崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

现在一般小孩或儿童都有自己独立的卧室和自己专有的床铺，床铺一般都安装有一个供睡前读书的床头灯，由于是供儿童使用的床头照明工具，故有许多地方不同于成年人使用的特点。

每天父母亲把孩子们往床上赶的时候，总要告诫几句：“好啦，你可以在床上读一刻钟的书，然后把灯关上、睡觉”。不过，父母亲都清楚，在这种情况下，孩子往往会突然睡着而忘记了关灯。

因此，需要有一种到了规定的时间能够自动地关断床头灯的装置。这种定时开关必须具有下列特点：

第一：这种灯只能由父母才能打开，使用一种像汽车点火开关一样的钥匙开关就能做到这一点。

第二：如果小孩感到困倦想睡觉的话，可在规定的时间到达之前将灯关掉，因为孩子没有总开关钥匙，因此要有一个复位按钮，通过该按钮可以即刻关掉照明灯泡。

第三：因为是儿童的专用床头灯，所以为了安全起见，必须用低压灯泡及低压供电，整个电路包括灯泡在内应有一个安全可靠的电源变压器提供低压安全供电，低压灯泡很容易买到，汽车用的12V灯泡是最佳选择。

1 床头灯自动关断装置的电气原理

从专业学术角度来讲，单稳态触发器或者双稳态触发器或者多谐振荡器是三种不同的工作形式，其各有专属应用范围。

双稳态触发器有两个稳定状态，通过触发，可以从一个稳定状态翻转成另一个稳定状态；单稳态触发器只有一个稳定状态，通过触发，可以翻转到一个“暂稳”状态，一定时间后会自动回到原来的稳定状态；多谐振荡器属于无稳定状态，永远不会在某个状态下稳定，永远不停的翻转，成为振荡器[1]。

而单稳态多谐振荡器这个概念并不多见，教科书上也没有这方面的介绍，可以这么理解，单稳态多谐振荡器带有一个稳态和一个非稳态的多频振荡器。需要一个触发信号将其驱动到非稳态，在此保持一个预定时间后又回到稳态，故也称为单冲多谐振荡器[2]。

本设计自动关断装置的电气原理如图1所示。

从图可以看出，本自动关断装置包括工频降压变压器电路、钥匙开关电路、整流桥堆电路、555时基电路、RC阻容网络定时电路、即刻关断电路、低压12V开关电路以及灯泡电路。

图1 儿童床头灯自动关断装置的电气原理图

既然希望自动关断，必然有定时器的应用，本设计所用的定时器选用最常见的555定时器集成块，因为这种定时器能够提供几个小时的定时时间，而且十分可靠。开关灯泡用的晶体管T选择2N3055。这两个元器件是本设计的重点[3]。

NE555定时器成本非常低廉，性能非常可靠，它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级，它提供两个基准电压1/3UCC和2/3UCC。它的内部电压标准使用了三个5k的电阻，故取名555电路，如图2所示。

图2 555计时器电路

555时基集成电路可以组成三种工作方式：斯密特触发电路、单稳态触发电路、多谐振荡器电路，本设计将555时基电路用作单稳态多谐振荡器工作方式，正如上文叙述的，这个电路不是自己振荡的，而是别人(系列触发脉冲或信号)推动它的，任何一个触发脉冲或信号消失，它就不动，处于单稳态。

在本设计中，单稳态多谐振荡器的推动信号实际是由人工通过开关钥匙的关断、再开启来实现的，故不是严格意义的单稳态多谐振荡器。

本设计单稳态多谐振荡器的输出脉冲持续时间由一个R1、C2组成的阻容网络来调整，在这种具体应用中，脉冲的持续时间实际等于RC时间，若电阻R1为1M、电容C2为1000μF(如电路图1所示)，那么RC时间恰好为1000 s，刚好超过1刻钟[4]。

白天床头灯没有开启，电容C2处于放电状态，天黑当用钥匙开关S1接通电路时，定时电容通过电阻R1开始充电，在电容C2的整个充电期间，555时基电路的输出端(第3脚)处于高电平，电压值为正电源电压，从而使晶体管T1导通，点亮灯泡。

R2为T1基级限流电阻，由于T1基—射阻抗较低，如果555时基电路直接连接晶体管T1，较大的基级驱动电流可能会损坏555。

采用图1所示类型的灯泡(12V，1～15W)，晶体管T1耗散的功率低到可以不用散热片，加至灯泡的电压是未经加工的全波整流电源电压，没有必要对电源加以平滑滤波。

使用一个额外的整流二极管D1和一个小容量的平滑电容器C1将桥堆B整流后的全波电源信号进一步整流、滤波，作为555时基电路以及外围元件的供电电源VCC。

定时网络RC的充电电容不断充电，当电容C2两端的电压也就是555时基电路的6脚(TH阈值端)的电压超过2/3VCC时,定时时间到达，555时基电路的输出端(3脚)反转为0V，从而开关管T1由导通转为截止，灯泡熄灭[3]。

如果需要即刻关断灯泡，可以按下轻触复位按钮S2，由于S2连接逻辑地和555时基电路的异步置零端，故555时基电路内部的RS触发器被复位(置零)，555输出0V，灯泡立即关断[4]。

由于555电路的2脚(TL阈值端)是悬空的，故床头灯再次开启的唯一方法是首先利用钥匙开关S1关断电源，一直到定时电容放完电，再重新利用钥匙开关接通电源，打开床头灯，任何不用钥匙开关关断电源的操作都是不安全、不正规、不允许的。即使是想试一下把电源插头短时间拔出，看是否能够产生同样的效果，虽然效果一样，但也是不恰当、不允许的。

2 设计和使用注意事项

定时电容C2的选用非常重要，C2的任何泄露都将明显地延长这一时间，因此用钽电解电容比较合适，而且不要再加大R1的阻值。

还要注意电源线的连接，要采用优质电缆，在电缆进入接线盒处要有一个橡胶绝缘衬垫，而且在刚好进入接线盒内部处要用某种形式的夹子夹住电缆，使得连接变压器的导线不会发生拉扯。

由于是儿童专用床头灯，儿童的好奇心理非常强，故安全意识更为重要，除了即刻关灯按钮以及灯泡可以外露在床头之外，别的一切有关关断装置的设备必须都在隐蔽处，使孩子不易接触到。

床头灯自动关断装置的电路，总电源开关一定要用钥匙开关S1开启或关闭，而且只能由父母操作，任何其它如拔掉插头试图关闭电源的操作都是不允许的。即刻关断按钮S2可以由儿童操作。

3 结语

本设计很巧妙地利用555时基电路的单稳态触发器功能，通过人工开启钥匙使时基电路进入下一次单稳态循环，实现了单稳态多谐振荡器的功能，虽然不是严格意义的多谐振荡器，但原理是相似的。

本设计的使用可能稍显麻烦，但为了儿童的安全再多的麻烦也是值得的。