利用双向可控硅和定时器实现延时可控关断电路的设计及应用

引言

为了节约电力资源，各种节能的电力电子技术产品的研发日益受到重视。由此，提出了一种延时关断的电路，通过单刀双掷开关、双向可控硅、单稳态触发器、555 定时器、光耦合双向可控硅驱动器来实现。以双向可控硅作为驱动电路，电磁干扰小，同时电路结构简单、安全可靠、成本低廉。在节省电力资源的同时保证了安全性能，因此，该电路在照明设备、家用电器和各类工业设备中均具有广泛的应用前景。

1  驱动控制器件的选取

1. 1  双向可控硅BT138

为了达到与电源隔离的目的，应选用耐压高、响应快的双向可控硅。B T138 是Philip s 公司推出的TO220 封装三端双向可控硅，耐压600 V ,稳态导通电流为12 A .具有双向导通响应快的特性，能达到250 V/μs.特别适用于电机控制，工业用照明、加热设备以及静态开关等场合。

1. 2  光耦合双向可控硅驱动器MOC3041

为使B T138 工作稳定，驱动器的选择很重要。

MOC3041 用于驱动双向可控硅，具有简化逻辑控制、零电压交叉的特性，dV / dt 可达2 000 V/μs ,在温度控制、电压驱动和照明控制等领域应用广泛。

1. 3  双精度单稳态触发器CD4538

CD4538 是FAIRCHILD 公司的CMOS4000系列数字IC 芯片，精度高，可进行再触发。它内部含有2 个单稳态触发器，一个用于触发555 定时器，另一个用于驱动MOC3041 ,通过脉冲的上升或下降沿进行触发，触发后的输出脉冲宽度可根据需要设定。本文中CD4538 设定的参数如表1 所示。

表1  CD4538 相关参数表。

2  电路工作原理分析

延时可控电路原理如图1 所示。K1 为单刀双掷开关，1 和2 分别是2 个触点；U1 是三端稳压器LM7815 ;U2 和U5 是整流桥；U3 和U8 分别是555定时器和双精度单稳态触发器CD4538 ;D1 为双向可控硅B T138 .U4 和U7 是光耦合双向可控硅驱动器MOC3041。其中U4 用于驱动B T138 ;U6 为光电耦合器P521 .

图1  电路原理

2. 1  电路开通阶段

开关K1 置于触点1 ,ZL 工作的同时，220 V 交流电经过电容C4 降压、U2 整流，输出直流15V 电压V CC .此时定时器U3 没有计时，第3 管脚为低电平，触发器U8 第11 管脚设置为下降沿触发，此时未经触发，第9 管脚保持高电平，光耦合驱动器U4导通并驱动可控硅D1 导通。D1 此时导通可防止K1 的误操作，若K1 在ZL 工作阶段不慎被置于中点位置，ZL 可通过D1 获得电源而继续正常工作。

2. 2  电路延时阶段

开关K1 置于触点2 ,在K1 从触点1 断开的瞬间，稳压器U1 由电容C3 供电。K1 置于触点2 后，交流电通过光耦合驱动器U7 ,再经整流桥U5 整流和电容C2 滤波后，使光电耦合器U6 导通，触发器U8 的第4 管脚获得高电平触发，U8 的第7 管脚随之输出低电平脉冲，通过555 定时器U3 第2 管脚使U3 被触发，U3 第3 管脚变为高电平，延时计时开始。

2. 3  延时结束

定时器U3 计时结束时，第3 管脚降为低电平，产生下降沿使触发器U8 的第11 管脚被触发，第9管脚输出低电平脉冲，使光耦合驱动器U4 关断，导致可控硅D1 截止，用电器ZL 、整流桥U2 和稳压器U1 相继断电，V CC供电停止，从而使耦合驱动器U7和光电耦合器U6 关断。双向可控硅D1 的截止使整个电路与电源实现了彻底隔离。

若要恢复ZL 工作，将开关K1 重新置于触点1即可。

3  相关参数分析

3. 1  电容降压

将交流电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波。文中，为简化电路设计，提高效率，减小体积，降低成本，该电路采用电容降压方式。图1 中电容C4 的作用为降压，电容的选取由所需要通过电容的电流IC 的大小决定：

经测量，该电路电流在70 mA 左右，电容所产生的容抗约为3 180 Ω ,因此电容C4 取1 μF.当220 V 的交流电压加在电容器的两端，虽然流过电容的电流有70 mA ,但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。同时为保证C4 可靠工作， 其耐压选择应大于2 倍的电源电压。

R3 为关断电源后电容C4 的电荷泄放电阻， 其选择必须保证在要求的时间内泄放掉C4 上的电荷。

用电容降压时，必须考虑一个重要问题，就是在合上电源的瞬间，有可能是220 V 交流电的正或负半周的峰峰值，此时瞬间电流会很大，虽然该电流持续时间极短，但足以烧毁稳压管。解决这一问题有2 种方法，一是在电路中串联电阻，缺点是消耗功率，二是用适当电压的P6 KE 瞬态抑制二极管，缺点是价格稍贵。

3. 2  延时时间

本文所介绍的电路，采用555 定时器作为延时计时器，延时时间由电位器R1 和电容C1 决定， 延长的时间TW 为：

4  仿真及实验

4. 1  仿真波形

Multisim 提供了庞大的元件数据库，并提供原理图输入接口、全部的数模Spice 仿真功能、V HDL/ Verilog 设计接口与仿真功能、FPGA/CPLD 综合、RF 设计能力和后处理功能，特别适用于复杂电路仿真。本电路采用Multisim 建立仿真电路，其电路仿真波形如图2 所示。

图2a 纵坐标为10 V/ 格，横坐标为100μs/ 格，由上至下两条波形分别是：555 定时器U3 第2 管脚触发波形；555 定时器U3 第3 管脚输出波形。这里将触发器U8 内部第一个触发器的暂态时间设定为50μs.图2b 纵坐标为10 V/ 格，横坐标为100 ms/格，由上至下2 条波形分别是：555 定时器U3 延时时间结束输出波形；单稳态触发器U8 第11 管脚触发波形。这里将U8 内部第2 个触发器的暂态时间设定为100 ms ,以确保光耦合驱动器U4 、可控硅D1 完全关断。

图2  电路触发仿真波形

4. 2  实验波形

用Tek TDS2014 可存储示波器测得的输出波形如图3 所示，图3a 第1 条波形为开关K1 置于触点2 时单稳态触发器U8 第4 管脚触发波形，其余波形与仿真波形为一一对应关系（图3a 横坐标为100μs/ 格，纵坐标为10 V/ 格；图3b 横坐标为100ms/ 格，纵坐标为10 V/ 格） .由图3 实验输出结果看出，电路触发和延时与理论分析和仿真结果一致，该电路工作性能良好稳定。

图3  电路触发实验波形

5  结束语

介绍了一种应用双向可控硅，单稳态触发器和555 定时器的延时电路，通过数学分析和实验结果得到以下结论：

a. 能耗低。电路工作时，能耗在2 W 左右。

b. 隔离。延时结束后，电路、用电器与电源完全隔离。

c. 延长时间调节范围宽。通过调节电位器，延长时间从0 到数小时。

d. 可靠性高。由于使用了双向可控硅，电路可达到无触点、寿命高、电磁干扰小的效果。