摘要：在定时断电的场所往往存在来电后负载自动工作，为避免这种无效工作，本文提出了一种适用于定时断电场所的节能开关的设计，包括整流部分、开关状态检测部分、信号驱动与电路保护部分、自动断路节能部分。利用双向晶闸管在电流低于维持电流时关断的特性，使得主电路断电后电路处于断开状态。在机械开关两端电压出现从无到有或者从有到无的变化后，低功耗单片机给出高电平脉冲信号，从而实现串联的双向晶闸管不影响机械开关的正常使用，单片机程序设计休眠1S，工作100ms的工作周期，这样使得控制智能且功耗低，从而电池不需频繁更换。电路通电后，电容电感的并联谐振，使得整流桥电流通路接近于断路状态，由此达到更好的节能效果。
关键词：自动关断 双向晶闸管 低功耗 并联谐振
1引言
在定时断电的场所往往存在来电后负载自动工作，这种无效工作是对电能的浪费甚至可能会造成危险。特别是在学校宿舍，电能是高校的主要能耗，目前，高校还普遍存在忘记关灯等浪费电的现象。夜间断电，部分宿舍断电后不再断开开关，导致次日通电后顶灯无效照明，既影响了同学们的睡眠和心情，也造成了能源浪费的现象。学生宿舍楼的通断电机制让我们重新审视传统开关的功能。因此，一种适用于定时断电场所的节能开关有待于提出。
2设计
针对上述问题，本文提出一种适用于定时断电场所的节能开关。
图 1适用于定时断电场所的节能开关设计图
电路结构包括机械开关S1、整流桥T1、单片机C1、线驱动器U1A、光耦隔离器U2、双向晶闸管D1、双向晶闸管D2、电感L1等。所述机械开关一端连接220V市电的火线和整流桥T1的端口2，机械开关S1的另一端连接负载的端口1，整流桥T1的端口3连接分压电阻R4一端单片机C1的引脚1，分压电阻R4的另一端连接分压电阻R5的一端、单片机C1的引脚2和参考地GND，分压电阻R5的另一端连接整流桥T1的端口4，单片机C1的引脚3连接3.3V直流电源VCC1，3.3V直流电源VCC1由3.3V电池提供，单片机C1的引脚4连接线驱动器U1A的引脚2，单片机C1的引脚5连接线驱动器U1A的引脚1，线驱动器U1A的引脚18连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接光耦隔离器U2的引脚1，光耦隔离器U2的引脚2连接参考地GND，光耦隔离器U2的引脚4连接5V直流电源VCC2，5V直流电源VCC2由5V电池提供，光耦隔离器U2的引脚2连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接电阻R3和双向晶闸管D1的G极和双向晶闸管D2的G极，双向晶闸管D1的A1极连接负载的端口2，双向晶闸管D1的A2极连接电阻R3的另一端、220V市电的零线和电容C1的一端，电容C1的另一端连接电感L1的一端和电阻R5的一端，电感L1的另一端连接双向晶闸管D2的A2极，双向晶闸管D2的A1极连接负载的端口1和电阻R5的另一端。
3设计原理
通过机械开关两端电压的变化并利用MCU将接收到的信号用程序控制转化为脉冲输出，线驱动器消除负载效应，光电耦合器将数字电路和模拟电路隔离开，达到脉冲信号控制晶闸管。从而实现用逻辑电路控制整体电路的通断。
3.1整流部分
220V交流市电经过整流桥T1后变流为直流电，分压电阻R4取大约3V的信号电压到单片机C1上，分压电阻R4和R5的电阻值很大，使得功耗减小，并且小于双向晶闸管的维持电流，不会造成短接开关。
3.2信号驱动与电路保护部分
高电平脉冲信号经过光耦隔离器U2后进入限流电阻R2，高电平脉冲信号流入双向晶闸管A1的G极和电阻R3，电阻R3使得双向晶闸管的G极和A2极电压达到导通条件，高电平脉冲信号流入双向晶闸管A1的G极后，若主电路有电压时，双向晶闸管导通，否则，不能导通。由此实现断电后，电路自动断开，从而避免在来电后负载立即通电的浪费现象。
3.3自动断路节能部分
单片机C1通过机械开关S1两端电压由无到有或者由有到无的变化，给出高电平脉冲信号，实现串联的双向晶闸管不影响机械开关的正常使用。在双向晶闸管D1断开是，电阻R5和电容C1为整流桥T1提供电流通路，在双向晶闸管D1导通时，双向晶闸管D2也导通，此时电感值较小的电感L1接入电路，使得电容C1与电感L1造成并联谐振，使得电阻R5所处电路接近于断路状态，不消耗电能，以达到更好的节能效果。
4实现效果
适用于定时断电场所的节能开关设计如表1所示。
表 1实现效果
由此实现自动断电再来电以后，开关未操作时电路处于断路状态，从而避免在来电后负载立即通电的浪费现象。开关经人为操作后，串联的双向晶闸管不影响机械开关的正常使用。
5结束语
本文设计的适用于定时断电场所的节能开关，利用双向晶闸管在电流低于维持电流时关断的特性，使得主电路断电后电路处于断开状态，在主电路来电需人为操作机械开关后主电路才能导通，从而避免在来电后负载立即通电的浪费现象。通过低功耗单片机MSP430g2553控制双向晶闸管导通，单片机在机械开关两端电压出现从无到有或者从有到无的变化后，给出高电平脉冲信号，从而实现串联的双向晶闸管不影响机械开关的正常使用，单片机程序设计休眠1S，工作100ms的工作周期，这样使得控制智能且功耗低，从而电池不需频繁更换。电阻R5所处的整流桥电流通路在双向晶闸管D1导通后，双向晶闸管D2也随之导通，使得电感L1和电容C1并联谐振，从而电阻R5所处的整流桥电流通路接近于断路状态，由此达到更好的节能效果。因此本实用新型具有功耗低、使用方便、结构简单的特点以及良好的节能效果。
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论文作者:张文璟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
标签：晶闸管论文; 双向论文; 电路论文; 隔离器论文; 电阻论文; 单片机论文; 节能论文; 《电力设备》2018年第16期论文;