用电设备智能节电控制器的研制
2019-10-21李春辉张洪军姜平
李春辉 张洪军 姜平
摘 要： 待机不仅消耗能源、影响环境有害健康、待机还会加速电器老化缩短使用寿命，极易发生安全事故。本文从节电节能和保护用电设备的角度出发，研制开发了用电设备智能节电控制器，从而解决了电器设备待机带来的危害。
关键词：节能 ;接线板 ; 智能节电控制器
1用电设备的现状
企业的办公区、家庭的用电设备及诸多用电场所经常是多台用电设备公用一个接线板。因此，该接线板是长期处于通电状态而所带的电气设备也处于待机状态。待机是指电气设备运行状态准备完毕等待工作命令时的状态。例如电脑 待机是系统将当前状态保存于内存中然后退出系统此时电源消耗降低维持CPU、内存和硬盘最低限度的运行。按开机键可以激活系统电脑迅速从内存中调入待机前状态进入系统这是重新开机最快的方式但是系统并未真正关闭。本文目从节电节能和保护用电设备的角度出发，研制开发了用电设备智能节电控制器，从而解决了电器设备待机带来的危害。
2思路及方案实施
2.1研制思路
用电设备智能节电控制器用于控制电脑及其外部设备集中供电插排的通断，使其能够在电脑关机后10秒左右自动断电，从而避免待机耗电，延长使用寿命，确保用电安全。
2.2、研制过程
利用现有导轨式接线板连接技术，并加装了电子元器件组成的电路，通过数据线与电脑的USB插口链接。当办公结束或休息时通过系统关机程序关闭主机电源实现了自动控制接线板断电，从切断用电设备的电源确保用电设备安全。
2.3方案实施
在日常生产和检修工作中，通过改装用电设备智能节电控制器，证明了此装置的实用性：使用方便，利用率高，安全可靠，杜绝了用电设备长期待机造成的绝缘损坏，人身触电、火灾等事故;操作简单、应用广泛、使用寿命长、免维护等优点;有效的防止用电设备长期待机造成的不必要的用电损耗。
2.4工作原理
用电设备智能节电控制器，用于控制电脑及其外部设备集中供电接线板的通断，使其能够在电脑关机后10左右自动断电，从而避免待机耗电，延长使用寿命，确保用电安全。
2.5主要元件及作用
2.5.1 L、N、PE分别接市电的火线、零线、地线;
2.5.2 CZ为受控的集中供电插排，该插排用于为电脑及其外部设备供电，LED是其电源指示发光二极管;
2.5.3 无锁按钮SB仅用于集中供电插排CZ的启动;
2.5.4 电容C1-C2、二极管D1-D4、稳压二极管DW，完成降压、整流、滤波、稳压，为该控制器提供稳定的12V工作电源;
2.4.5 泄压电阻R1，与C1并联使用，用于断电后泄放C1上的殘留电压;
2.5.6 时基集成电路U1（NE555） 核心元件NE555及其外接阻容元件C3、R2：构成约10秒延时的施密特倒相器，用于使12V继电器的触点KA按照功能要求接通与断开
2.5.7 光电耦合器U2（4N25）输入端（1、2脚）经电阻R4连至电脑USB口1、4两脚输出的5V电源，用于识别电脑处于开机状态还是关机状态;输出端（6、5脚）经电阻R3，并接于电容C3两端，用于禁止或允许C3充电;
2.5.8 二极管D5用于抑制继电器KA释放时线圈产生的反向尖峰电压，进而保护U1的3脚内部电路
2.6动作详解
按下启动按钮SB后，10秒钟之内人为开启电脑，即为有效启动。接线板送电，同时U1得电工作，C3初始电压为0，所以U1的2、6脚电位为高（约12V）、3脚电位为低（约0V）。于是继电器KA线圈得电，其常开点KA闭合，接替SB形成自锁。此时即使松开按钮SB，仍可维持CZ送电。与此同时，C3开始经R2充电，使U1的2、6脚电位逐渐下降，但只要尚未达到U1的翻转阈值（12V/3 = 4V），则KA就不会释放。此间人为开启电脑后，电脑USB口输出的5V电压经R4、LED驱动光电耦合器U2，U2的5、6脚内部开关管导通，并由R3将C3上的已充电压快速泄放至接近0V而且禁止C3重新充电，从而维持接线板送电。
3制作流程
3.1.确定结构
本成果采用一体化结构。选用带漏电保护器的插排作为集中控制插排CZ，将该插排上的漏电保护器拆掉，利用腾出的空间，安装本控制器，并配以适当的面板。
3.2.裁板
根据所选插排中原漏电保护器空出空间，确定电路板形状和具体尺寸，然后用密齿钢锯将洞洞板裁成合适大小，并砂光边缘毛刺，打好安装定位孔。
3.3.生成PCB板图
因元件较少，无需借助软件设计，可节省时间。具体方法是：根据和元器件的引脚分布和实物尺寸，在已裁好的洞洞板边缘所限定的范围内，按照原理图要求，在英制方格坐标纸上布局、试连线。反复数次，直至满意。与原理图核对无误后，作为正式的PCB板图。
3.4.插件、焊脚
按PCB板图，将元件插在洞洞板正面的相应位置，并在背面焊牢该元件的一只引脚，对照PCB板图确认位置无误后，再焊该元件的其它引脚。按此方法插、焊其它剩余元件。
3.5连线
洞洞板上各元件引脚之间的连接线，选用0.5mm电话跳线的芯线。其优点是线径适中、易成型、好上锡、取材方便。
3.6.连接外引导线
本控制器进线、出线选用4mm2多股软线，火线为棕色、零线为蓝色、地线为黄绿双色。
3.7.插排上原有的电源开关改制成无锁按钮
在原电源开关的颈部，套上长短、粗细合适的硬质塑料套管，以便限制原开关下压行程，并保证下压时接触良好，松手后弹回原位。
3.8检查、试电
3.8.1 对照PCB板图及原理图，反复仔细检查焊好的电路板有无错焊、漏焊、虚焊。
3.8.2确认无误后，开机试电。依次检查无效启动、有效启动、关机10秒自动断电功能。
3.9整体组装
确认功能正常后，正式连线，将电路板安装在插排内既定位置，最后上好插排外部螺丝。再次试电，无误后即可正式使用。
4应用效果
当无人值守的变配电所、检修现场、办公区、车间等用电场所工作结束后或休息时通过系统关机程序关闭主机电源实现了自动控制接线板断电，从切断用电设备的电源确保用电设备安全。从而解决了电器设备待机带来的危害。
3.1社会效益：我们办公用电设备、试验用的仪器、仪表在长期待机通电的情况下产生的热量是促使设备绝缘老化的主要原因，每年绝缘老化而导致设备返厂维修率很高。
3.2经济效益：以前设备损坏，每年仪器维修费、运输费、人工费大约是3-5万元，使用用电设备智能节电控制器后大大提高了用电设备的使用寿命。现在每年可节省3-5万元维修费用。
5结束语
本成果除用于办公室电脑及其外部设备的节能和安全用电，同样也适用于家用电脑。对于电视、音响等，只要合理设计其开机状态传感电路，本成果也可移植应用。改装用电设备智能节电控制器后的导轨式接线端子凭借寿命长使用方便等优势在自动控制领域得到广泛应用
参考文献
1、阎石主编《数字电路技术基础》（第五版第十章），高等教育出版社。
作者简介：
李春辉，大庆油田有限责任公司第一采油厂培训中心，变电检修高级技师，从事变电所运行维护、维修工作。
张洪军，大庆油田有限责任公司第十采油厂第四油矿朝六联合站，维修电工高级技师，专长可编程控制器、触摸屏、组态软件、单片机编程，电子电路设计、自动化仪表维修维护，变频器维修。
姜平，大庆油田有限责任公司第一采油厂第二油矿生产准备队，维修电工高级技师，从事电机控制、节能方面的工作。
