基于分立元件的触摸延时开关电路设计

Word基于分立元件的触摸延时开关电路设计

【任务】多层住宅的楼道的照明灯通常会使用延时开关控制，即过客触摸一下开关，灯会亮一段时间，随后自动关闭。这种设计一方面方便行人在合理的时间内安全通过楼道，另一方面可节约能源。下面尝试使用分立器件设计这个触摸延时（开关电路）。

【构思】设计的起点当然是单刀单掷开关控制的照明灯，如下图所示：

现在的目标是设计一个延时断电的（电子）开关代替上面的（机械）开关式SW。因为延时触发电路总要用到三极管之内的器件，因此整个电路必须提供直流电压，为了充分利用交流正弦波的正负波形，我们自然想到使用桥堆（也可以使用四个分立的（二极管）1N4007搭建）整流滤波得到直流电压。由于触发电路需要的直流电压通常小于12V，我们必须给220V降压到12/1.414~12/1.2V，即8~10V（取平均值9V）。为了节约成本，尽量使开关紧凑小巧，不使用变压器降压，而使用照明灯本身LAMP来降压（由于市电的波动，通常在200~250V之间，桥堆分掉的9V电压几乎不会影响灯的照明亮度）。于是，我们可将桥堆的输入端与照明灯LAMP串联：

上面的电路并没有形成有效的通路，LAMP不会亮。但是，我们想到可控硅是可触发保持的器件，可以利用单向可控硅实现两个功能：一、接收延时触发（信号）；二、给LAMP提供通路。

对上图略加说明：当可控硅触发导通时，220V交流电无论正波还是负波都可通过桥堆BR和可控硅U1对照明灯LAMP供电，顺便提一下，桥堆的交流输入端分得一个小电压（比如9V），大部分（电流）供给照明灯LAMP。

最简单的延时电路当然是RC电路，而且这个RC延时电路还可担负起对整流脉动的滤波的责任。为使延时足够（比如2分钟），RC电路的电阻可尽量取大些（也不可太大，须知阻值太大或太小都容易损坏），不妨取1MΩ。因为须延时2分钟，即RC=2*60=120s，于是C=120/1=120uF（由于电解（电容）的误差高达±15~±20%，可取标准系列的100uF）:

上面的电路，只要接通220V市电，电容C1就会被充电，直至充饱。此时我们要保证灯不会自亮，我们可以通过一个NPN管将可控硅的触发端“钳制”在低电平，从而使可控硅阴阳极之间截止，照明灯不会亮。使NPN管导通的高电平可由电容C1持续提供：

注意：上图中的R2是为了防止因Q1的导通而使桥堆输出对地短路。

接下来，我们要要实现触摸“点”亮照明灯LAMP的功能，这必然要使可控硅的门极得到高电平，于是须使Q1截止，于是须使C1正端为低电平，这使我们想到增加一个三极管。为减少元件种类，依然使用与Q1同型号的管子吧：

注意：上图中的R3是为了使C1在对导通后的Q2放电时不至于击穿PN结。

人体总带有静电，当人用手触摸别的物体尤其是金属导体时，会迁移电荷形成电流。我们可利用这种现象来构建触发Q2导通的电路。为了保证不触摸时Q2截止，Q2的基极须接一个下拉电阻，为限制人体静电对Q2的瞬态冲击，须给Q2的基极接一个上拉电阻。显然触摸金属片接在上拉电阻的一端：

楼道黑灯瞎火，如果没有指示，可能连触摸开关在哪儿都找不到。因此，必须增加LED指示电路：

至此，电路的构思完毕，在逻辑上可实现设计要求的功能。接下来进行必要的元件选型及参数计算。

【计算】已定桥堆输出电压为12V，又假定Q1、Q2都采用TO-92封装的S9014管，可预先筛选出放大倍数为100的管子，而该型管的最大集电极电流Icm=100mA，为安全起见，我们只用一半电流即50mA，于是R2=12/0.5=24k。同样地（注意C1平时的电压为12V），R3也为24k。

R4、R5的确定比较复杂，应根据大量触摸实验来确定它们的值。

假定LED工作电压为2V，工作电流为5mA。R6=(12-2)/5=2k。

桥堆可采用1N4007管来构建。

假定照明灯的功率为40W，功率因数为0.8，经过可控硅的电流与照明灯的电流相等，约为40/(220*0.8)=227mA。查询可控