廣東樂源數(shù)字技術(shù)有限公司　李　斌　趙偉娟

一種新型的電子自鎖式開關(guān)

廣東樂源數(shù)字技術(shù)有限公司李斌趙偉娟

采用JK觸發(fā)器，與常開式按鍵開關(guān)結(jié)合，構(gòu)成一種新型的自鎖式開關(guān)，這種開關(guān)為純電子式，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，穩(wěn)定可靠，實用性強(qiáng)?！娟P(guān)鍵詞】自鎖開關(guān)；電子開關(guān)

1.引言

目前自鎖式開關(guān)一般采用機(jī)械自鎖開關(guān)，利用彈簧將觸點彈起，再利用卡位限制實現(xiàn)常開或常閉功能，但這種開關(guān)在電氣會造成電壓抖動，彈簧易損壞，長時間或按鍵次數(shù)多而導(dǎo)致功能失效，另外導(dǎo)通電流也受觸點限制，而且這種開關(guān)結(jié)構(gòu)上體積大，按鍵手感差，按鍵行程長。

另一種開關(guān)如專利［1］所述，采用可控硅或三極管，及電容充放電的延時來實現(xiàn)自鎖功能，在此種形式的開關(guān)電路中，若按下按鍵長時間不放，則該電路會發(fā)生周期性的跳變，其跳變周期由電容大小決定，電容越大，周期越長，因此這種開關(guān)在開關(guān)頻率較高的場合不適用，且隨著電容容值增大，電容體積也會增大，這就影響了整個電路的體積；反過來，電容容值越小，電容存儲的電量越小，跳變周期就越短，若不及時松開按鍵，開關(guān)就會反復(fù)跳變，自鎖性能也將受到影響。

還有一些常用的自鎖開關(guān)是通過單片機(jī)或PLD，進(jìn)行程序控制，這種開關(guān)電路雖然可以解決以上兩種開關(guān)的缺點，但這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要編程處理，成本高。

2.JK觸發(fā)器

JK觸發(fā)器是數(shù)字電路觸發(fā)器中的一種基本電路單元。JK觸發(fā)器具有置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)功能，JK出發(fā)起屬于時序電路，每一次的動作都有時鐘信號觸發(fā)；在各類集成觸發(fā)器中，JK觸發(fā)器的功能最為齊全。在實際應(yīng)用中，它不僅有很強(qiáng)的通用性，而且能靈活地轉(zhuǎn)換其他類型的觸發(fā)器。JK觸發(fā)器的功能可由下面的真值表表示，如表1所示。

表1　JK觸發(fā)器真值表

其中Qn為當(dāng)前時刻的Q的輸出值，Qn+1為下一時刻Q的值，Qn’為Qn的非，J，K為JK觸發(fā)器的兩個輸入，

由表1可得JK觸發(fā)器特征方程：

Qn+1=J Qn’+K’ Qn（1）

由此 可以得到一個特殊狀態(tài)：J=K=1時，Qn+1=Qn’，也就是說在J=K=1時，每輸入一個時鐘脈沖，觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)一次電平。

3.基于JK觸發(fā)器的自鎖開關(guān)

由JK出觸發(fā)器的特性，改進(jìn)如下電路，如圖1所示。

圖1　自鎖電路

AN為常開式按鍵開關(guān)，U1為JK觸發(fā)器，J端和K端均接電源VCC，即J、K均接高電平，邏輯為1；Q端為輸出，圖中Q’沒用所以空接。

開關(guān)AN接在JK觸發(fā)器的CP端，即時鐘輸入端，且并聯(lián)一個電阻R5和電容C1，電阻R5是為了在開關(guān)AN斷開時保證CP端的低電平，給電容C1放電；電容C1是可以在開關(guān)斷開和閉合是給CP端口一個連續(xù)的電壓，即電阻R5和電容C1構(gòu)成一個RC放電回路，為按鍵開關(guān)提供了一個穩(wěn)定的上升沿和下降沿；JK觸發(fā)器U1的輸出Q腳，接一個三極管Q2的基極，三極管Q2為NPN型三極管，MOS管Q1為P溝道MOS管，三極管Q2和MOS管Q1構(gòu)成了一個晶體管開關(guān)電路，即Q輸出高電平，Q1的D極和S極導(dǎo)通，負(fù)載RL得到VDD的供電，相應(yīng)的，若想實現(xiàn)物理開關(guān)，此開關(guān)電路可改為繼電器電路。

當(dāng)開關(guān)AN為工作時，處于常開狀態(tài)，此時由于R5的下拉作用，U1的CP端處于低電平，當(dāng)AN按下去時，VCC電源給C1充電，CP端電壓上升直至等于VCC電壓，當(dāng)AN松開，C1對R5放電，CP端電壓下降直至低電平，此處CP端電壓上升和下降速度由R5和C1決定：

T=1/ζ=1/RC（2）

我們設(shè)定此速度符合CP的觸發(fā)速度，這樣按鍵AN相當(dāng)于成為了JK觸發(fā)器U1的時鐘信號；由于J和K端接VCC高電平，所以在按鍵每按下一次，就會給JK觸發(fā)器時鐘端一個上升沿或下降沿，輸出Q便會進(jìn)行一次翻轉(zhuǎn)（即高變低或低變高），這樣后級的開關(guān)電路就會進(jìn)行一次開或關(guān)的動作，也就是說，比如按鍵按一下，開關(guān)開，再按一下，開關(guān)關(guān)，這樣便實現(xiàn)了自鎖的功能。

此電路優(yōu)勢在于，JK觸發(fā)器CP端的頻率可以很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人按按鈕的速度；按鈕的觸發(fā)是邊沿觸發(fā)，無論按鍵按下多久，都只會觸發(fā)一次，因此低頻和高頻都能實現(xiàn)自鎖，自鎖穩(wěn)定性高。而且這種電路使用壽命僅由常開式按鍵開關(guān)決定，其他電路部分壽命很長，所以只需要使用壽命長的按鍵開關(guān)就可以使得這種開關(guān)電路壽命長，再者，即便按鍵開關(guān)勞損，更換之即可，無需更換整個開關(guān)電路。

4.結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型自鎖開關(guān)路，采用JK觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)功能，利用JK出發(fā)器的時鐘腳，每給一個時鐘脈沖，JK觸發(fā)器的輸出就進(jìn)行一次高低電平的翻轉(zhuǎn)，再利用這個翻轉(zhuǎn)控制后面的晶體管開關(guān)電路或繼電器開關(guān)電路，來實現(xiàn)自鎖的功能。這種方式的開關(guān)電路，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制穩(wěn)定，使用壽命長。

李斌【通訊作者】（1988—），湖南長沙人，男，碩士，現(xiàn)工作于廣東樂源數(shù)字技術(shù)有限公司。

趙偉娟（1989—），山東菏澤人，碩士，現(xiàn)工作于廣州西門子變壓器有限公司。

［1］劉德軍.具有自鎖功能的單鍵控制開關(guān)［P］.中國：102361447A，2011-06-01.

［2］李斌，黃冠明.一種電子式自鎖開關(guān)［P］.中國：204821409U，2014-08-14.