家庭電氣布線及改進(jìn)剖析

1、家庭電氣布線改進(jìn)及分組控制器設(shè)計(jì)李旭關(guān)鍵詞：家庭布線 分組器設(shè)計(jì) 節(jié)能環(huán)保 用電安全摘 要：家庭在用電線路敷設(shè)過(guò)程中，為了滿(mǎn)足電器的功率需求，提高電氣絕緣水平， 保證電路的可靠，往往采購(gòu)高質(zhì)量大截面多芯軟銅線進(jìn)行布線，在提高電氣絕緣和線路可靠性同時(shí)，花費(fèi)了大量的裝修費(fèi)用。由于家庭電器的增多，布線復(fù)雜，如果布線人員專(zhuān)業(yè)水平 不夠，還難以保證電氣布線的可靠性，使高額投入得不到預(yù)期的成效。本文針對(duì)以上情況對(duì)家庭布線進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)現(xiàn)在使用較多的分組器的選擇和針對(duì)有特殊用途的分組器進(jìn)行了 設(shè)計(jì)改進(jìn)。0概述隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，家用電器大量普及，家庭電氣化水平不斷提高，許多家 庭擁有了數(shù)量較多的家

2、用電器。隨著家用電器的增加，家庭裝修中布線的密度越來(lái)越大，由于現(xiàn)在社會(huì)上的裝修電氣隊(duì)伍水平參差不齊，在布線過(guò)程中不但給家庭的安全用電帶來(lái)隱 患，還造成電能的浪費(fèi)。 本文基本思路是在家庭裝修線路敷設(shè)過(guò)程中，采取主電源回路和負(fù)載回路購(gòu)買(mǎi)優(yōu)質(zhì)多芯大截面銅芯線進(jìn)行敷設(shè)，控制回路借鑒電力負(fù)荷控制的方式用分組器或繼電器進(jìn)行控制，因控制回路流過(guò)的電流很小，布線中只要選用小截面的普通銅芯導(dǎo)線即可 勝任，采取該方式有效縮短了工作回路的線路長(zhǎng)度，降低了電能的損耗。 利用該布線方式還可簡(jiǎn)化接線形式，有效減少線材投資， 減小控制回路因密度過(guò)大造成的短路事故，是一項(xiàng)環(huán)保經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)，在國(guó)家大力提倡建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的今天，有

3、大力推廣的實(shí)用價(jià)值。1常規(guī)布線和分組控制布線的比較1.1常規(guī)布線方式的特點(diǎn)由于常規(guī)接線把控制開(kāi)關(guān)和被控電器串聯(lián) 在回路中，控制回路和主回路的回路電流相等， 工作回路和控制回路不能分開(kāi)， 控制回路和主回 路中流過(guò)的電流相同， 電流流過(guò)的導(dǎo)線較長(zhǎng)， 線 路損耗較高。常規(guī)布線由于開(kāi)關(guān)和被控電器必須 實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系，布線較復(fù)雜，使用的線材較多，布線密度大?，F(xiàn)在裝修因電器設(shè)備的 增多和要求的控制方式較復(fù)雜，例如燈光要求多 組控制等，如采取常規(guī)布線方式將耗費(fèi)大量的線 材，且布線線路復(fù)雜，易出現(xiàn)故障，發(fā)生短路時(shí) 還會(huì)發(fā)生火災(zāi)等大的災(zāi)害，造成個(gè)人和社會(huì)的財(cái) 產(chǎn)損失。傳統(tǒng)接線方式雖然原理簡(jiǎn)單，控制容易實(shí)

4、 現(xiàn)，但接線復(fù)雜，使用的線材和控制元件較多， 其典型控制接線如右圖所示。式使用了較多的線材和開(kāi)關(guān)，且控制部分導(dǎo)線截面一般要求和主回路的截面相同。1.2繼電器擴(kuò)流控制特點(diǎn)為了解決上述問(wèn)題，必需通過(guò)相應(yīng)的控制元件對(duì)主負(fù)載進(jìn)行控制，控制的方式較多，在此主要討論利用繼電器來(lái)對(duì)用電負(fù)載進(jìn)行控制和擴(kuò)流。利用該控制方式有許多優(yōu)點(diǎn)，例如可以用較小的電流對(duì)大功率電器進(jìn)行控制?？刂平泳€見(jiàn)左圖所示：圖中，當(dāng)開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)時(shí)， 繼電器線圈 KM1沒(méi)有電流 流過(guò)，繼電器常開(kāi)觸點(diǎn) KM1-1呈斷開(kāi)狀態(tài)，燈泡 L1、L2不亮，當(dāng)開(kāi)關(guān)K1合 上時(shí)，繼電器線圈 KM1帶 電，KM1-1合上，燈泡通電 發(fā)光。該控制方式不僅有效的

5、實(shí)現(xiàn)了對(duì)電器的控制，還方 便的實(shí)現(xiàn)了 電器的遠(yuǎn)動(dòng)控 制，在實(shí)際布線中，燈泡的 主電流回路用較大的線材敷 設(shè)，控制回路可以用較小的 線材敷設(shè)，有效的減小了線 路的損耗和線材的投資。使 用繼電器擴(kuò)流和遠(yuǎn)動(dòng)控制有較強(qiáng)的實(shí)用性， 但在需要對(duì)多組用電負(fù)載進(jìn)行控制時(shí)， 其局限性 就顯現(xiàn)了出來(lái)，每多增加一組用電負(fù)載就必須增設(shè)一套控制繼電器和開(kāi)關(guān)， 相應(yīng)線路也按比 例增加，達(dá)不到簡(jiǎn)化線路的目的，且工業(yè)用繼電器普遍價(jià)格較高，民用的可靠性又較低，所 以滿(mǎn)足該類(lèi)使用要求的分組控制器走上了歷史舞臺(tái)。1.3分組控制特點(diǎn)現(xiàn)在家庭裝修已不在僅僅滿(mǎn)足實(shí)用的要求, 化主張，以滿(mǎn)足視覺(jué)上的沖擊和感官上 的舒適，這樣就增加了家庭燈

6、具和其他 影音設(shè)備的數(shù)量，同時(shí)對(duì)電器的控制方 式也變得復(fù)雜多樣，可見(jiàn)通過(guò)常規(guī)接線 難以滿(mǎn)足現(xiàn)在的控制要求。所以能進(jìn)行 多組分組控制的控制元件應(yīng)運(yùn)而生。對(duì)居室顏色搭配和燈光效果等都提出了個(gè)性主回路家庭用的分組器原理一般是通過(guò)移 位寄存器的輸出信號(hào)進(jìn)行控制，開(kāi)關(guān)的 輸入作為寄存器的工作時(shí)鐘，每次按下 控制開(kāi)關(guān)都給寄存器時(shí)鐘輸入端送入一 個(gè)觸發(fā)脈沖，使寄存器輸出端進(jìn)行一次 移位輸出，達(dá)到控制不同電器的控制目 的。其具體接線和原理如左圖所示：在左圖中，M1為分組控制器，當(dāng)開(kāi)關(guān)每次按下時(shí)，給分組器的計(jì)數(shù)輸入端輸入一個(gè)控 制信號(hào)，分組器按照：1，2, 3，0的順序輸出控制信號(hào)，對(duì)應(yīng)的晶閘管觸發(fā)端有信號(hào)輸入

7、 導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的燈泡點(diǎn)亮。僅用了一只開(kāi)關(guān)就可控制三只或更多的燈泡，且控制回路由于電流很小（卩A級(jí)），所以在裝修中可以選擇較小截面的導(dǎo)線，并且還大大簡(jiǎn)化了裝修布線的密 度，提高了家庭用電的安全性。用分組器控制家用電器有線路簡(jiǎn)單，可靠性高，耗電小的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在的電器市場(chǎng)擁有數(shù) 量較多的各類(lèi)分組控制器，通過(guò)幾年的發(fā)展，市售的分組器其技術(shù)已相當(dāng)成熟，穩(wěn)定性，可 靠性都較高，但在實(shí)際使用中有時(shí)會(huì)遇到市場(chǎng)銷(xiāo)售的分組器不能滿(mǎn)足特殊控制要求的情況。 且市場(chǎng)銷(xiāo)售的分組器價(jià)格普遍較高，如果能自己動(dòng)手制作，其成本將大大降低，在后續(xù)的章節(jié)中，介紹一種適合自制的分組器電路，以便給具有動(dòng)手能力的人員進(jìn)行制作使用。2線路分組控

8、制器的設(shè)計(jì)眾多集成電路中，在參考了大量控制芯片的技術(shù)資料后，我發(fā)現(xiàn)利用CD4017十進(jìn)制計(jì)數(shù)/時(shí)序譯碼器設(shè)計(jì)的分組器很適合自制，可實(shí)現(xiàn)10組逐位獨(dú)立輸出控制。CD4017集成電路又稱(chēng)十進(jìn)制計(jì)數(shù)/脈沖分頻器，它是4000系列CMOS數(shù)字集成電路中應(yīng)用最廣泛的電路之一，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，性能穩(wěn)定可靠，工藝成熟，使用方便。它與時(shí)基集成電路555 樣，深受廣大電子科技工作者和電子愛(ài)好者的喜愛(ài)。目前世界各大通用數(shù)字集成電路廠家都生產(chǎn)4017IC ,在國(guó)外的產(chǎn)品典型型號(hào)為CD4017 ,國(guó)內(nèi)早期產(chǎn)品的型號(hào)為： C217、C187、CC4017等。2.1 CD40171C 結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)介CMOS CD4O

9、17IC 采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插式腳塑封（引腳排列參考圖 2所示），CC4017是國(guó)標(biāo)型號(hào)，它與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品CD4017在邏輯功能、引出端和電參數(shù)等方面完全相同，可以直接互換。該電路具有電壓范圍寬，功耗小，抗干擾性能強(qiáng)的特點(diǎn)。 其引腳功能如下：引腳編號(hào)功能描述1Y5第5輸出端2Y1第1輸出端3Y0第0輸岀端，電路清零時(shí)，該端為高電平4Y2第2輸出端5Y6第6輸出端6Y7第7輸岀端7Y3第3輸出端8Vss電源負(fù)端9Y8第8輸出端10Y4第4輸出端11Y9第9輸出端12Qco級(jí)聯(lián)進(jìn)位輸岀端，每輸入 10個(gè)時(shí)鐘脈沖，就可得一個(gè)進(jìn)位輸岀脈沖，因此進(jìn)位 輸出信號(hào)可作為下一級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)13EN時(shí)鐘輸入端

10、，脈沖下降沿有效14CP時(shí)鐘輸入端，脈沖上升沿有效15R清零輸入端，在“ R”端加高電平或正脈沖時(shí)，CD4017IC計(jì)數(shù)器中各計(jì)數(shù)單元輸 岀低電平“ 0”，在譯碼器中只有對(duì)應(yīng)“ 0”狀態(tài)的輸岀端 Y0為高電平引腳編號(hào)功能描述16VDD電源正端，318V直流電壓CD4017IC內(nèi)部由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路和時(shí)序譯碼電路兩部分組成，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器采用約 翰遜計(jì)數(shù)器，約翰遜計(jì)數(shù)器構(gòu)成的串行移位寄存器具有編碼可靠、工作速度快、譯碼簡(jiǎn)單、 譯碼輸出無(wú)過(guò)渡脈沖干擾等特點(diǎn)。CD4017IC的基本功能是對(duì)“ CP端輸入脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行十進(jìn)制計(jì)數(shù)，并按照輸入脈沖 的個(gè)數(shù)順序?qū)⒚}沖分配在 YO Y9這十個(gè)輸出端，計(jì)滿(mǎn)十個(gè)數(shù)

11、后計(jì)數(shù)器復(fù)零，同時(shí)輸出一個(gè) 進(jìn)位脈沖。輸入輸出波形見(jiàn)下圖：ENY0Y345Y7YSCD4017各引腳輸出波形圖2.2使用CD4017設(shè)計(jì)的線路分組控制器原理和使用簡(jiǎn)述利用CD4017的上述原理，充分利用IC的功能，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)潔實(shí)用的分組控制器，該電路不但簡(jiǎn)潔可靠， 而且易于對(duì)控制組數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，具有較高的實(shí)用性， 下圖為控制器的原理接線圖：廠圖中220V電源經(jīng)R1、C1、VDW1、D1、C2為控制器提供約12V直流電源；控制脈沖 通過(guò)R2限流后和控制開(kāi)關(guān)連接，當(dāng)開(kāi)關(guān)通斷一次即給 CD4017的14腳CP脈沖輸入端提供一個(gè)輸入脈沖，CD4017內(nèi)部十進(jìn)制約翰遜計(jì)數(shù)器進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，時(shí)序譯碼電路譯碼

12、后使 CD4017輸出口 Y0置高電平，對(duì)應(yīng)的晶閘管JR1觸發(fā)端因高電平而觸發(fā)導(dǎo)通，通過(guò)L1將電能送出到被控負(fù)載，負(fù)載得電進(jìn)行工作。當(dāng)開(kāi)關(guān)再次分合后 CP獲得第二個(gè)輸入脈沖，計(jì)數(shù)器移位計(jì)數(shù)并使Y1 口獲得高電平，當(dāng)經(jīng)過(guò)五次脈沖輸入后，Y4 口為高電平，下一個(gè)脈沖到來(lái)后，由于Y5 口接到IC的復(fù)位輸入端，當(dāng)復(fù)位輸入 R端輸入高電平時(shí)，電路對(duì)十進(jìn)制約翰遜計(jì)數(shù)器進(jìn)行復(fù)位，譯碼后除Y0為高電平外，Y1 Y4都為低電平，對(duì)應(yīng)的雙向晶閘管觸發(fā)端無(wú)觸發(fā)電壓而截止，被控電器 因斷電而停止工作。實(shí)際使用中，由于Y0控制的L1被控回路在控制器通電或復(fù)位后都有電能輸出，除特殊控制如需要預(yù)熱或需提前通電準(zhǔn)備的負(fù)載外，

13、家庭使用可以把L1接入一個(gè)小功率燈泡，作為電源指示或夜間照明，如不考慮該使用方式時(shí)應(yīng)把該輸出端懸空不用，被控?zé)艟邚腖2開(kāi)始接入，如控制組數(shù)較多可將接入到R端的跳線后移，直至滿(mǎn)足需求。3總結(jié)通過(guò)分析常規(guī)接線方式、繼電器擴(kuò)流控制接線方式和分組器分組控制接線方式的特點(diǎn)，不難看出三種接線方式的優(yōu)劣，其中常規(guī)接線方式雖然原理簡(jiǎn)單，但控制較多負(fù)載時(shí)接線會(huì)變得很復(fù)雜，對(duì)安全用電不利，安全隱患大，由于負(fù)載回路和控制回路不能分開(kāi)，電流同時(shí) 流過(guò)負(fù)載回路和控制回路，致使線路損耗加大； 繼電器擴(kuò)流控制接線雖能把控制回路和負(fù)載回路分開(kāi)，有效的節(jié)約了線路的電能損耗，但對(duì)多組控制電器進(jìn)行控制時(shí)，其線路也變得復(fù)雜，需要敷設(shè)

14、較多的控制線路，達(dá)不到節(jié)省布線費(fèi)用的目的；分組控制器控制的線路能同時(shí)解決常規(guī)接線和繼電器擴(kuò)流控制接線的矛盾，是現(xiàn)在家庭布線設(shè)計(jì)時(shí)比較優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。利用控制元件對(duì)電器進(jìn)行弱電控制，增強(qiáng)了用電的安全性，且采用小截面導(dǎo)線進(jìn)行控制 后，將大大減少大截面線材的使用數(shù)量，達(dá)到了節(jié)約布線成本的目的。在實(shí)際使用中，如控 制回路與控制回路或控制回路與主回路等發(fā)生短接等故障時(shí)，不會(huì)有大電流流過(guò)故障回路， 避免了安全事故的發(fā)生。 利用該布線形式，還可有效的減少主回路的線路長(zhǎng)度，降低了線路 的損耗，使家庭用電能耗降到最低，達(dá)到了節(jié)能的目的。由此總結(jié)可看出，改變傳統(tǒng)布線形式，不但可以方便的對(duì)多組用電負(fù)載進(jìn)行有效控制，簡(jiǎn)化布線的復(fù)雜程度， 節(jié)省線材的使用數(shù)量， 還大大降低了電能的損耗， 提高了用電的安全 性，可見(jiàn)這一技術(shù)