多敏固态控制器原理、制作与应用

无论是家庭电气化还是工矿、农村和部队的技术革新，自动控制始终是电子爱好者和电子科技工作者感兴趣的课题一。本文介绍一种用于自动控制的通用装置，可广大电子爱好者制作实验。
　　电路工作原理
　　本装置的设计构思是以微功率控制大功率，能够将自然界的非电量信号转换成电信号自动控制，应该具有很高的控制灵敏度，但又不易产生误动作，在做一般控制应用时，不需另加控制电源；与外部设备配合使用时，应具有良好的隔离性。要求它工作时无火花、无噪声、防爆性能好、寿命长、造价要低、通用性要好。该装置的内部电路构成方框图见图A。它的内部电路工作原理如图B。它共有7只引脚：⑥脚是负载端，⑦脚是交流输出端，①脚是控制电源正极端，②、③是隔离器输入端，④脚是无源控制端，⑤脚是控制电源负极端。该装置的内部电路是由光电耦合器TIL117、触发驱动开关集成电路TWH8778、整流全桥U和双向可控硅VS2等构成。当单向可控硅VS1判断时，全桥电路U内没有电流回路，因而无电流输出，双向可控硅VS2无触发电流而截止，从而使负载电流阻断。

　　由于VS1的触发极与开关集成电路TWH8778的输出端相接，因此TWH8778的通断控制了VS1的导通与截止。我们知道，TWH8778是一种高性能的驱动开关集成电路，它的控制端⑤脚只需加上1.6V的电压，200uA的电流应能可靠地控制其②、③脚的输出电流，同时该器件的内部设有多种自保护电路，不易损坏，有效工作频率可达15kHz，用它来作为该装置的触发驱动器件可以说是十分理想的。
　　电阻R2、电容器C1和稳压二极管DW2 构成了低压直流稳压电源供给TWH8778工作，因此只要在该控制器的④脚上加一个大于1.6V的控制电压，就可以使TWH8778导通。TWH8778 导通后，它的输出端②、③脚就变为高电平，触发了VS1，使其导通，于是由二极管VD1－VD4构成的全桥整流回路导通，此时有正、负两个方向的脉冲电压触发双向可控硅元件VS的G极使VS2导通，带动负载工作。而控制端④脚的电压完全可以由控制器DM的①端提供，故无需外接控制电源。这就是构成无源控制的基础条件。控制器DM的②、③脚是光电隔离控制输入端，平时光电耦合器TIL117中的光敏三极管在无光照时，其内阻极高，相当于开路。一旦在DM的 ②、③脚上加上控制电压，TIL117中的发光二极管点亮，光照使光敏三极管内阻迅速下降，导致有足够的电流通过光敏三极管的c-e极使TWH8778的 ⑤脚触发，同样可以控制负载工作。R1是输入限流电阻。DW1是输入限压二极管，其稳压值在1.5－2V之间，这样即使输入电压超过预定值也不至于损坏光电耦合器TIL117。

　 按道理制作该多敏固态控制器所用的全部元器件均需进行老化筛选处理，而业余制作时应采用正品元件，因为该装置一经制成后就固封为一个整体了，不存在更换元件修理的问题。

　　元件选择参见图B，其中VS1采用1－3A、400V以上的单向可控硅，VS3采用10－25A，600－800V的双向可控硅。U采用2A、400V 的全桥，亦可采用四只二极管VD1－VD4构成桥式整流电路。在选择TWH8778时应测量一下，①端加10V的直流电压，⑤端加1.6V电压应能导通，当⑤端电压下降至1.2V时，②、③端输出电压应为0V，即完全关断。光电耦合器可选用TIL117或TIL113，输入电压为1.3V，输入电流在 200uA左右即可控制。R2采用150K、1W以上金属膜电阻器，C1采用100uF、耐压25V以上的电解电容器。VDW2采用2CW15、稳压值为 8V。C3、R4构成感性负载过电压吸收网络，可以保护BCR免遭过电压冲击而损坏。其中C2选用0.1uF、耐压400V以上的电容器，R4选用 100Ω，耗散功率大于1W的金属膜电阻。整个电路装焊完毕应仔细检查几遍，确认无误时，即可在控制器DM的⑥端上串入一只100W的白炽灯泡（注意负载应串入⑥脚中，切不可并接DM的 ⑥、⑦端）与220V市电相连，此时灯泡不应点亮。用万用表的电压档测量C1的两端，其电压应在8V左右，然后用手触及控制器的④端，此时灯泡应发亮，说明控制灵敏度很高。接着用一节1.5V电池接控制器的②、③端（电池正极与②端相连，负极与③端相连），灯泡应点亮，说明整机工作正常，待输入端全部控制电压拆除后，灯泡就处于熄灭状态。附近的电冰箱启动，电灯的开关均不应引起灯泡闪烁，如控制灵敏度过高有误触发，可以在控制器DM的②－⑤、④－⑤端并接一只0.01uF的小电容器，以消除杂散脉冲干扰，增强其可靠性。
　　印刷电路板上的元件均采用卧式安装，在铜箔的引出端上焊上银铜片，然后将整块电路板装入特制的胶木（或塑料）盒中，用调好的环氧树脂固封，烘干后即成为一只多敏固态控制器模块。至此，根据该装置所用的元器件的参数和实测数据，制成后的固态控制器模块主要技术参数如下：
　　输入端：
　　②、③脚控制电压：1.3－3V；②、③脚的控制电流：200－500uA；临界导通电压≤1.2V；临界导通电流≤150uA；输入/输出端绝缘电阻≥1000MΩ；输入/输出端绝缘电压≥1KV；④脚控制电压：1.6－6V；④脚控制电流：≥200uA。
　　输出端：
　　工作电压：AC220V；额定通态电流：≤10A；断态漏电流：≤0.7mA。

　　该装置应用电路工作原理如图1。它可用于家庭自来水自动灌啊。现在城市用水比较紧张，高层建筑上的住户用水就更加困难，常常是只有到了半夜待别人家不用水了，才有少量的水被压上高楼来，但人要睡觉，不能老是守候灌水，采用本电路则大可放心地支睡觉。当水池中的水位低于探针B时，有电流从控制器DM的①端经电阻R流入④端，控制器开通，电磁阀YA励磁吸合，打开水龙头。当有水被压上来时就自动流入水池中。一旦水污染灌足，其水面达到探针B的高度时，B、A 探针间的电阻与R分压，使控制器④端电压低于1.6V，故YA失电释放，水龙头自动关断。这样第二天早晨起来就不愁没水用了。其中A、B探针可用不锈钢制作。

　　该装置应用电路工作原理如图2。它可应用于食堂蒸气冲水的水开报讯系统。θ是正温度系数的热敏电阻，它可以用环氧树脂固贴在冲开水用的铁皮桶上。当桶中的水温很低时，铁桶的温度自然也低，PTC的阻值亦很小，它与R的分压使得控制器DM④端的电压低于1.6V，故信号灯H不亮。一旦蒸气冲开水使水温逐渐上升，PTC的阻值也随即增大，当水温到达100℃，此时PTC的阻值阶跃上升，使DM的④端分压值大于1.6V，此时信号灯H点亮，说明水真正是开了。 PTC可用温度居里点为100℃的正温度系数开关型热敏电阻，如RZK2系列等。信号灯H可以安装在食堂值班室内。

　　该装置应用电路工作原理如图3。它可用于仓库、办公室或其它场所作开门灯之用。当永久磁铁ZT与干簧管AG靠得很近时，由于磁力线的作用，使AG内两触片断开，控制器DM的④端无电压，照明灯H中无电流通过，故灯H熄灭。一旦大门打开，控制器DM开通，H点亮。
　　白天由于光照较强，光敏电阻RG的内阻很小，即使AG闭合，R与RG的分压也小于1.6V，故白天打开大门，H是不会点亮的。夜晚相当于RG两极开路，故控制器DM的④端电压高于1.6V，H点亮。RG可用MG45－32非密封型光敏电阻，AG可作Φ3－4mm的干簧管（常闭型）。

　　该装置应用电路工作原理如图5。在白天，由于光照较强，光敏电阻RG的内阻很小，此时有较大电流通过RG而使三极管VT饱和导通，VT饱和后，控制器DM的④端电压远低于1.6V，故DM内部截止，照明灯H不能点亮。
　　当夜晚来临，光线变暗，照射在RG上的光通量减弱，RG的内阻变得越来越大，控制器DM内部电路亦逐渐开通，从而有电流通过照明灯H而使其发光。该电路系软启动方式，即照明灯H的灯丝由红逐渐过渡到白炽状态，并且在红丝时不易产生闪烁现象。

　　该装置应用电路工作原理如图6。它的典型应用是作为线断式防盗报警器。X是一根很细的漆包线，将它接入电路中，导致单向可控硅VS的触发极对地短路。故 VS不能触发导通，此时三极管VT处于饱和状态，导致控制器DM的④端为低电平（低于1.6V），DM截止，报警铃DL不通电，故报警器不工作。
　　一旦有人绊断细丝X，即有电流通入VS的触发极，于是VS导通并自锁，使得三极管VT的基极处于低电平，VT截止，DM的④端变成高电平，于是DM导通，使DL通电工作，发出报警声。

　

　该装置应用电路工作原理如图7。这是一种声控电灯的实验，当然它的负载也可是其它电器。当声控集成电路SK－Ⅱ的⑥、⑨脚输出低电平时，照明灯H熄灭。在一定距离内（3－5m）击掌或吹哨子或敲击物体，其声波被话筒MIC拾取并转换成电信号送入SK－Ⅱ中进行放大、延时、选频、直至电路工作状态翻转，致使SK－Ⅱ⑥、⑨脚输出高电平，发光二极管LED点亮，控制器DM的④脚获得高电平而使其导通，此时照明灯H点亮。由于SK－Ⅱ输出为双稳性质，照明灯H 一直保持点亮，直至下一次声触发使电路翻转，H才熄灭。

　　该装置应用电路工作原理如图8。它可以用于走廊、楼梯过道作为延时节能照明灯。上楼前在楼下按动一下 AN1－ANn中的任一个按钮，时基集成电路IC NE555的②脚受到低电平触发而置位，它的输出端③脚即即刻变为高电平，导致控制器DM的④端也为高电平，故照明灯H此刻点亮。松开按钮，由于IC NE555工作于单稳态模式，其③脚要持续输出高电平一段时间。同时电源通过R2向C2充电，当C2两端的电压达到2/3电源电压时，NE555自动复位，其③脚又恢复为低电平，控制器DM的④脚变为低电平于是导致内部电路关断，照明灯H自动熄灭。
　　这样，上楼时可以按下AN1－ANn中任意一只按钮，即可点亮照明灯；下楼时同理按动其中任意一只也可点亮照明灯。AN1－ANn可根据具体需要来设置。其中单稳态持续工作时间可由R2和C2的数值确定。

　　该装置作光电输入的应用电路工作原理如图12所示。这是一只巨型数字显示屏。IC CH208是一块数字译码驱动集成电路。按下联接在CH208输入端“1”－“12”的按键，就可以显示相应的数字。一块CH208可以显示1－12的数字，如果用三块CH208集成块联合起来应用，就可以显示百位数了。具体应用时，可以不用b2、c2笔段，作“0”显示时，就按动S10键，便可显示 “0”，同是示必设置K11、K12两个键。每位数共需10只这种固态控制器DM，每笔段可由上千瓦的灯泡群组成。
后记：
　　以上介绍的仅是多敏固态控制器的一般应用原理，各位可以根据其基本原理参考本文所述例子自行开发出更多应用电路来，以发挥它在自动控制各领域的作用。

　　该装置应用电路工作原理如图9。这里举一个多地控制开关的例子，可供参考。假设负载是电灯，当按动按钮AN1时，给了IC1“CP1”端一个正脉冲，使得IC1的Q1端输出高电平，于是IC2的“CP2”端也随之输入一个正脉冲，其IC2的Q2端变为高电平，此时由于控制器DM的④脚与IC2的Q2端相连，自然也为高电平，信号灯H点亮。再次按动AN1，则IC2的Q2端又回复到低电平，控制器DM的④端亦变为低电平而将H关断。这样，每按动一次AN1 就可改变一次H的工作状态。

　　该应用电路中使用了一块双D触发器集成电路CD4013，这它的内部含有两只D触发电路，其中的一只D触发电路用作脉冲展宽电路，其目的是为了防止因AN1的抖动使脉冲个数不确定；另一只D触发器构成双稳态触发器。该电路用作节能灯的使用方法是：上楼时按动一下 AN1，H点亮。进房后再按动一下ANn，此时H熄灭。它与单稳态节能灯不同之处是，从按动AN1至按动ANn的时间可以随意，且不受时间和空间的限制。

　　该装置应用电路工作原理如图10。用作闪烁灯控制时，只要在控制器DM的④端上加上一个间歇电压即可导致DM的负载H闪烁不停。本例利用一块音乐集成电路IC，将音乐IC的信号输出端O/P与控制器DM的④端相连，音乐IC的电源正、负端接DM的①、⑤端。将音乐IC换成专用闪光芯片，亦可构成航标灯、市政道路施工灯、特种信号灯等。如果在家庭举行舞会，亦可将控制器DM的④、⑤端接上插头，插入收录机等音源的输出插孔中，此时照明灯H将随乐曲的节奏闪烁。一只10A的控制器DM可以驱动上千瓦的彩灯工作。

　　CMOS、HCMOS、TTL、LSTTL等数字电路的输出状态可直接控制多敏固态控制器DM的通断。其配接方式见图11(a)、(b)、(c)所示。在控制器的②、③端输入控制信号时，作常闭电路的接法如（b），当三极管VT无信号输入时，负载是停止工作的，只有当VT饱和导通时，DM的③端才为低电平，负载RL才通电工作。

　　控制器DM的②、③端输入控制信号常开电路的接法如（c）所示。当三极管VT截止时，负载通电工作；当VT饱和导通时，其饱和压降仅为0.3V左右，故控制器DM的②端无输入电压，负载RL停止工作。