智能空气净化通风系统评估、电路设计原理图、元器件选型

详细描述了一个家用空气净化器项目，涉及空气检测、气味传感器的信号处理、MOS管作为开关的应用，以及电路原理图设计，包括元器件选择、模拟信号处理和优化，最终目标是实现自动化的开关控制和模拟到数字信号的转换

1、项目背景介绍

项目用在家用或办公领域,当空气有一定的污染时，打开净化系统开始进行空气净化和杀菌处理,经过一定时间处理后，当空气中空气经过净化且重回健康后，关闭净化系统。

2、项目资源评估

需要的条件：

1、气味传感器，对空气检测，并转换成电压信号（大部分的传感器是把某一种形态的物理量转换成电信号），电压信号比较小，需要对其进行放大

2、对电压信号进行放大处理，用放大后的电压信号通过比较器来控制机器的开和关（可以改变幅值和向量的变化）

3、需要运算放大器，比较器，开关

4、电源15VDC 3A（适配器，直接买）

5、需要有15V 2A直流有刷马达（通过MOS管（作为开关使用）来控制马达）

3、如何设计原理图（含元器件原理分析）

元器件分析：

MOS管：N型MOS（N沟道），P型MOS管（P沟道）

NMOS管由于自身的特性，开关的速度特别快，耐压高，通过的电流能力比较强；PMOS管由于工艺的影响，开关的速度没有NMOS管快，损耗量比NMOS管大，耐压相对较低，通过的电流相比于NMOS管比较弱

有一个二极管，封装在MOS管的内部，当NMOS管正向流通的时候，二极管是不导通的，当DS不导通的时候，电流可以往回流，对能量进行回收

NMOS管的导通条件：Ug-Us>10V 施加的是电压源

MOS管的状态：关闭和截止（Ug-Us<4.5V ）,放大状态（Ug-Us约等于4.5V）即4.5V即为阈值电压 （等效成n型三极管的基极的阈值电流（0.5mA）超过0.5mA，三极管就工作在饱和状态，低于0.5mA的时候就工作在放大状态，再低于一定程度的时候，三极管就处于截止状态）

具体的MOS管详情，请参考MOS管（又叫场效应管这一篇文章）

4、元器件选型

MOS管作为开关用的原理分析

这样情况，在开关导通到15V的时候，会通过电阻形成一个压降，同时会对MOS管进行充电，在充电到阈值电压的时候，MOS管将会导通，在导通之后，MOS管的源极电压将会变成15V，这样就会导致源极的电压>栅极的电压，MOS就会关断，源极电压为0，就会重复上一个动作。这里可以参考N型三极管理解

正确电路

在 15V导通的时候，由于源极接的是地，无论怎么样，栅极和源极之间的压差都会大于平台电压，所以MOS管会一直导通；在GND导通的时候，MOS管会通过电阻对内部的电容进行放电，由于MOS是不导通的，内阻无限大，所以漏极就近似的等于+15V，所以马达上面没有压差，就没有电流，所以，马达是不转的。这样就通过控制MOS管的开和关，控制了马达的转和不转！

MOS管内部分为三种状态

结论：NMOS管作为开关使用，S（源极）必须接地

在本次项目中，我们要实现开关自动化打开和关闭，不妨想一想应该怎么解决

1、当左边输入高电平的时候，Q3，Q4是导通的，R11左边的电压大约是0.3V，近似的等于0V，这种时候，Q2也是导通的，并且P管射极的电压大约的等于15V（不考虑三极管的内阻），这样就会对MOS管进行充电，马达转动。

2、当左边输入为低的时候，Q3是不导通的，R9下方的电压就会非常的大，Q2也是不导通的，R10左右两边都没有电压，MOS管就通过R10进行放电，马达停止转动。

同时实现导通和关断的速度都是特别快的！

分析不足：Q2和Q1会不会存在同时导通的情况

输入的信号为模拟量，会有中间的状态，即假设输入的电压为1.5V的时候，Q3,Q2导通，Q4也会导通（没有完全导通）工作在放大状态，Q4的C极电压可能是1V，也可能是>1V ，这时候，Q1shi导通，即Q2和Q1是短路的，就会出现串红现象，热损坏很大，容易损坏器件。

优化后的电路图

1、左边输入为高信号的时候，Q5是导通的，电流能够达到200mA，同时会对MOS管进行充电，当充电到14.3V的时候，Q5截止，当MOS管的电压>14.3V的时候，Q5又会导通；Q6是不导通的，Q6 B级的电压是15V，而E极的电压无论怎么样，都是达不到15V的，这时候的Q6就处在反向截止的状态。

2、当左边输入为低的时候，Q6的E极是14.3V，相对于B极，是有压差的，所以说Ib是有的，这样Q6就是导通状态，MOS管就会通过Q6进行放电；Q3，由于B极上面没有正向压差，所以是反向截止的，是一直不导通的。

我们把这样的电路称之为推挽电路：把N管和P管接在一起，在任何时候，都只有一个管子导通，也能够实现快速开通和快速关断

MOS管和三极管的区别：

2、运算放大器

最基本的放大电路

1、当Ib通过的电流Ib>1mA的时候，三极管工作在饱和状态

2、当Ib通过的电流0.1mA

当通过0.1mA的电流的时候，CE两级之间的电压大约为0.1左右，CE之间的压差特别的大，即三极管没有完全导通。

3、集电极输出，假设输入电流的是正弦，在电流最大值的时候，根据IR=U可以知道，电压值此时是最小的，同理，在电流最小的时候，电压值是最大的

由此可见，三机管可以实现信号的放大！ Ib*B=Ic 当Ib过大的时候，B会减小，同样，Ic减小的时候，B也会减小；B在达到最大的时候，Ic电流是有一个定值的，要想B不变，就必须让Ib或者Ic工作在一个范围（Q点静态工作点）。没有输入信号的情况下，Ic流过一个电流，这个点六称之为静态工作点！

分析下图

推挽电路

1、当左边没有信号输入的时候，完全由15VDC供电，由于C1的存在，所以15V电压会通过R6-GND，会通过Q1对三极管导通，会对C1进行充电（充满之后将不会再有电流），所以，电容是通交隔直的作用，这时候的电流会处在一个静态工作点的电流Ib

2、当左边的交流信号输入进来的时候，在信号逐渐上升的时候，会产生一个从左到右的一个电流Ius，这个电流一部分通过R6进行释放，一部分通过三极管进行导通；在信号逐渐减低的时候，电容会通过rR8进行放电，这时候，会在三极管上形成一个动态的反向电流，会和三极管静态工作点的一部分电流相互抵消，这样就维持了三极管的工作电流在静态工作点的范围之内！

反馈

反馈的含义：稳定输出的信号，输出的信号受输入的信号的控制，从而实现自我调整

分析：Ib不变，由于受环境因素的影响，Ic变大，导致R9两端的电压变大，三极管Ube之间的压差减小，Ib减小，IC受控于Ib，Ic减小，从而达到动态平衡。，由于负反馈的作用，波形就具有收敛性了！R9只能控制 Ic的变化，不能够控制源头的的变化

共模干扰：Ic的变化量，由直流到地单向的，形成的我们不需要的变化量，即为共模干扰，通过负反馈电阻，可以抑制共模干扰

差分放大：

控制Ic从而控制Ib

左边从+5V输出一个信号，通过Q1流向-15V，右边也是同理，通过Q2流向-15V，这个是实际的电流，因为两边的输入的电压压差为0，输出的压差也为0；所以说我们近似的把电流的流向理解为，通过Q1，再通过Q2流向信号源的负端，流过Q2的电流会影响Q2原来的电流方向，起一个阻碍的作用！

这样子的输入方式称之为差分输入，把差模信号放大，在Uo端进行输出，由于外部环境的变化，而引起的 Ib变化，Ic同时会发生改变由于三极管的输出和输入是相反的（输入为正，输出为负），所以R1下面的输出为负，R10下面的输出为正，由于三极管的特性相等，所以R1和R10下面的电压变化量是相等的，他们之间的压差为0，输出没有变化，对于输出量是没有任何影响的！管子特性完全相同，相互补偿，尽可能的把信号最大程度的传递进来。

共射极电路：输入回路和输出回路的公共端是三极管的发射级，我们就称之为共射极电路。

电压反馈和电流反馈的判断方法：令输出电压为0，若反馈量随之为0，则为电压反馈;若反馈量依然存在，则为电流反馈。

1、电压（输出端）串联（输入端是电压）负反馈电路