家庭电气布线及改进剖析

家庭电气布线改进及分组控制器设计李旭关键词：家庭布线分组器设计节能环保用电安全摘要：家庭在用电线路敷设过程中，为了满足电器的功率需求，提高电气绝缘水平，保证电路的可靠，往往采购高质量大截面多芯软铜线进行布线，在提高电气绝缘和线路可靠性同时，花费了大量的装修费用。由于家庭电器的增多，布线复杂，如果布线人员专业水平不够，还难以保证电气布线的可靠性，使高额投入得不到预期的成效。本文针对以上情况对家庭布线进行了改进，并对现在使用较多的分组器的选择和针对有特殊用途的分组器进行了设计改进。0概述随着社会的进步和科技的发展，家用电器大量普及，家庭电气化水平不断提高，许多家庭拥有了数量较多的家用电器。随着家用电器的增加，家庭装修中布线的密度越来越大，由于现在社会上的装修电气队伍水平参差不齐，在布线过程中不但给家庭的安全用电带来隐患，还造成电能的浪费。本文基本思路是在家庭装修线路敷设过程中，采取主电源回路和负载回路购买优质多芯大截面铜芯线进行敷设，控制回路借鉴电力负荷控制的方式用分组器或继电器进行控制，因控制回路流过的电流很小，布线中只要选用小截面的普通铜芯导线即可胜任，采取该方式有效缩短了工作回路的线路长度，降低了电能的损耗。利用该布线方式还可简化接线形式，有效减少线材投资，减小控制回路因密度过大造成的短路事故，是一项环保经济的改进，在国家大力提倡建设节约型社会的今天，有大力推广的实用价值。1常规布线和分组控制布线的比较1.1 常规布线方式的特点由于常规接线把控制开关和被控电器串联在回路中，控制回路和主回路的回路电流相等，工作回路和控制回路不能分开，控制回路和主回路中流过的电流相同，电流流过的导线较长，线路损耗较高。常规布线由于开关和被控电器必须实现一一对应的控制关系，布线较复杂，使用的线材较多，布线密度大。现在装修因电器设备的增多和要求的控制方式较复杂，例如灯光要求多组控制等，如采取常规布线方式将耗费大量的线材，且布线线路复杂，易出现故障，发生短路时还会发生火灾等大的灾害，造成个人和社会的财产损失。传统接线方式虽然原理简单，控制容易实现，但接线复杂，使用的线材和控制元件较多，其典型控制接线如右图所示。图中利用三只开关控制三只灯泡，可见该方式使用了较多的线材和开关，且控制部分导线截面一般要求和主回路的截面相同。1.2 继电器扩流控制特点为了解决上述问题，必需通过相应的控制元件对主负载进行控制，控制的方式较多，在此主要讨论利用继电器来对用电负载进行控制和扩流。利用该控制方式有许多优点，例如可以用较小的电流对大功率电器进行控制。控制接线见左图所示：图中，当开关K1断开时，继电器线圈KM1没有电流流过，继电器常开触点KM1-1呈断开状态，灯泡L1、L2不亮，当开关K1合上时，继电器线圈KM1带电，KM1-1合上，灯泡通电发光。该控制方式不仅有效的实现了对电器的控制，还方便的实现了电器的远动控制，在实际布线中，灯泡的主电流回路用较大的线材敷设，控制回路可以用较小的线材敷设，有效的减小了线路的损耗和线材的投资。使用继电器扩流和远动控制有较强的实用性，但在需要对多组用电负载进行控制时，其局限性就显现了出来，每多增加一组用电负载就必须增设一套控制继电器和开关，相应线路也按比例增加，达不到简化线路的目的，且工业用继电器普遍价格较高，民用的可靠性又较低，所以满足该类使用要求的分组控制器走上了历史舞台。1.3 分组控制特点现在家庭装修已不在仅仅满足实用的要求,化主张，以满足视觉上的冲击和感官上的舒适，这样就增加了家庭灯具和其他影音设备的数量，同时对电器的控制方式也变得复杂多样，可见通过常规接线难以满足现在的控制要求。所以能进行多组分组控制的控制元件应运而生。对居室颜色搭配和灯光效果等都提出了个性主回路家庭用的分组器原理一般是通过移位寄存器的输出信号进行控制，开关的输入作为寄存器的工作时钟，每次按下控制开关都给寄存器时钟输入端送入一个触发脉冲，使寄存器输出端进行一次移位输出，达到控制不同电器的控制目的。其具体接线和原理如左图所示：在左图中，M1为分组控制器，当开关每次按下时，给分组器的计数输入端输入一个控制信号，分组器按照：1,2,3,0的顺序输出控制信号，对应的晶闸管触发端有信号输入导通，对应的灯泡点亮。仅用了一只开关就可控制三只或更多的灯泡，且控制回路由于电流很小（pA级），所以在装修中可以选择较小截面的导线，并且还大大简化了装修布线的密度，提高了家庭用电的安全性。用分组器控制家用电器有线路简单，可靠性高，耗电小的优点。现在的电器市场拥有数量较多的各类分组控制器，通过几年的发展，市售的分组器其技术已相当成熟，稳定性，可靠性都较高，但在实际使用中有时会遇到市场销售的分组器不能满足特殊控制要求的情况。且市场销售的分组器价格普遍较高，如果能自己动手制作，其成本将大大降低，在后续的章节中，介绍一种适合自制的分组器电路，以便给具有动手能力的人员进行制作使用。2线路分组控制器的设计众多集成电路中，在参考了大量控制芯片的技术资料后，我发现利用CD4017十进制计数/时序译码器设计的分组器很适合自制，可实现10组逐位独立输出控制。CD4017集成电路又称十进制计数/脉冲分频器，它是4000系列CMOS数字集成电路中应用最广泛的电路之一，其结构简单，造价低廉，性能稳定可靠，工艺成熟，使用方便。它与时基集成电路555一样，深受广大电子科技工作者和电子爱好者的喜爱。目前世界各大通用数字集成电路厂家都生产4017IC,在国外的产品典型型号为CD4017,国内早期产品的型号为：C217、C187、CC4017等。2.1 CD40171C结构原理简介CMOSCD4O17IC采用标准的双列直插式脚塑封（引脚排列参考图2所示），CC4017是国标型号，它与国外同类产品CD4017在逻辑功能、引出端和电参数等方面完全相同，可以直接互换。该电路具有电压范围宽，功耗小，抗干扰性能强的特点。其引脚功能如下：引脚编号功能描述1Y5第5输出端2Y1第1输出端3Y0第0输出端，电路清零时，该端为高电平4Y2第2输出端5Y6第6输出端6Y7第7输出端7Y3第3输出端8Vss电源负端9Y8第8输出端10Y4第4输出端11Y9第9输出端12Qco级联进位输出端，每输入10个时钟脉冲，就可得一个进位输出脉冲，因此进位输出信号可作为下一级计数器的时钟信号13EN时钟输入端，脉冲下降沿有效14CP时钟输入端，脉冲上升沿有效15R清零输入端，在“R”端加高电平或正脉冲时，CD40171c计数器中各计数单元输出低电平“0”，在译码器中只有对应“0”状态的输出端Y0为高电平引脚编号功能描述16VDD电源正端，378V直流电压CD40171c内部由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成，十进制计数器采用约翰逊计数器，约翰逊计数器构成的串行移位寄存器具有编码可靠、工作速度快、译码简单、译码输出无过渡脉冲干扰等特点。CD4017IC的基本功能是对“CP端输入脉冲的个数进行十进制计数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在Y0Y9这十个输出端，计满十个数后计数器复零，同时输出一个进位脉冲。输入输出波形见下图：ENY0Y1ya4Y5Y7YSQcoCD4017各引脚输出波形图2.2 使用CD4017设计的线路分组控制器原理和使用简述利用CD4017的上述原理，充分利用IC的功能，该电路不但简洁可靠，而且易于对控制组数进行扩展，原理接线图：设计了一个简洁实用的分组控制器，具有较高的实用性，卜.图为控制器的rRL7fCD4017 16 IdVDB1 410 12112OVCPLIL2L3L4L5G1415CPR QcoYOY1 进Y3Y4Y5Y6Y7Y8Y9EM VSS图中220V电源经R1、C1、VDW1、D1、C2为控制器提供约12V直流电源；控制脉冲通过R2限流后和控制开关连接，当开关通断一次即给CD4017的14脚CP脉冲输入端提供一个输入脉冲，CD4017内部十进制约翰逊计数器进行一次计数，时序译码电路译码后使CD4017输出口Y0置高电平，对应的晶闸管JR1触发端因高电平而触发导通，通过L1将电能送出到被控负载，负载得电进行工作。当开关再次分合后CP获得第二个输入脉冲，计数器移位计数并使Y1口获得高电平，当经过五次脉冲输入后，Y4口为高电平，下一个脉冲到来后，由于Y5口接到IC的复位输入端，当复位输入R端输入高电平时，电路对十进制约翰逊计数器进行复位，译码后除Y0为高电平外，Y1-Y4都为低电平，对应的双向晶闸管触发端无触发电压而截止，被控电器因断电而停止工作。实际使用中，由于Y0控制的L1被控回路在控制器通电或复位后都有电能输出，除特殊控制如需要预热或需提前通电准备的负载外，家庭使用可以把L1接入一个小功率灯泡，作为电源指示或夜间照明，如不考虑该使用方式时应把该输出端悬空不用，被控灯具从L2开始接入，如控制组数较多可将接入到R端的跳线后移，直至满足需求。3总结通过分析常规接线方式、继电器扩流控制接线方式和分组器分组控制接线方式的特点，不难看出三种接线方式的优劣，其中常规接线方式虽然原理简单，但控制较多负载时接线会变得很复杂，对安全用电不利，安全隐患大，由于负载回路和控制回路不能分开，电流同时流过负载回路和控制回路，致使线路损耗加大；继电器扩流控制接线虽能把控制回路和负载回路分开，有效的节约了线路的电能损耗，但对多组控制电器进行控制时，其线路也变得复杂，需要敷设较多的控制线路，达不到节省布线费用的目的；分组控制器控制的线路能同时解决常规接线和继电器扩流控制接线的矛盾，是现在家庭布线设计时比较优化的设计方案。利用控制元件对电器进行弱电控制，增强了用电的安全性，且采用小截面导线进行控制后，将大大减少大截面线材的使用数量，达到了节约布线成本的目的。在实际使用中，如控制回路与控制回路或控制回路与主回路等发生短接等故障时，不会有大电流流过故障回路，避免了安全事故的发生。利用该布线形式，还可有效的减少主回路的线路长度，降低了线路的损耗，使家庭用电能耗降到最低，达到了节能的目的。由此总结可看出，改变传统布线形式，不但可以方便的对多组用电负载进行有效控制，简化布线的复杂程度，节省线材的使用数量，还大大降低了电能的损耗，提高了用电的安全性，可见这一技术的改进，具有较高的社会和经济价值，是一项值得广泛推广的技术方案。参考文献：1 中国集成电路大全国防工业出版社1985年2 COMS400系列60种常用集成电路的应用魏立君韩华琦人民邮电出版社1983年2月3 DIY系列-2000洪锦魁海洋出版社2000年4 常用点子元器件手册蔡惟铮哈尔滨工业大学出版社1998年6月5 实用双向可控硅应用500例岑贤鸿袁光明成都科技大学出版社1994年