交流电网自动分路器设计【文献综述】

文献综述

电子信息工程 交流电网自动分路器设计

前言

今年来，无论是城市居民住宅还是农村居民住宅越来越趋向明亮化。住宅的一个不可忽略的问题是灯具的照明问题。房间照明灯如果太暗时，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；或者房间照明灯太亮时，需要换小功率的灯泡儿降低亮度。一般住户在开灯后往往不愿意再去费事去专门开启别的灯或者换小功率的灯泡。分段开关是解决这个问题的一种简单方法。它可以通过开关的频繁切换，实现开通、换路、关闭等功能。分段开关体积小，外形美观，制作容易，而且节能环保，是当今世界的主潮流。由于我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。随着全球经济的一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移，而中国又是一个比较适合的国家，一是中国具备生产这些产品的条件，而是劳动力成本比较低，从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。展望未来的国内市场，需求量会呈逐年增加的趋势。

本次设计主要通过自动改变交流电负载的分路器的设计与制作，用普通的单路电源开关分与断，自动切换不同的负载，由此来熟悉基本电子控制装置的应用方法。

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主题

1、开关的发展概述

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

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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。

第五代开关有声控开关、光电开关、触摸开关、红外线感应开关、分段开关等，它们分别以自己的特有的用处，被广泛运用到日常生活中。

2、5种第五代开关的比较和选择 ①声控开关

简单的说，声控开关就是用话筒去声音信号，放大后推动继电器或者可控硅，使电灯发光。具体来说：驻极体话筒接收到一定强度的声音信号后，声音信号转换为电压信号，幅度很小，经放大、整形后，触发器单稳态延时电路，产生一个宽度可调的脉冲信号，驱动灯泡发光。虽然声控开关控制灵活，出声就能亮。但是容易受环境噪声影响，到了晚上会经常无故点亮，节能效果不是很好，灯易坏，而且控制容量有限。

②光电开关

光电开关是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路

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选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。光电开关体积小、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，但是制作的成本较高。

③触摸开关

一般地，触摸开关是指应用触摸感应芯片原理设计的一种墙壁开关。其工作原理：人体带电与市电同频，当人体接触触摸片时，经输入缓冲级的削波、放大、整形，成为标准的MOS电平。触摸持续时间大于32毫秒、小于332毫秒时，控制逻辑部分控制电路呈开关工作状态。当触摸持续时间大于332毫秒时，控制逻辑部分控制电路呈调光工作状态，输出触发脉冲相位角在41°～159°之间连续周期变化，并根据人眼的感受力，分为快、慢和暂歇三个过程。当触摸结束时，亮度记忆对该时相位角进行记忆，若再施与大于32毫秒、小于332毫秒的触摸，电路呈关状态时，相位角仍由该部分记忆，保证电路在下一次开状态时，保持原选定相位角，光源保持原亮度。虽然触摸开关控制灵活，人体接触触摸部分就能使灯发光，但是自身容易受到电磁干扰，生产过程中无法做到100%不受电磁干扰，不适合在一些电磁干扰很强的环境下用。

④红外线感应开关

红外线感应开关是基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动接通负载，人不离开感应范围，将持续接通；人离开后，延时自动关闭负载。无需人为去控制开关，真正做到人到灯亮，人离灯熄，安全节能，更显示出人性化关怀。然而价格比较贵，一般很少有居民会在住宅内安装红外线感应开关，公共场所较为多用。

⑤分段开关

分段开关是利用同一开关的闭合与分开，产生脉冲，通过触发器或者计数器的接收，使相应分路上的灯发亮。此类开关通常是带有遥控器控制的，因此操作简单、安全、方便等。但是由于每一分路的所能承受的负载不是很大，因而不能与大功率电器一起用，同时分路越多价格也就越贵。

⑥本课题选用的分路器

本课题要求一个用于自动改变交流电负载的分路器，用普通的单路电源开关分与断,自动切换不同的负载，而且分离器的负载应用总功率不大于200W。分段开关需要用到CD4013触发器或者CD4017计数器，其价格低，稳定性较好，而且还需要一些电阻，放大器等器件，它们的价格便宜等优点，组合成的电路能满足本课题的要求。

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3、电路的设计

这类分段开关的电路常用的有3种设计方法：NS1834分段控制集成电路、HL2608多功能分段开关电路、CD4017或者CD4013数字电路。由于设计要求最多实现4分路，然而前2种电路实现4分路时，电路会变的很复杂，因此选用CD4017或者CD4013数字电路。

CD4013电路：CD4013数字电路以CD4013触发器为主体，加上三极管、电容、电阻、继电器等器件组成的电路。CD4013触发器由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q’输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。

CD4017电路：CD4017数字电路以CD4017计数器为主体，加上三极管、电容、电阻、二极管等器件组成的电路。CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。Johnson 计数器，提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。

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小结

交流电网自动分路器是一种新型的开关，具有广阔的应用前景。随着开关技术的不断发展，它将在消费市场上占领一定的份额。通过借鉴以前和现在研究开关的专家编写或者得到的研究成果，初步了解了开关的发展历史和每一代开关的工作原理以及现在分段开关的设计方法。在设计的时候，从多方面、多角度去考虑问题，提高分段开关的实用性和操作性。通过本次交流电网自动分路器的设计对同类设计有一定的参考价值。

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