畢業(yè)論文-單火線智能開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、單火線智能開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)隨著智能家居的快速發(fā)展，單火線智能開(kāi)關(guān)成為了傳統(tǒng)機(jī)械墻壁開(kāi)關(guān)的升級(jí)換代產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了燈具和電器開(kāi)關(guān)的智能化控制（如聲控開(kāi)關(guān)，觸摸開(kāi)關(guān)，紅外線遙控開(kāi)關(guān)，人體感應(yīng)開(kāi)關(guān)，手機(jī)控制，WIFI 智能開(kāi)關(guān)等）。并且，國(guó)內(nèi)外普通家庭大多為單火線布線，在升級(jí)實(shí)現(xiàn)智能化改造時(shí)往往要求智能開(kāi)關(guān)能直接代換原有的機(jī)械墻壁開(kāi)關(guān)，更換時(shí)無(wú)需重新布線。所以開(kāi)發(fā)新型電子智能照明開(kāi)關(guān)都必須要求采用單線制的單火開(kāi)關(guān)。根據(jù)工作原理可知，凡是電子智能照明開(kāi)關(guān)本身都需要消耗一定的電流，在待機(jī)時(shí)，由于單火線開(kāi)關(guān)待機(jī)取電是通過(guò)流過(guò)燈具的電流給智能開(kāi)關(guān)的控制電路供電的，如果待機(jī)輸入電流太小就會(huì)導(dǎo)致待機(jī)電路不能正常工作

2、，如果待機(jī)輸入電流太大就會(huì)導(dǎo)致燈具關(guān)閉后還會(huì)有閃爍或微亮（即出現(xiàn)“關(guān)不死”的現(xiàn)象）等問(wèn)題。特別是高阻抗的電子節(jié)能燈和LED 燈，對(duì)待機(jī)電流更為敏感。單線制電子開(kāi)關(guān)帶節(jié)能燈會(huì)閃爍的原因現(xiàn)在市面上的燈具大多為節(jié)能燈或LED燈，白熾燈基本已經(jīng)被完全取代。所以電子開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的面向?qū)ο髴?yīng)該主要是節(jié)能燈和LED燈。電子開(kāi)關(guān)為什么接白熾燈不會(huì)閃爍，而接節(jié)能燈和LED 燈就會(huì)閃爍呢？這與節(jié)能燈（或LED燈）以及電子開(kāi)關(guān)的自身構(gòu)造都有關(guān)系：由于電子開(kāi)關(guān)是用電子電路組成的控制開(kāi)關(guān)，就一定要消耗一定的電流，這一電流必定要通過(guò)串接在電源回路中的節(jié)能燈（或LED 燈）。由于節(jié)能燈（或LED 燈）內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的特殊性，即使

3、流過(guò)節(jié)能燈(或LED 燈)的電流很小，也會(huì)使燈產(chǎn)生不同程度的閃爍現(xiàn)象。原因是節(jié)能燈（或LED燈）內(nèi)部一般采用全波整流和電容濾波電路，如下圖所示：圖1 節(jié)能燈（或LED燈）結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)電子開(kāi)關(guān)本身消耗的微小的電流通過(guò)燈具內(nèi)部的橋式整流電路的濾波電容C時(shí)，這一很小的電流向燈具內(nèi)部電容C充電，當(dāng)燈具內(nèi)部電容C上的直流電壓充到一定的程度時(shí)（不同的燈會(huì)有差別）電容會(huì)放電，燈內(nèi)部的電子電路就會(huì)恢復(fù)工作而使節(jié)能燈（或LED 燈）點(diǎn)亮，這時(shí)電容C 兩端的電壓因?yàn)榉烹姸S則會(huì)下降，這時(shí)燈會(huì)熄滅，接著再開(kāi)始下一回合的充電及放電過(guò)程。隨著這樣的充放電過(guò)程，我們就會(huì)看到燈閃或微亮現(xiàn)象。這一閃爍現(xiàn)象的間隔與流過(guò)的電流及

4、節(jié)能燈（或LED 燈）的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，很難進(jìn)行具體量化例如多少瓦數(shù)以上的燈不會(huì)閃爍，哪些類(lèi)型的燈不會(huì)閃爍等。經(jīng)過(guò)對(duì)大量各品牌不同廠家的節(jié)能燈進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)引起節(jié)能燈閃爍的電流從20mA至100mA不等。有一些節(jié)能燈在電流小于10mA時(shí)都還會(huì)出現(xiàn)閃爍或者微亮的現(xiàn)象，另外燈閃爍與否與實(shí)際燈的標(biāo)稱(chēng)功率瓦數(shù)也沒(méi)有直接的絕對(duì)關(guān)系，例如，測(cè)試發(fā)現(xiàn)有些小瓦數(shù)的燈都不會(huì)閃爍或微亮，而有一些較大瓦數(shù)的燈卻會(huì)出現(xiàn)閃爍或微亮。所以，微功耗單火待機(jī)和工作電源電路的研發(fā)難度非常大，這也是到目前為止國(guó)內(nèi)外限制單火線智能開(kāi)關(guān)發(fā)展的最主要技術(shù)瓶頸。本課題的能做到就是將待機(jī)電流做到盡量小以適應(yīng)更多類(lèi)型的燈具，從而保

5、證大部分燈具不會(huì)出現(xiàn)閃爍。單線制智能開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)需要考慮的兩個(gè)問(wèn)題第一個(gè)問(wèn)題是要盡可能的降低待機(jī)功耗，即減小待機(jī)電流，避免出現(xiàn)燈關(guān)后閃爍或者微亮；另一個(gè)問(wèn)題是單火線的取電問(wèn)題。怎樣保證提供足夠的輸出電流給電子開(kāi)關(guān)控制電路，例如專(zhuān)用的MCU，紅外接收頭，RF遙控模塊，繼電器或者可控硅等。由于電子開(kāi)關(guān)工作時(shí)取電是通過(guò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的兩端壓差來(lái)取電的，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)就沒(méi)有了壓差無(wú)法取電，這樣就會(huì)導(dǎo)致控制電路掉電失控問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，市面上的單火線電子開(kāi)關(guān)采用兩種方式解決這一問(wèn)題。方式一：電子開(kāi)關(guān)中的開(kāi)關(guān)元件的通態(tài)和斷態(tài)由同一電路供電。在通態(tài)時(shí)，通過(guò)電容降壓再用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓的方式給控制電路提供直流電源；在斷態(tài)時(shí)

6、，由于控制電路消耗的電流也是電子開(kāi)關(guān)主回路的電流，所以如果電子開(kāi)關(guān)主回路的電流比較大，那么接上小功率的燈具，燈具就會(huì)發(fā)紅或閃爍，即“關(guān)不死”的現(xiàn)象，所以此類(lèi)單火線電子開(kāi)關(guān)大多數(shù)不能控制小功率的負(fù)載。同時(shí)用電容降壓，如果電流較大，電容的發(fā)熱非常嚴(yán)重，這樣就會(huì)給產(chǎn)品留下很大的故障隱患。方式二：將通態(tài)和斷態(tài)由不同的電路供電，其實(shí)現(xiàn)方式是先將主回路電流整流，再取出部分直流電作為控制電流。其缺點(diǎn)是對(duì)整流器件要求高、且發(fā)熱嚴(yán)重，限制了負(fù)載功率的提高,不適用于較大功率燈具。上述兩種方式都解決了電子開(kāi)關(guān)斷態(tài)時(shí)賄賂電流較大的問(wèn)題，但對(duì)于電子開(kāi)關(guān)控制的負(fù)載的功率范圍、穩(wěn)定性及其電源轉(zhuǎn)換效率方面，還是存在一定的不足

7、。方案一：雙向可控硅本方案設(shè)計(jì)的取電電路把通態(tài)和關(guān)態(tài)電路分開(kāi)，采用不同的取電方式，分別為控制模塊提供穩(wěn)定的12V直流電源，控制模塊一般由CPU和PF無(wú)線收發(fā)模塊組成。本設(shè)計(jì)還有過(guò)零檢測(cè)模塊，以保證可控硅零點(diǎn)導(dǎo)通。主框圖如下所示：圖1.1 雙向可控硅主框圖過(guò)零檢測(cè)雙向可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，也稱(chēng)雙向晶閘管，因?yàn)榭刂齐娐泛?jiǎn)單，因此特別適合做交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)使用。本設(shè)計(jì)中。雙向可控硅直接連在強(qiáng)電網(wǎng)絡(luò)中，其觸發(fā)電路的抗干擾問(wèn)題很重要，通常是通過(guò)光電耦合器將控制系統(tǒng)中的觸發(fā)信號(hào)加載到可控硅的控制極。為了減少驅(qū)動(dòng)功率和可控硅觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾，交流電路雙向可控硅的觸發(fā)常采用過(guò)零觸發(fā)電路。另外，在零點(diǎn)觸發(fā)可

8、控硅還可以增加晶閘管的使用壽命。過(guò)零觸發(fā)是指在電壓為零或接近零的瞬間接通，因?yàn)橐捎眠^(guò)零觸發(fā)，所以還需要過(guò)零檢測(cè)電路對(duì)正弦交流電進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)。過(guò)零檢測(cè)電路如圖1.2所示，用于檢測(cè)正弦AC220V的過(guò)零點(diǎn)，整流橋D1進(jìn)行全波整流，使用光耦U1和三極管Q1組成過(guò)零檢測(cè)電路，整形出脈沖波。圖1.2過(guò)零檢測(cè)電路當(dāng)正弦交流電壓接近零的時(shí)候，整流橋中的二極管截止，光耦U1截止，三極管的基極電壓是Q1導(dǎo)通，ZD的檢測(cè)信號(hào)出現(xiàn)負(fù)脈沖信號(hào)，multisim仿真電路如圖1.3所示。圖1.3過(guò)零檢測(cè)仿真電路仿真的結(jié)果如圖1.4所示，可以看出在交流電經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候，檢測(cè)端ZD出現(xiàn)低電平的脈沖，觸發(fā)脈沖和交流電壓同步，

9、觸發(fā)電壓高于4V，并且脈沖寬度大于20微妙。圖1.4 仿真結(jié)果電路方案設(shè)計(jì)目前，單火取電智能開(kāi)關(guān)一般存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：帶大功率負(fù)載，器件發(fā)熱嚴(yán)重，容易造成開(kāi)關(guān)的失控和損耗；當(dāng)負(fù)載過(guò)小的時(shí)候，取電的電流過(guò)小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)；漏電流過(guò)大，燈具出現(xiàn)閃爍；設(shè)計(jì)負(fù)載，成本高。本設(shè)計(jì)就是解決負(fù)載功率的問(wèn)題，使開(kāi)關(guān)既能帶大功率負(fù)載，也能帶小功率負(fù)載，適用范圍廣，而且?guī)Т蠊β守?fù)載時(shí)，大大減小元器件的發(fā)熱，提高開(kāi)關(guān)的可靠性。本設(shè)計(jì)包括雙向可控硅單元，整流濾波單元，電源模塊單元，穩(wěn)壓?jiǎn)卧?，控制單元和CPU主控單元，如圖1.5所示。圖1.5 設(shè)計(jì)單元圖雙向可控硅控制單元的輸入端即為智能開(kāi)關(guān)的火線輸入端，接市電火線，雙向可

10、控硅控制單元的輸出端經(jīng)過(guò)整流濾波單元進(jìn)行整流和濾波，然后進(jìn)入電源模塊單元，電源模塊單元把輸入的大電壓小電流轉(zhuǎn)換成小電壓大電流輸出，穩(wěn)壓供電單元將電壓穩(wěn)定在5V直流電壓給CPU主控板提供電源，主控單元通過(guò)控制單元對(duì)雙向可控硅進(jìn)行開(kāi)和關(guān)的控制，雙向可控硅的另一端與智能控制開(kāi)關(guān)的火線輸出端相連，即接負(fù)載。使用時(shí)，負(fù)載的另一端接市電零線。CPU主控單元可以使MCU等處理器，通過(guò)控制單元實(shí)現(xiàn)智能控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)或關(guān)。電源模塊介紹在待機(jī)時(shí)，由于單火線開(kāi)關(guān)待機(jī)取電是通過(guò)流過(guò)燈具的電流給開(kāi)關(guān)的控制電路供電的，如果待機(jī)輸入電流大就會(huì)導(dǎo)致電子節(jié)能燈在關(guān)閉時(shí)會(huì)有冷閃光等問(wèn)題。特別是即LED照明燈，對(duì)待機(jī)電流更是苛刻。所

11、以。要使開(kāi)關(guān)適合多種類(lèi)型的負(fù)載，就要將待機(jī)電流做得越小，綜上所述，單線制智能開(kāi)關(guān)的供電部份就是關(guān)鍵。由于小電流的電源變換效率很難提高，一般在30%50%左右。降低電源本身的空載電流就很有效地降低待機(jī)電流。另外一個(gè)重要的問(wèn)題是單火線的取電問(wèn)題。在工作中，由于電子照明開(kāi)關(guān)工作時(shí)取電是通過(guò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的兩端壓差來(lái)取電的，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)就沒(méi)有了壓差無(wú)法取電，這樣就會(huì)導(dǎo)致控制電路開(kāi)時(shí)失電失控問(wèn)題。對(duì)于這一問(wèn)題，有很多的解決辦法出現(xiàn)，但有些還是比較復(fù)雜電路成本也較高。由于我們的電源模塊具有很寬的輸入電壓范圍，在輸出電流小于1mA 的情況下，其輸入直流電壓范圍達(dá)到了12400V，這樣就可以設(shè)計(jì)多種取電方案。電源

12、模塊的測(cè)試電路如圖1.7所示：圖1.7 電源模塊測(cè)試電路輸入端的R1電阻一定要串入，因?yàn)槲⒐碾娫磫?dòng)時(shí)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)。如果用在220V277V電網(wǎng)，電阻取值 3.3K。如果用在110V電網(wǎng)取值1K。如果輸出電流較大也可稍小，但不能小于1.5K。當(dāng)輸入電壓U1為AC220V，通過(guò)調(diào)整可變電阻R2使輸出電壓U2固定在6.5V時(shí)，輸出電流A2與輸入電流A1的關(guān)系如表1所示：參數(shù)定義單位輸入電壓：AC 220V 輸出電壓：DC 6.5V輸出電流(A2)mA空0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.2輸入電流(A1)A811.5162023.627.531.535.5

13、404347.55155輸入直流電壓(U1)V280272272270270270269269268267267266266轉(zhuǎn)換效率%202935404345474850505252數(shù)值均是測(cè)量直流電壓、電流，因?yàn)樵谛‰娏飨陆涣鲾?shù)字表受干擾較大，不易得出正確的數(shù)值。同時(shí)也排除了功率因數(shù)的影響。輸入電流小于30A，可以適應(yīng)絕大多數(shù)節(jié)能燈和LED 燈。所以在應(yīng)用時(shí)，最好把控制電路的電流消耗控制在0.6 mA 以下。隨著輸出電流的增大，輸入電流也不斷增大，裝換效率一直增大，直到達(dá)到50%左右，這也是電源模塊的最大轉(zhuǎn)換效率，所以，最好將輸出電流控制在1mA左右，這時(shí)候電源模塊的轉(zhuǎn)換效率最高。電源模塊的

14、輸入范圍要盡量大，這樣才能適應(yīng)各種各樣的取電電路，下面將輸出電流固定在1mA，測(cè)試電源模塊的輸入電壓的范圍，表2是輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系：參數(shù)定義單位輸出電流A2固定在1mA輸入直流電壓(U1)V203040506080100120140160180200230270輸出直流電壓(U2)V6.186.036.066.076.266.306.316.326.336.346.346.356.366.37可以看出，隨著輸入電壓的增加，輸出電壓基本保持在6.3V左右，保證穩(wěn)定的直流電壓輸輸出，輸入電壓的范圍很大，針對(duì)這種情況可以設(shè)計(jì)多種取電電路。開(kāi)態(tài)取電的介紹雙向可控硅相當(dāng)于兩只單向可控硅反向并聯(lián)，

15、它包括控制極G和兩級(jí)T1，T2，觸發(fā)后電流可以在T1和T2雙向流動(dòng)，所以很適合用在交流控制電流中。跟和單向可控硅一樣，雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，控制極G上的電壓失去作用。至于當(dāng)T1，T2間電壓降到不足以維持導(dǎo)通，或者T1，T2之間的電壓改變時(shí)，又恰好沒(méi)有觸發(fā)電壓，可控硅才會(huì)截止。雙向可控硅的觸發(fā)電路多種多樣，我選擇的方式是兩只穩(wěn)壓管反向串聯(lián)的方式，利用穩(wěn)壓管管外加反向電壓達(dá)到一定值就導(dǎo)通穩(wěn)壓這一特性,用兩只穩(wěn)壓管同極性串聯(lián)對(duì)雙向可控硅進(jìn)行觸發(fā)。其轉(zhuǎn)折電壓為一只穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值與另一管子正向壓降之和。取電電路如圖1.6所示。圖1.6 取電電路控制單元我選用的是MOC3063光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器，用該器

16、件觸發(fā)晶閘管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，并且防止電壓畸變等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)MOC3603的控制信號(hào)為關(guān)信號(hào)，即低電平的時(shí)候，MOC3063截止，負(fù)載燈具處于關(guān)閉狀態(tài)，這種狀態(tài)為關(guān)態(tài)取電?；鹁€進(jìn)來(lái)的交流電壓經(jīng)過(guò)D2半波整流，在經(jīng)過(guò)限流電阻R3進(jìn)入電源模塊U1，電源模塊是把輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓和濾波輸出穩(wěn)定持續(xù)的6V直流電壓提供給主控單元，電源模塊輸入端的電阻R3 和電容C1 選擇合理，關(guān)斷時(shí)不容易形成電壓尖峰，保護(hù)了低功耗電源模塊，同時(shí)電容C1 不能太大，否則會(huì)使某些燈具在關(guān)斷的瞬間出現(xiàn)閃爍。當(dāng)控制信號(hào)為開(kāi)信號(hào)，即高電平，MOC3063導(dǎo)通。當(dāng)火線的輸入為交流電的正半周期的時(shí)候，穩(wěn)壓管的Z2的負(fù)極電壓升高，因?yàn)槭?/p>

17、兩個(gè)穩(wěn)壓管反串聯(lián)，所以，當(dāng)電壓升高到7V左右，雙向可控硅Q1導(dǎo)通，負(fù)載燈點(diǎn)亮，這是電路處于開(kāi)態(tài)，經(jīng)過(guò)D3，電容C3進(jìn)行充電，輸出給主控單元提供VCC供電；R1為限流電阻，根據(jù)參數(shù)的不同，R1阻值的選取也不盡相同。當(dāng)交流電的負(fù)半周期到來(lái)，因?yàn)闆](méi)有觸發(fā)電壓，所以Q1截止，電壓經(jīng)過(guò)D1回到火線，這時(shí)候VCC的電壓主要通過(guò)電容C2，C3的放電維持。穩(wěn)壓管Z3的作用主要是防止VCC的電壓過(guò)高，把VCC的電壓最高控制在12V。仿真電路如下所示：仿真如下所示：為了使雙克可控硅的導(dǎo)通電壓看得更清楚，我把輸入交流電壓將為20V，其中藍(lán)線為負(fù)載電壓，黃線為穩(wěn)壓管的電壓，這樣可以清楚看到當(dāng)穩(wěn)壓管的電壓達(dá)到7V左右，

18、可控硅才會(huì)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)大電流通過(guò)負(fù)載，導(dǎo)通后，穩(wěn)壓管兩端的電壓穩(wěn)定在7V左右，給VCC提供電源；當(dāng)交流電改變方向的時(shí)候，可控硅截止，因?yàn)镈1的緣故，負(fù)半軸的電壓直接加到負(fù)載上，可控硅截止，穩(wěn)壓管截止，電壓為零，VCC的供電主要靠電容放電，這樣持續(xù)循環(huán)，給VCC提供持續(xù)穩(wěn)定的直流電源。下面是為主控單元供電的VCC如下所示：由于12V穩(wěn)壓管Z3和電容C3的緣故，輸出電壓穩(wěn)定在12V左右。濾波電容儲(chǔ)電法當(dāng)主控制電路的靜態(tài)電流比較小時(shí)，高壓輸入端的電流只有幾十微安，這種情況下，即使用高壓濾波電容儲(chǔ)存的電壓也能為電源模塊供電一段時(shí)間的。不過(guò)這方案對(duì)電路的設(shè)計(jì)要有一定的要求，首先主控制電路的電流必須較小，最

19、好小于100 微安，二是要具備不可連續(xù)重復(fù)觸發(fā)，即完成一個(gè)周期的延時(shí)后必須有一個(gè)短暫的間隔時(shí)間（最好0.5 秒以上），以便讓電容重新充電。電路設(shè)計(jì)如下所示：?jiǎn)蜗蚩煽毓璧挠|發(fā)電流要盡量小，最好小于20mA，這樣可以減小電源模塊高壓輸入端的電流，延長(zhǎng)電容的放電時(shí)間。根據(jù)實(shí)際測(cè)試（測(cè)試時(shí)電源模塊的輸出電流定為100 微安，輸出電壓從6.4V下降到6V 即認(rèn)為是電容放電時(shí)間），不同容量的濾波電容C1 的供電時(shí)間如下：電容大小(F)放電時(shí)間(s)3.3424.7756.811010160如果想延長(zhǎng)放電時(shí)間，那么可以增大電容C1，但是這樣增加電容的充電時(shí)間，使得開(kāi)關(guān)延時(shí)增加。負(fù)載可能是大功率負(fù)載，也可能是

20、小功率負(fù)載，小功率負(fù)載可能導(dǎo)致不能提供足夠的電流給主控制單元，這樣在開(kāi)態(tài)的情況下要考慮帶大功率和小功率負(fù)載兩種情況。當(dāng)控制信號(hào)為開(kāi)，即處于開(kāi)態(tài)且連接的是大功率負(fù)載時(shí)，低功耗開(kāi)關(guān)主控單元輸出持續(xù)的高電平，觸發(fā)單向可控硅SCR導(dǎo)通，促使雙向可控硅導(dǎo)通形成導(dǎo)通回路，大功率負(fù)載得電；當(dāng)連接的是小功率負(fù)載時(shí)，由于電流過(guò)小，未達(dá)到雙向可控硅的觸發(fā)電流，則雙向可控硅不起作用，電流直接經(jīng)過(guò)單向可控硅，再經(jīng)過(guò)電阻R1形成回路，從而實(shí)現(xiàn)能帶小功率負(fù)載的功能。雙向可控硅控制單元在前，整流濾波單元和單向可控硅控制單元在后的設(shè)計(jì)，既能使整流濾波單元和單向可控硅控制單元不發(fā)熱，又能大大減少雙向可控硅控制單元的發(fā)熱。本實(shí)用

21、新型既能帶大功率負(fù)載又能帶小功率負(fù)載，使用范圍廣，而且?guī)Т蠊β守?fù)載時(shí)，只有雙向可控硅發(fā)熱，并在可接受范圍內(nèi)，提高開(kāi)關(guān)可靠性。該電路的巧妙之處是利用交流電過(guò)零后的起始段部分來(lái)給主控制單元供電；在電壓上升到設(shè)定值之后，單向可控硅導(dǎo)通，電路便被旁路。這樣，一方面保證了輸出電壓的穩(wěn)定，解決了因?yàn)樨?fù)載燈具電流的變化而影響電路自身供電的問(wèn)題；另一方面，由于可控硅工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其有自身壓降小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。要想改變電源模塊在開(kāi)態(tài)時(shí)輸入電壓的高低，只要改變穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值就可以輕易實(shí)現(xiàn)。該方法加入了高反壓三極管MMBTA44，所以可控硅的觸發(fā)電流不再由電源模塊提供，對(duì)于常用的10A 以下的單雙向可控硅都可

22、以直接觸發(fā)，并且對(duì)電路的延時(shí)時(shí)間沒(méi)有限制，只是不適用于多路控制。但要注意當(dāng)可控硅導(dǎo)通后，模塊的輸出電流不能大于1mA，就是說(shuō)控制芯片電路的靜態(tài)電流不能超過(guò)1mA。因?yàn)檫@種取電電路當(dāng)輸出電流大于1mA后，模塊的輸出電壓下降較多，同時(shí)為了防止誤觸發(fā)，單向可控硅的觸發(fā)電流最好大于30A。仿真圖如下所示：市電經(jīng)過(guò)整流橋D3之后，當(dāng)電壓沒(méi)達(dá)到6V的時(shí)候，可控硅D4截止，電容C1充電；充電的電壓到6V，穩(wěn)壓管D1被擊穿，可控硅D4觸發(fā)導(dǎo)通，從而使主回路電流旁路，這時(shí)控制電路由電容C1供電，穩(wěn)壓管D1負(fù)極接地，穩(wěn)壓管截止，可控硅失去控制極電流，但是可控硅依然導(dǎo)通，當(dāng)交流電壓接近零的時(shí)候，可控硅截止，電容C1

23、再次充電。這樣，交流電的每半個(gè)周期重復(fù)一次，電路利用交流電過(guò)零的起始階段對(duì)電容充電，從而給電路供電。交流電的頻率為50Hz，電容的放電時(shí)間約為10ms，盡量保持RL*C大于34個(gè)10ms，保證充電時(shí)間，這里的RL為負(fù)載的等效，若主控制單元的工作電壓是5V，功率是0.25W，則可以等效為100，所以計(jì)算的電容C的因該為400uF左右，實(shí)際選取470uF的電容。可控硅的導(dǎo)通要具備兩個(gè)條件：一是可控硅的陽(yáng)極和陰極之間必須加正向電壓，二是控制極也要加正向電壓。另外，可控硅一旦導(dǎo)通，就與控制極的電壓沒(méi)關(guān)系，即使沒(méi)有控制極電壓可控硅依然導(dǎo)通，只有降低陽(yáng)極和陰極之間的電壓，使得流過(guò)的電流小于最小的維持導(dǎo)通的

24、電流，可控硅才會(huì)關(guān)閉。上圖表示可控硅的啟動(dòng)過(guò)程，紅線表示的輸出電壓，即電容兩端的電壓。初始上電的時(shí)候，整流的電壓加到電容兩端，電容充電，電壓沒(méi)有達(dá)到6V的時(shí)候，穩(wěn)壓管截止，沒(méi)有電流流過(guò)可控硅的控制極，可控硅處于截止?fàn)顟B(tài)，黃色線代表可控硅兩端的電壓，由于二極管D2的正向壓降，所以，輸出電壓稍稍高于可控硅兩端的電壓。當(dāng)電容充電電壓達(dá)到6V的時(shí)候，穩(wěn)壓管反向擊穿，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，觸發(fā)電流流過(guò)可控硅控制極，可控硅導(dǎo)通，主電流旁路，這時(shí)候電容放電，給電路供電；這時(shí)，穩(wěn)壓管負(fù)極接地，截止，可控硅失去控制極電流，當(dāng)市電接近零的時(shí)候，可控硅截止，電容開(kāi)始充電，就這樣周而復(fù)始，使得輸出穩(wěn)定6V左右的直流電壓。只要保

25、證充電的能量大于旁路時(shí)主控電路消耗的能量，這就能保證穩(wěn)定的電壓輸出，電路穩(wěn)定后的波形圖：負(fù)載電壓和可控硅電壓的關(guān)系：可以看出，每當(dāng)交流電的電壓接近零的時(shí)候，電容充電，可控硅觸發(fā)。多路控制開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)上面的設(shè)計(jì)是單路開(kāi)關(guān)控制，可以使用帶過(guò)零觸發(fā)的光耦或者繼電器控制實(shí)現(xiàn)多路開(kāi)關(guān)控制，電路有所改動(dòng)，增加了雙向可控硅同兩個(gè)穩(wěn)壓管串入負(fù)載回路進(jìn)行開(kāi)態(tài)取電。由于是利用負(fù)載流過(guò)的電流驅(qū)動(dòng)光耦可控硅或吸合繼電器，所以對(duì)最小的控制功率有限制。光耦可控硅驅(qū)動(dòng)型要求的最小負(fù)載功率2W以上。繼電器吸合型要求的最小負(fù)載功率5W以上。如果要實(shí)現(xiàn)過(guò)零觸發(fā)，光耦可控硅要用MOC3063帶過(guò)零觸發(fā)的。電路設(shè)計(jì)如下所示：關(guān)態(tài)取電：

26、主要是由電源模塊完成，電源模塊負(fù)責(zé)把220V 的電網(wǎng)電壓變成6.3V 的低壓直流輸出。電網(wǎng)電源從零線通過(guò)燈負(fù)載到整流二極管D1，然后串入了限流電阻R1 進(jìn)入電源模塊，借用了橋堆的負(fù)輸出臂的一個(gè)二極管回到電網(wǎng)的火線形成一個(gè)電流回路。使得電源模塊有高壓電源輸入，低壓輸出端就有了6.3V的直流電壓。開(kāi)態(tài)取電：上面是在待機(jī)時(shí)的情況，但是當(dāng)控制線號(hào)為高電平，光耦U1和U2導(dǎo)通，可控硅控制極獲得電流，可控硅T2或T3導(dǎo)通，負(fù)載燈點(diǎn)亮，火線就等于加到了整流二極管的正端通過(guò)燈具到零線，電源模塊的輸入端就沒(méi)有了電壓，當(dāng)然也就沒(méi)有輸出6.3V 直流電壓了。為了在開(kāi)燈的狀態(tài)下維持電路的供電，我們使用了雙向可控硅和兩

27、個(gè)穩(wěn)壓管組成了開(kāi)態(tài)取電電路，取電電路的原理可以簡(jiǎn)化下圖：我們把它等效成一個(gè)可變電壓源，這個(gè)電壓源的內(nèi)阻是根據(jù)流過(guò)的燈電流的大小而變的，流過(guò)的燈電流小等效的電壓源內(nèi)阻就大，流過(guò)的燈電流大這個(gè)電壓源的內(nèi)阻就小，也就是說(shuō)燈的功率小流過(guò)的電流小，經(jīng)過(guò)整流橋取出的電流也小，一般為燈電流的60%左右，而這個(gè)電壓源兩端的電壓是由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定，在這里是8.5V左右，經(jīng)整流后輸出的直流約7.7V。另外，取電電路的雙向可控硅的發(fā)熱問(wèn)題也是一個(gè)需要重視的問(wèn)題，由于可控硅本身的特性，大電流通過(guò)時(shí)是要耗散功率而發(fā)熱，實(shí)測(cè)TO220封裝的可控硅在不加散熱片的情況下能通過(guò)的電流只有2A 左右（溫升40），在密閉的開(kāi)關(guān)

28、盒內(nèi)這已是極限了。這樣如果是兩路開(kāi)關(guān)每路的電流只有1A，如果是3路的則每路只有0.6A，這個(gè)開(kāi)關(guān)電流是嫌小了一點(diǎn)。但是要做大一些電流的話，必須要解決雙向可控硅的散熱，這要根據(jù)具體的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)實(shí)施。雙向可控硅方案的優(yōu)點(diǎn)是采用而是采用通態(tài)和斷態(tài)電路分開(kāi)供電的方式，確保無(wú)論開(kāi)燈或者關(guān)燈時(shí)都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電，另外保證了電子開(kāi)關(guān)的安全穩(wěn)定并且電源模塊電路的轉(zhuǎn)換效率較高。當(dāng)電子開(kāi)關(guān)斷態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)高并且主回路上的電流較小，可以帶絕大多數(shù)節(jié)能燈而不出現(xiàn)爍或者微亮現(xiàn)象。方案二MOS管加繼電器在使用單片機(jī)或者微處理器作為主控制單元, 電源的選取和使用是非常重要的事情, 電源的好壞直接關(guān)系到單片機(jī)或者微處理器的性能

29、和能否正常工作, 但是在一些領(lǐng)域, 單片機(jī)或者微處理器工作電源的選取是非常困難的事情。為了能夠在特殊場(chǎng)合使用單片機(jī)或者微處理器，需要一種能夠從單火線上取電源的裝置為單片機(jī)或者微處理器提供5V到7V的工作電源?；谏厦孢@個(gè)問(wèn)題，提出一種單火線智能開(kāi)關(guān)的解決方案。在單火線上通過(guò)MOS管和繼電器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制和為主控制模塊提供電源，從而構(gòu)成一個(gè)低成本，適合多種負(fù)載的單火線智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。供電模塊火線取電電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)智能開(kāi)關(guān)，首先要從功率的角度考慮，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)是一個(gè)功率器件控制器，一般的額定電流是10A，所以，選擇能控制10A電流的工作器件；其次是功能的實(shí)現(xiàn)，在負(fù)載導(dǎo)通和關(guān)閉的情況下都能為控制系

30、統(tǒng)提供穩(wěn)定持續(xù)的電源；最后是元器件的體積和外觀，這點(diǎn)很重要，因?yàn)橐娲鷤鹘y(tǒng)的墻壁開(kāi)關(guān)，大多數(shù)裝載86性暗盒上的，所以，智能開(kāi)關(guān)的體積要能放進(jìn)暗盒中。為了實(shí)現(xiàn)火線的接通和斷開(kāi)，選用6V直流控制的繼電器，最大電流為10A的250交流電壓。當(dāng)繼電器接通的時(shí)候，選用IRL3803S大功率場(chǎng)效應(yīng)管，其內(nèi)置穩(wěn)壓二極管，這樣，它既可以為負(fù)載提供通路，還可以為控制模塊提供電源。場(chǎng)效應(yīng)管的額定工作電流ID=140A，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值VDSS為30V，在這個(gè)設(shè)計(jì)中效果非常好。當(dāng)繼電器斷開(kāi)時(shí)，市電就落在控制模塊上了，然而控制模塊需要的是6V的直流電源，所以選用0.25W的金屬膜電阻來(lái)承擔(dān)壓降；之后還要通過(guò)穩(wěn)壓電路將電

31、壓值穩(wěn)定在6V，選用大功率的NPN型晶體管13002作為穩(wěn)壓電路的調(diào)整管。因?yàn)闆](méi)有零線，不能通過(guò)零火線給控制模塊供電，因此只能在火線上考慮如何既實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的功能，又能為控制模塊提供持續(xù)的電源。下圖設(shè)計(jì)的單火線取電電路實(shí)現(xiàn)這些功能，把電路分為繼電器導(dǎo)通和關(guān)閉兩部分進(jìn)行取電，即開(kāi)態(tài)取電和關(guān)態(tài)取電。關(guān)態(tài)取電當(dāng)剛上電或控制器發(fā)送關(guān)斷的控制信號(hào)的時(shí)候，這時(shí)電路為關(guān)態(tài)取電電路，繼電器K1斷開(kāi)，220V交流電壓經(jīng)過(guò)D1半波整流，再經(jīng)過(guò)R1降壓，這時(shí)候由于功耗較小，壓降主要落在R2上，經(jīng)過(guò)計(jì)算，金屬膜電阻R1的阻值為20k歐姆，功率是0.25W。電壓再經(jīng)過(guò)Q1和Q2組成一個(gè)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，最后經(jīng)過(guò)D4和限流電阻

32、R5為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的6V直流電源。當(dāng)交流電的負(fù)向電壓到來(lái)時(shí)，D1將電壓截?cái)?，這時(shí)就靠C1 、C2，C3和C4放電來(lái)給系統(tǒng)供電。關(guān)態(tài)取電仿真：電壓較高時(shí)的取電源電路為火線進(jìn)線接二極管D1，接電阻R2, 接三極管Q1的集電極，在三極管Q1集電極和基極之間串接1M電阻，三極管Q1的基極接三極管Q2的集電極，三極管Q2的發(fā)射極反接穩(wěn)壓管Z1。三極管Q2的基極接到10K滑動(dòng)變阻器上，滑動(dòng)變阻器下接51K電阻，上接27K電阻，然后接到三極管Q1的發(fā)射極，從三極管Q1發(fā)射極出來(lái)經(jīng)過(guò)二極管D3，接到51電阻和10uF電解電容和10nF 的無(wú)極性電容。輸出為系統(tǒng)提供5V7V直流電壓。同時(shí)輸出端接電感L1，目的是

33、使得電壓輸出更平滑。關(guān)態(tài)取電的目的就是將220V高壓低電流的交流電轉(zhuǎn)化成低電壓，大電流的穩(wěn)定持續(xù)的直流電壓。基于這一目的，本方案就是通過(guò)三極管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和放大器的作用。三極管Q1，Q2，電阻R3，R4，R5和穩(wěn)壓管Z1組成穩(wěn)壓電路和電流放大器。三極管的Q2的發(fā)射極接穩(wěn)壓管Z1，保證Q2的基極的偏執(zhí)電壓要大于3.2V，再通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器R2值得Q2的集電極電壓為5V到7V之間，再通過(guò)Q1共集電極放大，共集電極放大電路的電壓增益近似1，所以，提供給系統(tǒng)電壓為5V到7V，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電流的放大。其中Q2和穩(wěn)壓管Z1相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)壓源和內(nèi)阻，所以，等效的放大電路如下所示：這是共集電極放大電路，它的靜態(tài)分析是

34、得到 ； 其中 ；。其中，為三極管的積極電流，為基極到發(fā)射極的壓降，為發(fā)射極電流，為集電極電流，為三極管放大倍數(shù)，為集電極到發(fā)射極的壓降。動(dòng)態(tài)分析，下面是交流等效電路和戴維南等效電路：輸入回路：其中 ，為基極電流輸出回路：一般，電壓增益近似為1，即，所以，集電極放大電路也稱(chēng)電壓跟隨器。電流的放大倍數(shù)為。仿真結(jié)果：其中藍(lán)線為輸出電壓，電壓為6.8V左右，可以通過(guò)調(diào)整滑動(dòng)變阻器，使輸出返回在5V到7V之間。黃線是二極管D3正極的電壓?？梢钥闯?，當(dāng)交流電的正半周期到來(lái)的之后，電容充電；等到負(fù)半周期到來(lái)的時(shí)候，電容放電給系統(tǒng)供電。藍(lán)線是經(jīng)過(guò)二極管D1整流后三極管Q1的集電極電壓，由于三極管Q2和穩(wěn)壓管

35、Z1的作用，使得流入三極管Q1基極的電壓如上圖的黃線所示，這樣就能保證提供穩(wěn)定持續(xù)的直流電壓輸出。當(dāng)輸入為AC220V交流電，輸出保持在6.5V時(shí)候，輸入電流（即流過(guò)負(fù)載的電流）與輸出電路（即給主控制電路提供的電流）之間的關(guān)系如下：參數(shù)定義單位輸入電壓 AC 220V 輸出電壓 DC 6.5V輸入電路A44100155177206228246251輸出電流mA空載0.50.971.141.41.61.781.83從上表可以看出，空載的電流為44A，這個(gè)電流使得絕大部分燈具不閃爍，隨著輸出電流的增大，輸入電流也隨之增大，當(dāng)輸出電流為1.83mA的時(shí)候，流過(guò)負(fù)載的電流為251A，所以，主控電路的電

36、流控制在1.83mA以下，就能保證輸入電流在250A以下，這能保證大部分的燈具不出現(xiàn)閃爍。當(dāng)輸出電流控制在1mA的時(shí)候，輸入電壓（交流輸入）和輸出電壓（給系統(tǒng)提供的電壓）的關(guān)系如下：參數(shù)定義單位輸出電流固定在1mA輸入電壓V3040506080100120140160180200230270輸出直流電壓V5.705.815.865.895.935.965.996.016.036.056.076.096.12隨著輸入電壓的增大，輸出電壓保持在5V到7V之間，這樣保證給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。在智能家居系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)面板是帶有數(shù)據(jù)收發(fā)功能的。其主要特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)電流較大，收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的電流達(dá)到了幾十毫安，但時(shí)

37、間不長(zhǎng)一般在0.5秒以下完成。有的是單片機(jī)和收發(fā)組件是分開(kāi)的，也有的是單片機(jī)和收發(fā)功能集成的一起完成的，芯片的大部分時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，電流只有幾十微安，只有在極少數(shù)時(shí)間開(kāi)關(guān)控制處于收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，這時(shí)候的功率較大。系統(tǒng)將6V的系統(tǒng)電壓進(jìn)行降壓，降到芯片普遍使用的3.3V，待機(jī)電流只有幾十微安，功率就控制在毫瓦級(jí)別，這樣就可以將漏電流做到很小，可以適應(yīng)更多的燈具，這也是我們努力的方向。開(kāi)態(tài)取電如圖所示，當(dāng)控制器發(fā)出開(kāi)通信號(hào)時(shí)候，繼電器K1接通，這時(shí)電路為開(kāi)態(tài)取電電路。電路的取電由IRL3803來(lái)完成，其內(nèi)置一個(gè)30V的穩(wěn)壓管，作用是IRL3803沒(méi)導(dǎo)通時(shí)，可提供最大30V的單相交流電，起到保護(hù)

38、電路的作用。通過(guò)IRL3803的導(dǎo)通和斷開(kāi)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)作用，一是為負(fù)載提供通路；二是為系統(tǒng)提供持續(xù)直流電源。當(dāng)220V正向電壓到來(lái)時(shí)，經(jīng)D3半波整流，經(jīng)過(guò)R6和電感L1提供6V電壓，L1作用是讓電流更平滑；這時(shí)電壓經(jīng)過(guò)D4給C5和C6充電，電壓逐漸升高，此時(shí)Q4時(shí)斷開(kāi)的，當(dāng)電壓上升到5.6V時(shí)，穩(wěn)壓管Z4導(dǎo)通，接著Q6導(dǎo)通，然后二極管D5截止，接著Q5截止，Q4的G端懸空，這時(shí)Q4還沒(méi)有導(dǎo)通，當(dāng)C5和C6充電的電壓達(dá)到11V時(shí)，穩(wěn)壓管Z3導(dǎo)通，這時(shí)候Q4導(dǎo)通，開(kāi)始大功率供電。當(dāng)交流電的負(fù)向電壓到來(lái)，Q4的內(nèi)置穩(wěn)壓管正向?qū)?，系統(tǒng)的供電是靠C1、C2、C3和C4的放電實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)態(tài)取電仿真：上圖是繼電

39、器接通情況下的取電電路仿真圖，V1是220V交流電，模擬市電。當(dāng)交流電的正半周期到來(lái)的時(shí)候，首先經(jīng)過(guò)二極管D1和D3整流，穩(wěn)壓管Z1的擊穿電壓是11V，穩(wěn)壓管Z2的擊穿電壓是5.6V，當(dāng)電壓在0V5.6V之間的時(shí)候，穩(wěn)壓管Z1和Z2截止，這時(shí)候電容C1，C2充電；電壓經(jīng)過(guò)R5，D2和R8達(dá)到三極管Q1的基極，Q1導(dǎo)通，這時(shí)候MOS管Q2的G極電壓較低，不能驅(qū)動(dòng)mos管導(dǎo)通；當(dāng)電容C1，C2的充電電壓達(dá)到5.6V11V之間的時(shí)候，穩(wěn)壓管Z2擊穿導(dǎo)通，穩(wěn)壓管Z1還是截止，同時(shí)，C3，C4，C5，C6也在充電，為系統(tǒng)提供的電壓也在升高；當(dāng)Z2導(dǎo)通，三極管Q3基極電壓升高，三極管Q3導(dǎo)通，這使得二極管

40、D2截止，同時(shí)三極管Q1截止，Q2的G極懸空，這時(shí)候MOS管的G極沒(méi)有電壓，不能使其導(dǎo)通；隨著電壓的進(jìn)一步升高，達(dá)到11V以上，穩(wěn)壓管Z1導(dǎo)通，只是MOS管Q2的G極電壓使得MOS管導(dǎo)通，開(kāi)始大功率供電，這時(shí)候，二極管D3的正極電壓降低，MOS管導(dǎo)通電壓VDS使得系統(tǒng)的輸出電壓大概在6V左右；當(dāng)交流電的負(fù)半周期到來(lái)的時(shí)候，MOS管Q2里面的穩(wěn)壓管正向?qū)?，電壓直接回到正極，這時(shí)候系統(tǒng)電壓主要靠C3，C4，C5，C6的放電提供。周而復(fù)始，通過(guò)控制MOS管Q2的導(dǎo)通和截止，一方面給負(fù)載提供通路，另一方面給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的6V電源。下面是為系統(tǒng)提供的電壓： 可以看出，剛開(kāi)始電壓升高到11V，MOS管導(dǎo)

41、通后，電壓下降，穩(wěn)定之后，系統(tǒng)的電壓在6V左右。如上圖所示，其中，藍(lán)線是穩(wěn)壓管Z1的負(fù)極電壓，紅線是二極管D2的正極電壓。當(dāng)輸入電壓小于5.6V的時(shí)候，穩(wěn)壓管Z2沒(méi)有導(dǎo)通，所以，D2正極電壓升高；當(dāng)電壓超過(guò)5.6V以后，穩(wěn)壓管Z2導(dǎo)通，二極管D2截止，所以，D2正極電壓下降到0V；電壓在11V之前，Z1沒(méi)有導(dǎo)通，負(fù)極電壓一直在升高，一旦超過(guò)11V，Z1導(dǎo)通，電壓下降，輸出電壓穩(wěn)定在6V左右。MOS管加上繼電器的單火線取電方式有點(diǎn)明顯，首先安全，靜態(tài)的漏電流很小，在保證能為主控制電路提供正常工作電流的情況下，還保證了開(kāi)關(guān)使用者的安全。其次，之所以選擇IRL3803S場(chǎng)效應(yīng)管，因?yàn)楫?dāng)出現(xiàn)故障或短路

42、，導(dǎo)致高電壓時(shí)候，MOS管還不能導(dǎo)通，它內(nèi)部有一個(gè)30V的穩(wěn)壓管，當(dāng)D極與S極之間的電壓超過(guò)30V，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，保護(hù)內(nèi)部電路不受損壞，電路的安全性更強(qiáng)。本設(shè)計(jì)也存在缺點(diǎn)：首先，當(dāng)MOS管導(dǎo)通，大功率供電開(kāi)始，MOS管發(fā)熱問(wèn)題，這樣縮短MOS管的使用壽命。其次，當(dāng)負(fù)載為小功率負(fù)載的時(shí)候，輸入電流很小，為系統(tǒng)提供的工作電流過(guò)小，這導(dǎo)致主控制電路無(wú)法正常工作，會(huì)出現(xiàn)CPU處理器不斷復(fù)位的現(xiàn)象。另外，該電路適合單路開(kāi)關(guān)，不適合多路開(kāi)關(guān)控制，如果設(shè)計(jì)成三路開(kāi)關(guān)就需要三套完整的控制電路，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。在此方案下，建議不使用開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源電路復(fù)雜，輸出電壓波紋系數(shù)大，電路干擾大，在86 型暗合空間里不易

43、設(shè)計(jì)抗干擾電路，而且容易使主控制電路在接收數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生混亂。方案三 充電電池本方案是基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)利用鋰電池供電的單火線智能開(kāi)關(guān)，是基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有單火取電能力的智能開(kāi)關(guān)。主要解決要安裝于86 盒中，可以與其它設(shè)備進(jìn)行通訊，可以通過(guò)遠(yuǎn)程和本地控制。通過(guò)單火線方式取得微弱電流，利用鋰電池儲(chǔ)能，為智能控制單元提供電能，它同時(shí)擁有電子控制開(kāi)關(guān)和手動(dòng)機(jī)械開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和故障下的強(qiáng)制開(kāi)關(guān)控制。該智能開(kāi)關(guān)具有安裝便利；單火線取電不用改變常規(guī)建筑物燈控布線方案；可實(shí)現(xiàn)高可靠較大速率的雙向無(wú)線通訊；可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和本地手動(dòng)控制燈具的亮滅；具有不依賴(lài)于電子控制的手動(dòng)機(jī)械開(kāi)關(guān)作為應(yīng)急等特點(diǎn)。目前

44、在市場(chǎng)上具有嵌入式系統(tǒng)的智能開(kāi)關(guān)所面臨的問(wèn)題主要有：1.目前的智能開(kāi)關(guān)控制多采用單向通訊單方向向開(kāi)關(guān)發(fā)出指令，由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙向通訊，開(kāi)關(guān)的狀態(tài)信息、自檢情況等無(wú)法傳送出去，同時(shí)也限制了更靈活的應(yīng)用。2.為適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的配線方式需要通過(guò)單火線取電，采用單火取電方案時(shí)當(dāng)關(guān)燈時(shí)，需要竊取一定的電流，而現(xiàn)在普遍使用節(jié)能燈具節(jié)能燈、LED 燈等，由于原理性的原因，竊取的電流如果過(guò)大會(huì)造成燈具產(chǎn)生鬼火（閃爍）；對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，設(shè)備需要以一定的功率進(jìn)行接收、發(fā)送相關(guān)信息，這需要較大的瞬時(shí)電流，會(huì)加大鬼火現(xiàn)象。3.出于設(shè)計(jì)及對(duì)設(shè)備體積的要求等原因，目前市場(chǎng)上普遍出現(xiàn)的是純電子開(kāi)關(guān)完全由嵌入式設(shè)備控制

45、，這樣當(dāng)嵌入式系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，電燈狀態(tài)將不可控；有些開(kāi)關(guān)雖然有手動(dòng)按鈕，但它也是通過(guò)嵌入式系統(tǒng)來(lái)控制電燈的，即嵌入式系統(tǒng)故障該按鍵亦不起作用。綜上所述，本開(kāi)關(guān)為適應(yīng)這些情況和克服相應(yīng)問(wèn)題而設(shè)計(jì)。整體的設(shè)計(jì)方案基于上面的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種單火線可持續(xù)供電物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)。主框圖如下所示，其中，觸摸感應(yīng)按鈕與觸發(fā)電路相連，觸發(fā)電路與功率開(kāi)關(guān)器件相連，功率開(kāi)關(guān)器件與火線相連，功率開(kāi)關(guān)器件連接控制模塊，可充電電池分別給控制模塊、觸發(fā)電路以及功率開(kāi)關(guān)器件連接供電，單火線取電充電控制電路給充電電池充電，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件斷開(kāi)時(shí)電源火線自動(dòng)向可充電電池充電，功率開(kāi)關(guān)器件要將電路通斷狀態(tài)都可反饋給控制模塊，本方案完成了物

46、聯(lián)網(wǎng)中智能開(kāi)關(guān)的功能，并且有效解決智能開(kāi)關(guān)的問(wèn)題。其中，觸摸感應(yīng)按鈕實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，手動(dòng)控制和控制模塊都能對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，它們之間是相互獨(dú)立的，相互之間沒(méi)有影響。另外由于各種原因，智能開(kāi)關(guān)可能出現(xiàn)失控的情況，這時(shí)候控制模塊不能控制開(kāi)關(guān)器件，那么，手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)就顯得格外重要。由于開(kāi)關(guān)可以由觸摸開(kāi)關(guān)和控制模塊一起控制，那么，開(kāi)關(guān)器件就需要將其狀態(tài)反饋給控制模塊，以便控制模塊隨時(shí)了解到現(xiàn)在開(kāi)關(guān)所處的狀態(tài)?？刂颇K中包含射頻模塊，因?yàn)?，智能開(kāi)關(guān)要通過(guò)無(wú)線通信與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。充電控制電路通過(guò)單火線對(duì)充電電池進(jìn)行充電，而充電電池分別給控制模塊，觸發(fā)電路和功率開(kāi)關(guān)器件供電。原理圖設(shè)計(jì)原理圖設(shè)計(jì)之前

47、首先是期間的選擇。首先是功率開(kāi)關(guān)器件，我選擇的是雙向可控硅，這種器件很適合交流電的悟出點(diǎn)控制，并且具有動(dòng)作快、無(wú)火花、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，一般的交流電的額定電流是10A，額定電壓是220V，所以，我選用BTA12-600B，它的額定電流是12A，額定電壓是600V。使用光耦作為觸發(fā)電路，觸發(fā)可控硅。原理圖如下所示：輸入接口IN1是人體感應(yīng)觸摸按鈕，感應(yīng)電流經(jīng)過(guò)U1A送入U(xiǎn)1B，U1A和U1B是兩個(gè)與非門(mén)；IN2 接受控制模塊的控制觸發(fā)信號(hào)。U1A和U1B使兩路觸發(fā)信號(hào)都能有效控制且互不影響。因?yàn)橛|摸按鈕的輸入信號(hào)是瞬間脈沖，信號(hào)不容易處理，要保證正確的處理信號(hào)，本方案使用的

48、是74HC74觸發(fā)器，對(duì)按鈕脈沖信號(hào)鎖定的功能。FB端將開(kāi)關(guān)狀態(tài)反饋給控制模塊，G端是控制光耦的開(kāi)關(guān)。因?yàn)橐话汩_(kāi)關(guān)大部分時(shí)間是處于關(guān)閉狀態(tài)，所以，本方案采用的是關(guān)態(tài)充電的設(shè)計(jì)，即當(dāng)開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉的狀態(tài)時(shí)候，通過(guò)單火線取電對(duì)電池進(jìn)行充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)處于接通的狀態(tài)的時(shí)候，電池不充電，負(fù)責(zé)給控制模塊，觸發(fā)電路和開(kāi)關(guān)器件供電。：當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，即G電發(fā)送斷開(kāi)信號(hào)，由于可控硅T不導(dǎo)通，電流可以通過(guò)整流橋進(jìn)入電源模塊U4，輸入電壓為300V，電流很小，不到1mA，電源模塊負(fù)責(zé)將這個(gè)大電壓，小電流轉(zhuǎn)換成小電壓，大電流。將電源模塊進(jìn)行高效率電壓變換，輸出6.3V的直流電壓，電流為10mA，經(jīng)過(guò)電阻R10給充電電池充電

49、。當(dāng)開(kāi)關(guān)接通時(shí)，可控硅導(dǎo)通，電源模塊U4停止工作，停止充電。這時(shí)候電池處于放電的狀態(tài)，給控制模塊供電。BT是充電電池單元，當(dāng)充電時(shí)，電池通過(guò)BAT和GND進(jìn)行充電；當(dāng)放電時(shí)，BAT為電池的正極。：當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，充電電池處于充電狀態(tài)，充電的電流大約10mA左右，當(dāng)電池電壓低于到4.5V時(shí)，穩(wěn)壓管Z1截止，電源模塊一邊給電池充電，一邊通過(guò)U5穩(wěn)壓?jiǎn)卧敵?.3V給VCC供電；當(dāng)電池的電壓高于4.5V時(shí)候，電流通過(guò)穩(wěn)壓二極管Z1 而不通過(guò)電池，防止電池過(guò)充。充電電池方案有效解決目前的智能開(kāi)的問(wèn)題。首先，本方案是手動(dòng)控制和自動(dòng)控制共同作用，并且之間相互獨(dú)立，解決開(kāi)關(guān)由于控制模塊失控所造成的問(wèn)題；其次

50、，充電電池實(shí)在關(guān)燈的情況下進(jìn)行充電的，所以，電流小，功率小，不會(huì)造成元器件發(fā)熱的問(wèn)題；另外，本方案還有效解決充電電池過(guò)充的問(wèn)題。但是，本方案已經(jīng)存在一些問(wèn)題。首先，本方案只能在關(guān)態(tài)的情況下對(duì)電池進(jìn)行充電，在開(kāi)態(tài)的情況下，電池只有放電，不進(jìn)行充電。如果，開(kāi)燈時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能造成電池電量用盡，那么，控制模塊和觸發(fā)電路就會(huì)掉電失控，那么，就會(huì)在成燈具無(wú)法關(guān)掉，造成只能夠開(kāi)關(guān)控制失控的現(xiàn)象。另外，當(dāng)遇到停電的情況下，電池仍然會(huì)繼續(xù)消耗，并且沒(méi)有充電補(bǔ)充。所以針對(duì)上面的問(wèn)題，對(duì)充電的方案進(jìn)行改善，設(shè)計(jì)一個(gè)電路，其在用電設(shè)備無(wú)論是否接通的情況下均能為鋰電池補(bǔ)充損失的電量，同時(shí)能夠防止對(duì)電池的過(guò)度充電現(xiàn)象的發(fā)

51、生；當(dāng)供電停止時(shí)，能夠自動(dòng)關(guān)閉電池的電源供給，盡量減少電量消耗。改進(jìn)方法具體方案：1.通過(guò)單火取電方式在關(guān)態(tài)時(shí)，即智能開(kāi)關(guān)控制的燈關(guān)閉時(shí)，為充電電池充電；2.在用開(kāi)態(tài)時(shí)，即智能開(kāi)關(guān)控制的燈打開(kāi)時(shí)，通過(guò)開(kāi)態(tài)取電電路取得一定的電量為充電電池充電；3.設(shè)置檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到一定閥值時(shí)，切斷充電供給，防止電池過(guò)充；4.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交流電供給情況，當(dāng)確認(rèn)交流電供給中斷后，切斷嵌入式系統(tǒng)的電源供給，以防止不必要的電池電量消耗。充電方案結(jié)構(gòu)示意圖工作工程：為了防止在燈打開(kāi)或者關(guān)閉時(shí)，電池出現(xiàn)電量用光的情況，可以只用兩種充電方案結(jié)合的方式，無(wú)論是在關(guān)態(tài)還是開(kāi)態(tài)都對(duì)電池進(jìn)行充電。這樣就增加了開(kāi)

52、關(guān)的續(xù)航能留，防止出現(xiàn)開(kāi)關(guān)出現(xiàn)掉電失控的情況。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)閉時(shí)，火線進(jìn)入開(kāi)關(guān)通過(guò)設(shè)備內(nèi)部關(guān)燈取電電路、燈具與零線形成一個(gè)回路，開(kāi)關(guān)通過(guò)此回路取電并向電池充電，這就是關(guān)態(tài)充電電路；當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件接通時(shí)，火線電流開(kāi)燈取電互感器，開(kāi)關(guān)通過(guò)此互感器的二次回路取電并向電池充電；電池電壓監(jiān)測(cè)單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到定的閥值時(shí)將關(guān)閉充電控制中的充電開(kāi)關(guān)禁止向電池充電；充電控制單元根據(jù)兩個(gè)取電電路的狀態(tài)，實(shí)時(shí)判斷交流電供給情況，當(dāng)供給中斷時(shí)，發(fā)出供電控制信號(hào)關(guān)閉供電開(kāi)關(guān)以禁止向系統(tǒng)供電。基于充電電池的單火線智能開(kāi)關(guān)解決如下問(wèn)題1.具有雙向無(wú)線通訊能力；保證大功率控制模塊的正常工作，例如Zigb

53、ee模塊，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)候的功耗很大。具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，既保證了控制范圍全全覆蓋，又不會(huì)因?yàn)轭~外的覆蓋浪費(fèi)能源，通過(guò)路由等手段能夠保證覆蓋所使用的空間；2.配置靈活，系統(tǒng)安裝、維護(hù)、以及功能更改便捷；3.采用鋰電池供電，系統(tǒng)供電質(zhì)量高，提高抗電磁干擾能力；4.實(shí)時(shí)給鋰電池充電，提供充電保護(hù)功能和停電情況下的電量浪費(fèi)，使開(kāi)關(guān)可以做到在生命周期內(nèi)對(duì)電池免維護(hù)；5.具有不依賴(lài)于電子控制的手動(dòng)開(kāi)關(guān)，保證在任何電子設(shè)備故障情況下開(kāi)關(guān)都能在人工控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的控制目的，徹底避免了因電子開(kāi)關(guān)故障造成的燈具無(wú)法開(kāi)啟或關(guān)閉的情況。RCC方案RCC開(kāi)關(guān)電源技術(shù)RCC電路即振蕩抑制型

54、變換器,，由雙極型晶體管構(gòu)成， 電路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，目前已被廣泛應(yīng)用于50W 以下的開(kāi)關(guān)電源中，如彩電、電腦、光碟機(jī)、打印機(jī)及其他工業(yè)電器的控制及驅(qū)動(dòng)電源中。本方案利用RCC電路設(shè)計(jì)的反激式開(kāi)關(guān)電源用于單火線的關(guān)態(tài)取電。反激式變壓器，因?yàn)檩敵鲈谠吚@組斷開(kāi)電源時(shí)獲得能量而得名。它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，裝換效率高，輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，仍可有較穩(wěn)定的輸出，無(wú)需切換而達(dá)到穩(wěn)定輸出的要求。下圖為RCC電路：為了進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，做以下近似：1.忽略變壓器漏電感對(duì)三極管Q1的集電極電壓VCE的影響，實(shí)際使用時(shí)需要RCD箝位；2.主電路的輸出電容足夠大，輸出繞組電壓等于輸出電壓Vout；3.穩(wěn)定時(shí)，電容

55、C3上的電壓保持不變；4.穩(wěn)定時(shí)，電阻Rg忽略不計(jì)。電路啟動(dòng)：接通輸入電源Vin后，Vin是經(jīng)過(guò)全波整流的220V交流電，電流ig通過(guò)電阻Rg流向開(kāi)關(guān)三極管Q1的基極，Q1導(dǎo)通，ig稱(chēng)為起動(dòng)電流。在RCC方式中，晶體管Q1的集電極C的電壓由零開(kāi)始逐漸增加，因此ig應(yīng)盡量小一點(diǎn)。三極管Q1導(dǎo)通：當(dāng)Q1導(dǎo)通，輸入電壓Vin將加到變壓器的原邊繞組Lp上。由匝數(shù)比可知，基極線圈Lb上產(chǎn)生的電壓為，該電壓與Q1導(dǎo)通極性相同，為正反饋電壓，起作用是是開(kāi)關(guān)晶體管進(jìn)一步導(dǎo)通。因此，VB將維持Q1的導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)基極電流IB是連續(xù)的穩(wěn)定電流，（忽略RS上的壓降）。此時(shí)，變壓器副邊繞組產(chǎn)生的電壓為反向電壓，整流二

56、極管D2截止，副邊電壓沒(méi)有電流。原邊電感為L(zhǎng)p，導(dǎo)通時(shí)間為t，Q1集電極的電流IC線性增長(zhǎng)，。隨著IC的增加，三極管退出飽和狀態(tài)，VCE隨之增大，變壓器原邊電壓下降，反饋繞組感應(yīng)電壓下降，導(dǎo)致三極管的基極電流不足，三極管截止。三極管截止?fàn)顟B(tài)：三極管從導(dǎo)通到截止瞬間，根據(jù)磁通連續(xù)性定理，磁場(chǎng)的方向和大小都保持不變，因此，要與一次繞組中經(jīng)過(guò)的電流保持同樣的匝數(shù)，二次繞組電壓反向，二極管D2導(dǎo)通，由等式可知導(dǎo)通瞬間的電流為。設(shè)輸出電壓Vout，整流二極管壓降VD2，二次繞組電感Ls，電壓為Vs=Vo+VD2，二極管電流以Vs/Ls的速度下降，同時(shí)變壓器電感中儲(chǔ)存的能量供給輸出端。三極管再次導(dǎo)通：變壓

57、器中的能量全部轉(zhuǎn)移到輸出端，整流二極管D2的電流變?yōu)榱憬刂?，此瞬間變壓器各個(gè)繞組的電壓為零，啟動(dòng)電阻Rg中電流為基極電流，在正反饋?zhàn)饔孟略俅螌?dǎo)通。穩(wěn)壓原理：RCC電路是一種非固定周期的開(kāi)關(guān)電源，它不是由占空比連續(xù)變化的PWM控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸出電壓超過(guò)額定值時(shí)，開(kāi)關(guān)管提前關(guān)斷，I1p峰值電流減小，反激變壓器儲(chǔ)能下降，變換器輸出電壓降低；當(dāng)輸出電壓低于額定時(shí)，開(kāi)關(guān)管延遲關(guān)斷，I1p峰值電流升高，變壓器儲(chǔ)能增加，變換器輸出電壓上升，完成輸出穩(wěn)壓調(diào)整過(guò)程。要使晶體管關(guān)斷，只要使基極的驅(qū)動(dòng)電流不足即可（相對(duì)于集電極電流而言），因此，可以用穩(wěn)壓管DZ來(lái)分流。DZ的陽(yáng)極與電容器C3的陰極相連。在三極管Q

58、1關(guān)斷期間，原邊線圈通過(guò)導(dǎo)通的D3為C3充電，C3的電壓變?yōu)樨?fù)電壓，DZ的擊穿電壓VZ，如果輸出電壓上升，C3的端電壓VC也隨輸出電壓Vout成正比上升，于是穩(wěn)壓二極管DZ導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電流從它所形成的旁路流過(guò)，進(jìn)而使Q1截止。此間NB線圈和NS線圈的電壓值分別與匝數(shù)成正比,即 。輸出電壓，可以看出，由VZ和匝數(shù)比就可以決定輸出電壓，如果忽略VBE、VD2和VD3，則Vout和VZ成正比，輸出電壓由穩(wěn)壓管的擊穿電壓VZ決定。RC降壓方式將交流電市電轉(zhuǎn)換成低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓，然后再整流濾波，但是受到體積和成本等因素的限制，最簡(jiǎn)單的方法是采用RC降壓方式。RC降壓電路：此電路為全波整流

59、電路，可以得到半波整流的雙倍電流，但是因?yàn)楦〉?，穩(wěn)定性和安全性要比半波整流更差。C1為減壓電容，R1為電容C1的放電電阻，輸出電壓取決于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值，因?yàn)榇穗娐窙](méi)有進(jìn)行高壓隔離，所以，在沒(méi)有安裝穩(wěn)壓管DZ的時(shí)候不能上電，嚴(yán)防觸電。電容C2為濾波電容。仿真圖：C1的容抗為，其中f為市電頻率，一般為50Hz。全波整流的電流平均值為：，當(dāng)電容C1為1uf的時(shí)候，電流為，當(dāng)使用0.5uf的電容時(shí)，能提供31mA左右的電量，假設(shè)有10mA左右電流作用于穩(wěn)壓管使其保持穩(wěn)壓狀態(tài)，則21mA 的電流會(huì)用于濾波電容的充電與負(fù)載的供電，負(fù)載需要的電流一般在120mA（無(wú)睡眠狀態(tài)）變化，則至少還有1mA 的電

60、流用于電容的充電，其最終電壓為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，當(dāng)電容充電到穩(wěn)定電壓后無(wú)電流流過(guò)，所以多余的電流會(huì)流向穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值應(yīng)等于控制模塊的工作電壓，其穩(wěn)定電流的選擇也非常重要。由于電容降壓電源提供的是恒定電流，近似為恒流源，因此一般不怕負(fù)載短路，但是當(dāng)負(fù)載完全開(kāi)路時(shí)，穩(wěn)壓管將通過(guò)全部的31mA電流，所以穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流應(yīng)該取31mA為宜。由于R3與DZ并聯(lián)，在保證R3取用20mA工作電流的同時(shí)，尚有11mA 電流通過(guò)DZ，所以其最小穩(wěn)定電流不得大于11mA，否則影響穩(wěn)壓效果，為了保護(hù)穩(wěn)壓管，可以按30mA的穩(wěn)壓管，5V穩(wěn)壓管選擇1W以上，12V穩(wěn)壓管也選擇1W以上，最終的選擇是12V穩(wěn)壓管