简单实用的CD4011声光控制开关电路
作者：吴政江
这款简单声光控制电子开关具有声音信号和光信号控制功能，当有光照射时，开关电路处于关闭状态，而当光信号比较弱时，开关电路受声音信号的控制，使用这种开关，人们不必在黑暗中摸索开关，也不必担心点长明灯费电和损坏灯泡，夜间只要有脚步声，灯便自动点亮，延时一分钟左右后自动熄灭。特别适用于自动控制路灯照明及走廊和楼道等片的短时照明。
一、电路组成及工作原理
声、光控制电子开关电路如下图所示。
1、电路组成
电路主要由以下几部分组成。
(1)、声音信号输入电路。由话筒MIC、电阻R1.、R2、R3、电容C1和三极管T1组成。声音信号经话筒MIC转换为电信号后经C1耦合至T1放大，最后由T1的集电极输出并送入集成电路IC1的2脚。
(2)、光信号输入电路。由电阻R4和光敏电阻Rg组成。光的强弱经光敏电阻Rg转换为高、低电平后送入集成电路IC1的1脚。
(3)、桥式整流电路。由二极管D2、D3、D4、D5组成。其功能是将220V的交流市电转换为脉动直流电压。
声、光控制电子开关电路如下图所示。
1、电路组成
电路主要由以下几部分组成。
(1)、声音信号输入电路。由话筒MIC、电阻R1.、R2、R3、电容C1和三极管T1组成。声音信号经话筒MIC转换为电信号后经C1耦合至T1放大，最后由T1的集电极输出并送入集成电路IC1的2脚。
(2)、光信号输入电路。由电阻R4和光敏电阻Rg组成。光的强弱经光敏电阻Rg转换为高、低电平后送入集成电路IC1的1脚。
(3)、桥式整流电路。由二极管D2、D3、D4、D5组成。其功能是将220V的交流市电转换为脉动直流电压。
(4)、降压滤波电路。由电阻R5、R6和电容C2组成。其功能是对桥式整流电路输出的脉动直流电压进行降压滤波，获得10V左右的直流电压，作为控制电路的直流电源。
(5)、延时电路。由二极管D1、电阻R8和电容C3组成。延时时间由R8和C3决定，按图中所示参数值可延时约60～70S。二极管D1起隔离作用。
(6)、控制电路。由集成电路IC1、电阻R7和双向可控硅T2组成，其作用是控制开关的通断。这里双向可控硅T2起开关作用。集成电路IC1是整个电子开关的核心元件，型号为.TC4011BP。它是四-二输入与非门集成电路。其中1、2脚和3脚分别为与非门1的输入和输出端；5、6和4脚分别为与非门2的输入和输出端；8、9和10脚分别为与非门3的输入和输出端；12、13和11脚分别为与非门4的输入和输出；7和14脚分别是接地和电源脚。在该电路中与非门1和与非门2组成声音信号和光信号与逻辑电路；与非门3、与非门4和电阻R7组成触发电路。
(7)、负载。由白炽灯EL组成，最大可接100W。
(5)、延时电路。由二极管D1、电阻R8和电容C3组成。延时时间由R8和C3决定，按图中所示参数值可延时约60～70S。二极管D1起隔离作用。
(6)、控制电路。由集成电路IC1、电阻R7和双向可控硅T2组成，其作用是控制开关的通断。这里双向可控硅T2起开关作用。集成电路IC1是整个电子开关的核心元件，型号为.TC4011BP。它是四-二输入与非门集成电路。其中1、2脚和3脚分别为与非门1的输入和输出端；5、6和4脚分别为与非门2的输入和输出端；8、9和10脚分别为与非门3的输入和输出端；12、13和11脚分别为与非门4的输入和输出；7和14脚分别是接地和电源脚。在该电路中与非门1和与非门2组成声音信号和光信号与逻辑电路；与非门3、与非门4和电阻R7组成触发电路。
(7)、负载。由白炽灯EL组成，最大可接100W。
2、电路工作原理
220V交流电通过白炽灯EL后，经D2、D3、D4、D5桥式整流电路把交流电压变为脉动直流电压，由R5和R6分压、C2滤波，获得10V左右的直流电压，作为控制电路的工作电源，这时通过白炽灯EL的电流小于2mA，所以白炽灯不会发光。电阻R4和光敏电阻Rg串联分压，当有光照射光敏电阻Rg时，它呈低阻状态，即IC1的1脚(与非门1的光信号输入端)为低电平，此时声音信号被屏蔽(不起作用)，与非门1的输出即IC1的3脚为高电平。与非门1的3脚输出端接与非门2的5、6脚输入端，所以与非门2的4脚输出为低电平。此时二极管D1截止，触发电路无触发信号，双向可控硅T2截止，白炽灯EL熄灭。当无光照射时，光敏电阻Rg呈高阻状态，即IC1的1脚(与非门1的光信号输入端)为高电平，与非门1打开，声音信号可以输入。话筒MIC和电阻R1将外界的声音信号变成电信号。在外界无声的情况下，三极管T1处于饱和状态，使与非门1的输入端即IC1的2脚(与非门1的声音信号输入端)为低电平，与非门1的输出即IC1的3脚为高电平。最终使与非门2的输出4脚为低电平，白炽灯EL熄灭。若外界有声音，三极管T1将出现反复饱和、截止，使与非门1的2端反复出现高、低电平的转换过程。若与非门1的两个输入端有一个为低电平时，与非门2便输出低电平，只有当与非门1的两个输入端都为高电平时，与非门2才输出高电平。当与非门2输出高电平时，通过隔离二极管D1给电容C3充电，当C3充电电压达到与非门3的阈值电平时，使与非门4输出高电平，通过电阻R7触发双向可控硅T2使其导通，主回路便有较大的电流通过白炽灯EL使其发光。T2导通后，由于没有了声音信号，与非门1的输入端IC1的2脚很快变为低电平，从而使与非门2输出为低电平。但延时电路的电容C3通过电阻R8放电，经过大约1分钟的时间下降到与非门3的阈值电平以下，使与非门4输出低电平，当交流电过零点时，T2自动关断，白炽灯EL熄灭。因此，白天白炽灯EL不亮，只有到了晚上话筒MIC接收到声音信号时，才能产生触发信号，使双向可控硅T2导通，白炽灯EL发光，延时一段时间后白炽灯EL自动熄灭。
220V交流电通过白炽灯EL后，经D2、D3、D4、D5桥式整流电路把交流电压变为脉动直流电压，由R5和R6分压、C2滤波，获得10V左右的直流电压，作为控制电路的工作电源，这时通过白炽灯EL的电流小于2mA，所以白炽灯不会发光。电阻R4和光敏电阻Rg串联分压，当有光照射光敏电阻Rg时，它呈低阻状态，即IC1的1脚(与非门1的光信号输入端)为低电平，此时声音信号被屏蔽(不起作用)，与非门1的输出即IC1的3脚为高电平。与非门1的3脚输出端接与非门2的5、6脚输入端，所以与非门2的4脚输出为低电平。此时二极管D1截止，触发电路无触发信号，双向可控硅T2截止，白炽灯EL熄灭。当无光照射时，光敏电阻Rg呈高阻状态，即IC1的1脚(与非门1的光信号输入端)为高电平，与非门1打开，声音信号可以输入。话筒MIC和电阻R1将外界的声音信号变成电信号。在外界无声的情况下，三极管T1处于饱和状态，使与非门1的输入端即IC1的2脚(与非门1的声音信号输入端)为低电平，与非门1的输出即IC1的3脚为高电平。最终使与非门2的输出4脚为低电平，白炽灯EL熄灭。若外界有声音，三极管T1将出现反复饱和、截止，使与非门1的2端反复出现高、低电平的转换过程。若与非门1的两个输入端有一个为低电平时，与非门2便输出低电平，只有当与非门1的两个输入端都为高电平时，与非门2才输出高电平。当与非门2输出高电平时，通过隔离二极管D1给电容C3充电，当C3充电电压达到与非门3的阈值电平时，使与非门4输出高电平，通过电阻R7触发双向可控硅T2使其导通，主回路便有较大的电流通过白炽灯EL使其发光。T2导通后，由于没有了声音信号，与非门1的输入端IC1的2脚很快变为低电平，从而使与非门2输出为低电平。但延时电路的电容C3通过电阻R8放电，经过大约1分钟的时间下降到与非门3的阈值电平以下，使与非门4输出低电平，当交流电过零点时，T2自动关断，白炽灯EL熄灭。因此，白天白炽灯EL不亮，只有到了晚上话筒MIC接收到声音信号时，才能产生触发信号，使双向可控硅T2导通，白炽灯EL发光，延时一段时间后白炽灯EL自动熄灭。
二、电路安装、调试与故障分析
1、电路安装
下图（略）所示为该电子开关印制电路板参考接线图，印制电路板实际尺寸约为35mm×65mm。按图中所示进行元器件的安装焊接。注意，负载白炽灯EL采用外接方式，不安装在印制电路板上。
2、电路调试
检查整个电路板没有虚焊、漏焊和短路后，接上负载白炽灯EL以及220V交流市电进行通电检查。
调试时用万用表直流电压挡测试集成电路IC1的14脚应有10V左右的直流电压。然后在有光无声情况下测量三极管T1集电极C应为低电平，即此时三极管T1应饱和导通，在有光有声的情况下，白炽灯EL应不亮。
用不透明的胶布遮盖住光敏电阻Rg，在有声音时白炽灯EL应能点亮并且延时60～70S后自动熄灭。达到以上要求，说明电路已调试成功。
3、故障原因及检修
调试中可能会出现以下故障。应根据具体情况进行检修。
(1)晚上声音小时白炽灯EL不亮，当声音很大时灯才亮。这是声音信号输入电路灵敏度降低所致。其原因可能是话筒MIC灵敏度降低、电容C1容量减小、三极管T1、电阻R2、R3等元件参数改变等等。检修时，可适当减小电阻R1的阻值以提高MIC的灵敏度。增大电阻R2和减小电阻R3的阻值，以降低三极管T1的静态工作点。也可用一个等值电容与C1并联，观察效果是否改变等方法，提高声音输入电路的灵敏度。
(2)晚上白炽灯EL经常误触发而发光。这一般是声音信号输入电路灵敏度太高所致。检修时对该部分电路的元件与上述(1)进行相反调整。
(3)白天有声音时白炽灯EL便亮。这是光信号输入电路的故障。检修时，检查光敏电阻Rg是否接收光线不足，可采用清除光敏电阻Rg处灰尘，检查光敏电阻Rg的位置是否正确，光敏电阻Rg是否开路，适当增大电阻R4的阻值，降低与非门1的1端输入电平等办法加以解决。
(4)晚上有声音时白炽灯EL也不亮。其原因是声音信号输入电路在有声音时不能输出高电平，光信号输入电路输出低电平，集成电路IC1损坏等造成的。检修时，在有声音信号时测量与非门1的2端是否为高电平，在无光时测量与非门1的1端是否为高电平。若不是高电平说明故障在相应的输入电路，若是高电平应检查集成电路IC1的逻辑关系是否正确。
(5)白天和晚上白炽灯EL均长亮。
其原因一般是双向可控硅T2被击穿。
检修时，断电后用万用表的电阻挡测量T2两个阳极之间的电阻，若在1KΩ以下，则说明双向可控硅T2已经被击穿，应更换。
(6)白炽灯EL点亮的延时时间不合适。若灯亮的延时时间缩短了，有可能是电容C3漏电或者是容量减小所致，可用一只相同的电容尝试。若嫌延时时间不够，可适当增大电阻R8的阻值，或者增大电容C3的容量。反之，减小电阻R8的阻值或者电容C3的容量即可。
1、电路安装
下图（略）所示为该电子开关印制电路板参考接线图，印制电路板实际尺寸约为35mm×65mm。按图中所示进行元器件的安装焊接。注意，负载白炽灯EL采用外接方式，不安装在印制电路板上。
2、电路调试
检查整个电路板没有虚焊、漏焊和短路后，接上负载白炽灯EL以及220V交流市电进行通电检查。
调试时用万用表直流电压挡测试集成电路IC1的14脚应有10V左右的直流电压。然后在有光无声情况下测量三极管T1集电极C应为低电平，即此时三极管T1应饱和导通，在有光有声的情况下，白炽灯EL应不亮。
用不透明的胶布遮盖住光敏电阻Rg，在有声音时白炽灯EL应能点亮并且延时60～70S后自动熄灭。达到以上要求，说明电路已调试成功。
3、故障原因及检修
调试中可能会出现以下故障。应根据具体情况进行检修。
(1)晚上声音小时白炽灯EL不亮，当声音很大时灯才亮。这是声音信号输入电路灵敏度降低所致。其原因可能是话筒MIC灵敏度降低、电容C1容量减小、三极管T1、电阻R2、R3等元件参数改变等等。检修时，可适当减小电阻R1的阻值以提高MIC的灵敏度。增大电阻R2和减小电阻R3的阻值，以降低三极管T1的静态工作点。也可用一个等值电容与C1并联，观察效果是否改变等方法，提高声音输入电路的灵敏度。
(2)晚上白炽灯EL经常误触发而发光。这一般是声音信号输入电路灵敏度太高所致。检修时对该部分电路的元件与上述(1)进行相反调整。
(3)白天有声音时白炽灯EL便亮。这是光信号输入电路的故障。检修时，检查光敏电阻Rg是否接收光线不足，可采用清除光敏电阻Rg处灰尘，检查光敏电阻Rg的位置是否正确，光敏电阻Rg是否开路，适当增大电阻R4的阻值，降低与非门1的1端输入电平等办法加以解决。
(4)晚上有声音时白炽灯EL也不亮。其原因是声音信号输入电路在有声音时不能输出高电平，光信号输入电路输出低电平，集成电路IC1损坏等造成的。检修时，在有声音信号时测量与非门1的2端是否为高电平，在无光时测量与非门1的1端是否为高电平。若不是高电平说明故障在相应的输入电路，若是高电平应检查集成电路IC1的逻辑关系是否正确。
(5)白天和晚上白炽灯EL均长亮。
其原因一般是双向可控硅T2被击穿。
检修时，断电后用万用表的电阻挡测量T2两个阳极之间的电阻，若在1KΩ以下，则说明双向可控硅T2已经被击穿，应更换。
(6)白炽灯EL点亮的延时时间不合适。若灯亮的延时时间缩短了，有可能是电容C3漏电或者是容量减小所致，可用一只相同的电容尝试。若嫌延时时间不够，可适当增大电阻R8的阻值，或者增大电容C3的容量。反之，减小电阻R8的阻值或者电容C3的容量即可。
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