引言

為了節約電力資源，各種節能的電力電子技術產品的研發日益受到重視。由此，提出了一種延時關斷的電路，通過單刀雙擲開關、雙向可控硅、單穩態觸發器、555 定時器、光耦合雙向可控硅驅動器來實現。以雙向可控硅作為驅動電路，電磁干擾小，同時電路結構簡單、安全可靠、成本低廉。在節省電力資源的同時保證了安全性能，因此，該電路在照明設備、家用電器和各類工業設備中均具有廣泛的應用前景。

1 驅動控制器件的選取

1. 1 雙向可控硅BT138

為了達到與電源隔離的目的，應選用耐壓高、響應快的雙向可控硅。B T138 是Philip s 公司推出的TO220 封裝三端雙向可控硅，耐壓600 V ,穩態導通電流為12 A .具有雙向導通響應快的特性，能達到250 V/μs.特別適用于電機控制，工業用照明、加熱設備以及靜態開關等場合。

1. 2 光耦合雙向可控硅驅動器MOC3041

為使B T138 工作穩定，驅動器的選擇很重要。

MOC3041 用于驅動雙向可控硅，具有簡化邏輯控制、零電壓交叉的特性，dV / dt 可達2 000 V/μs ,在溫度控制、電壓驅動和照明控制等領域應用廣泛。

1. 3 雙精度單穩態觸發器CD4538

CD4538 是FAIRCHILD 公司的CMOS4000系列數字IC 芯片，精度高，可進行再觸發。它內部含有2 個單穩態觸發器，一個用于觸發555 定時器，另一個用于驅動MOC3041 ,通過脈沖的上升或下降沿進行觸發，觸發后的輸出脈沖寬度可根據需要設定。本文中CD4538 設定的參數如表1 所示。

表1 CD4538 相關參數表。

2 電路工作原理分析

延時可控電路原理如圖1 所示。K1 為單刀雙擲開關，1 和2 分別是2 個觸點；U1 是三端穩壓器LM7815 ;U2 和U5 是整流橋；U3 和U8 分別是555定時器和雙精度單穩態觸發器CD4538 ;D1 為雙向可控硅B T138 .U4 和U7 是光耦合雙向可控硅驅動器MOC3041。其中U4 用于驅動B T138 ;U6 為光電耦合器P521 .

圖1 電路原理

2. 1 電路開通階段

開關K1 置于觸點1 ,ZL 工作的同時，220 V 交流電經過電容C4 降壓、U2 整流，輸出直流15V 電壓V CC .此時定時器U3 沒有計時，第3 管腳為低電平，觸發器U8 第11 管腳設置為下降沿觸發，此時未經觸發，第9 管腳保持高電平，光耦合驅動器U4導通并驅動可控硅D1 導通。D1 此時導通可防止K1 的誤操作，若K1 在ZL 工作階段不慎被置于中點位置，ZL 可通過D1 獲得電源而繼續正常工作。

2. 2 電路延時階段

開關K1 置于觸點2 ,在K1 從觸點1 斷開的瞬間，穩壓器U1 由電容C3 供電。K1 置于觸點2 后，交流電通過光耦合驅動器U7 ,再經整流橋U5 整流和電容C2 濾波后，使光電耦合器U6 導通，觸發器U8 的第4 管腳獲得高電平觸發，U8 的第7 管腳隨之輸出低電平脈沖，通過555 定時器U3 第2 管腳使U3 被觸發，U3 第3 管腳變為高電平，延時計時開始。

2. 3 延時結束

定時器U3 計時結束時，第3 管腳降為低電平，產生下降沿使觸發器U8 的第11 管腳被觸發，第9管腳輸出低電平脈沖，使光耦合驅動器U4 關斷，導致可控硅D1 截止，用電器ZL 、整流橋U2 和穩壓器U1 相繼斷電，V CC供電停止，從而使耦合驅動器U7和光電耦合器U6 關斷。雙向可控硅D1 的截止使整個電路與電源實現了徹底隔離。

若要恢復ZL 工作，將開關K1 重新置于觸點1即可。

3 相關參數分析

3. 1 電容降壓

將交流電轉換為低壓直流的常規方法是采用變壓器降壓后再整流濾波。文中，為簡化電路設計，提高效率，減小體積，降低成本，該電路采用電容降壓方式。圖1 中電容C4 的作用為降壓，電容的選取由所需要通過電容的電流IC 的大小決定：

經測量，該電路電流在70 mA 左右，電容所產生的容抗約為3 180 Ω ,因此電容C4 取1 μF.當220 V 的交流電壓加在電容器的兩端，雖然流過電容的電流有70 mA ,但在電容器上并不產生功耗，因為如果電容是一個理想電容，則流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。同時為保證C4 可靠工作， 其耐壓選擇應大于2 倍的電源電壓。

R3 為關斷電源后電容C4 的電荷泄放電阻， 其選擇必須保證在要求的時間內泄放掉C4 上的電荷。

用電容降壓時，必須考慮一個重要問題，就是在合上電源的瞬間，有可能是220 V 交流電的正或負半周的峰峰值，此時瞬間電流會很大，雖然該電流持續時間極短，但足以燒毀穩壓管。解決這一問題有2 種方法，一是在電路中串聯電阻，缺點是消耗功率，二是用適當電壓的P6 KE 瞬態抑制二極管，缺點是價格稍貴。

3. 2 延時時間

本文所介紹的電路，采用555 定時器作為延時計時器，延時時間由電位器R1 和電容C1 決定， 延長的時間TW 為：

4 仿真及實驗

4. 1 仿真波形

Multisim 提供了龐大的元件數據庫，并提供原理圖輸入接口、全部的數模Spice 仿真功能、V HDL/ Verilog 設計接口與仿真功能、FPGA/CPLD 綜合、RF 設計能力和后處理功能，特別適用于復雜電路仿真。本電路采用Multisim 建立仿真電路，其電路仿真波形如圖2 所示。

圖2a 縱坐標為10 V/ 格，橫坐標為100μs/ 格，由上至下兩條波形分別是：555 定時器U3 第2 管腳觸發波形；555 定時器U3 第3 管腳輸出波形。這里將觸發器U8 內部第一個觸發器的暫態時間設定為50μs.圖2b 縱坐標為10 V/ 格，橫坐標為100 ms/格，由上至下2 條波形分別是：555 定時器U3 延時時間結束輸出波形；單穩態觸發器U8 第11 管腳觸發波形。這里將U8 內部第2 個觸發器的暫態時間設定為100 ms ,以確保光耦合驅動器U4 、可控硅D1 完全關斷。

圖2 電路觸發仿真波形

4. 2 實驗波形

用Tek TDS2014 可存儲示波器測得的輸出波形如圖3 所示，圖3a 第1 條波形為開關K1 置于觸點2 時單穩態觸發器U8 第4 管腳觸發波形，其余波形與仿真波形為一一對應關系（圖3a 橫坐標為100μs/ 格，縱坐標為10 V/ 格；圖3b 橫坐標為100ms/ 格，縱坐標為10 V/ 格） .由圖3 實驗輸出結果看出，電路觸發和延時與理論分析和仿真結果一致，該電路工作性能良好穩定。

圖3 電路觸發實驗波形

5 結束語

介紹了一種應用雙向可控硅，單穩態觸發器和555 定時器的延時電路，通過數學分析和實驗結果得到以下結論：

a. 能耗低。電路工作時，能耗在2 W 左右。

b. 隔離。延時結束后，電路、用電器與電源完全隔離。

c. 延長時間調節范圍寬。通過調節電位器，延長時間從0 到數小時。

d. 可靠性高。由于使用了雙向可控硅，電路可達到無觸點、壽命高、電磁干擾小的效果。