崔建國，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 引言

現(xiàn)在一般小孩或兒童都有自己獨(dú)立的臥室和自己專有的床鋪，床鋪一般都安裝有一個(gè)供睡前讀書的床頭燈，由于是供兒童使用的床頭照明工具，故有許多地方不同于成年人使用的特點(diǎn)。

每天父母親把孩子們往床上趕的時(shí)候，總要告誡幾句：“好啦，你可以在床上讀一刻鐘的書，然后把燈關(guān)上、睡覺”。不過，父母親都清楚，在這種情況下，孩子往往會(huì)突然睡著而忘記了關(guān)燈。

因此，需要有一種到了規(guī)定的時(shí)間能夠自動(dòng)地關(guān)斷床頭燈的裝置。這種定時(shí)開關(guān)必須具有下列特點(diǎn)：

第一：這種燈只能由父母才能打開，使用一種像汽車點(diǎn)火開關(guān)一樣的鑰匙開關(guān)就能做到這一點(diǎn)。

第二：如果小孩感到困倦想睡覺的話，可在規(guī)定的時(shí)間到達(dá)之前將燈關(guān)掉，因?yàn)楹⒆記]有總開關(guān)鑰匙，因此要有一個(gè)復(fù)位按鈕，通過該按鈕可以即刻關(guān)掉照明燈泡。

第三：因?yàn)槭莾和膶Ｓ么差^燈，所以為了安全起見，必須用低壓燈泡及低壓供電，整個(gè)電路包括燈泡在內(nèi)應(yīng)有一個(gè)安全可靠的電源變壓器提供低壓安全供電，低壓燈泡很容易買到，汽車用的12V燈泡是最佳選擇。

1 床頭燈自動(dòng)關(guān)斷裝置的電氣原理

從專業(yè)學(xué)術(shù)角度來講，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或者雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器或者多諧振蕩器是三種不同的工作形式，其各有專屬應(yīng)用范圍。

雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，通過觸發(fā)，可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)成另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，通過觸發(fā)，可以翻轉(zhuǎn)到一個(gè)“暫穩(wěn)”狀態(tài)，一定時(shí)間后會(huì)自動(dòng)回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)；多諧振蕩器屬于無穩(wěn)定狀態(tài)，永遠(yuǎn)不會(huì)在某個(gè)狀態(tài)下穩(wěn)定，永遠(yuǎn)不停的翻轉(zhuǎn)，成為振蕩器[1]。

而單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器這個(gè)概念并不多見，教科書上也沒有這方面的介紹，可以這么理解，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器帶有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的多頻振蕩器。需要一個(gè)觸發(fā)信號將其驅(qū)動(dòng)到非穩(wěn)態(tài)，在此保持一個(gè)預(yù)定時(shí)間后又回到穩(wěn)態(tài)，故也稱為單沖多諧振蕩器[2]。

本設(shè)計(jì)自動(dòng)關(guān)斷裝置的電氣原理如圖1所示。

從圖可以看出，本自動(dòng)關(guān)斷裝置包括工頻降壓變壓器電路、鑰匙開關(guān)電路、整流橋堆電路、555時(shí)基電路、RC阻容網(wǎng)絡(luò)定時(shí)電路、即刻關(guān)斷電路、低壓12V開關(guān)電路以及燈泡電路。

圖1 兒童床頭燈自動(dòng)關(guān)斷裝置的電氣原理圖

既然希望自動(dòng)關(guān)斷，必然有定時(shí)器的應(yīng)用，本設(shè)計(jì)所用的定時(shí)器選用最常見的555定時(shí)器集成塊，因?yàn)檫@種定時(shí)器能夠提供幾個(gè)小時(shí)的定時(shí)時(shí)間，而且十分可靠。開關(guān)燈泡用的晶體管T選擇2N3055。這兩個(gè)元器件是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[3]。

NE555定時(shí)器成本非常低廉，性能非?？煽浚鼉?nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電管T及功率輸出級，它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓1/3UCC和2/3UCC。它的內(nèi)部電壓標(biāo)準(zhǔn)使用了三個(gè)5k的電阻，故取名555電路，如圖2所示。

圖2 555計(jì)時(shí)器電路

555時(shí)基集成電路可以組成三種工作方式：斯密特觸發(fā)電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、多諧振蕩器電路，本設(shè)計(jì)將555時(shí)基電路用作單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器工作方式，正如上文敘述的，這個(gè)電路不是自己振蕩的，而是別人(系列觸發(fā)脈沖或信號)推動(dòng)它的，任何一個(gè)觸發(fā)脈沖或信號消失，它就不動(dòng)，處于單穩(wěn)態(tài)。

在本設(shè)計(jì)中，單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的推動(dòng)信號實(shí)際是由人工通過開關(guān)鑰匙的關(guān)斷、再開啟來實(shí)現(xiàn)的，故不是嚴(yán)格意義的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。

本設(shè)計(jì)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的輸出脈沖持續(xù)時(shí)間由一個(gè)R1、C2組成的阻容網(wǎng)絡(luò)來調(diào)整，在這種具體應(yīng)用中，脈沖的持續(xù)時(shí)間實(shí)際等于RC時(shí)間，若電阻R1為1M、電容C2為1000μF(如電路圖1所示)，那么RC時(shí)間恰好為1000 s，剛好超過1刻鐘[4]。

白天床頭燈沒有開啟，電容C2處于放電狀態(tài)，天黑當(dāng)用鑰匙開關(guān)S1接通電路時(shí)，定時(shí)電容通過電阻R1開始充電，在電容C2的整個(gè)充電期間，555時(shí)基電路的輸出端(第3腳)處于高電平，電壓值為正電源電壓，從而使晶體管T1導(dǎo)通，點(diǎn)亮燈泡。

R2為T1基級限流電阻，由于T1基—射阻抗較低，如果555時(shí)基電路直接連接晶體管T1，較大的基級驅(qū)動(dòng)電流可能會(huì)損壞555。

采用圖1所示類型的燈泡(12V，1～15W)，晶體管T1耗散的功率低到可以不用散熱片，加至燈泡的電壓是未經(jīng)加工的全波整流電源電壓，沒有必要對電源加以平滑濾波。

使用一個(gè)額外的整流二極管D1和一個(gè)小容量的平滑電容器C1將橋堆B整流后的全波電源信號進(jìn)一步整流、濾波，作為555時(shí)基電路以及外圍元件的供電電源VCC。

定時(shí)網(wǎng)絡(luò)RC的充電電容不斷充電，當(dāng)電容C2兩端的電壓也就是555時(shí)基電路的6腳(TH閾值端)的電壓超過2/3VCC時(shí),定時(shí)時(shí)間到達(dá)，555時(shí)基電路的輸出端(3腳)反轉(zhuǎn)為0V，從而開關(guān)管T1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，燈泡熄滅[3]。

如果需要即刻關(guān)斷燈泡，可以按下輕觸復(fù)位按鈕S2，由于S2連接邏輯地和555時(shí)基電路的異步置零端，故555時(shí)基電路內(nèi)部的RS觸發(fā)器被復(fù)位(置零)，555輸出0V，燈泡立即關(guān)斷[4]。

由于555電路的2腳(TL閾值端)是懸空的，故床頭燈再次開啟的唯一方法是首先利用鑰匙開關(guān)S1關(guān)斷電源，一直到定時(shí)電容放完電，再重新利用鑰匙開關(guān)接通電源，打開床頭燈，任何不用鑰匙開關(guān)關(guān)斷電源的操作都是不安全、不正規(guī)、不允許的。即使是想試一下把電源插頭短時(shí)間拔出，看是否能夠產(chǎn)生同樣的效果，雖然效果一樣，但也是不恰當(dāng)、不允許的。

2 設(shè)計(jì)和使用注意事項(xiàng)

定時(shí)電容C2的選用非常重要，C2的任何泄露都將明顯地延長這一時(shí)間，因此用鉭電解電容比較合適，而且不要再加大R1的阻值。

還要注意電源線的連接，要采用優(yōu)質(zhì)電纜，在電纜進(jìn)入接線盒處要有一個(gè)橡膠絕緣襯墊，而且在剛好進(jìn)入接線盒內(nèi)部處要用某種形式的夾子夾住電纜，使得連接變壓器的導(dǎo)線不會(huì)發(fā)生拉扯。

由于是兒童專用床頭燈，兒童的好奇心理非常強(qiáng)，故安全意識更為重要，除了即刻關(guān)燈按鈕以及燈泡可以外露在床頭之外，別的一切有關(guān)關(guān)斷裝置的設(shè)備必須都在隱蔽處，使孩子不易接觸到。

床頭燈自動(dòng)關(guān)斷裝置的電路，總電源開關(guān)一定要用鑰匙開關(guān)S1開啟或關(guān)閉，而且只能由父母操作，任何其它如拔掉插頭試圖關(guān)閉電源的操作都是不允許的。即刻關(guān)斷按鈕S2可以由兒童操作。

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)很巧妙地利用555時(shí)基電路的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器功能，通過人工開啟鑰匙使時(shí)基電路進(jìn)入下一次單穩(wěn)態(tài)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器的功能，雖然不是嚴(yán)格意義的多諧振蕩器，但原理是相似的。

本設(shè)計(jì)的使用可能稍顯麻煩，但為了兒童的安全再多的麻煩也是值得的。