的最高工作電壓可達(dá)30V，萬用表R×1k電阻檔檢測(cè)，有光照射在光敏二極管時(shí),它和普通的二極管一樣具有單向?qū)щ娮饔?。正向電阻?-9kΩ,反向電阻大于5MΩ。檢測(cè)時(shí)用手擋住光線，可看到電阻明顯變化。光敏二極管也可以用光敏電阻來代替。

4 聲控部分

微型話筒MIC的基本結(jié)構(gòu)由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個(gè)上面有若干小孔的金屬電極（背稱為背電極）構(gòu)成。駐極體面與背電極相對(duì)，中間有一個(gè)極小的空氣隙，形成一個(gè)以空氣隙和駐極體作絕緣介質(zhì)，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。由于駐極體薄膜上分布有自由電荷。當(dāng)聲波引起駐極體薄膜振動(dòng)而產(chǎn)生位移時(shí)；改變了電容兩極版之間的距離，從而引起電容的容量發(fā)生變化，由于駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定，根據(jù)公式Q=CU，所以當(dāng)C變化時(shí)必然引起電容器兩端電壓U的變化，從而輸出電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲電之間的變換。

值得注意的是，微型話筒接入電路中時(shí)要區(qū)分極性，負(fù)極接地。

白天或夜晚無聲響時(shí)，Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，整流后的直流電源對(duì)C3和C4充電。Q3工作于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，D點(diǎn)電勢(shì)低，可控硅因無觸發(fā)電壓而截止，燈不亮。

當(dāng)夜晚樓道里有人走動(dòng)或有人談話時(shí)，腳步聲或談話聲將被話筒MIC拾取，并被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)電容器C2耦合到三極管Q2的基極，使Q2飽和導(dǎo)通，電容器C4兩端的電壓通過Q2加到Q3的基射極之間，使基射極因反向電壓而截止，D點(diǎn)電位變高，使可控硅獲得觸發(fā)電壓而導(dǎo)通，此時(shí)燈亮。導(dǎo)通后C4所充電荷通過三極管Q2和Q3放電，隨著放電的進(jìn)行，電容C4兩端電壓也越來越小，當(dāng)可控硅失去觸發(fā)電壓而又處于正向電壓瞬時(shí)電壓為零時(shí)，退出導(dǎo)通狀態(tài)而燈熄。

可見，電容器C4容量的大小對(duì)延時(shí)的時(shí)間起決定作用。C4的電容值越大，延時(shí)的時(shí)間越長(zhǎng)。

5 元器件規(guī)格

本實(shí)驗(yàn)中選用的普通白熾燈功率不大于100W，對(duì)于電阻的要求不高，普通電阻就可以符合要求，具體阻值參照電路圖所標(biāo)數(shù)值。

整流用二極管D2-D5可采用IN4007，可控硅采用PCR 606J型，三極管Q1和Q2可采用S9014C128型，三極管Q3采用C945P331型，這些都是常見電子元件，可以在市場(chǎng)上買到，各管腳位置如圖5所示。在安裝之前，應(yīng)用萬用表認(rèn)真檢測(cè)各元件是否正常，重點(diǎn)檢測(cè)二極管的單向?qū)щ娦?，光敏二極管的阻值是否隨光照強(qiáng)度的增大而減少，話筒能否正常工作，三極管的管腳順序務(wù)必注意。

6 安裝與調(diào)試

為便于調(diào)試，我們把整個(gè)實(shí)驗(yàn)在插件式線路板上完成。

圖6中去掉“連線1”則沒有光控作用，調(diào)節(jié)電位器能改變燈泡開始亮的光線強(qiáng)度。改變“接線2”的位置，把電容器C4的容量改變，當(dāng)C4取22μF時(shí)，延時(shí)在40秒左右。若C4取10μF，則延時(shí)在25秒左右。

本實(shí)驗(yàn)中，一定要注意用電安全。在測(cè)量、組裝、調(diào)試時(shí)，務(wù)必不能給線路板通電，只有在組裝調(diào)試結(jié)束后才能通電試驗(yàn)。

筆者在指導(dǎo)學(xué)生完成制作的過程中深深地體會(huì)到，要把一個(gè)設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)，作為教師要具備多方面的能力，對(duì)于物理教師來說，動(dòng)手能力尤其重要。學(xué)生在活動(dòng)過程中也學(xué)習(xí)到了許多教材上學(xué)不到的知識(shí)與技能，通過動(dòng)手操作，學(xué)會(huì)了使用烙鐵的技能，對(duì)二極管的單向?qū)щ娦?，光敏二極管的特性，大容量電容的漏電與斷路的判斷等。

在物理教學(xué)中，如果我們能帶領(lǐng)學(xué)生完成設(shè)計(jì)控制類裝置的活動(dòng)，可以引發(fā)了學(xué)生極大的興致，對(duì)突破“簡(jiǎn)單的邏輯電路”、“傳感器”等新增內(nèi)容的教學(xué)難點(diǎn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦能力有很大幫助，一定能取得極佳的教學(xué)效果。

(欄目編輯王柏廬)