来电自断安全节能开关的设计

摘 要：来电自断安全节能开关，是在普通开关基础上，通过加入控制元件，使电路在断开之后再通电时，需要手动开启，向开关控制元器件中供电。这是一种来电自熄节能开关，当电网停电后再来电，开关自动处于关闭状态，避免浪费电能。节能开关设计针对的是高校统一送电后，学生不使用电能所造成的电力浪费现象，进而经改进及创新发展之后，其可用于普通插座、接线排插等送电控制元件，也可用于保护实验室中的人员及实验设备。

关键词：控制元件；节能开关；节能产品；电能

中图分类号：TM92 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.081

随着科学技术的不断发展，各种节能产品层出不穷。但作为人们生活中不可或缺的用电设备，却在浪费着巨大的能源，造成浪费的原因之一为电路的控制部分设计不够节能化。基于这种背景，我们展开了一系列的研究，并提出了节能安全开关这一观点，设计出了一款简单、实用的来电自熄节能开关。

1 项目研制的背景及意义

2015年，国家统计局发布的统计信息指出，全国在校大学生4 018.1万余人，而基本95%以上的大学生都是住校的，大学生有4人、6人寝室，粗略计算大约有800万间学生宿舍。如果所有的宿舍每年熄灯200次（40周×5 d，假設周末不熄灯），假设学生在当天晚上熄灯后忘记关闭寝室电灯的概率为10%，忘记关闭台灯的概率为60%，次日早晨来电后，2个36 W的白炽灯和6个11 W的台灯在亮了1 h后才被关掉，则全中国大学生宿舍每年因夜晚忘记关灯而浪费的电量约为6.0×107 kW·h。本开关的设计初衷是针对各个大学、中学等的用电制度，即因统一送电后学生不使用电能而造成的电力浪费现象。在这个较大的时间差内，造成了巨大的能源浪费，带来了不可估量的经济损失，且埋下了安全隐患。

2 项目产品介绍分析

为了避免上述电力能源浪费的不良现象，经过实验测试设计了电路图。其中，开关主要有1个常开按钮1SB作为开按钮，1个常闭按钮1SS作为关按钮，1个交流接触器KM（有2个常开触点KM1和1个线圈1KM）；1个KM1与1SB并联，1个KM1与电器（并联的灯泡与插座）串联。

当宿舍有电时，按下常开按钮1SB，线圈1KM得电，2个常开触点KM1闭合并自锁，电器通电，即使释放1SB电器仍然有电；按下常关按钮1SS，线圈1KM失电，自锁解除，2个常开触点KM1由闭合转为断开，电器断电。如果在电器有电状态下（即常开触点闭合自锁状态）寝室断电，则线圈1KM失电，自锁解除，2个常开触点KM1由闭合转为断开，当再次来电时，电器不会自动通电，而需要要按下常开开关1SB后才会有电。

用VB模拟的逻辑电路如图1所示。

对比分析：对于开关的来电自熄，已经有智能开关具备此项功能，但单个售价均在50元以上，适用于有多种需求的家庭，对于相对单调的宿舍而言并不实用。同时，从国内的现状看，还没有人就校园宿舍浪费电量的现象进行深入研究，也没有任何设计用于改善或解决此类状况。所以，设计一件节能省电、具有自熄断电，且能节省成本、造价低廉的安全开关势在必行，这也是迎合当今市场的必备产品。随着开关电源逐渐向小型化、薄型化、轻量化、高频化的方向发展，可以预计未来具有轻、薄、小的开关电源将在整个电源行业占据一定的市场。

3 产品设计

3.1 电路设计

用AutoCAD制图，其中，L代表火线，N代表零线，1SB代表常开按钮，1SS代表常闭按钮，KM为接触器。KM1为线圈，2个1KM为常开触点，插座代表电器。

一个1KM与常开按钮1SB并联，共同与常关按钮1SS、KM1串联；另一个1KM与电器串联，整体与上面的电路串联，具体如图2所示。

当总电源开关闭合时，代表宿舍有电，按下常开按钮1SB，线圈1KM得电，2个常开触点KM1闭合并自锁，电器通电，即使释放1SB电器仍然有电；按下常关按钮1SS，线圈1KM失电，自锁解除，2个常开触点KM1由闭合转为断开，电器断电，即使释放1SS电器仍然是断电。如果在电器通电状态下（即常开触点闭合自锁状态）寝室断电，则线圈1KM失电，自锁解除，2个常开触点KM1由闭合转为断开。当再次来电时，电器不会自动通电，而是要按下常开开关1SB后才会有电，进而通过常开开关有效控制电的使用，避免在不使用电的情况下的浪费电能。

3.2 工作原理

由图2可知，当总电源开启时，电路有电。此时，按下常开按钮1SB，开关1SB呈闭合状态，L—1SB—1SS—KM1—N这条线路接通，线圈KM1得电，2个常开触点KM1闭合并自锁；释放1SB时，这条线路断开，同时，L—1KM（下）—电器—N这条线路由于触点1KM（下）的闭合而接通，电器得电，同时，L—1KM（上）—1SS—KM1—N这条线路也接通了。

当按下常闭按钮1SS时，开关1SS呈断开状态，线圈KM1失电，自锁解除，2个常开触点KM1由闭合转为断开，L—1KM（下）—电器—N这条线路因触点1KM（下）的断开而断电，电器断电，同时L—1KM（上）—1SS—KM1—N这条线路也断开了。

如果在电器通电的状态下（即常开触点闭合自锁状态）电网停电，则线圈1KM失电，2个常开触点的自锁解除，呈断开状态；当电网再次来电时，接触器的两个常开触点仍然处于断开状态，所以，电器并不会得电。只有在按下常开按钮1SB时，电器才会得电。

3.3 应用前景

来电自熄节能开关具有以下3个特点：①适用于所有学生宿舍；②操作简便，易使用；③避免了因忘记关灯而造成的电能浪费。

全国约有学生宿舍800万间，当寝室断电后，因学生粗心忘记关灯而造成的电能浪费巨大，因此，来电自熄节能开关应用市场潜力巨大。据相关统计，电源变压器行业是我国电子信息产业中重要的组成部份，是具有较强国际竞争力的电子行业之一，即使在全球金融危机的冲击下，电子电源行业产值仍然达到了1 061亿元，有着5%以上的增长率。

随着国家一系列宏观刺激政策的落实及全球经济趋于稳定，我国电子信息产业很快恢复了发展，电子电源行业更是借势而上。开关电源是电子电源的主要大类产品，由于其具有质量轻、小型化、输入电压范围广、功率密度/转换效率高、待机功耗小等众多种优点，发展迅速，已经取代了线性工频电源，应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等电子设备。

4 结束语

我们设计的产品结构简单、造价低、体积小、安全性高、安装方便、节约能源，较适合学校等事业单位使用。

参考文献

[1]张轶.开关电源节能技术[D].南京：南京理工大学，2012.

[2]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2001.

[3]张坤，刘萌萌，申瑞雪.限电宿舍专用节能开关的研究[J].科技创新导报，2013（20）.

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作者简介：梁平平（1985—），女，研究方向为功能纳米材料。

〔编辑：张思楠〕