遥控电器零功耗待机技术设计说明书

1、遥控电器零功耗待机技术设计说明书（节能减排大赛科技竞赛国家一等奖）设计者：游杰，段琪，蒋薇，宋涛，白坚实，徐兢浩，林轩池指导教师：杨国田（华北电力大学控制与计算机工程学院，北京市 102206）作品内容简介随着遥控家电电器的保有量剧增，电器待机能的浪费问题凸显出来，已为国际社会普遍关注。降低家用电器待机能耗，对于节能减排、节能家庭用电开支具有重要意义。作品通过分析家电待机功耗的来源，研究降低或消除待机功耗的途径，找到了解决待机功耗问题的方法。开机时，采用触发源触发电路，由交流电路为开启动作提供能量，不需内部直流源。待机时，利用信号补充交流关机电路，切断遥控板及主机的交流电连接，回归零功耗待机。

2、作品已设计出分离遥控开启功能的零功耗待机方案，并制作了无内置电源实物模型，能实现零功耗待机时遥控开启负载（交流开机），有功待机时正常直流开关机，以及遥控交流关机全过程，达到了预期的待机的零功耗。关键词：零功耗 待机功耗 多级触发 无内置联系人：杨国田 联系电话： E-mail: 1 研制背景及意义能源是经济发展的血脉。进入21世纪，能源消耗比重的不断增大严重制约着全球经济的发展速度。而作为能源重要形式的电能，在全球各个领域均居首要地位，全球各国纷纷采取节电措施，最大限度的利用电能、节约电能。我国是一个电力资源严重不足的国家。自2002年以来，国内供电形势一直比较紧张，电量缺口很大。进入2004

3、年以后，电力供应形势更加严峻，出现了24省区拉闸限电的局面。仅2005年的前五个月，华东电网拉闸限电总量就超过56亿kWh，高峰电力缺口达到1800万千瓦，占最高需要量的20%。随着电力的普及，即便接近亚洲市场的平均电力使用水平，也都会使中国的电力市场不堪重负。“待机能耗”是指具有待机功能的电器设备在不使用的时候，没有断开电源所发生的电能消耗。具有待机能耗的电器设备主要有空调、电脑与通讯系统(包括电脑主机、显示屏、电脑音响、打印机、扫描仪、充电器、路由器等)、家庭视频与音频系统(包括电视机、DVD、VCD、音响、功放、机顶盒、卫星接收器等)。为了避免频繁插拔电器插头的麻烦，或是为了保存对电器使

4、用状态的设置，许多用户很习惯地采用不断开电源而仅用遥控器方便地闭合电器，使电器非使用期间长期处于待机状态。待机功能在为居民用户提供便利的同时，也造成了大量的能源浪费。随着我国电器的使用量与日俱增，一直并不为人重视的电器待机耗能的浪费问题也日益突现出来。据中国节能产品认证中心调查发现，待机能耗已占民用电力消耗的3%-13%，家电待机能耗占家庭电力消耗的10%左右，各种家电产品的平均待机能耗为15-30瓦之间。北京市的调查结果指出，北京300多万户居民家庭每年仅待机能耗一项就需多支付1.8亿元，如果算上企事业单位的待机能耗，数字则更为惊人。据上海电力公司近期组织的一项调查显示，该市空调、家庭视频与

5、音频系统、电脑与通讯系统这三类主要家用电器的待机能耗总量约为7亿千瓦时，如果平均每发电1千瓦时，需要消耗468克原煤，那么将白白浪费30多万吨原煤。每年7亿千瓦时的待机能耗，直接造成消费者约3亿元电费支出的浪费。“待机能耗”问题眼下已为国际社会普遍关注，降低家用电器待机能耗，不仅可为消费者节省用电开支，对缓解日趋紧张的能源压力也有积极作用。2 设计思路受声光控路灯的启发，我们提出了分离遥控开启与普通遥控功能的设想设计简单的电路单独实现遥控开启的功能，通过触发源触发电路，继而由交流电电路为开启动作提供所需能量，不需内部提供直流源。仅仅依靠外部的触发能量不足以驱动继电器执行动作，而内部又不提供直流

6、电源，要实现“蚍蜉撼大树”的效果，必须对触发能量进行放大。我们想到了“滚雪球”，触发能量好比雪球开始滚动时原始的核心，通过不断累积外部的能量最终达到可以驱动继电器的程度。“滚雪球”的过程要利用外部能量，但在平时又要保持不消耗能量，经过查阅资料，我们决定用场效应管配合三极管的方案来实现。对于触发电路，我们认为，如果要用外置电源来直接提供触发电压，就要求一定有长时间待机的某种电源了，与我们的设计理念相违背。出于这种分析，我们设计了一种外部提供小电压的设备来触发。在现有的无线传输能量的方式中光电池技术相对成熟，于是我们提出了光电池提供触发电压来提供这部分电能，再通过导通放大装置来启动电路的方案。对于

7、触发、关断的控制开关，我们曾经设想几个装置方案：继电器、IGBT还有双向可控硅等，通过调试我们发现IGBT不够稳定，对控制电路所需求的保护性太高。最终选择用继电器是因为我们多次调试之后发现了一种磁保持的继电器（冲击继电器），就是能在开、关互相独立的可以通过磁性装置保持状态的逻辑开关。这种装置的使用使得触发电路与负载保持着独立且上下控制的关系。最后当我们实现了零功耗待机的开启，对实验过程中的不便也已深有体会，那就是每次遥控开启后要想恢复零功耗待机都必须用5V电源去把继电器重置为切断状态。要是实际使用中，这意味着能遥控开启却不能遥控关闭，这是使用者所不愿接受的。同时遥控交流关机不能取代待机模块工作

8、时的直流关机，因此我们结合遥控板上单片机的引脚特性设计了交流关机电路来实现遥控关闭，提高了使用舒适度。3 研究过程和方法3.1 实验原理此项目的研究对象“待机能耗”主要指遥控类家电的待机能耗，目标是以保持该类家电的遥控开启功能为前提条件实现零功耗待机。遥控类电器在待机时一般为主机断电而遥控待机模块工作，遥控待机模块工作所需的低压直流电源由220V交流电变压整流而来 ，所以说遥控待机模块的耗能和变压器的转换损失两部分构成了待机功耗。在此之前，关于“零功耗待机”已有大量的研究，以下是其中“零功耗待机”的几种典型可行方案：方案一：充电电池供电遥控接收电路和电磁继电器线包的导电控制端分别于解码触发电路

9、的输入、输出端电连接；电磁继电器的常开触点串接于家用电器与交流市电之间；充电电池向遥控接收电路和解码触发电路供电，充电电池经直流低压电源与电磁继电器常开触点连接的家用电器的一端相连。方案二：一次性电池供电这是曙光公司研制的零功耗待机技术，基于非交流电源的待机技术。其核心是一种微功耗待机电源控制集成电路。该技术使用小容量、一次性长寿命电池在家电安全使用期限内长期支持待机而不用换电池。待机时能够物理切断交流电源，而且能够遥控器再次启动。方案三：太阳能电池板和储能电容利用太阳能电池板和储能电容，当家电部工作时，待机系统检测家电消耗电流，当电流低于设定值时，待机系统判断家电已经待机主电源自动切断，电容

10、器存储了足够的电荷供待机使用，太阳能电池板提供了支持最多5天的能量以维持交流电零功耗。之后用户需要按电源开关，关闭待机模式。通过分析可以了解先前的方案都考虑到了遥控待机模块的耗能和变压器的转换损失两方面，这些方案的思路集中在优化待机模块的功耗水平，达到低功耗或极低功耗待机，然后考虑待机模块的能量供给，主要有电容、一次性电池、充电电池、太阳能电池等。遥控待机模块电路构成比较复杂，电路规模决定了电路的功耗，进一步优化电路是十分困难而有限的。而且从模块的能量供给方面考虑，一次性电池本身是电源，充电电池和电容在其他时刻要补回待机时所需的电能，太阳能电池作为供电源从经济和环保角度上都有欠缺， 上述方案从

11、本质上说还是在待机时变相地耗能了。要实现待机时不变相耗能就必须放弃这个思路，寻求新的解决方案。受声光控路灯的启发，我们提出了分离遥控开启与普通遥控功能的设想设计简单的电路单独实现遥控开启的功能，通过触发源触发电路，继而由交流电电路开启动作提供所需能量，不需内部提供直流源。电路原理如图1所示图 1 遥控开启电路Port端连触发接收模块当Port端的电压达到场效应管门限电压即可通过二级触发使K1导通电路。工作原理如2所示图 2 遥控开启原理图电视机是最普遍的遥控类家电，因此在实验中以电视机为实验对象，同时为了改装方便和安全，只取电视机的遥控板进行实验，如图3所示。图 3 电视机遥控板图中绿色元件为

12、遥控板控制主机（负载）开关的继电器，插头为遥控板供电端，插座为遥控板负载端电视机主机只作为负载，同样为了安全，我们用一盏台灯来代替主机充当负载（主机）考虑到使用者的方便，需要实现遥控交流关机功能。我们利用原遥控板上单片机的信号补充了交流关机电路，能实现遥控物理切断遥控板及主机的交流电连接，回归零功耗待机。图4为交流关机原理图：417图 4 交流关机电路图中7、41两引脚分别连遥控板上单片机的引脚。当遥控器短按关机时，41、7引脚分别为1、0，继电器不动作。当遥控器长按关机时，41、7引脚分别为1、1，继电器动作。遥控开启电路、电视机遥控板和交流关机电路构成了零功耗待机控制电路，此外需要相关的其

13、他部分一起组成完整的实验模型。我们需要获得各部分的功率消耗数据，因此将整个电路都从数字功率计连出。分别记录电路在零功耗待机时功率Pa，电视机遥控板待机时功率Pb，负载（主机）运行时的功率Pc，就可得出遥控开启电路待机功率P1=Pa，电视机遥控板待机时功率P2=Pb-P1，负载（主机）功率P3=Pc-P2另外由于遥控开启电路导通极快而功率计变化滞后，我们通过持续触发来获得遥控开启电路的工作功率P4这几个模块的连接关系如下 数字功率计交流关机模块触发发射源 遥控发射装置遥控开启模块触发接受模块一级开关动作模块(主机)负载电视机遥控板遥控信号接收模块二级开关动作模块220V信号电能图 Error!

14、Main Document Only. 模块关系图图1和图4中的继电器对应图5中的一级动作模块。为了实现一级开关动作模块状态维持不消耗能量,次模块采用零保持功耗继电器。零保持功耗继电器具有双稳态特性，即动作执行后不再需要耗能维持状态。图5中二级开关动作模块为图3中电视机遥控板上继电器。3.2 实验步骤及实验现象按照原理图搭建实物模型数字功率计 (主机)负载 遥控信号接受模块 图 6 实物模型 触发接受模块 遥控器遥控发射装置 小手电触发发射源 功率表自身功率是0.3W以内，所以功率表示数会在0到0.2W之间跳动。插上插头，功率表示数无变化，证明负载不耗电此时处于零功耗状态。我们用10W的台灯模

15、拟(主机)负载；黄色盒子内是光电池；中间为普通的电视遥控接收装置；白色盒子装的是零功耗实现装置；其左边是功率表。左上角功率表显示过程同步示数我们用小手电作为触发发射源，触发光电池，使装置导通。导通的瞬间，功率表显示的20.8W中10W为台灯功率，1.6W为遥控接收装置功率，9.2W为零功耗实现装置触发瞬间功耗。当手电筒触发完毕后，零功耗实现装置不再耗电。可以用遥控器短按实现正常的控制。此时1.8W为遥控接收装置耗电，这是正常情况下待机时的必要耗电，也就是我们加入零功耗待机装置后待机状态节约的用电量。短按可以实现正常遥控，长按开关键3秒，触发零功耗实现装置，关断系统，恢复零功耗待机状态4 结果与

16、分析根据对北京、广州的168户家庭使用电视机的待机能耗指标测量，电视机的待机能耗平均水平为8.07W。若以此作为家庭电视待机功率,电视一天待机约16小时，单台每年耗电量为： （8.07/1000）*16 *365=47.13度而通过这个方案，设备待机时零功耗，只有在每次开关短时间内有 9.2w的功率，开关时间短于1秒，手电筒的功率为0.8w ，单次开关机消耗的电能为： （10+0.8+10）*1/3600/1000=0.0000053度 假设使用方式为一天开关电视机5次，全年单台电视待机总耗电量预期为： 0.0000053*5*3650.0097度单台电视年节约耗电： 47.13-0.0097

17、47度中国电视机拥有量超过4亿台(2009.10.24) 假设一半的电视（按2亿计）每天待机 我国每年电视待机总共的耗电量为： 4×47.13÷294.26 亿度年节约耗电：94.260.0097×494亿度我国火电厂年平均发电量为40亿千瓦时，如果普及我们的成果，那么我国每年至少可以省出两个大型火力发电厂发出的全部电量 。这个方案同样适用于其他遥控类家电，也可增加外置遥控模块作为独立遥控插座来给非遥控类家电使用。从网上查得各种家电待机功耗：电视机、一般5-10，个别节能性的3-5W空调、一般10WPC主机、一般5-10W，个别3-5W电脑显示器、同上音响功放、晶

18、体管、集成电路的10W，电子管的50W打印机、10W左右，节能型3-5W洗衣机、待机10-15W微波炉、待机10W左右抽油烟机、2-5WDVD、5-10WVCD、5-10W电热水器、5-10 W电风扇、非遥控的0，遥控的5W左右电磁炉、机械式0，电子式5-10W要是这些家电的待机功耗都节约下来，将是一笔很大的数目。另据中国家用电器研究院的调查：目前，我国城市家庭的平均待机能耗相当于这些家庭每天在使用一盏15-30W的电灯，待机能耗占中国家庭电力消耗的10%。也证实了这一点。5 总结与展望该方案在以下几个方面富有创新：1、从生活中的常见问题出发，考虑了实际使用者的感受；2、跳出了单一减低家电待机待机（信号接