引言

為了節(jié)約電力資源，各種節(jié)能的電力電子技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)日益受到重視。由此，提出了一種延時關(guān)斷的電路，通過單刀雙擲開關(guān)、雙向可控硅、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、555 定時器、光耦合雙向可控硅驅(qū)動器來實現(xiàn)。以雙向可控硅作為驅(qū)動電路，電磁干擾小，同時電路結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、成本低廉。在節(jié)省電力資源的同時保證了安全性能，因此，該電路在照明設(shè)備、家用電器和各類工業(yè)設(shè)備中均具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 驅(qū)動控制器件的選取

1. 1 雙向可控硅BT138

為了達(dá)到與電源隔離的目的，應(yīng)選用耐壓高、響應(yīng)快的雙向可控硅。B T138 是Philip s 公司推出的TO220 封裝三端雙向可控硅，耐壓600 V ,穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通電流為12 A .具有雙向?qū)憫?yīng)快的特性，能達(dá)到250 V/μs.特別適用于電機(jī)控制，工業(yè)用照明、加熱設(shè)備以及靜態(tài)開關(guān)等場合。

1. 2 光耦合雙向可控硅驅(qū)動器MOC3041

為使B T138 工作穩(wěn)定，驅(qū)動器的選擇很重要。

MOC3041 用于驅(qū)動雙向可控硅，具有簡化邏輯控制、零電壓交叉的特性，dV / dt 可達(dá)2 000 V/μs ,在溫度控制、電壓驅(qū)動和照明控制等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1. 3 雙精度單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538

CD4538 是FAIRCHILD 公司的CMOS4000系列數(shù)字IC 芯片，精度高，可進(jìn)行再觸發(fā)。它內(nèi)部含有2 個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，一個用于觸發(fā)555 定時器，另一個用于驅(qū)動MOC3041 ,通過脈沖的上升或下降沿進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)后的輸出脈沖寬度可根據(jù)需要設(shè)定。本文中CD4538 設(shè)定的參數(shù)如表1 所示。

表1 CD4538 相關(guān)參數(shù)表。

2 電路工作原理分析

延時可控電路原理如圖1 所示。K1 為單刀雙擲開關(guān)，1 和2 分別是2 個觸點；U1 是三端穩(wěn)壓器LM7815 ;U2 和U5 是整流橋；U3 和U8 分別是555定時器和雙精度單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538 ;D1 為雙向可控硅B T138 .U4 和U7 是光耦合雙向可控硅驅(qū)動器MOC3041。其中U4 用于驅(qū)動B T138 ;U6 為光電耦合器P521 .

圖1 電路原理

2. 1 電路開通階段

開關(guān)K1 置于觸點1 ,ZL 工作的同時，220 V 交流電經(jīng)過電容C4 降壓、U2 整流，輸出直流15V 電壓V CC .此時定時器U3 沒有計時，第3 管腳為低電平，觸發(fā)器U8 第11 管腳設(shè)置為下降沿觸發(fā)，此時未經(jīng)觸發(fā)，第9 管腳保持高電平，光耦合驅(qū)動器U4導(dǎo)通并驅(qū)動可控硅D1 導(dǎo)通。D1 此時導(dǎo)通可防止K1 的誤操作，若K1 在ZL 工作階段不慎被置于中點位置，ZL 可通過D1 獲得電源而繼續(xù)正常工作。

2. 2 電路延時階段

開關(guān)K1 置于觸點2 ,在K1 從觸點1 斷開的瞬間，穩(wěn)壓器U1 由電容C3 供電。K1 置于觸點2 后，交流電通過光耦合驅(qū)動器U7 ,再經(jīng)整流橋U5 整流和電容C2 濾波后，使光電耦合器U6 導(dǎo)通，觸發(fā)器U8 的第4 管腳獲得高電平觸發(fā)，U8 的第7 管腳隨之輸出低電平脈沖，通過555 定時器U3 第2 管腳使U3 被觸發(fā)，U3 第3 管腳變?yōu)楦唠娖剑訒r計時開始。

2. 3 延時結(jié)束

定時器U3 計時結(jié)束時，第3 管腳降為低電平，產(chǎn)生下降沿使觸發(fā)器U8 的第11 管腳被觸發(fā)，第9管腳輸出低電平脈沖，使光耦合驅(qū)動器U4 關(guān)斷，導(dǎo)致可控硅D1 截止，用電器ZL 、整流橋U2 和穩(wěn)壓器U1 相繼斷電，V CC供電停止，從而使耦合驅(qū)動器U7和光電耦合器U6 關(guān)斷。雙向可控硅D1 的截止使整個電路與電源實現(xiàn)了徹底隔離。

若要恢復(fù)ZL 工作，將開關(guān)K1 重新置于觸點1即可。

3 相關(guān)參數(shù)分析

3. 1 電容降壓

將交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波。文中，為簡化電路設(shè)計，提高效率，減小體積，降低成本，該電路采用電容降壓方式。圖1 中電容C4 的作用為降壓，電容的選取由所需要通過電容的電流IC 的大小決定：

經(jīng)測量，該電路電流在70 mA 左右，電容所產(chǎn)生的容抗約為3 180 Ω ,因此電容C4 取1 μF.當(dāng)220 V 的交流電壓加在電容器的兩端，雖然流過電容的電流有70 mA ,但在電容器上并不產(chǎn)生功耗，因為如果電容是一個理想電容，則流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。同時為保證C4 可靠工作， 其耐壓選擇應(yīng)大于2 倍的電源電壓。

R3 為關(guān)斷電源后電容C4 的電荷泄放電阻， 其選擇必須保證在要求的時間內(nèi)泄放掉C4 上的電荷。

用電容降壓時，必須考慮一個重要問題，就是在合上電源的瞬間，有可能是220 V 交流電的正或負(fù)半周的峰峰值，此時瞬間電流會很大，雖然該電流持續(xù)時間極短，但足以燒毀穩(wěn)壓管。解決這一問題有2 種方法，一是在電路中串聯(lián)電阻，缺點是消耗功率，二是用適當(dāng)電壓的P6 KE 瞬態(tài)抑制二極管，缺點是價格稍貴。

3. 2 延時時間

本文所介紹的電路，采用555 定時器作為延時計時器，延時時間由電位器R1 和電容C1 決定， 延長的時間TW 為：

4 仿真及實驗

4. 1 仿真波形

Multisim 提供了龐大的元件數(shù)據(jù)庫，并提供原理圖輸入接口、全部的數(shù)模Spice 仿真功能、V HDL/ Verilog 設(shè)計接口與仿真功能、FPGA/CPLD 綜合、RF 設(shè)計能力和后處理功能，特別適用于復(fù)雜電路仿真。本電路采用Multisim 建立仿真電路，其電路仿真波形如圖2 所示。

圖2a 縱坐標(biāo)為10 V/ 格，橫坐標(biāo)為100μs/ 格，由上至下兩條波形分別是：555 定時器U3 第2 管腳觸發(fā)波形；555 定時器U3 第3 管腳輸出波形。這里將觸發(fā)器U8 內(nèi)部第一個觸發(fā)器的暫態(tài)時間設(shè)定為50μs.圖2b 縱坐標(biāo)為10 V/ 格，橫坐標(biāo)為100 ms/格，由上至下2 條波形分別是：555 定時器U3 延時時間結(jié)束輸出波形；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U8 第11 管腳觸發(fā)波形。這里將U8 內(nèi)部第2 個觸發(fā)器的暫態(tài)時間設(shè)定為100 ms ,以確保光耦合驅(qū)動器U4 、可控硅D1 完全關(guān)斷。

圖2 電路觸發(fā)仿真波形

4. 2 實驗波形

用Tek TDS2014 可存儲示波器測得的輸出波形如圖3 所示，圖3a 第1 條波形為開關(guān)K1 置于觸點2 時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U8 第4 管腳觸發(fā)波形，其余波形與仿真波形為一一對應(yīng)關(guān)系（圖3a 橫坐標(biāo)為100μs/ 格，縱坐標(biāo)為10 V/ 格；圖3b 橫坐標(biāo)為100ms/ 格，縱坐標(biāo)為10 V/ 格） .由圖3 實驗輸出結(jié)果看出，電路觸發(fā)和延時與理論分析和仿真結(jié)果一致，該電路工作性能良好穩(wěn)定。

圖3 電路觸發(fā)實驗波形

5 結(jié)束語

介紹了一種應(yīng)用雙向可控硅，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和555 定時器的延時電路，通過數(shù)學(xué)分析和實驗結(jié)果得到以下結(jié)論：

a. 能耗低。電路工作時，能耗在2 W 左右。

b. 隔離。延時結(jié)束后，電路、用電器與電源完全隔離。

c. 延長時間調(diào)節(jié)范圍寬。通過調(diào)節(jié)電位器，延長時間從0 到數(shù)小時。

d. 可靠性高。由于使用了雙向可控硅，電路可達(dá)到無觸點、壽命高、電磁干擾小的效果。