按鈕控制的節(jié)能燈電路的設(shè)計(jì)

劉艷萍

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)

引言

近幾年,隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,各種各樣的電子產(chǎn)品層出不窮,許多節(jié)能燈也應(yīng)用于人們的生活中,而節(jié)能燈的核心部分是延時(shí)電路,如何利用各種分立元件構(gòu)成延時(shí)電路是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,本文將采用不同器件、不同方法來(lái)設(shè)計(jì)按鈕控制的節(jié)能燈電路。

1 電路結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象

該電路由主回路和控制回路兩部分構(gòu)成。考慮到實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題,主回路用18V交流電模擬實(shí)際中的220V交流電。主回路由18V的交流電源、燈泡和可控開(kāi)關(guān)構(gòu)成,控制回路中要有延時(shí)電路。電路上電后按下按鈕,燈泡隨即點(diǎn)亮;過(guò)一會(huì)兒,燈泡自動(dòng)熄滅,這樣做到了延時(shí)節(jié)能,這就是該電路要實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

2 電路的幾種設(shè)計(jì)方案

2.1 核心器件為三極管的設(shè)計(jì)方案

這里,可控開(kāi)關(guān)選取額定電壓為+12V的直流繼電器,主回路中接其常開(kāi)觸點(diǎn)。設(shè)想繼電器的吸合要由一個(gè)開(kāi)關(guān)控制:開(kāi)關(guān)閉合,繼電器的金屬片與線圈吸合,燈亮;開(kāi)關(guān)斷開(kāi),繼電器的金屬片與線圈斷開(kāi),燈滅。該開(kāi)關(guān)可采用三極管9013(1)如圖1所示。三極管導(dǎo)通時(shí)燈泡亮,截止時(shí)燈泡滅。假設(shè)三極管斷開(kāi)了,在斷開(kāi)瞬間,繼電器的線圈KA中會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),加在9013(1)的集電極電壓很高,這樣會(huì)把三極管燒壞,所以要在線圈KA兩端并聯(lián)一個(gè)二極管4148來(lái)保護(hù)三極管9013(1)。

考慮到燈泡亮?xí)r,三極管9013(1)需要飽和導(dǎo)通,即管口壓降接近于0V[1],所以要想辦法調(diào)試合適的偏置電阻。這里繼電器線圈作為9013(1)的集電極電阻是一定的,只能通過(guò)改變9013(1)的基極電阻使其達(dá)到飽和。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷調(diào)試基極電阻RB,最后確定RB應(yīng)小于68k,具體取值如電路圖1所示,RB=47k+10k。

延時(shí)電路可利用電容器的充放電構(gòu)成,按鈕并接在電容器的兩端。延長(zhǎng)時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電容和電阻的取值,這里取C=470μF,R=100k。怎樣才能把延時(shí)電路與繼電器下面的三極管電路聯(lián)系到一起呢?

設(shè)計(jì)的思路是在按下按鈕時(shí),電容器開(kāi)始充電,同時(shí)三極管9013(1)飽和導(dǎo)通,繼電器的金屬片與線圈吸合,燈泡亮;過(guò)一會(huì)兒,電容器充電到一定程度,三極管9013(1)截止,繼電器的金屬片與線圈斷開(kāi),燈泡滅。因此,可在47k電阻下面接一個(gè)可控開(kāi)關(guān),燈泡亮?xí)r它斷開(kāi),燈泡滅時(shí)它閉合,這個(gè)開(kāi)關(guān)同樣可選用三極管9013(2)。

當(dāng)電容器充電到一定程度時(shí),三極管9013(2)需要導(dǎo)通,即基極電流很大,那么在電容器和三極管9013(2)的基極之間可反接一個(gè)穩(wěn)壓二極管。因?yàn)殡娙萜鲀啥说碾妷哼_(dá)到一定值(接近穩(wěn)定電壓值)時(shí),穩(wěn)壓二極管會(huì)反向擊穿,較大的電流流過(guò)9013(2)的基極,9013(2)必飽和導(dǎo)通。+12V的直流電源流過(guò)47k電阻的電流大多流經(jīng)三極管9013(2),而幾乎沒(méi)有電流流經(jīng)10k電阻,所以這時(shí)9013(1)的基極電流極小,它處于截止?fàn)顟B(tài),繼電器的金屬片與線圈斷開(kāi),燈泡是滅的。這個(gè)電路中,兩個(gè)三極管9013均作為開(kāi)關(guān)來(lái)用,且它們總是處于互補(bǔ)的狀態(tài),一個(gè)導(dǎo)通,一個(gè)截止。

設(shè)計(jì)出的完整電路如圖1所示。將萬(wàn)用表放于電容器兩端,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。電路一上電,燈泡亮了,等燈泡滅后按下按鈕,燈又亮,過(guò)一會(huì)兒,當(dāng)電容器兩端電壓充到大約6V時(shí)燈泡熄滅,做到了延時(shí)節(jié)能。整個(gè)延時(shí)過(guò)程中,按下按鈕的瞬間電容器快速放電,燈泡亮的過(guò)程就是電容器在充電的過(guò)程。該電路雖然實(shí)現(xiàn)了延時(shí),但是一上電燈泡總是亮的,如何才能實(shí)現(xiàn)電路上電時(shí)燈泡不亮呢?

圖1 按鈕控制的節(jié)能燈電路a

2.2 核心器件為集成運(yùn)放的設(shè)計(jì)方案

圖1所示的電路主要采用三極管來(lái)完成,雖然實(shí)現(xiàn)了按鈕控制和延時(shí)節(jié)能,但是還存在一些缺點(diǎn)。其一,電路一上電,燈就亮了,只能等到過(guò)一會(huì)兒燈滅后再用按鈕控制;其二,電容器充電的電阻取值(100k)受到了限制,該電阻不能太大,否則9013(2)在穩(wěn)壓二極管擊穿時(shí),會(huì)因其基極電流太小而不能導(dǎo)通;其三,該電路并未做到真正節(jié)能,因?yàn)闊o(wú)論燈泡亮還是滅,+12V直流電源都在供電。

為了克服以上幾個(gè)缺點(diǎn),可采用集成運(yùn)算放大器LM358[2]來(lái)設(shè)計(jì)。主回路的可控開(kāi)關(guān)還選取額定電壓為+12V的直流繼電器,主回路還接一組常開(kāi)觸點(diǎn)。二極管4007接在集成運(yùn)放的輸出端,既能使輸出電壓稍降一下,又能在三極管9013擊穿時(shí)保護(hù)集成運(yùn)放。初步設(shè)計(jì)出電路如圖2所示。

在這個(gè)電路中,按鈕同樣并聯(lián)在電容兩端,這時(shí)電容器上面的電阻取值(470k)不受限制,克服了圖1電路的第二個(gè)缺點(diǎn)。但是其余兩個(gè)缺點(diǎn)仍然存在,很顯然按鈕接在電容器兩端并不合適。

圖2 按鈕控制的節(jié)能燈電路b

從節(jié)能的角度考慮,按鈕應(yīng)直接接在直流電源上,同時(shí)將繼電器的另一組觸點(diǎn)利用起來(lái)。如圖3所示,觸點(diǎn)A、B并聯(lián)在按鈕兩端構(gòu)成了自鎖電路。按下按鈕,觸點(diǎn)A、B閉合,電容器開(kāi)始充電,集成運(yùn)放輸出高電平,9013飽和導(dǎo)通,繼電器的金屬片和線圈吸合,觸點(diǎn)常開(kāi)變常閉,燈亮;放開(kāi)按鈕,觸點(diǎn)A、B仍然閉合,控制回路得電,電容器繼續(xù)充電,當(dāng)充到兩端電壓大于同向端電壓時(shí),集成運(yùn)放輸出低電平,9013截止斷開(kāi),繼電器的金屬片和線圈斷開(kāi),觸點(diǎn)斷開(kāi),燈滅。這樣,在燈亮?xí)r直流電源供電,燈滅時(shí)不供電,真正做到了節(jié)能,而且電路一上電,燈泡是不會(huì)亮的,從而克服了圖1電路的另兩個(gè)缺點(diǎn)。

此外,圖3所示的電路中還接上了發(fā)光二極管,它既能作為直流電源的指示燈,又能為電容器迅速放電提供便捷的路徑,因?yàn)殡娙萜鲿?huì)通過(guò)二極管4007和發(fā)光二極管來(lái)迅速放電。

圖3 按鈕控制的節(jié)能燈電路c

2.3 核心器件為單結(jié)晶體管的設(shè)計(jì)方案

除以上兩種設(shè)計(jì)方案外,還可利用單結(jié)晶體管來(lái)設(shè)計(jì),電路如圖4所示。

單結(jié)晶體管[3]又稱雙基極二極管,內(nèi)部只有一個(gè)PN結(jié),其特點(diǎn)是兩個(gè)基極之間有兩個(gè)等效電阻分壓,而阻值RB1是可變的。管子加上一定的基極電壓,發(fā)射極電位UE從0開(kāi)始增大,當(dāng)小于B1點(diǎn)電位時(shí),PN結(jié)反偏;當(dāng)UE再增大,大于B1點(diǎn)電位時(shí),PN結(jié)正偏,發(fā)射極電流顯著增大,阻值RB1急劇減小。

在圖4電路中,按下按鈕時(shí),控制回路得電,指示燈亮,電容器通過(guò)100k電阻和發(fā)光二極管這條支路快速放電并開(kāi)始充電,三極管9013(2)截止,9013(1)導(dǎo)通,繼電器線圈和金屬片吸合,右邊的觸點(diǎn)閉合,燈泡亮;放手后控制回路仍舊得電,當(dāng)電容器充電到一定值時(shí),單結(jié)晶體管中的PN結(jié)導(dǎo)通,其電流顯著增大,阻值RB1急劇減小,流入9013(2)的基極電流較大,9013(2)飽和導(dǎo)通,9013(1)截止,燈泡滅。 這樣同樣做到了延時(shí)節(jié)能。

這種設(shè)計(jì)方案也采用了自鎖電路,設(shè)置了電源指示燈,也克服了圖1電路中所存在的三個(gè)缺點(diǎn),也是比較合理的。

圖4 按鈕控制的節(jié)能燈電路d

3 結(jié)束語(yǔ)

文章闡述了三種“按鈕控制的節(jié)能燈電路”的設(shè)計(jì)方案,這三種方案分別采用三極管、集成運(yùn)放和單結(jié)晶體管這三種器件作為電路的核心器件,一步步改進(jìn)電路的缺陷,最終設(shè)計(jì)出功能較完善合理的電路。在實(shí)際生活中,節(jié)能燈用得較多的是樓道里的聲光控節(jié)能燈,而無(wú)論是聲光控節(jié)能燈還是按鈕控制的節(jié)能燈,設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分都是延時(shí)電路,因此文中電路的設(shè)計(jì)為聲光控節(jié)能燈的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ),而聲光控節(jié)能燈的設(shè)計(jì)又可以作為按鈕控制的節(jié)能燈電路的一個(gè)很好的延伸和拓展。