楼梯照明电路的设计

1楼梯照明电路的设计摘要：在日常工作和生活中，经常会遇到这样的情况：需要在两处或多处控制一盏灯。本文分析讨论了用单刀双掷开关来实现一灯两控电路的三种连接方法。在此基础上，结合双刀双掷开关，实现了一灯三控和一灯多控电路。最后设计出了一种节能、便捷的楼梯照明电路。以实现节能的目的。关键词：楼梯电路；单刀双掷开关；双刀双掷开关；节能1.引言目前，节约环保已然成为世界的主题，而在我国，建设节约型社会更是成为近期发展的重要目标之一。深夜，漫步在各个楼房林立的宿舍区时，注意一下那里的楼梯灯光，就会发现一般是两种情况：要么是长明灯，一盏盏明亮的电灯整夜在那里睁着大眼睛，白白地耗费了电能；要么是黑漆漆的一片，一点亮光也没有，那恐怕是根本未装楼梯电灯吧！一位老人问得好：“你总不能让我进楼时把楼梯灯打开，等到了三楼，开了三层的楼梯灯，再下楼来把一层的灯关掉。”如此说来，就只好让电灯长明了。但这不符合节约的原则[1]。那么，能不能做到在任何一层上扳动一下开关，就可以开亮或关掉各层楼梯的电灯呢？如果能，那该怎么办呢？2.一灯两控电路一灯两控电路，顾名思义，就是要在两个地方都能控制一盏灯的亮或灭的电路。在日常生活中，最常用的是一只开关控制一盏灯，这种电路每次开、关电灯，都要到开关位置，给人们带来了一定的麻烦[2]。因此，在两层楼电灯照明电路中，一般用两只单刀双掷开关控制一盏灯，也就是在楼上楼下各用一只双控开关控制。这样麻烦就消除了。在这里，简单介绍一下单刀双掷开关。如右图1所示：单刀双掷开关由动端和不动端组成，动端就是所谓的“刀”，它应该连接电源的进线，也就是来电的一端，一般也是与开关的手柄相连的一端；另外的两端就是电源输出的两端，也就是所谓的不动端，它们是与用电设备相连的。它的作用，一是可以控制电源向两个不同的方向输出，也就是说可以用来控制两台设备，或者也可以控制同一台2图1单刀双掷开关实物图设备作转换运转方向使用[3]。用两个单刀双掷开关实现在两层楼之间控制一盏灯有三种控制接法，如图2到图4所示。其中，图2是传统的接法，图3是省材料但不安全的接法，图4是对图3改进后的一种既省材料又安全的接法。以图2为例，规定上边的触点为1，下边的触点为2，把两个单刀双掷开关的两个触点分别相连，即开关K1的触点1与开关K2的触点1相连，开关K1的触点2与开关K2的触点2相连，然后两个开关的刀做为整个开关的两端接入电灯的两端。这样当开关K1和K2的刀同时接打向各自触点1或同时打向触点2时，电路接通，则灯亮。若两开关的刀一个打向触点1而另一个打向触点2时，电路不通，则灯灭。因此两个开关都可以控制灯。两个开关可以放在楼梯的上下两端，或走廊的两端，那么无论在哪一层上扳动一下开关（不管原来开关向上还是向位置下），都可以使电灯由亮变灭，或由灭变为亮。也可以在进入走廊前开灯，通过走廊后在另一端关灯，既能照明，又能避免人走灯不灭而浪费电。在图3中[4]，若两开关的刀一个打向触点1而另一个打向触点2时，电路接通，则灯亮。当开关K1和K2的刀同时接打向各自触点1或同时打向触点2时，电路不通，则灯灭。在图4中，开关K1和K2的刀同时接打向各自触点1或同时打向触点2时，电路不通，则灯灭。两开关K1和K2的刀一个打向触点1而另一个打向触点2时，则灯亮。图2传统的一灯两控电路连接图LN11K1K222L13图3省材料但不安全的一灯两控电路连接图图4既省材料又安全的一灯两控电路连接图从上面的三个连接图中可以看到：（1）图2所示的连接法，开关安装在火线进口处，在开关内即使接线有错，也不会发生短路，烧断保险丝。另外，灯熄灭时，灯泡处于开路状态，灯座与火线脱离，换灯泡安全。在维修中，手误接触开关中的接线柱，也不易发生触电事故。故此电路比较安全，符合安全规范[5]。但是这种接线方法必须有两根控制线。这在某些场合下有困难，如原有的穿线管子比较细，增加导线有困难。（2）图3所示的连接法因火线、地线都进开关，故接线、维修时要谨防短路。灯熄灭时，灯泡处于短路状态，灯座可能仍与火线接触[4]，也就是说，电路存在安全隐患，开关质量差就要烧开关，就是灯关着也不知道有电无电。如果用的是日光灯，或节能灯，在关掉后晚上会有微光闪烁。这是不符合安全规范的接法，所以不能使用。但是有些家庭装修承包工，为了节省材料和工时，常采用这种不合安全规范的接法。因为它使用的导线较少（比图2少用一条线），安装更为简单。那么如何解决该种接线图的“安全隐患”呢？可采用以下方法：1）使用卡口灯座和卡口灯泡。2）在灯座上设置警示标志：“灯在熄灭状态下亦不得触摸内部金属体”或“维修电路时请关掉这一段的总开关”。（3）图4所示的连接法，与图3相比较，虽然也是火线进开关，但是灯泡接在零线上，有效的避开了火线。这种电路接线较简单，接法能省工、省料，又安全。通过对上面三个电路图的分析我们得知：在电路连接中，为了达到同样的效果，可能有多种不同的连接方法，这些方法各有优缺点，要根据实际情况选取合适的连接方法。特别强调一点，电是一把双刃剑，每年都会有很多触电事故发生，除了不规范操作外，许多都是由于电路本身存在安全隐患。所以在电路连接中，要把安全性放在第一位来考虑。K211L122LNK1LNK21122K1L143.一灯三控电路一灯三控就是要在三个地方都能控制一盏灯的亮或灭。考虑生活中的这样一些实际例子：要求在三个房间和走廊都可以控制过道灯或有一个大厅，有三个门，装置三个开关，随便从哪个门进出都能开灯或关灯[6]。那么，怎么样才能实现满足这样要求的电路呢？在前面的两地控制的电路中，可以在图2的基础上来考虑这样一个模型：在两条传输线的中间用一个开关K3（平行或交叉）来切换电流从一个单刀双掷开关通过另一个单刀双掷开关，实现控制灯泡的电路。情况一：当开关K3使得传输线平行连接时，两个单刀双掷开关按键同时向上或同时向下拨动时，电路连通，电灯发亮。电路图如图5所示[7]：图5开关K3使得传输线平行连接且K1、K2动作相同时的电路图情况二：当开关K3使得传输线平行连接时，一个单刀双掷开关的按键向上拨，而另一个单刀双掷开关的按键向下拨时，电路断开，电灯熄灭。电路图如图6所示[7]：图6开关K3使得传输线平行连接且K1、K2动作相反时的电路图情况三：当开关K3使得传输线交叉连接时，与情况二恰好相反，一个单刀双掷开关的按键向上拨，而另一个刀双掷开关的按键向下拨时，电路接通，电灯发亮。电路图如图7所示[7]：LN11L1K3K1K222LNL1K3K1K211225图7开关K3使得传输线交叉连接且K1、K2动作相反时的电路图从上面三种情况可以看出，只要能找到这样一种开关（将两条传输线按照“平行——交叉——平行”的位置来移动），就能实现在三个地方控制一盏灯。能将两条传输线按照“平行——交叉——平行”的位置来移动的开关叫做双刀双掷开关。双刀双掷开关其实是两个单刀双掷开关并列而成的。如图8所示：其两个刀通过一个绝缘塑料相连，然后共用一个手柄。双刀双掷开关每一边相当于一个单刀双掷开关，可以做两个单刀双掷开关使用；双刀双掷开关同一边每相邻的两个接线柱相当于一个单刀双掷开关，可以做四个单刀单掷开关使用。双刀双掷开关由于接线柱的接线方式不同，将有不同的作用：如改变电流或电压方向、交换电学元件位置等[8]。图8双刀双掷开关实物图图9是用两个单刀双掷开关和一个双刀双掷开关连接出来的一灯三控电路，这样无论通过哪个开关都可以控制灯泡的亮或灭。如图为灯亮状态，拨下任一开关便可关断电路，再拨动任何一个开关即可接通电路[9]。LNK1K21122L1K311L1K3LNK1K2226图9一灯三控电路图4.一灯多控电路在实现了三地控制一盏灯电路后，只要在三地控制一盏灯电路中的双刀双掷开关后面再添加一只同样的开关就可以实现四地控制[6]。多地控制依此类推。电路图如图10所示[10]：图10一灯多控电路图其中，k1，k2为单刀双掷开关，k3到kn为双刀双掷开关，每个开关都可以实现独立的控制灯泡的亮灭，从而实现多地控制一盏灯[11]。5.多层楼的楼梯照明电路现在回到本文的引言部分，怎样接三层楼的楼梯照明电路？而在日常生活中，楼层数往往不止三层，可能是很多层，像这样的多层楼的楼梯照明电路又该怎样接呢？由前面的一灯多控电路，很容易想到，可以将分布在各层楼的灯泡并联在一灯多控电路中的那个灯泡上，这样就实现了多灯多控[12]。仔细分析一下，这个想法非常好。想象一下，有一个很大的大厅，而这个大厅又有多个进出口。用多灯多控来实现这个大厅的电路将十分完美！那么，能不能将多灯多控电路应用在多层楼的楼梯电路中？因为如果将它应用在多层楼的楼梯照明电路，只要一按开关全部灯泡就亮了，这时如果开灯的人只到较低的楼层，那么其它较高楼层的灯就只会白白的耗电而起不到任何作用；如果开灯的人要到较高的楼层，但是当开灯的人每走过一层楼，后面已经走过的楼层的灯泡和前面还未走道的楼层的灯泡同样在大量的耗电，无论从哪个角度看，都会造成电能的大量浪费。所以多灯多控电路只适用于楼层数较少的情况。传统的楼梯照明电路的接法是采用最简单的一灯一控电路，在每一层的楼梯口处安装一个普通开关控制楼层中间的灯。这种电路的弊端显而易见，人走到每L1LNLK1K21122K31221K4Kn7一层的楼梯口处按开关，这时下一楼层中间的灯亮；人从这层楼走到下一层楼，再按所到楼层的开关，下一楼层中间的灯亮；人又到达下一层楼，再按所到楼层的开关，下一楼层中间的灯亮……这样前面亮了的灯就不能被有效、方便的关掉，从而成了长明灯，一盏盏明亮的电灯整夜在那里亮着，白白地耗费了电能。现在考虑前面一灯两控电路中的图3，将多个这样的电路串联起来。连接起来后的电路图如图11所示:图11串联多个一灯两控电路以实现多层楼的楼梯照明电路从上图可以看出这种电路连接起来非常简单，而且容易实现。但是它和在前面分析过的图3一样，它存在电路安全隐患。不过不要紧，完全可以用我们在前面提出的方法来合理解决。在这里，给出另外一种能实现相同功能且没有安全隐患的连接方法如图12所示：图12用双刀双掷开关改进后的多层楼的楼梯照明电路图11、图12的连接方法，人走到一楼，按开关，这时一楼到二楼的楼梯中间的灯亮；走到二楼，按开关，这时一楼的灯灭，二楼到三楼的楼梯中间的灯亮；LNK4KnK3K2L1L3L2K1四楼n楼三楼二楼一楼LNn楼K1K2L2L1L3K4K3二楼三楼一楼四楼Kn8走到三楼，按开关，此时二楼的灯灭，三楼到四楼的楼梯中间的灯亮……反过来也是一样。到这里，可以看到图11、图12的连接方法用来能实现楼梯照明具有很好的便捷性。但是，它们都还不完善，它们都有一个共同的不足，除了人从第一层到最后一层或是从最后一层到第一层可以关掉所有的灯外，其他情况都会有一盏灯关不掉，直到有人重复了相反的过程才能关掉。比如一个人住在二楼，那么当他从一楼去到二楼时，按下二楼的开关，这时一楼的灯灭，二楼到三楼的楼梯中间的灯亮，而他已经回二楼的房间了，二楼到三楼的楼梯中间的灯仍然还在亮着，直到有人从二楼到一楼才能关掉；当他从二楼到一楼，按下二楼的开关，这时一楼的灯亮，二楼到三楼的楼梯中间的灯也亮，到一楼时，按下一楼的开关，这时一楼的灯灭，二楼到三楼的楼梯中间的灯还在亮着，直到有人从一楼到二楼才能关掉。这样的话，总是有一盏灯不能被及时的关掉。既然上面给出的两种连接方法都存在不足，那能不能对这种不足加以改进？经过分析后，知道引起不足的原因是，这样的接法整体性太强，每一层的开关不可避免的会影响到下层楼中间的灯。这样问题就简单了，只要把上面连接方法中的开关拆开后，使一个开关变成两个，这样在每层楼都能对灯泡进行及时、有效的控制。到这里，会发现改进后的接法其实就是在每两层楼都安装上一个一灯两控电路。这里给出对图12改进后的楼梯照明电路如图13所示：图13对图12改进后的楼梯照明电路从图13可以看到，人走到一楼，按开关K1，这时一楼到二楼的楼梯中间的灯亮；走到二楼，分别按开关K2、K3，这时一楼的灯灭，二楼到三楼的楼梯中间的灯亮；走到三楼，分别按开关K