基于分立元件的觸摸延時(shí)開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

【任務(wù)】多層住宅的樓道的照明燈通常會(huì)使用延時(shí)開(kāi)關(guān)控制，即過(guò)客觸摸一下開(kāi)關(guān)，燈會(huì)亮一段時(shí)間，隨后自動(dòng)關(guān)閉。這種設(shè)計(jì)一方面方便行人在合理的時(shí)間內(nèi)安全通過(guò)樓道，另一方面可節(jié)約能源。下面嘗試使用分立器件設(shè)計(jì)這個(gè)觸摸延時(shí)開(kāi)關(guān)電路。

【構(gòu)思】設(shè)計(jì)的起點(diǎn)當(dāng)然是單刀單擲開(kāi)關(guān)控制的照明燈，如下圖所示：

現(xiàn)在的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)斷電的電子開(kāi)關(guān)代替上面的機(jī)械開(kāi)關(guān)式SW。因?yàn)檠訒r(shí)觸發(fā)電路總要用到三極管之內(nèi)的器件，因此整個(gè)電路必須提供直流電壓，為了充分利用交流正弦波的正負(fù)波形，我們自然想到使用橋堆（也可以使用四個(gè)分立的二極管1N4007搭建）整流濾波得到直流電壓。由于觸發(fā)電路需要的直流電壓通常小于12V，我們必須給220V降壓到12/1.414~12/1.2V，即8~10V（取平均值9V）。為了節(jié)約成本，盡量使開(kāi)關(guān)緊湊小巧，不使用變壓器降壓，而使用照明燈本身LAMP來(lái)降壓（由于市電的波動(dòng)，通常在200~250V之間，橋堆分掉的9V電壓幾乎不會(huì)影響燈的照明亮度）。于是，我們可將橋堆的輸入端與照明燈LAMP串聯(lián)：

上面的電路并沒(méi)有形成有效的通路，LAMP不會(huì)亮。但是，我們想到可控硅是可觸發(fā)保持的器件，可以利用單向可控硅實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一、接收延時(shí)觸發(fā)信號(hào)；二、給LAMP提供通路。

對(duì)上圖略加說(shuō)明：當(dāng)可控硅觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，220V交流電無(wú)論正波還是負(fù)波都可通過(guò)橋堆BR和可控硅U1對(duì)照明燈LAMP供電，順便提一下，橋堆的交流輸入端分得一個(gè)小電壓（比如9V），大部分電流供給照明燈LAMP。

最簡(jiǎn)單的延時(shí)電路當(dāng)然是RC電路，而且這個(gè)RC延時(shí)電路還可擔(dān)負(fù)起對(duì)整流脈動(dòng)的濾波的責(zé)任。為使延時(shí)足夠（比如2分鐘），RC電路的電阻可盡量取大些（也不可太大，須知阻值太大或太小都容易損壞），不妨取1MΩ。因?yàn)轫氀訒r(shí)2分鐘，即RC=2*60=120s，于是C=120/1=120uF（由于電解電容的誤差高達(dá)±15~±20%，可取標(biāo)準(zhǔn)系列的100uF）:

上面的電路，只要接通220V市電，電容C1就會(huì)被充電，直至充飽。此時(shí)我們要保證燈不會(huì)自亮，我們可以通過(guò)一個(gè)NPN管將可控硅的觸發(fā)端“鉗制”在低電平，從而使可控硅陰陽(yáng)極之間截止，照明燈不會(huì)亮。使NPN管導(dǎo)通的高電平可由電容C1持續(xù)提供：

注意：上圖中的R2是為了防止因Q1的導(dǎo)通而使橋堆輸出對(duì)地短路。

接下來(lái)，我們要要實(shí)現(xiàn)觸摸“點(diǎn)”亮照明燈LAMP的功能，這必然要使可控硅的門極得到高電平，于是須使Q1截止，于是須使C1正端為低電平，這使我們想到增加一個(gè)三極管。為減少元件種類，依然使用與Q1同型號(hào)的管子吧：

注意：上圖中的R3是為了使C1在對(duì)導(dǎo)通后的Q2放電時(shí)不至于擊穿PN結(jié)。

人體總帶有靜電，當(dāng)人用手觸摸別的物體尤其是金屬導(dǎo)體時(shí)，會(huì)遷移電荷形成電流。我們可利用這種現(xiàn)象來(lái)構(gòu)建觸發(fā)Q2導(dǎo)通的電路。為了保證不觸摸時(shí)Q2截止，Q2的基極須接一個(gè)下拉電阻，為限制人體靜電對(duì)Q2的瞬態(tài)沖擊，須給Q2的基極接一個(gè)上拉電阻。顯然觸摸金屬片接在上拉電阻的一端：

樓道黑燈瞎火，如果沒(méi)有指示，可能連觸摸開(kāi)關(guān)在哪兒都找不到。因此，必須增加LED指示電路：

至此，電路的構(gòu)思完畢，在邏輯上可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能。接下來(lái)進(jìn)行必要的元件選型及參數(shù)計(jì)算。

【計(jì)算】已定橋堆輸出電壓為12V，又假定Q1、Q2都采用TO-92封裝的S9014管，可預(yù)先篩選出放大倍數(shù)為100的管子，而該型管的最大集電極電流Icm=100mA，為安全起見(jiàn)，我們只用一半電流即50mA，于是R2=12/0.5=24k。同樣地（注意C1平時(shí)的電壓為12V），R3也為24k。

R4、R5的確定比較復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)大量觸摸實(shí)驗(yàn)來(lái)確定它們的值。

假定LED工作電壓為2V，工作電流為5mA。R6=(12-2)/5=2k。

橋堆可采用1N4007管來(lái)構(gòu)建。

假定照明燈的功率為40W，功率因數(shù)為0.8，經(jīng)過(guò)可控硅的電流與照明燈的電流相等，約為40/(220*0.8)=227mA。查詢可控硅產(chǎn)品手冊(cè)，可選擇電流為0.8A的2N6565。

除了必須依靠試驗(yàn)來(lái)確定的R5、R4外，元件類型及參數(shù)都已確定，最終的電路如下：