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自动切换开关

许多电气与电子设备在运行过程中需要直流电源（DC）或交流电源（AC）。交流电（AC）通常由交流市电提供，而直流电（DC）则主要由电池供给。然而，在某些情况下会出现交流电源短缺（例如停电）或直流电源不足（由于电池寿命有限）的情况。为了解决这一问题，我们通常会采用一些替代方案。例如，在市电断电时，可以使用发电机或逆变器获取交流电源；同样地，对于直流电源，则可以选择电池或交流转直流（AC-DC）电源作为替代。

本文将介绍一种自动切换电路的原理、设计与工作过程，在该电路中，直流负载（例如一组 LED）可以由电池或 AC-DC 电源驱动。

3. 自动切换开关电路原理​

该电路基于555定时器的双稳态模式工作原理。在这种模式下，定时器的输出信号是高电平还是低电平取决于触发引脚和复位引脚的状态。定时器的输出连接到一个晶体管，该晶体管作为开关，根据定时器的输出信号处于导通或截止状态。电路中使用了两个串联的LED作为负载。当晶体管截止时，LED由AC-DC电源供电；当晶体管导通时，LED由电池供电。

4. 自动切换开关电路图​

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5. 自动切换开关电路设计​

设计该电路涉及两个基本部分：

5.1 AC-DC电源设计​

这是使用变压器和桥式整流器设计一个基本的AC到DC电源系统。

  • 第一步：选择电压调节器
    由于需要驱动两个串联的LED以及一个肖特基二极管，我们选择LM7809电压调节器，其输出电压为9V。由于调节器的输入电压至少需要12V，我们选择输入电压约为20V。

  • 第二步：选择变压器
    由于初级电压为230V，所需的次级电压约为20V，我们可以选择一个230V/20V的基本变压器。

  • 第三步：选择桥式整流器的二极管
    由于变压器次级的峰值电压约为28V，桥式整流器的总反向电压（PIV）约为112V。因此，我们需要选择PIV大于112V的二极管。这里我们选择1N4007，其PIV约为1000V。

  • 第四步：选择滤波电容
    对于峰值电压为26V、最小调节器输入电压为12V的电容，允许的纹波约为14V。电容值可以通过公式计算：

C=I⋅ΔtΔVC = \frac{I \cdot \Delta t}{\Delta V}

其中 II 是电压调节器的静态电流和负载电流之和。代入数值后，我们得到约17μF。这里我们选择一个20μF的电解电容。

5.2 使用555定时器的双稳态多谐振荡器电路设计​

当555定时器配置为双稳态多谐振荡器时，其输出信号为高电平或低电平逻辑信号。这里我们使用简单的逻辑：当触发引脚接地时，输出为高电平逻辑信号；当复位引脚接地时，输出为低电平逻辑信号。555定时器的输出连接到BC547晶体管的基极。

6. 自动切换电路工作原理​

当开关S1处于任意位置时，电路开始工作。当开关S1处于位置1时，555定时器的复位引脚接地。由于该复位引脚是SR触发器的复位引脚，因此555定时器的输出为低电平逻辑信号。此时，Q1的基极发射结反向偏置，晶体管处于截止状态。负载LED直接通过肖特基二极管连接到电压调节器的输出端。这里就是AC到DC电源电路的工作过程。交流电首先通过变压器降压，然后通过桥式整流器转换为未调节且波动的直流电压。滤波电容去除波动直流电压中的交流纹波。最后，未调节的直流电压通过电压调节器转换为稳定的直流电压。

当开关S1处于位置2时，555定时器的触发引脚接地。这使得555定时器的输出为高电平逻辑信号。此时，Q1的基极发射结正向偏置，晶体管进入饱和状态，处于导通状态。这里需要注意两点：首先，肖特基二极管现在不导通，因为二极管的阳极和阴极之间的电压差为零，即没有电位差。其次，LED现在通过电阻和晶体管偏置，由电池电压驱动。

7. 自动切换开关的应用​

  1. 该电路可用于家庭照明系统，稍作修改后即可使用。
  2. 它可用于驱动其他直流负载，例如任何电子设备或玩具应用中的直流电机。

8. 电路的局限性​

这是一个理论电路，实际在PCB上实现时可能需要一些调整。