來電自斷安全節能開關的設計

摘 要：來電自斷安全節能開關，是在普通開關基礎上，通過加入控制元件，使電路在斷開之后再通電時，需要手動開啟，向開關控制元器件中供電。這是一種來電自熄節能開關，當電網停電后再來電，開關自動處于關閉狀態，避免浪費電能。節能開關設計針對的是高校統一送電后，學生不使用電能所造成的電力浪費現象，進而經改進及創新發展之后，其可用于普通插座、接線排插等送電控制元件，也可用于保護實驗室中的人員及實驗設備。

關鍵詞：控制元件；節能開關；節能產品；電能

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.23.081

隨著科學技術的不斷發展，各種節能產品層出不窮。但作為人們生活中不可或缺的用電設備，卻在浪費著巨大的能源，造成浪費的原因之一為電路的控制部分設計不夠節能化。基于這種背景，我們展開了一系列的研究，并提出了節能安全開關這一觀點，設計出了一款簡單、實用的來電自熄節能開關。

1 項目研制的背景及意義

2015年，國家統計局發布的統計信息指出，全國在校大學生4 018.1萬余人，而基本95%以上的大學生都是住校的，大學生有4人、6人寢室，粗略計算大約有800萬間學生宿舍。如果所有的宿舍每年熄燈200次（40周×5 d，假設周末不熄燈），假設學生在當天晚上熄燈后忘記關閉寢室電燈的概率為10%，忘記關閉臺燈的概率為60%，次日早晨來電后，2個36 W的白熾燈和6個11 W的臺燈在亮了1 h后才被關掉，則全中國大學生宿舍每年因夜晚忘記關燈而浪費的電量約為6.0×107 kW·h。本開關的設計初衷是針對各個大學、中學等的用電制度，即因統一送電后學生不使用電能而造成的電力浪費現象。在這個較大的時間差內，造成了巨大的能源浪費，帶來了不可估量的經濟損失，且埋下了安全隱患。

2 項目產品介紹分析

為了避免上述電力能源浪費的不良現象，經過實驗測試設計了電路圖。其中，開關主要有1個常開按鈕1SB作為開按鈕，1個常閉按鈕1SS作為關按鈕，1個交流接觸器KM（有2個常開觸點KM1和1個線圈1KM）；1個KM1與1SB并聯，1個KM1與電器（并聯的燈泡與插座）串聯。

當宿舍有電時，按下常開按鈕1SB，線圈1KM得電，2個常開觸點KM1閉合并自鎖，電器通電，即使釋放1SB電器仍然有電；按下常關按鈕1SS，線圈1KM失電，自鎖解除，2個常開觸點KM1由閉合轉為斷開，電器斷電。如果在電器有電狀態下（即常開觸點閉合自鎖狀態）寢室斷電，則線圈1KM失電，自鎖解除，2個常開觸點KM1由閉合轉為斷開，當再次來電時，電器不會自動通電，而需要要按下常開開關1SB后才會有電。

用VB模擬的邏輯電路如圖1所示。

對比分析：對于開關的來電自熄，已經有智能開關具備此項功能，但單個售價均在50元以上，適用于有多種需求的家庭，對于相對單調的宿舍而言并不實用。同時，從國內的現狀看，還沒有人就校園宿舍浪費電量的現象進行深入研究，也沒有任何設計用于改善或解決此類狀況。所以，設計一件節能省電、具有自熄斷電，且能節省成本、造價低廉的安全開關勢在必行，這也是迎合當今市場的必備產品。隨著開關電源逐漸向小型化、薄型化、輕量化、高頻化的方向發展，可以預計未來具有輕、薄、小的開關電源將在整個電源行業占據一定的市場。

3 產品設計

3.1 電路設計

用AutoCAD制圖，其中，L代表火線，N代表零線，1SB代表常開按鈕，1SS代表常閉按鈕，KM為接觸器。KM1為線圈，2個1KM為常開觸點，插座代表電器。

一個1KM與常開按鈕1SB并聯，共同與常關按鈕1SS、KM1串聯；另一個1KM與電器串聯，整體與上面的電路串聯，具體如圖2所示。

當總電源開關閉合時，代表宿舍有電，按下常開按鈕1SB，線圈1KM得電，2個常開觸點KM1閉合并自鎖，電器通電，即使釋放1SB電器仍然有電；按下常關按鈕1SS，線圈1KM失電，自鎖解除，2個常開觸點KM1由閉合轉為斷開，電器斷電，即使釋放1SS電器仍然是斷電。如果在電器通電狀態下（即常開觸點閉合自鎖狀態）寢室斷電，則線圈1KM失電，自鎖解除，2個常開觸點KM1由閉合轉為斷開。當再次來電時，電器不會自動通電，而是要按下常開開關1SB后才會有電，進而通過常開開關有效控制電的使用，避免在不使用電的情況下的浪費電能。

3.2 工作原理

由圖2可知，當總電源開啟時，電路有電。此時，按下常開按鈕1SB，開關1SB呈閉合狀態，L—1SB—1SS—KM1—N這條線路接通，線圈KM1得電，2個常開觸點KM1閉合并自鎖；釋放1SB時，這條線路斷開，同時，L—1KM（下）—電器—N這條線路由于觸點1KM（下）的閉合而接通，電器得電，同時，L—1KM（上）—1SS—KM1—N這條線路也接通了。

當按下常閉按鈕1SS時，開關1SS呈斷開狀態，線圈KM1失電，自鎖解除，2個常開觸點KM1由閉合轉為斷開，L—1KM（下）—電器—N這條線路因觸點1KM（下）的斷開而斷電，電器斷電，同時L—1KM（上）—1SS—KM1—N這條線路也斷開了。

如果在電器通電的狀態下（即常開觸點閉合自鎖狀態）電網停電，則線圈1KM失電，2個常開觸點的自鎖解除，呈斷開狀態；當電網再次來電時，接觸器的兩個常開觸點仍然處于斷開狀態，所以，電器并不會得電。只有在按下常開按鈕1SB時，電器才會得電。

3.3 應用前景

來電自熄節能開關具有以下3個特點：①適用于所有學生宿舍；②操作簡便，易使用；③避免了因忘記關燈而造成的電能浪費。

全國約有學生宿舍800萬間，當寢室斷電后，因學生粗心忘記關燈而造成的電能浪費巨大，因此，來電自熄節能開關應用市場潛力巨大。據相關統計，電源變壓器行業是我國電子信息產業中重要的組成部份，是具有較強國際競爭力的電子行業之一，即使在全球金融危機的沖擊下，電子電源行業產值仍然達到了1 061億元，有著5%以上的增長率。

隨著國家一系列宏觀刺激政策的落實及全球經濟趨于穩定，我國電子信息產業很快恢復了發展，電子電源行業更是借勢而上。開關電源是電子電源的主要大類產品，由于其具有質量輕、小型化、輸入電壓范圍廣、功率密度/轉換效率高、待機功耗小等眾多種優點，發展迅速，已經取代了線性工頻電源，應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備等電子設備。

4 結束語

我們設計的產品結構簡單、造價低、體積小、安全性高、安裝方便、節約能源，較適合學校等事業單位使用。

參考文獻

[1]張軼.開關電源節能技術[D].南京：南京理工大學，2012.

[2]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2001.

[3]張坤，劉萌萌，申瑞雪.限電宿舍專用節能開關的研究[J].科技創新導報，2013（20）.

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作者簡介：梁平平（1985—），女，研究方向為功能納米材料。

〔編輯：張思楠〕