引言

為了節(jié)約電力資源，各種節(jié)能的電力電子技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)日益受到重視。由此，提出了一種延時(shí)關(guān)斷的電路，通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)、雙向可控硅、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、555 定時(shí)器、光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。以雙向可控硅作為驅(qū)動(dòng)電路，電磁干擾小，同時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、成本低廉。在節(jié)省電力資源的同時(shí)保證了安全性能，因此，該電路在照明設(shè)備、家用電器和各類工業(yè)設(shè)備中均具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 驅(qū)動(dòng)控制器件的選取

1. 1 雙向可控硅BT138

為了達(dá)到與電源隔離的目的，應(yīng)選用耐壓高、響應(yīng)快的雙向可控硅。B T138 是Philip s 公司推出的TO220 封裝三端雙向可控硅，耐壓600 V ,穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通電流為12 A .具有雙向?qū)憫?yīng)快的特性，能達(dá)到250 V/μs.特別適用于電機(jī)控制，工業(yè)用照明、加熱設(shè)備以及靜態(tài)開(kāi)關(guān)等場(chǎng)合。

1. 2 光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3041

為使B T138 工作穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)器的選擇很重要。

MOC3041 用于驅(qū)動(dòng)雙向可控硅，具有簡(jiǎn)化邏輯控制、零電壓交叉的特性，dV / dt 可達(dá)2 000 V/μs ,在溫度控制、電壓驅(qū)動(dòng)和照明控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1. 3 雙精度單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538

CD4538 是FAIRCHILD 公司的CMOS4000系列數(shù)字IC 芯片，精度高，可進(jìn)行再觸發(fā)。它內(nèi)部含有2 個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，一個(gè)用于觸發(fā)555 定時(shí)器，另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)MOC3041 ,通過(guò)脈沖的上升或下降沿進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)后的輸出脈沖寬度可根據(jù)需要設(shè)定。本文中CD4538 設(shè)定的參數(shù)如表1 所示。

表1 CD4538 相關(guān)參數(shù)表。

2 電路工作原理分析

延時(shí)可控電路原理如圖1 所示。K1 為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，1 和2 分別是2 個(gè)觸點(diǎn)；U1 是三端穩(wěn)壓器LM7815 ;U2 和U5 是整流橋；U3 和U8 分別是555定時(shí)器和雙精度單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538 ;D1 為雙向可控硅B T138 .U4 和U7 是光耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3041。其中U4 用于驅(qū)動(dòng)B T138 ;U6 為光電耦合器P521 .

圖1 電路原理

2. 1 電路開(kāi)通階段

開(kāi)關(guān)K1 置于觸點(diǎn)1 ,ZL 工作的同時(shí)，220 V 交流電經(jīng)過(guò)電容C4 降壓、U2 整流，輸出直流15V 電壓V CC .此時(shí)定時(shí)器U3 沒(méi)有計(jì)時(shí)，第3 管腳為低電平，觸發(fā)器U8 第11 管腳設(shè)置為下降沿觸發(fā)，此時(shí)未經(jīng)觸發(fā)，第9 管腳保持高電平，光耦合驅(qū)動(dòng)器U4導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)可控硅D1 導(dǎo)通。D1 此時(shí)導(dǎo)通可防止K1 的誤操作，若K1 在ZL 工作階段不慎被置于中點(diǎn)位置，ZL 可通過(guò)D1 獲得電源而繼續(xù)正常工作。

2. 2 電路延時(shí)階段

開(kāi)關(guān)K1 置于觸點(diǎn)2 ,在K1 從觸點(diǎn)1 斷開(kāi)的瞬間，穩(wěn)壓器U1 由電容C3 供電。K1 置于觸點(diǎn)2 后，交流電通過(guò)光耦合驅(qū)動(dòng)器U7 ,再經(jīng)整流橋U5 整流和電容C2 濾波后，使光電耦合器U6 導(dǎo)通，觸發(fā)器U8 的第4 管腳獲得高電平觸發(fā)，U8 的第7 管腳隨之輸出低電平脈沖，通過(guò)555 定時(shí)器U3 第2 管腳使U3 被觸發(fā)，U3 第3 管腳變?yōu)楦唠娖剑訒r(shí)計(jì)時(shí)開(kāi)始。

2. 3 延時(shí)結(jié)束

定時(shí)器U3 計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，第3 管腳降為低電平，產(chǎn)生下降沿使觸發(fā)器U8 的第11 管腳被觸發(fā)，第9管腳輸出低電平脈沖，使光耦合驅(qū)動(dòng)器U4 關(guān)斷，導(dǎo)致可控硅D1 截止，用電器ZL 、整流橋U2 和穩(wěn)壓器U1 相繼斷電，V CC供電停止，從而使耦合驅(qū)動(dòng)器U7和光電耦合器U6 關(guān)斷。雙向可控硅D1 的截止使整個(gè)電路與電源實(shí)現(xiàn)了徹底隔離。

若要恢復(fù)ZL 工作，將開(kāi)關(guān)K1 重新置于觸點(diǎn)1即可。

3 相關(guān)參數(shù)分析

3. 1 電容降壓

將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波。文中，為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高效率，減小體積，降低成本，該電路采用電容降壓方式。圖1 中電容C4 的作用為降壓，電容的選取由所需要通過(guò)電容的電流IC 的大小決定：

經(jīng)測(cè)量，該電路電流在70 mA 左右，電容所產(chǎn)生的容抗約為3 180 Ω ,因此電容C4 取1 μF.當(dāng)220 V 的交流電壓加在電容器的兩端，雖然流過(guò)電容的電流有70 mA ,但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，因?yàn)槿绻娙菔且粋€(gè)理想電容，則流過(guò)電容的電流為虛部電流，它所作的功為無(wú)功功率。同時(shí)為保證C4 可靠工作， 其耐壓選擇應(yīng)大于2 倍的電源電壓。

R3 為關(guān)斷電源后電容C4 的電荷泄放電阻， 其選擇必須保證在要求的時(shí)間內(nèi)泄放掉C4 上的電荷。

用電容降壓時(shí)，必須考慮一個(gè)重要問(wèn)題，就是在合上電源的瞬間，有可能是220 V 交流電的正或負(fù)半周的峰峰值，此時(shí)瞬間電流會(huì)很大，雖然該電流持續(xù)時(shí)間極短，但足以燒毀穩(wěn)壓管。解決這一問(wèn)題有2 種方法，一是在電路中串聯(lián)電阻，缺點(diǎn)是消耗功率，二是用適當(dāng)電壓的P6 KE 瞬態(tài)抑制二極管，缺點(diǎn)是價(jià)格稍貴。

3. 2 延時(shí)時(shí)間

本文所介紹的電路，采用555 定時(shí)器作為延時(shí)計(jì)時(shí)器，延時(shí)時(shí)間由電位器R1 和電容C1 決定， 延長(zhǎng)的時(shí)間TW 為：

4 仿真及實(shí)驗(yàn)

4. 1 仿真波形

Multisim 提供了龐大的元件數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供原理圖輸入接口、全部的數(shù)模Spice 仿真功能、V HDL/ Verilog 設(shè)計(jì)接口與仿真功能、FPGA/CPLD 綜合、RF 設(shè)計(jì)能力和后處理功能，特別適用于復(fù)雜電路仿真。本電路采用Multisim 建立仿真電路，其電路仿真波形如圖2 所示。

圖2a 縱坐標(biāo)為10 V/ 格，橫坐標(biāo)為100μs/ 格，由上至下兩條波形分別是：555 定時(shí)器U3 第2 管腳觸發(fā)波形；555 定時(shí)器U3 第3 管腳輸出波形。這里將觸發(fā)器U8 內(nèi)部第一個(gè)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)間設(shè)定為50μs.圖2b 縱坐標(biāo)為10 V/ 格，橫坐標(biāo)為100 ms/格，由上至下2 條波形分別是：555 定時(shí)器U3 延時(shí)時(shí)間結(jié)束輸出波形；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U8 第11 管腳觸發(fā)波形。這里將U8 內(nèi)部第2 個(gè)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)間設(shè)定為100 ms ,以確保光耦合驅(qū)動(dòng)器U4 、可控硅D1 完全關(guān)斷。

圖2 電路觸發(fā)仿真波形

4. 2 實(shí)驗(yàn)波形

用Tek TDS2014 可存儲(chǔ)示波器測(cè)得的輸出波形如圖3 所示，圖3a 第1 條波形為開(kāi)關(guān)K1 置于觸點(diǎn)2 時(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U8 第4 管腳觸發(fā)波形，其余波形與仿真波形為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖3a 橫坐標(biāo)為100μs/ 格，縱坐標(biāo)為10 V/ 格；圖3b 橫坐標(biāo)為100ms/ 格，縱坐標(biāo)為10 V/ 格） .由圖3 實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果看出，電路觸發(fā)和延時(shí)與理論分析和仿真結(jié)果一致，該電路工作性能良好穩(wěn)定。

圖3 電路觸發(fā)實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種應(yīng)用雙向可控硅，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和555 定時(shí)器的延時(shí)電路，通過(guò)數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

a. 能耗低。電路工作時(shí)，能耗在2 W 左右。

b. 隔離。延時(shí)結(jié)束后，電路、用電器與電源完全隔離。

c. 延長(zhǎng)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍寬。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，延長(zhǎng)時(shí)間從0 到數(shù)小時(shí)。

d. 可靠性高。由于使用了雙向可控硅，電路可達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)、壽命高、電磁干擾小的效果。