全功率零电压墙壁智能开关的设计
2018-05-28刘冰冰周文俊李正勤
刘冰冰,周文俊,李正勤
全功率零电压墙壁智能开关的设计
刘冰冰,周文俊,李正勤
温州商学院, 浙江 温州 325000
本文设计一种全功率零电压墙壁智能开关的实用电路，主电路采用继电器和晶闸管并联与功率MOS管串联的拓扑结构，既能满足大功率电器设备的电流要求，又能有效解决单火线智能开关小功率负载难以维持直流供电电压的技术难题。开关在全功率范围内均能保证在零电压导通、零电流状态关断，不产生电弧与火花，电磁干扰小，开关寿命远大于普通机械开关。另外，采用多种节能措施，将空载电流降到20 µA以下，克服了单火线墙壁开关长期存在的待机电流大的技术瓶颈。
智能开关; 设计
电容式墙壁触摸开关以玻璃介质作操作平面，彻底解决了机械开关表面渗水的安全问题，触摸开关外观高端大气、经久耐用，深受广大用户的喜爱，产品销售量正在逐年增长。但是目前市场上触摸开关仍不理想，存在诸多的弊端，主要包括如下五个方面：1）继电器式不能兼顾小功率负载、晶闸管式不能兼顾大功率负载，给用户选型、安装带来不便；2）采用磁保持继电器虽然大小功率能兼顾，但价格是普通继电器的3~4倍，性价比低，难以实现平民化；3）待机电流普遍大于40 µA，LED灯会微亮、节能灯闪烁，不能适应所有照明灯具；4）电路复杂成本高；5）开关的开通、关断随机，电流冲击大、电磁干扰大、难以满足EMC的要求。上述问题已严重影响了触摸开关的应用和大力推广。
为了克服上述的弊端，实现智能化控制，本文提出了以继电器（KA）和晶闸管（SCR）组合的技术方案，充分利用继电器触点导通压降低和晶闸管驱动功率小、易实现零电压开通、零电压关断的优点。根据不同的负载，按设定的逻辑关系，继电器和晶闸管自动进行智能转换；根据单火线开关的特点，选择了多种模式的省电设计；以数字集成逻辑控制替代单片机程序，提高了工作可靠性又进一步降低了成本。
智能开关经过反复实验和不断改进，在全功率（1~3000 W）范围内均能正常工作，适应所有的灯具和负载；每路待机电流I0<20 µA，小功率灯具无频闪和微亮；不论晶闸管工作或是继电器工作均能实现零电压导通、零电流关断；核心控制器件选用通用CMOS数字集成和触摸集成，成本低、功耗低。该产品经二年多连续运行，未出现过误动作现象，也不受电感式日光灯启动影响和大功率手电钻电火花影响。实践证明：本文提供电路、技术方案先进可靠、经济实用。
1 全功率智能开关的主电路的拓扑结构分析与逻辑控制
1.1 拓扑结构分析
智能开关主电路的拓扑结构图如图1所示[1]，KA1为继电器的常开触点，VT1为双向晶闸管，V2为低压驱动功率MOSFET，OP1为光控晶闸管。因为晶闸管是瞬态动作或负载功率<100 W状态下工作，故不需要加散热片；低压驱动功率场效应管，其功能是稳定直流输入电压，为降低损耗，其工作在开关状态，耐压虽低，但导通电阻Ron非常小，因此产生热量少也不加散热片，所以整个电路非常简单、整洁。
图 1 智能开关主电路的拓扑结构图
1.2 零电压、零电流的逻辑控制
智能开关在零电压状态导通，零电流状态关断是最理想的工作模式[2]，因为是零电压，对应导通电流很小，电磁干扰小，因为是零电流，没有电流就没有磁场，当然无电磁干扰。但对于不同负载必须采用不同逻辑控制方式，否则不能正常工作。
针对超小功率负载，如1~5 W，是不能用继电器做为主开关，因通用12 V小型继电器线圈，目前最小的工作电流为18 mA，半波整流供电是根本无法满足。针对大功率负载，如>500 W，用晶闸管发热过大，综合考虑>100 W用继电器，<100 W用晶闸管。
对于晶闸管逻辑控制方式比较简单，人体触摸玻璃面板，经专用触摸集成TTP223，给双向晶闸管VT1驱动光耦OP1（MOC3063）发一个直流信号，因MOC3063具有过零触发功能，双向晶闸管自然在电压为零时导通并自锁，当电流小于维持电流IH即自动关断。
继电器作为主开关，晶闸管必须配合作辅助开关，否则无法实现零电压、零电流。因为继电器吸合、断开时间离散性较大，难以控制，但小型的继电器开通或断开时间按技术要求均<10 ms，这样就可以实现零电压导通零电流关断。其逻辑控制原则是：晶闸管必须先通后断，继电器必须后通先断。人体一旦触摸触摸集成触摸片，输出低电平（低电平有效），晶闸管在零电压状态立即导通并自锁保持，继电器常开触点KA1设计为延时20 ms后自动导通，因继电器吸合时晶闸管已处导通状态，不会产生导通火花；人体再次触摸玻璃面板，具有双稳态功能触摸集成TTP223输出翻转为高电平，继电器立即关断，但关闭需要时间，为避免继电器触点KA1断开产生的火花，晶闸管必须保持导通，维持时间设计为20 ms，延时时间一到，当晶闸管电流降至零时（ 墙壁开关实现零电压开通、零电流关断可采用单片机、分立元件、数字集成。本文采用CMOS集成斯密特反相器CD40106作核心，其特点零功耗、电路简单、成本低（0.30元）、工作可靠、不需编程，下面结合工作原理图和波形，其工作原理如下： 图2为智能开关自动控制工作原理图：由集成斯密特六反相器CD40106、专用触摸集成TTP223、零电压导通的光电耦合器MOC3063、三极管、场效应管及电阻电容组成，器件功能分工明确，合计成本不超过1.5元。 图 2 智能开关自动控制工作原理 2.1.1 开通延时和关断延时控制集成反相器U3-1负责继电器开通延时，U3-2负责晶闸管关断延时，为可靠起见选择延时时间大于实际所需的最长时间，本文选20 ms，由R8、C6和R7、C5时间常数决定。关断状态（off）、触摸集成U2的第1脚输出高电平，集成U3-1、U3-2输出低电平，继电器KA1线圈失电、光耦OP1无电流，主并联开关断开，负载上电流为零；人体触摸面板，具有双稳态功能触摸集成U2输出1脚翻转为低电平，电容C5上电压经VD7快速放电，U3-2输出高电平，恒流三极管V2导通，光耦OP1得电，电压过零时晶闸管VT1导通，如果此时负载为大功率负载，继电器KA1经R8、C6延时放电后导通，因为KA1导通前晶闸管VT1已经导通，故KA1导通无火花；人体再次触摸面板，集成U2第1脚翻转为高电平，经VD8快速充电，U3-1输出低电平，继电器KA1快速关断，因为R7、C5放电延时时间长，晶闸管VT1仍保持导通，故继电器断开时无电弧，可有效延长继电器触点使用寿命。 2.1.2 功率自动转换控制大功率负载继电器必须导通，否则晶闸管会过热击穿，小功率负载，特别是<5 W的负载，继电器必须截止，因小功率负载半波供电电路不能提供线圈KA1的正常工作电流，造成工作不可靠或根本不能动作。 检测负载功率，在额定电压下通常是测工作电流，但检测手段复杂、成本高，本文以脉宽大小判别功率，简单易行，工作可靠。图2中检测点LA为直流稳压电源输入端脉冲充电波形，低于12 V时负载经图1中二极管VD13向直流电源充电，一旦电压达12 V，图1中功率管V2导通，输入端被短路，充电结束。负载功率大对应的充电电流大，充到12 V电压时间短，对应的脉冲窄，反之对应的脉冲宽。在导通状态，触摸集成U2输出1脚为低电平，集成反相器U3-1的输入端电容C6经R8向U2的1脚放电，同时又接受VD10、R12的充电电流，如果功率大充电平均电流少于放电电流，U3-1输出高电平，继电器KA1导通，如果功率小充电电流大于放电电流，电容C6的电压放不掉，继续保持高电平，U3-1输出低电平，继电器KA1截止，由晶闸管单独工作，功率转换点功率由图2中电阻R12阻值决定。 晶闸管封锁电路见图2，只有继电器线圈得电晶闸管才会被封锁，但封锁必须延时，因继电器KA1线圈得电到常开触点KA1闭合仍需一定时间，继电器未吸合，晶闸管已关闭，会产生开通火花，为可靠起见，断开延时设置为20 ms。另外一旦关断触发，封锁必须立即取消，不能延时，这样才能保证KA1触点关断无火花。继电器导通之前，晶闸管封锁用集成反相器U3-3输入端为高电平，U3-3输入端电容C7无放电电路，保持高电平无封锁，继电器KA1的驱动场效应管V3导通后，电容C7上电压经R9、VD11向V3的D、S极放电，低至U3-3的关断电压后，U3-3输出高电平，U3-1被封锁，延时时间也可设定为20 ms。当触摸翻转U2输出高电平再次关断时，高电平经VD9向C7快速充电，封锁立即解除，由于关断延时电容C5上电压接近为零，晶闸管立即导通并维持20 ms关断，确保继电器KA1触点断开无电弧。 智能开关工作过程波形图如图3所示，图中UNL为电源进线电压，U01为触摸集成输出信号电压，低电平有效，UG1为晶闸管VT1的触发电压，UKA1是继电器触点KA1或晶闸管阳极之间的电压，LA为直流电源充电的脉冲电压。开机清零状态，继电器和晶闸管均不导通，继电器常开触点电压就是电源进线电压UNL，触摸开通，晶闸管在进线电压过零立即导通，继电器延时导通，继电器导通后UKA1上电压明显下降，再次触摸，U01输出高电平，晶闸管VT1封锁解除后立刻转为导通，而继电器触点KA1自身延时7 ms释放，确保继电器触点KA1断开时晶闸管仍处在开通状态，断开无火花。经20 ms延时，晶闸管失去触发脉冲，待工作电流过零（ 图 3 智能开关工作过程波形图 节电电路设计宗旨：可靠、节电、经济。 3.1.1 触摸集成触摸电路可由单片机编程控制，集成组合电路和专用触摸芯片控制。单片机的优点功能强大，可扩充功能，但成本高（3~6元）、功耗较大；专用集成组合电路结构复杂，专用触摸芯片经过专门特定设计，抗潮湿，抗干扰能力强，成本十分低廉，3 V时，待机电流<4 µA，因此建议用专用芯片。 3.1.2 控制集成本文选择COMS集成CD40106是因为：开关稳定状态六个反相器总电流<1 µA，几乎不耗电。 3.1.3 直流稳压集成直流稳压集成选用MD7150、7130较合适，其静态电流<2 µA。 专用触摸集成TTP223或其他型号集成，电性能卓越，都存在一个应用的瓶颈，开机启动电流大，具体见图4[3]。在2 V左右位置工作电流接近1 mA，过了2 V位置电流迅速降至3 µA。如果以µA电流充电，直流电压停在2 V以下，如果以mA电流连续供电，LED灯将会大亮、节能灯会频闪，对于在单火线触摸开关这是绝对不允许的。图4B线路能有效解决启动和工作电流的矛盾，刚启动时电流可达几毫安以上。其工作原理如图4B所示，开机时UC9=0 V，集成反相器U4-2输出低电平，对应的集成U2工作电压为零，在大电阻小电流充电的状态，直流电压输入电压VCC1电压缓慢上升，当VCC1电压低于VD12稳压值时，反相器U4-1及供电电路输入仍为零，VCC1电压继续上升，此时U4-1达到了开启电压，U4-2输出突然变为3 V并维持，对应工作电流为4 µA，因VCC1滤波电容容量大，完全可以以较大的放电电流拖动TTP223进入正常工作电压。 图 4 触摸集成电路的工作电流波形 智能触摸开关是现代科技发展的产物，因电性能卓越，相信在不久将来，会取代传统机械式墙壁开关，成为智能家居中一个重要的成员。如果智能开关可靠性进一步提高，价格降至接近于普通装饰开关的价格，市场销售量将会猛增，社会效益、经济效益非常显著。 [1] 郭必广,刘冰冰,蒋连忠,等.一种单火线全功率触摸开关电路:中国,CN106879147A[P].2017-06-20 [2] 刘冰冰,刘若望,刘希真.零电压型电子触摸开关:中国,CN103138729A[P].2013-06-05 [3] 杜翼,江道灼,郑欢,等.基于电力电子复合开关的限流式混合直流断路器参数设计[J].电力系统自动化,2015,39(11):88-95 Design for Intelligent Wall Switches under Zero Voltage and Full Power LIU Bing-bing, ZHOU Wen-jun, LI Zheng-qin 325000, A practical circuit of intelligent wall switch under zero-voltage and full-power was designed in this paper. A topology with a relay and a thyristor in parallel and a power MOSFET in series was used in the main circuit, which could not only meet the current requirements for high power electrical equipment, and also effectively solve some problems of maintaining the DC voltage supply under low power load. The switch was turned on at zero-voltage and turned off at zero-current in the full power range with no electrical arcs and sparks, so the electromagnetic interference was low and the switch life was much longer than those of the ordinary mechanical switches. In addition, using various energy saving methods, the no-load current was reduced to less than 20 µA, which overcome the long existed technical bottleneck of the high standby current in the single fire line wall switch. Intelligent switch; design TM564.8 A 1000-2324(2018)03-0535-04 2017-02-23 2017-03-17 刘冰冰(1977-),女,工程师、实验师.主要研究方向为电子技术. E-mail:wzlbb@126.com2 智能开关自动转换工作原理
2.1 智能开关自动控制工作原理图分析
2.2 智能开关工作过程波形图分析
3 单火线开关节电电路与强启动电路的设计
3.1 节电电路的设计
3.2 触摸集成芯片的开机启动电路
4 结语
