1、 本 科 毕 业 设 计 交流电网自动分路器设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 本文研究的交流电网自动分路器是针对我国在居民照明上存在亮度与能耗的矛盾而开发的基于计数器的新型节能自动分路器。市面上的一般数码分段开 关大多采用继电器、稳压器、触发器等器件组成。这种分路器可控制的照明状态少，由于内部元器件较大，导致分路器的整体结构很大，安装所需占用的空间比较大，对使用者造成了不便。设计一个交流电网自动分路器电路不仅需要保留一般数码分段器的功能，还要尽量降低它的体积。因此，本分路器由十进制计数 /脉冲分配器、双向可控硅、电容降压式半波
2、整流稳压电路、短暂延时电路组成。其中十进制计数 /脉冲分配器的电源是由市电压 220V 通过电容、二极管、稳压管等组成的电容降压式半波整流稳压电路提供。这种分路器控制照明状态较多，由于没有使用较大的元 器件，因此整体的结构较小，自身功耗低，符合当今社会节能的要求，可广泛用于多灯泡吊灯以及对照明亮度较高但又不能太浪费电能的的场合。 关键词： 计数器；分路器；无触点开关 II Abstract In this paper, this automatic AC power distributor which is for lighting on the residents of the bright
3、ness and the energy consumption is based on new energy-saving automatic distributor counter. The digital section switches in the market consists of relays, voltage stabilizer, and composition. This kind of distributors control less lighting condition, due to the larger internal components, resulting
4、 in the overall structure of the distributor is larger; the space occupying installation required is larger. Designing an automatic AC power distributor not only needs to keep the general function of the digital segment control, but also tries to reduce its volume.The distributor is made of splitter
5、/pulse count, some bidirectional thyristors, a capacitance step-down type half wave voltage circuit and a short delay rectifier circuit component. The circuit which is made of capacitors, diodes, capacitors and other components provides for the decimal count/pulse distributor of power. This kind of
6、optical distributor control more lighting condition, without using a larger overall structure of the components so small, their low power consumption, conforming to the requirement in todays society energy-saving bulb. The distributor can be widely used in many bright droplights and the situation wh
7、ere controlling bright degree taller but not too waste of the energy. Keywords: counter； distributor； Non-contact switch III 目录 前言 . 1 第 1 章 开关功能的演变及种类 . 2 1.1 开关功能的演变 . 2 1.2 延时开关 . 3 1.3 智能开关 . 4 1.4 光电开关 . 4 1.5 接 近开关 . 5 1.6 数码分段开关 . 5 1.6.1 数码分段开关的工作流程 . 5 1.6.2 数码分段开关实物内部结构 . 6 第 2 章 交流电网自动分路器
8、的设计和实现 . 8 2.1 课题来源及设计目标 . 8 2.2 设计方案 . 8 2.3 控制电路的设计 . 9 2.4 控制电路的电源保持电路的设计 . 11 2.5 电容限流型供电电路设计 . 11 2.6 灯具通断控制电路设计 . 12 2.7 总电路图及工作步骤 . 13 第 3 章 交流电网自动分路器的制作 . 15 3.1 PCB 布局方案 . 15 3.1.1 元件布局原则 . 15 3.1.2 布线原则 . 15 3.1.3 总体布局思想 . 15 3.2 PCB 图 . 15 3.3 制板过程 . 16 3.4 交流电网自动分路器电路板的焊接 . 16 IV 第 4 章 交
9、流电网自动分路器的调试 . 18 4.1 调试以及解决问题 . 18 4.2 使用方法说明 . 18 4.3 负载功率的限制 . 19 4.4 自身功耗 . 19 小结 . 20 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 21 附录： . 22 1 前言 随着大批灯具在现代社会中的广泛运用，灯具的控制方式越来越多。但是肯定灯具控制方式在灯具上的作用的同时，也注意到灯具控制方式也存在一些重要的缺陷：声控开关容易受环境噪声的影响，到了白天经常受到声音而点亮，节能 效果不是很好；无线开关虽然可以通过多组按钮的组合来控制某部分灯具发光，从而达到对使用者所需的亮度要求，但是附加设备较多，价格也较高。
10、再加上居民照明用电量得大大增加，加剧了我国日趋紧张的能源供需矛盾。随着国家“节能法”的颁布实施和我国继“十一五”之后的 “十二五”规划的要求，节约能源已纳入社会可持续发展战略的重要内容，利在当代，功在千秋 12。 21 世纪是信息发展的时代，各种产品不断涌现出来。如 LCD 节能灯，钠灯，汞灯等产品更新速度之快，性价比越来越低。开关作为灯具亮灭的主要控制装备也经历了 20 多年的风风雨雨，从最初的拉线式开关，到指压式开关，到大翘板式开关，到钢架开关，到现在智能开关。开关的外形变得更加的美观，实用性越来越受到人们的青睐。开关的应用范围很广，涉及到各行各业，可以这么说有电的地方，或多或少都有它的踪
11、影，可见它发挥着举足亲重的作用。 早期人们为了省电，灯具亮度都不高，随着人们生活水平的提高，灯具越来越多，亮度越来越高，能耗越来越大，有时存在大量的能量浪费，需要考虑和采用节能手段。例如房间照明灯如果太暗时，可以通过同一个开关的按键次数来增加别的灯的亮的盏数，而不用走到另一个开关处通过闭 合另外的开关控制别的灯亮暗；或者房间照明灯如果太亮时，同样可以通过同一开关的按键次数来熄灭部分亮灯，而不是需要换小功率的灯泡儿降低亮度。然而现有的开关不能发挥这个功能，市面上这样的开关也相对较少。因此，我们提出了交流电网自动分路器的设计及研究，本文先介绍了开关的发展历史，各类开关的工作原理，再通过对开关有所了
12、解的基础上提出交流电网自动分路器的设计思路、设计方案。本次设计的交流电网自动分路器可以在实际生活中与一般的开关连用，通过同一开关闭合和断开来控制不同分路上灯的亮灭，减少了照明灯的能源浪费。 2 第 1 章 开关功能的演变及种类 1.1 开关功能的演变 1880 年，随着爱迪生发明的电灯的第一缕光的照亮，翻开了开关发展历史篇章的第一页。不久，德国电气工程师奥古斯塔，劳西 (ROS,August)进一步提出了电气开关的概念，开关技术得到了进一步的发展。早期，开关插座生产厂家主要集中在美国和欧洲的发达国家。当时国外的电气公司发展很快、技术很先进、规模很大，像美国通用电气公司、 ABB、施耐德等老牌电
13、气公司成为世界代表。 而中国家用电灯开关生产历史则可以追溯至 1913 年美国通用电气公司在 上海成立公司。 1914 年，钱镛森在上海创办钱镛记电业机械厂，中国人开始自己兴办电气事业： 1916年，国内开始生产电器开关产品 ;1919 年，我国开始仿制一些美式开关。 在 1949 年前，中国生产开关插座的厂家很少并且很小。在插座方面，厂家主要生产日光灯座、插头、两用插座、三相插座等产品，而开关产品则主要是卧轮式拉线开关、平开关等拉线式开关。第一代拉线式开关用的是机电技术和齿轮机械运动的原理，拉动即开，再拉即关，这是一种简单的电源开关控制，这些开关大都简单而且比较廉价。 八十年代，我国墙壁开关
14、插座行业 进入发展的新时代，相继形成了以温州和广东为主的中国开关插座生产基地。到了 80 年代中后期，随着国内经济技术的发展，第一代开关逐渐被淘汰。 接着，就进入了第二代开关 指压式开关的时代，这类型开关运用的是机电技术和电子技术原理。与拉线式开关相比，这种电工产品不需要拉线，只需镶嵌在墙壁上，这样便增加了房屋的整体协调与美观感受。同时，这种开关采用的按键设计也比较耐用。第二代开关流行了 10 年左右，但随着生活水平的不断提高，国人对开关的要求也逐步提高，第三代开关开始进入市场。 第三代开关是大翘板式开关，大翘 板开关与指压式开关依据相同的设计原理，只是在外形和工艺上寻求突破，增强了产品的外观
15、装饰性和操作多样性。它们与装修设计潮流共同升级，比如大部分大翘板开关都采用了夜光条，在黑暗的环境中也能令使用者准确找到开关的位置。这类型产品使用方便，大方美观，至今仍被广泛应用。 第四代开关是钢架开关， 钢架开关是国际标准结构，将传统开关中的塑料底板更换为特型冷轧钢板，这种转变使钢架开关在抗冲击、防变形、抗老化、阻燃等各方面得到了全面增强，坚固耐用性大大提升，使用多年不易变形、断裂。这不但使家用开关产品获得了更完善的安全保障，也 为苛刻的工业用电环境提供了新选择。同时，塑料、钢架这两类不同属性的材质稳定结合，实现开关开启和闭合时平滑无滞感，提高了产品的使用质感 3。 随着电子设备小型化的要求
16、,随着对环境保护的更高要求 ,第五代开关 智能开关也应运而生，成功投入市场。现在技术含量最高的莫属于智能墙壁开关、免布线开关、智能延时开关、遥控开关、触摸开关、别墅免布线开关。使用寿命高达 10 万次，同时还保护了灯具的使用寿命。外观上也是非常有艺术感。 3 1.2 延时开关 延时开关中有一部分是使用电子元件继电器安装于开关之中 4，延时开关 电路的一种开关。延时开关又分为声控延时开关、声光控延时开关 5、触摸式延时开关等 6。这部分延时开关是利用电磁继电器的原理而制成的，继电器的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片，使触点 1、 2 断开， 1、 3
17、 接通。当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点 1、 2 接通， 1、 3 断开。我们只要把需要控制的电路接在触点 1、 2 间（ 1、 2 称为常闭触点）或触点 1、 3 间（称为常开触点），就可以利用继电器达到某种控制的目的。延时开关原理图如图 1.1 所示。 图 1.1 延时 开关原理 它的电路工作原理：将电源开关 K2 闭合，再按下按钮开关 K1，这时，晶体二极管 V1、V2 导通，继电器吸合。同时电源对电容器 C 充电。当 K1 断开后由于 C 已被充电，它将通过 R 和 V1、 V2 放电，从而维持三极管继续导通，继电器仍然吸合。经过一段时间的放电，C 两极间电压下降到一定值时，不足
18、以维持三极管继续导通，继电器才释放。从 K1 断开到继电器释放的时间间隔称为延时时间。它决定于 R和 C 的大小。一般为 100 F 时，调节可调电阻器可获得 10 秒至 90 秒的延时时间。若取 1000 F，则延时时间可达 5 分钟以上。 继电器上并联的二极管起保护作用，防止继电器断电释放时，由于自感产生高电压损坏晶体三极管。延时开关电路电子图如图 1.2 所示。 图 1.2 延时开关电路电子图 4 1.3 智能开关 目前，家庭智能照明开关的种类繁多 7，已有上百种，而且其品牌还在源源不断的增加，其中市场所使用的智能开关不外乎几种技术：电力载波、无线、总线。它的优点：（ 1）产品在技术上是
19、比较完善，所以传输速度，稳定性，抗干扰能力非常好 ;（ 2）产品在设计理念上有合理化的电路安全设计 ,避免开关出现短路和烧毁等损失 ;（ 3）自主研发的产 品电力损耗小，散热速度快，使用寿命长 ;（ 4）产品在质量把关上非常严格，坚决按照 ISO 9001 ISO9002 来执行，产品内部都是使用高品质的电子元器件。 1.4 光电开关 光电开关是传感器大家族中的成员 8，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测目的。光电开关工作示意图如图 1.3 所示。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的（即电缘绝），所以它可以在许多场合得到应用。采用集成电路技术和 SMT 表面安装工
20、艺而制造的新一代光电开关器件，具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区 域稳定和自诊断等智能化功能。这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关，它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等，可非接触，无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点，而晶体管接近开关的作用距离短，不能直接检测非金属材料。但是，新型光电开关则克服了它们的上述缺点，而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强，但是制作的成本 较
21、高。其工作原理 :由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管 GL 辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管 DU。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分或 RC 积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。它有三大类：放大器分离型、放大器内藏型和电源内藏型。 图 1.3 光电开关工作示意图 5 1.5 接近开关 图 1.4 接 近开关原理框图 接近开关 11又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计
22、数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。接近开关工作原理框图如图 1.4 所示。它的特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所以常见的接近开关有以下 6 种：（ 1）涡流式接近开关 12 ，（ 2）电容式接近开关 13，（ 3）霍尔接近开关 15，（ 4）光电式接近开关，（ 5）热释电式接近开关，（ 6）其它型式的接近开关。 1.6 数码分段开关 1.6.1 数码分段开关的工作流程 近年来开关市场上出现了 1 种新型的开关，它被称为分段开关。它
23、的电路原理是这样的： 220V 市电压经过变压器之后变成 12V 交流电压（或者经过电容降压式半波整流稳压电路变成 12V直流电压），经过 D2、 D1 整流， C1、 C2 滤波后，一路经过 D1 加到双 D触发器（ CD4013）的 14 脚，另一路加到继电器 K1、 K2 上。 CD4013 的两个 D 触发器都接成 T 触发器（即 计数型触发器）。控制器输出的四种状态表如表 1.1 所示。当开关 S 第一次闭合时，经过 C1 使触发器置初态（清零）， Q1 和 Q2 输出均为低电平，彩灯和周边灯不亮，只有中心灯亮；当开关 S 第二次闭合时， CLK1 获得上升沿触发翻转， Q1 输出高电平。 CLK2 未触发，状态不变，中心灯和彩灯亮，周边灯不亮；当开关 S 第三次闭合时， CD4013a 翻转， Q1 输出低电平，彩灯不亮，而 CLK2 获得上升沿触发使 Q2 输出高电平，周边灯亮（中心灯仍然亮）；同理当开关 S 第四次闭合时，彩灯、周边灯、中心灯都亮；当开关 S 第五次闭合时重复以上过程。四状 态数码分段开关照明控制器电路图如图 1.5 所示。 金 属 物 体 感应头 振荡器 晶体管开关 输 出 器 输出电源
