本文將詳細(xì)介紹一個家用空氣凈化器項目，涵蓋空氣檢測、氣味傳感器的信號處理、MOS 管作為開關(guān)的應(yīng)用，以及電路原理圖設(shè)計等方面，包括元器件選擇、模擬信號處理和優(yōu)化，旨在實現(xiàn)自動化的開關(guān)控制和模擬到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

項目背景介紹

此項目主要應(yīng)用于家用或辦公領(lǐng)域。當(dāng)空氣出現(xiàn)一定程度的污染時，凈化系統(tǒng)會自動開啟，進(jìn)行空氣凈化和殺菌處理。經(jīng)過一段時間的凈化，當(dāng)空氣重回健康狀態(tài)后，系統(tǒng)會自動關(guān)閉。這種自動化的控制方式，能夠有效提高空氣凈化的效率，為用戶提供更加舒適、健康的室內(nèi)環(huán)境。

項目資源評估

要實現(xiàn)這個項目，需要以下條件：

1. 氣味傳感器：用于對空氣進(jìn)行檢測，并將檢測到的空氣狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電壓信號。大多數(shù)傳感器的工作原理是將某種形態(tài)的物理量轉(zhuǎn)化為電信號，但由于轉(zhuǎn)換后的電壓信號通常較小，因此需要對其進(jìn)行放大處理。
2. 信號放大與控制：對電壓信號進(jìn)行放大處理后，通過比較器來控制機器的開和關(guān)。比較器可以根據(jù)放大后的電壓信號的幅值和向量變化，準(zhǔn)確判斷空氣的污染程度，并控制凈化系統(tǒng)的運行。
3. 關(guān)鍵元器件：需要運算放大器、比較器和開關(guān)等元器件。運算放大器用于對信號進(jìn)行放大，比較器用于判斷信號的大小，開關(guān)則用于控制電路的通斷。
4. 電源：采用 15VDC 3A 的電源適配器，可直接購買使用。穩(wěn)定的電源供應(yīng)是保證系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)。
5. 直流有刷馬達(dá)：需要一個 15V 2A 的直流有刷馬達(dá)，通過 MOS 管作為開關(guān)來控制馬達(dá)的運行。MOS 管的開關(guān)特性能夠精確控制馬達(dá)的啟動和停止，從而實現(xiàn)凈化系統(tǒng)的自動化控制。

如何設(shè)計原理圖（含元器件原理分析）

在設(shè)計原理圖時，需要對關(guān)鍵元器件進(jìn)行深入分析。其中，MOS 管分為 N 型 MOS（N 溝道）和 P 型 MOS 管（P 溝道）。

• NMOS 管：具有開關(guān)速度快、耐壓高、通過電流能力強等優(yōu)點。在其內(nèi)部封裝有一個二極管，當(dāng) NMOS 管正向流通時，二極管不導(dǎo)通；當(dāng) DS 不導(dǎo)通時，電流可以往回流，實現(xiàn)能量回收。NMOS 管的導(dǎo)通條件是 Ug - Us > 10V（施加電壓源），其狀態(tài)分為關(guān)閉和截止（Ug - Us < 4.5V）、放大狀態(tài)（Ug - Us 約等于 4.5V），4.5V 即為閾值電壓，類似于 n 型三極管基極的閾值電流（0.5mA），超過該值三極管工作在飽和狀態(tài)，低于該值則工作在放大狀態(tài)，再低于一定程度則處于截止?fàn)顟B(tài)。
• PMOS 管：由于工藝的影響，開關(guān)速度相對較慢，損耗量比 NMOS 管大，耐壓相對較低，通過的電流也較弱。

元器件選型

• MOS 管作為開關(guān)的原理分析：在某些情況下，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通到 15V 時，會通過電阻形成壓降，同時對 MOS 管進(jìn)行充電。當(dāng)充電到閾值電壓時，MOS 管導(dǎo)通；導(dǎo)通后，源極電壓變?yōu)?15V，導(dǎo)致源極電壓大于柵極電壓，MOS 管關(guān)斷，源極電壓為 0，然后重復(fù)上述過程。這可以參考 N 型三極管理解。
• 正確電路設(shè)計：在正確的電路設(shè)計中，當(dāng) 15V 導(dǎo)通時，由于源極接地，柵極和源極之間的壓差始終大于平臺電壓，所以 MOS 管會一直導(dǎo)通；當(dāng) GND 導(dǎo)通時，MOS 管通過電阻對內(nèi)部電容進(jìn)行放電，由于 MOS 管不導(dǎo)通，內(nèi)阻無限大，漏極近似等于 + 15V，馬達(dá)兩端沒有壓差，就沒有電流，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動。這樣就通過控制 MOS 管的開和關(guān)，實現(xiàn)了馬達(dá)的轉(zhuǎn)和不轉(zhuǎn)。

• MOS 管狀態(tài)及優(yōu)化：MOS 管內(nèi)部分為三種狀態(tài)。結(jié)論是 NMOS 管作為開關(guān)使用時，S（源極）必須接地。在實現(xiàn)開關(guān)自動化打開和關(guān)閉的過程中，原電路存在不足，例如輸入信號為模擬量時，可能會出現(xiàn) Q2 和 Q1 同時導(dǎo)通的情況，導(dǎo)致短路和熱損壞。優(yōu)化后的電路圖采用推挽電路，將 N 管和 P 管接在一起，在任何時候都只有一個管子導(dǎo)通，能夠?qū)崿F(xiàn)快速開通和快速關(guān)斷。

• MOS 管和三極管的區(qū)別：MOS 管和三極管在工作原理和特性上存在一定的差異。MOS 管是電壓控制型器件，而三極管是電流控制型器件。在本項目中，根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇了 MOS 管作為開關(guān)來控制馬達(dá)。

運算放大器

• 基本放大電路：三極管在不同的電流條件下工作在不同的狀態(tài)。當(dāng) Ib 通過的電流 Ib > 1mA 時，三極管工作在飽和狀態(tài)；當(dāng) 0.1mA < Ib < 1mA 時，三極管工作在放大狀態(tài)。通過三極管可以實現(xiàn)信號的放大，但要保證 B 值不變，需要讓 Ib 或 Ic 工作在一個合適的范圍（Q 點靜態(tài)工作點）。
• 推挽電路分析：在推挽電路中，當(dāng)左邊沒有信號輸入時，由 15VDC 供電，電容起到通交隔直的作用，電流處于靜態(tài)工作點的電流 Ib；當(dāng)左邊有交流信號輸入時，信號上升時，一部分電流通過 R6 釋放，一部分通過三極管導(dǎo)通；信號減小時，電容通過 R8 放電，在三極管上形成動態(tài)的反向電流，與靜態(tài)工作點的一部分電流相互抵消，維持三極管的工作電流在靜態(tài)工作點范圍內(nèi)。
• 反饋與干擾抑制：反饋的作用是穩(wěn)定輸出信號，使輸出信號受輸入信號的控制，實現(xiàn)自我調(diào)整。通過負(fù)反饋電阻，可以抑制共模干擾，使波形具有收斂性。差分放大電路可以把差模信號放大，在 Uo 端輸出，同時能夠補償由于外部環(huán)境變化引起的信號變化，盡可能地將信號最大程度地傳遞進(jìn)來。
• 反饋類型判斷：電壓反饋和電流反饋的判斷方法是令輸出電壓為 0，若反饋量隨之為 0，則為電壓反饋；若反饋量依然存在，則為電流反饋。常見的反饋電路有電壓（輸出端）串聯(lián)（輸入端是電壓）負(fù)反饋電路、電壓（輸出端）并聯(lián)（輸入端是電流）負(fù)反饋電路、電流（輸出端）串聯(lián)（輸入端是電壓）負(fù)反饋電路、電流（輸出端）并聯(lián)（輸入端是電流）負(fù)反饋電路。
• 運算放大器特性與計算：由于運算放大器的放大倍數(shù)無窮大，大部分電流或電壓需要反饋回輸入端，等效輸入電阻無窮大，形成虛短和虛斷的特性。在實際計算中，可以根據(jù)虛短和虛斷的原理，對不同的反饋電路進(jìn)行分析和計算。

原理圖繪制

在完成元器件的選型和電路分析后，就可以進(jìn)行原理圖的繪制。原理圖的繪制需要準(zhǔn)確反映各個元器件之間的連接關(guān)系和信號流向，為后續(xù)的 PCB 設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)提供基礎(chǔ)。