第3章　自动控制与遥控电路

自动控制与遥控电路可细分为光控电路、声控电路、智能控制电路、红外遥控电路和无线电遥控电路等，给生产和生活带来极大便利。特别是晶闸管无触点功率开关的应用，不仅提高了控制速度和可靠性，而且彻底消除了机械触点产生电弧的隐患，增强了控制电路在易燃易爆环境中使用的安全性，拓展了智能电路的适用范围。

3.1　光控电路

光控电路的特点是根据环境光的变化进行自动控制，在照明控制、报警电路、电子玩具等领域得到广泛应用。

3.1.1　光控路灯控制器

光控路灯控制器能够实时检测环境光，并依据环境光的变化自动控制路灯的开启或关闭。光控路灯控制器电路如图3-1所示，包括主控电路、光控电路、电源电路等部分，图3-2所示为其原理方框图。

图3-1　光控路灯控制器电路图

图3-2　光控路灯控制器方框图

（1）光控原理

主控器件采用双向晶闸管VS，实现了无触点开关控制，体积小、寿命长、造价低、开关速度快。太阳能电池BP和晶体管VT等组成光控电路，控制双向晶闸管VS的导通与截止。

无光照时（夜晚），太阳能电池BP无输出电压，晶体管VT因无基极偏置电流而截止，+5V电压加至双向晶闸管VS控制极，使VS导通，照明灯EL点亮。

有光照时（白天），太阳能电池BP在光照下产生输出电压，使晶体管VT导通，将+5V电压旁路，双向晶闸管VS因失去控制极触发电压，在过零时截止，关闭照明灯EL。

（2）电源电路

电容器C₁、整流二极管VD₁和VD₂、稳压二极管VD₃等组成电容降压整流电源电路，为控制电路提供+5V电压。C₁（0.1μF）为降压电容器，在220V、50Hz电源下可提供约6.9mA电流。交流电正半周时，220V电源经C₁降压、VD₁整流、C₂滤波、VD₃稳压后，输出+5V直流电压。VD₂为续流二极管，在交流电负半周时为C₁提供充放电通道。R₁为C₁的泄放电阻。

太阳能电池也叫光电池，是一种能将光能直接转换成电能的半导体光电器件。利用太阳能电池获取电源具有无污染、无噪声、无需燃料、可靠性好、使用寿命长、应用灵活、维护方便等优点，正得到越来越广泛的应用。

1. 太阳能电池的种类

根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池、多元化合物太阳能电池、聚合物太阳能电池和纳米晶太阳能电池等4大类。目前应用广泛的是硅太阳能电池，也叫硅光电池。

硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池3种。单晶硅太阳能电池的光电转换效率可达15%～20%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，而且生产技术成熟，使用寿命长。但单晶硅太阳能电池制造成本大，价格高。

多晶硅太阳能电池的光电转换效率为10%～15%，低于单晶硅太阳能电池而高于非晶硅太阳能电池，由于其生产成本较低，价格比单晶硅太阳能电池便宜一些。多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短些。

非晶硅太阳能电池具有工艺简化、成本低廉等特点，有着极大的潜力。但非晶硅太阳能电池目前的光电转换效率偏低，一般不超过10％，且不够稳定，直接影响了它的实际应用，有待于进一步研发和改进。

2. 太阳能电池的符号

太阳能电池的文字符号为“BP”，图形符号如图3-3所示。

图3-3　太阳能电池的符号

3. 太阳能电池的参数

太阳能电池的主要参数是开路电压和短路电流。

① 开路电压U_OC是指在规定光照条件下，太阳能电池正、负极之间开路时所呈现的电压。开路电压等于P-N结两端在光照射下产生的电动势。一般单个硅太阳能电池的开路电压为0.5V左右。

② 短路电流I_SR是指在规定光照条件下，将太阳能电池正、负极之间短路时所流过的电流。短路电流的大小与入射光的强度和太阳能电池的受光面积成正比，通常为mA级。

4. 太阳能电池的工作原理

太阳能电池是基于半导体P-N结的光生伏打效应原理工作的。所谓光生伏打效应是指当物体受到光的照射时，物体的内部就会产生电动势的现象。太阳能电池实质上就是一个半导体P-N结，不过这个P-N结要比半导体二极管中的P-N结大许多。

当光照射到太阳能电池表面时，产生新的电子-空穴对，在P-N结电场的作用下，带正电的空穴流向P型半导体区域，带负电的电子流向N型半导体区域，如图3-4所示。

图3-4　太阳能电池原理（一）

这一作用的结果是，在P型半导体区域累积了大量带正电的空穴，使P区带正电；在N型半导体区域累积了大量带负电的电子，使N区带负电；在P区和N区之间就产生了电动势。当将P区和N区之间用外电路连接起来时，便有电流流过负载，如图3-5所示。

图3-5　太阳能电池原理（二）

单个太阳能电池由于所产生的电能很小，一般不能直接作为电源使用。实际应用中通常是将几片、几十片甚至更多的太阳能电池串并联起来，组成太阳能电池板或太阳能电池方阵，以获得足够大的电能。组成太阳能电池板或太阳能电池方阵的太阳能电池数量越多、面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。

5. 太阳能电池的应用

太阳能电池的独特优点和诱人前景，使得其应用受到多方面的关注，应用范围越来越广泛。目前，太阳能电池的应用已从航天领域和军事领域，进入到工业、农业、通信、家电、交通和公用设施等领域，特别是在深山、海岛、沙漠和边远地区，太阳能电池更是具有不可替代的优势。太阳能电池的应用主要包括作为电源和作为传感器两个方面。

3.1.2　光控变色龙

变色龙是一个非常有趣的电子玩具，当用手电筒照射它的左眼时，它便会变色。当用手电筒照射它的右眼时，它便会停止变色。

变色龙电路如图3-6所示。光敏二极管VD₁₁、VD₁₂分别构成光控A和光控B电路。与非门D₁、D₂构成RS触发器，D₃、D₄构成门控多谐振荡器。R₅、C₂和R₆、C₃等分别构成积分电路A和积分电路B，晶体管VT₁、VT₂和VT₃、VT₄分别构成两个达林顿复合管射极跟随器，用作缓冲级并驱动发光二极管。VD₁～VD₁₀是10个变色发光二极管。图3-7所示为电路原理方框图。

图3-6　变色龙电路图

图3-7　变色龙方框图

（1）积分电路

多谐振荡器的两个互为反相的输出端Q和，分别接积分电路A和B。当Q＝1、＝0时，A积分电路输出端电压逐步上升，B积分电路输出端电压逐步下降。当Q＝0、＝1时，A电压逐步下降，B电压逐步上升。A、B两电压呈反方向变化，如图3-8所示。正是这个互相反方向变化的A、B电压，使变色发光二极管变色。

图3-8　积分电路

（2）变色原理

将A和B两个积分电路的输出电压，分别经限流电阻后接变色发光二极管。设初始状态为红色管芯电流I_R＝0、绿色管芯电流I_G＝1，变色发光二极管发绿光。

随着时间的推移，I_R逐渐增大、I_G逐渐减小，光色由绿向橙逐渐变化。当I_R＝I_G时，变色发光二极管发橙光。当I_R＝1、I_G＝0时，变色发光二极管发红光。接着，I_R逐渐减小、I_G逐渐增大，光色由红向橙进而向绿逐渐变化。如此周而复始，实现了“绿→橙→红→橙→绿→……”的光色变化，如图3-9所示。

图3-9　变色原理

（3）控制电路

当有光照射到光控电路A时，将RS触发器置“1”，门控多谐振荡器起振，积分电路A和B输出互为反向变化的电压，使变色发光二极管周期性变色。

当有光照射到光控电路B时，将RS触发器置“0”，门控多谐振荡器停振，变色发光二极管停止变色。

3.1.3　报晓公鸡

这是一只电子报晓公鸡，每当天亮时，它会像一只真正的大公鸡一样，发出洪亮的“喔喔喔…”的报晓声，既能及时唤醒您起床，又给您的居室平添了一份田园情趣。

报晓公鸡电路如图3-10所示，由光控电路、整形电路、电子开关、模拟鸡叫电路、功放电路和扬声器等部分组成。图3-11所示为报晓公鸡方框图。

图3-10　报晓公鸡电路图

图3-11　报晓公鸡方框图

（1）电路工作原理

报晓公鸡电路的核心是声效集成电路KD5609（IC），内部存储有公鸡叫的声音，一经触发便会发出模拟的公鸡叫声。KD5609的电源受单向晶闸管VS控制，而VS导通与否则由光控电路触发。

天亮时，光控电路输出高电平，经整形电路产生触发信号，去触发单向晶闸管VS导通，接通了KD5609的工作电源，使其发出模拟公鸡叫声信号，经晶体管VT₃功率放大后驱动扬声器BL发声。

单向晶闸管VS一旦导通，便不再依赖触发电压而持续导通状态，模拟公鸡也就叫个不停，直至您醒来关闭电源开关S为止。

（2）光控电路

光控电路由光敏二极管VD、可变电阻R₁和电阻R₂等组成。无光照时，光敏二极管VD截止，R₁上端电压约为0V。有光照时，光敏二极管VD导通，R₁上端电压约为3V，经VT₁、VT₂整形后，触发晶闸管VS导通。电容C₁的作用是滤除短暂的光脉冲干扰，防止误触发。R₂是微调可变电阻，调节R₂的大小，即可改变光控灵敏度。