花盆缺水告知器电路设计.doc

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1、 电工电子工艺实习报告 花盆缺水告知器电路设计学院：电气工程学院班级：生物医学工程学号：姓名：电力电子装置设计-花盆缺水告知器电路设计第一章：任务设计书1.1 设计课题：本次电力电子设计装置的题目是花盆缺水告知器电路设计1.2 设计目的：1.进一步了解和掌握555时基电路和结型场效应管2.重点理解由555电路构成的低频多谐振荡器的结构，原理3.掌握多谐振荡器的使用方法1.3 设计要求1. 根据课题正确选择电路形式2绘制完整的电气原理图（包括只要的电气控制部分）3.详细介绍整体电路和各功能部件工作原理4.编制使用说明书 第二章：主电路及原理简介21 结型场效应管的工作原理因为本电路设计主要需要使

2、用N沟道结型场效应管，所以，主要介绍N沟道结型场效应管。场效应管是通过改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。 它不仅具有双极型三极管的体积小,重量轻,耗电少,寿命长等优点,而且还具有输入电阻高,热稳定性好,抗辐射能力强,噪声低,制造工艺简单,便于集成等特点.因而,在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用.根据结构和工作原理不同,场效应管可分为两大类: 结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。 在两个高掺杂的P区中间，夹着一层低掺杂的N区（N区一般做得很薄），形成了两个PN结。在N区的两端各做一个欧姆接触电极，在两个P区上也做上欧姆电极，并把这两个P区连起

3、来，就构成了一个场效应管。从N型区引出的两个电极分别为源极S和漏极D，从两个P区引出的电极叫栅极G，很薄的N区称为导电沟道。 结型场效应管分类：N沟道和P沟道两种。如下图所示为N沟道管的结构。1.N沟道结型场效应管工作时，需要外加如图1所示的偏置电压，即在栅-源极间加一负电压（Ugs0）,使N沟道中多数载流子电子在电场的作用下由源极向漏极作漂移运动，形成漏极电流Id,Id的大小主要受栅-源极电压Ugs控制，同时也受漏-源极电压Uds的影响，因此，讨论场效应管的工作原理就是讨论栅-源极电压Ugs对漏极电流Id（或沟道电阻）的控制作用，以及漏-源电压Uds对漏极电流Id的影响 图12. Uds对I

4、d的控制作用图2电路说明了Ugs对沟道电阻的控制作用，为便于讨论，先假设源-漏极间所加的电压Ugs=0时，沟道较宽，其电阻较小，如图2（a）所示： 图2（a）当Ugs0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽层将加宽，由于N区掺杂的浓度小于P区，因此，随着Ugs的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大，如图2（b）所示： 图2（b）当Ugs进一步增大到一定值Vp时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断，如图2（c）所示： 图2（c）由于耗尽层中没有载流子，因此，这时漏-源极间的电阻将趋近无穷大，即使加上一定的电压Uds，漏极电流Id也将为零，这时的栅

5、-源极电压称为夹断电压。上述分析表明，改变栅-源电压Ugs的大小，可以有效控制沟道电阻的大小，若同时在漏-源极加上固定的正向电压Uds，则漏极电流Id将受Ugs的控制，Ugs增大时，沟道电阻增大，Id减小，上述效应也可以看作是栅-源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流Id的大小。3. Uds对Id的影响设Ugs值固定，且UpUgsUgs-Vp,即UgdVp时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，如图3（c），夹断区的电阻越来越大，但漏极电流却基本上趋向于饱和，Id不随Uds的增加而增加。因为这时夹断区电阻很大

6、，Uds的增加量主要降落在夹断区的电阻上，沟道电场强度增加不多，因而Id基本不变，但当Uds增加到大于某一极限值（用Ubrds表示）后，漏极一端PN结上反向电压将使PN结发生雪崩击穿，Id会急剧增加，正常工作时Uds不能超过Ubrds。 图3（a） 图3（b） 图3（c）从结型场效应管正常工作时的原理可知：结型场效应管栅极与沟道之间的PN结是反向偏置的，因此，栅极电流Ig0，输入阻抗很高。漏极电流手栅-源电压Ugs控制，所以场效应管是电压控制电流器件。预夹断前，即Uds较小时，Id与Uds间基本呈线性关系;预夹断后，Id趋向饱和。 4：555时基集成电路的工作原理和主要应用555电路在应用和工

7、作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。而本电路所需要的是由555时基电路组成多谐振荡器，下面介绍下多谐振荡器的工作原理及构成：4.1多谐振荡器的工作原理多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故 称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之 间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图4（a）所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电

8、平触发端（6脚） 和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。 图4（a）由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使 电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关 。充电时间常数T充=（R1R2）C。由于放电管VT导通，电容

9、C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电 容的放电时间有关，放电时间常数T放R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。 为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电 路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/32/3）Vcc 之间变化。图4（b）所示为工作波形。 图4（b）第三章：花盆缺水告知器电路的设计：盆中土壤所含水分的多少，会影响两个探针间电阻的低，高。采用高输入阻抗的N沟道结型场效应管和555等构成图5所示的电路，555接成一个低频多谐振荡器，其振荡频率为： 当盆中不缺水时，土壤电阻很小，VT3的G级到电路的地的电压近于0V，VT1导通，VT2截止，则VT2的发射极电位为0V。此时555处于非触发状态，3脚为低电平，当缺水时，A、B间电阻加大，VT1的G极电位接近于负压，VT1截止，VT2导通，VT2的发射极电位升高，根据555时基电路的功能特性，当4脚电位高于0.4伏以上时，555才有可能处于震荡状态，输出端3脚变为高电平，发光二极管LED以约1HZ频率闪光，告知该浇水了。若在3脚换接一小喇叭，同样也起到提醒作用，但应将R5，R6或C减小，用以产生人耳敏感的振荡频 率。 图5