按钮控制的节能灯电路的设计

刘艳萍

(山西职业技术学院,山西 太原 030006)

引言

近几年,随着电子技术的迅速发展,各种各样的电子产品层出不穷,许多节能灯也应用于人们的生活中,而节能灯的核心部分是延时电路,如何利用各种分立元件构成延时电路是设计的关键,本文将采用不同器件、不同方法来设计按钮控制的节能灯电路。

1 电路结构及实现的现象

该电路由主回路和控制回路两部分构成。考虑到实验室安全问题,主回路用18V交流电模拟实际中的220V交流电。主回路由18V的交流电源、灯泡和可控开关构成,控制回路中要有延时电路。电路上电后按下按钮,灯泡随即点亮;过一会儿,灯泡自动熄灭,这样做到了延时节能,这就是该电路要实现的实验现象。

2 电路的几种设计方案

2.1 核心器件为三极管的设计方案

这里,可控开关选取额定电压为+12V的直流继电器,主回路中接其常开触点。设想继电器的吸合要由一个开关控制:开关闭合,继电器的金属片与线圈吸合,灯亮;开关断开,继电器的金属片与线圈断开,灯灭。该开关可采用三极管9013(1)如图1所示。三极管导通时灯泡亮,截止时灯泡灭。假设三极管断开了,在断开瞬间,继电器的线圈KA中会产生很高的感应电动势,加在9013(1)的集电极电压很高,这样会把三极管烧坏,所以要在线圈KA两端并联一个二极管4148来保护三极管9013(1)。

考虑到灯泡亮时,三极管9013(1)需要饱和导通,即管口压降接近于0V[1],所以要想办法调试合适的偏置电阻。这里继电器线圈作为9013(1)的集电极电阻是一定的,只能通过改变9013(1)的基极电阻使其达到饱和。实验过程中不断调试基极电阻RB,最后确定RB应小于68k,具体取值如电路图1所示,RB=47k+10k。

延时电路可利用电容器的充放电构成,按钮并接在电容器的两端。延长时间的长短取决于电容和电阻的取值,这里取C=470μF,R=100k。怎样才能把延时电路与继电器下面的三极管电路联系到一起呢?

设计的思路是在按下按钮时,电容器开始充电,同时三极管9013(1)饱和导通,继电器的金属片与线圈吸合,灯泡亮;过一会儿,电容器充电到一定程度,三极管9013(1)截止,继电器的金属片与线圈断开,灯泡灭。因此,可在47k电阻下面接一个可控开关,灯泡亮时它断开,灯泡灭时它闭合,这个开关同样可选用三极管9013(2)。

当电容器充电到一定程度时,三极管9013(2)需要导通,即基极电流很大,那么在电容器和三极管9013(2)的基极之间可反接一个稳压二极管。因为电容器两端的电压达到一定值(接近稳定电压值)时,稳压二极管会反向击穿,较大的电流流过9013(2)的基极,9013(2)必饱和导通。+12V的直流电源流过47k电阻的电流大多流经三极管9013(2),而几乎没有电流流经10k电阻,所以这时9013(1)的基极电流极小,它处于截止状态,继电器的金属片与线圈断开,灯泡是灭的。这个电路中,两个三极管9013均作为开关来用,且它们总是处于互补的状态,一个导通,一个截止。

设计出的完整电路如图1所示。将万用表放于电容器两端,观察实验现象。电路一上电,灯泡亮了,等灯泡灭后按下按钮,灯又亮,过一会儿,当电容器两端电压充到大约6V时灯泡熄灭,做到了延时节能。整个延时过程中,按下按钮的瞬间电容器快速放电,灯泡亮的过程就是电容器在充电的过程。该电路虽然实现了延时,但是一上电灯泡总是亮的,如何才能实现电路上电时灯泡不亮呢?

图1 按钮控制的节能灯电路a

2.2 核心器件为集成运放的设计方案

图1所示的电路主要采用三极管来完成,虽然实现了按钮控制和延时节能,但是还存在一些缺点。其一,电路一上电,灯就亮了,只能等到过一会儿灯灭后再用按钮控制;其二,电容器充电的电阻取值(100k)受到了限制,该电阻不能太大,否则9013(2)在稳压二极管击穿时,会因其基极电流太小而不能导通;其三,该电路并未做到真正节能,因为无论灯泡亮还是灭,+12V直流电源都在供电。

为了克服以上几个缺点,可采用集成运算放大器LM358[2]来设计。主回路的可控开关还选取额定电压为+12V的直流继电器,主回路还接一组常开触点。二极管4007接在集成运放的输出端,既能使输出电压稍降一下,又能在三极管9013击穿时保护集成运放。初步设计出电路如图2所示。

在这个电路中,按钮同样并联在电容两端,这时电容器上面的电阻取值(470k)不受限制,克服了图1电路的第二个缺点。但是其余两个缺点仍然存在,很显然按钮接在电容器两端并不合适。

图2 按钮控制的节能灯电路b

从节能的角度考虑,按钮应直接接在直流电源上,同时将继电器的另一组触点利用起来。如图3所示,触点A、B并联在按钮两端构成了自锁电路。按下按钮,触点A、B闭合,电容器开始充电,集成运放输出高电平,9013饱和导通,继电器的金属片和线圈吸合,触点常开变常闭,灯亮;放开按钮,触点A、B仍然闭合,控制回路得电,电容器继续充电,当充到两端电压大于同向端电压时,集成运放输出低电平,9013截止断开,继电器的金属片和线圈断开,触点断开,灯灭。这样,在灯亮时直流电源供电,灯灭时不供电,真正做到了节能,而且电路一上电,灯泡是不会亮的,从而克服了图1电路的另两个缺点。

此外,图3所示的电路中还接上了发光二极管,它既能作为直流电源的指示灯,又能为电容器迅速放电提供便捷的路径,因为电容器会通过二极管4007和发光二极管来迅速放电。

图3 按钮控制的节能灯电路c

2.3 核心器件为单结晶体管的设计方案

除以上两种设计方案外,还可利用单结晶体管来设计,电路如图4所示。

单结晶体管[3]又称双基极二极管,内部只有一个PN结,其特点是两个基极之间有两个等效电阻分压,而阻值RB1是可变的。管子加上一定的基极电压,发射极电位UE从0开始增大,当小于B1点电位时,PN结反偏;当UE再增大,大于B1点电位时,PN结正偏,发射极电流显著增大,阻值RB1急剧减小。

在图4电路中,按下按钮时,控制回路得电,指示灯亮,电容器通过100k电阻和发光二极管这条支路快速放电并开始充电,三极管9013(2)截止,9013(1)导通,继电器线圈和金属片吸合,右边的触点闭合,灯泡亮;放手后控制回路仍旧得电,当电容器充电到一定值时,单结晶体管中的PN结导通,其电流显著增大,阻值RB1急剧减小,流入9013(2)的基极电流较大,9013(2)饱和导通,9013(1)截止,灯泡灭。 这样同样做到了延时节能。

这种设计方案也采用了自锁电路,设置了电源指示灯,也克服了图1电路中所存在的三个缺点,也是比较合理的。

图4 按钮控制的节能灯电路d

3 结束语

文章阐述了三种“按钮控制的节能灯电路”的设计方案,这三种方案分别采用三极管、集成运放和单结晶体管这三种器件作为电路的核心器件,一步步改进电路的缺陷,最终设计出功能较完善合理的电路。在实际生活中,节能灯用得较多的是楼道里的声光控节能灯,而无论是声光控节能灯还是按钮控制的节能灯,设计的关键部分都是延时电路,因此文中电路的设计为声光控节能灯的设计奠定了基础,而声光控节能灯的设计又可以作为按钮控制的节能灯电路的一个很好的延伸和拓展。