【任務】多層住宅的樓道的照明燈通常會使用延時開關控制,即過客觸摸一下開關,燈會亮一段時間,隨后自動關閉。這種設計一方面方便行人在合理的時間內安全通過樓道,另一方面可節約能源。下面嘗試使用分立器件設計這個觸摸延時開關電路。
【構思】設計的起點當然是單刀單擲開關控制的照明燈,如下圖所示:
現在的目標是設計一個延時斷電的電子開關代替上面的機械開關式SW。因為延時觸發電路總要用到三極管之內的器件,因此整個電路必須提供直流電壓,為了充分利用交流正弦波的正負波形,我們自然想到使用橋堆(也可以使用四個分立的二極管1N4007搭建)整流濾波得到直流電壓。由于觸發電路需要的直流電壓通常小于12V,我們必須給220V降壓到12/1.414~12/1.2V,即8~10V(取平均值9V)。為了節約成本,盡量使開關緊湊小巧,不使用變壓器降壓,而使用照明燈本身LAMP來降壓(由于市電的波動,通常在200~250V之間,橋堆分掉的9V電壓幾乎不會影響燈的照明亮度)。于是,我們可將橋堆的輸入端與照明燈LAMP串聯:
上面的電路并沒有形成有效的通路,LAMP不會亮。但是,我們想到可控硅是可觸發保持的器件,可以利用單向可控硅實現兩個功能:一、接收延時觸發信號;二、給LAMP提供通路。
對上圖略加說明:當可控硅觸發導通時,220V交流電無論正波還是負波都可通過橋堆BR和可控硅U1對照明燈LAMP供電,順便提一下,橋堆的交流輸入端分得一個小電壓(比如9V),大部分電流供給照明燈LAMP。
最簡單的延時電路當然是RC電路,而且這個RC延時電路還可擔負起對整流脈動的濾波的責任。為使延時足夠(比如2分鐘),RC電路的電阻可盡量取大些(也不可太大,須知阻值太大或太小都容易損壞),不妨取1MΩ。因為須延時2分鐘,即RC=2*60=120s,于是C=120/1=120uF(由于電解電容的誤差高達±15~±20%,可取標準系列的100uF):
上面的電路,只要接通220V市電,電容C1就會被充電,直至充飽。此時我們要保證燈不會自亮,我們可以通過一個NPN管將可控硅的觸發端“鉗制”在低電平,從而使可控硅陰陽極之間截止,照明燈不會亮。使NPN管導通的高電平可由電容C1持續提供:
注意:上圖中的R2是為了防止因Q1的導通而使橋堆輸出對地短路。
接下來,我們要要實現觸摸“點”亮照明燈LAMP的功能,這必然要使可控硅的門極得到高電平,于是須使Q1截止,于是須使C1正端為低電平,這使我們想到增加一個三極管。為減少元件種類,依然使用與Q1同型號的管子吧:
注意:上圖中的R3是為了使C1在對導通后的Q2放電時不至于擊穿PN結。
人體總帶有靜電,當人用手觸摸別的物體尤其是金屬導體時,會遷移電荷形成電流。我們可利用這種現象來構建觸發Q2導通的電路。為了保證不觸摸時Q2截止,Q2的基極須接一個下拉電阻,為限制人體靜電對Q2的瞬態沖擊,須給Q2的基極接一個上拉電阻。顯然觸摸金屬片接在上拉電阻的一端:
樓道黑燈瞎火,如果沒有指示,可能連觸摸開關在哪兒都找不到。因此,必須增加LED指示電路:
至此,電路的構思完畢,在邏輯上可實現設計要求的功能。接下來進行必要的元件選型及參數計算。
【計算】已定橋堆輸出電壓為12V,又假定Q1、Q2都采用TO-92封裝的S9014管,可預先篩選出放大倍數為100的管子,而該型管的最大集電極電流Icm=100mA,為安全起見,我們只用一半電流即50mA,于是R2=12/0.5=24k。同樣地(注意C1平時的電壓為12V),R3也為24k。
R4、R5的確定比較復雜,應根據大量觸摸實驗來確定它們的值。
假定LED工作電壓為2V,工作電流為5mA。R6=(12-2)/5=2k。
橋堆可采用1N4007管來構建。
假定照明燈的功率為40W,功率因數為0.8,經過可控硅的電流與照明燈的電流相等,約為40/(220*0.8)=227mA。查詢可控硅產品手冊,可選擇電流為0.8A的2N6565。
除了必須依靠試驗來確定的R5、R4外,元件類型及參數都已確定,最終的電路如下:
評論
查看更多