项目四 CD4011声光控开关(葛中海)

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D2～D6、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．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

1．CD4011 

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．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）情况下的实测等效电阻。

                    表4.1

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的作用是通过限流而降低工作电源的电压，以满足CD4011的安全工作需要（实际测量大约之间）。

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。

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，电流方向要么为①→DS1→D6→Q1→D5→②，要么为②→D6→Q1→D4→DS1→①。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D3～D6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单元组成，控制逻辑如表4.2。

表4.2

答：只要CD4011的单元输入（①或②）中有一个为低电平！

首先，CD4011的②和④直通，而④是B单元的输出。正常情况下（静态）电解电容C4开路，⑤、⑥端通过R8接地，因此④端为高电平。

其次，CD4011的①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   

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

结合上面已经分析出②端为高电平，于是③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，①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Rg无光照射，即D单元输出为低电平，D1反向截止，对①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，⑩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⑩、①端               图4.9  CH1、CH2分别是③、①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⑩端电压（实际上是某一个幅度较大的波谷拉低⑩端电压）、经R4传导到①端，即①端突变为低电平，于是③端由 “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③端由 0→1时，⑤端由0→1 （电容两端电压不能突变）。但是，⑤端高电平不能持续维持，随着电容C4充电的不断进行，⑤端电压会逐渐下降，直到⑤端1→0，③端由 1→0，如图4.10。

图4.10  CH1、CH2是③、⑤端

电路全图

五、元器件的作用和故障分析

1．C3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，显示的是高频信号）。

图4.11   CH1、CH2是⑧、⑩端             图4.12   CH1、CH2是①、⑩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。

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①端、⑩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①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①端静态电压，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⑾端为高电平、继而钳位①端电压于高电平，此时无论⑩端的状态如何都不会影响①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⑩端为低电平时，一旦有声响①端电压就会拉低，促使A单元翻转，如图4.13，在⑩端为低电平时声响放大后作用于A单元翻转、③端输出高电平。

  图4.13   CH1、CH2是③、⑾端

我们疑问：有光照射到光敏电阻时⑿端电压较低、视为逻辑“0”，⑾端输出逻辑“1”，即⑾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，⑩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，⑩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③端和⑩端电压波形。

图4.14  CH1、CH2是③、⑩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⑩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，②端恢复为“1”，若此时①端恰巧也为“1”，则③端输出“0”——灯亮了一段时间熄灭！紧接又在随后的①端为 “0”时再次触发导通——灯亮了一段时间熄灭，然后又亮起来！

为什么同样的参数，有的电路板不会出现这种故障而有的会呢？原来出现这种故障现象的电路板上装的集成电路是HEF4011——令人意想不到集成电路还有此种差别。

说明：若采用HEF4011，供电电阻R6要减小到20K且功率为1/2W，否则VCC只有约3.6V——这表明HEF4011耗电电流比CD4011大。