畢業(yè)論文-單火線智能開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

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

2、，如果待機輸入電流太大就會導(dǎo)致燈具關(guān)閉后還會有閃爍或微亮（即出現(xiàn)“關(guān)不死”的現(xiàn)象）等問題。特別是高阻抗的電子節(jié)能燈和LED 燈，對待機電流更為敏感。單線制電子開關(guān)帶節(jié)能燈會閃爍的原因現(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。所以電子開關(guān)設(shè)計的面向?qū)ο髴?yīng)該主要是節(jié)能燈和LED燈。電子開關(guān)為什么接白熾燈不會閃爍，而接節(jié)能燈和LED 燈就會閃爍呢？這與節(jié)能燈（或LED燈）以及電子開關(guān)的自身構(gòu)造都有關(guān)系：由于電子開關(guān)是用電子電路組成的控制開關(guān)，就一定要消耗一定的電流，這一電流必定要通過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、流過節(jié)能燈(或LED 燈)的電流很小，也會使燈產(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)電子開關(guān)本身消耗的微小的電流通過燈具內(nèi)部的橋式整流電路的濾波電容C時，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（不同的燈會有差別）電容會放電，燈內(nèi)部的電子電路就會恢復(fù)工作而使節(jié)能燈（或LED 燈）點亮，這時電容C 兩端的電壓因為放電而隨則會下降，這時燈會熄滅，接著再開始下一回合的充電及放電過程。隨著這樣的充放電過程，我們就會看到燈閃或微亮現(xiàn)象。這一閃爍現(xiàn)象的間隔與流過的電流及

4、節(jié)能燈（或LED 燈）的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，很難進行具體量化例如多少瓦數(shù)以上的燈不會閃爍，哪些類型的燈不會閃爍等。經(jīng)過對大量各品牌不同廠家的節(jié)能燈進行實際測試，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時都還會出現(xiàn)閃爍或者微亮的現(xiàn)象，另外燈閃爍與否與實際燈的標(biāo)稱功率瓦數(shù)也沒有直接的絕對關(guān)系，例如，測試發(fā)現(xiàn)有些小瓦數(shù)的燈都不會閃爍或微亮，而有一些較大瓦數(shù)的燈卻會出現(xiàn)閃爍或微亮。所以，微功耗單火待機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內(nèi)外限制單火線智能開關(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電流做到盡量小以適應(yīng)更多類型的燈具，從而保

5、證大部分燈具不會出現(xiàn)閃爍。單線制智能開關(guān)設(shè)計需要考慮的兩個問題第一個問題是要盡可能的降低待機功耗，即減小待機電流，避免出現(xiàn)燈關(guān)后閃爍或者微亮；另一個問題是單火線的取電問題。怎樣保證提供足夠的輸出電流給電子開關(guān)控制電路，例如專用的MCU，紅外接收頭，RF遙控模塊，繼電器或者可控硅等。由于電子開關(guān)工作時取電是通過開關(guān)斷開時的兩端壓差來取電的，當(dāng)開關(guān)閉合時就沒有了壓差無法取電，這樣就會導(dǎo)致控制電路掉電失控問題。針對這一問題，市面上的單火線電子開關(guān)采用兩種方式解決這一問題。方式一：電子開關(guān)中的開關(guān)元件的通態(tài)和斷態(tài)由同一電路供電。在通態(tài)時，通過電容降壓再用穩(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

6、，由于控制電路消耗的電流也是電子開關(guān)主回路的電流，所以如果電子開關(guān)主回路的電流比較大，那么接上小功率的燈具，燈具就會發(fā)紅或閃爍，即“關(guān)不死”的現(xiàn)象，所以此類單火線電子開關(guān)大多數(shù)不能控制小功率的負(fù)載。同時用電容降壓，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。其缺點是對整流器件要求高、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關(guān)斷態(tài)時賄賂電流較大的問題，但對于電子開關(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)計的取電電路把通態(tài)和關(guān)態(tài)電路分開，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無線收發(fā)模塊組成。本設(shè)計還有過零檢測模塊，以保證可控硅零點導(dǎo)通。主框圖如下所示：圖1.1 雙向可控硅主框圖過零檢測雙向可控硅是一種功率半導(dǎo)體器件，也稱雙向晶閘管，因為控制電路簡單，因此特別適合做交流無觸點開關(guān)使用。本設(shè)計中。雙向可控硅直接連在強電網(wǎng)絡(luò)中，其觸發(fā)電路的抗干擾問題很重要，通常是通過光電耦合器將控制系統(tǒng)中的觸發(fā)信號加載到可控硅的控制極。為了減少驅(qū)動功率和可控硅觸發(fā)時產(chǎn)生的干擾，交流電路雙向可控硅的觸發(fā)常采用過零觸發(fā)電路。另外，在零點觸發(fā)可

8、控硅還可以增加晶閘管的使用壽命。過零觸發(fā)是指在電壓為零或接近零的瞬間接通，因為要采用過零觸發(fā)，所以還需要過零檢測電路對正弦交流電進行過零檢測。過零檢測電路如圖1.2所示，用于檢測正弦AC220V的過零點，整流橋D1進行全波整流，使用光耦U1和三極管Q1組成過零檢測電路，整形出脈沖波。圖1.2過零檢測電路當(dāng)正弦交流電壓接近零的時候，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的檢測信號出現(xiàn)負(fù)脈沖信號，multisim仿真電路如圖1.3所示。圖1.3過零檢測仿真電路仿真的結(jié)果如圖1.4所示，可以看出在交流電經(jīng)過零點的時候，檢測端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)計目前，單火取電智能開關(guān)一般存在以下幾個缺點：帶大功率負(fù)載，器件發(fā)熱嚴(yán)重，容易造成開關(guān)的失控和損耗；當(dāng)負(fù)載過小的時候，取電的電流過小，無法驅(qū)動；漏電流過大，燈具出現(xiàn)閃爍；設(shè)計負(fù)載，成本高。本設(shè)計就是解決負(fù)載功率的問題，使開關(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，大大減小元器件的發(fā)熱，提高開關(guān)的可靠性。本設(shè)計包括雙向可控硅單元，整流濾波單元，電源模塊單元，穩(wěn)壓單元，控制單元和CPU主控單元，如圖1.5所示。圖1.5 設(shè)計單元圖雙向可控硅控制單元的輸入端即為智能開關(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)過整流濾波單元進行整流和濾波，然后進入電源模塊單元，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，主控單元通過控制單元對雙向可控硅進行開和關(guān)的控制，雙向可控硅的另一端與智能控制開關(guān)的火線輸出端相連，即接負(fù)載。使用時，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，通過控制單元實現(xiàn)智能控制開關(guān)的開或關(guān)。電源模塊介紹在待機時，由于單火線開關(guān)待機取電是通過流過燈具的電流給開關(guān)的控制電路供電的，如果待機輸入電流大就會導(dǎo)致電子節(jié)能燈在關(guān)閉時會有冷閃光等問題。特別是即LED照明燈，對待機電流更是苛刻。所

11、以。要使開關(guān)適合多種類型的負(fù)載，就要將待機電流做得越小，綜上所述，單線制智能開關(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電流。另外一個重要的問題是單火線的取電問題。在工作中，由于電子照明開關(guān)工作時取電是通過開關(guān)斷開時的兩端壓差來取電的，當(dāng)開關(guān)閉合時就沒有了壓差無法取電，這樣就會導(dǎo)致控制電路開時失電失控問題。對于這一問題，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到了12400V，這樣就可以設(shè)計多種取電方案。電源

12、模塊的測試電路如圖1.7所示：圖1.7 電源模塊測試電路輸入端的R1電阻一定要串入，因為微功耗電源啟動時進入穩(wěn)態(tài)的時間較長。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，通過調(diào)整可變電阻R2使輸出電壓U2固定在6.5V時，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)值均是測量直流電壓、電流，因為在小電流下交流數(shù)字表受干擾較大，不易得出正確的數(shù)值。同時也排除了功率因數(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，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，針對這種情況可以設(shè)計多種取電電路。開態(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T1，T2，觸發(fā)后電流可以在T1和T2雙向流動，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，又恰好沒有觸發(fā)電壓，可控硅才會截止。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)對雙向可控硅進行觸發(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)動器，用該器

16、件觸發(fā)晶閘管具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，并且防止電壓畸變等優(yōu)點。當(dāng)MOC3603的控制信號為關(guān)信號，即低電平的時候，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€進來的交流電壓經(jīng)過D2半波整流，在經(jīng)過限流電阻R3進入電源模塊U1，電源模塊是把輸入信號經(jīng)過穩(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)斷時不容易形成電壓尖峰，保護了低功耗電源模塊，同時電容C1 不能太大，否則會使某些燈具在關(guān)斷的瞬間出現(xiàn)閃爍。當(dāng)控制信號為開信號，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候，穩(wěn)壓管的Z2的負(fù)極電壓升高，因為是

17、兩個穩(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)載燈點亮，這是電路處于開態(tài)，經(jīng)過D3，電容C3進行充電，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，因為沒有觸發(fā)電壓，所以Q1截止，電壓經(jīng)過D1回到火線，這時候VCC的電壓主要通過電容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)壓管的電壓達到7V左右，

18、可控硅才會導(dǎo)通，實現(xiàn)大電流通過負(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候，可控硅截止，因為D1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。濾波電容儲電法當(dāng)主控制電路的靜態(tài)電流比較小時，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存的電壓也能為電源模塊供電一段時間的。不過這方案對電路的設(shè)計要有一定的要求，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)，即完成一個周期的延時后必須有一個短暫的間隔時間（最好0.5 秒以上），以便讓電容重新充電。電路設(shè)計如下所示：單向可控硅的觸發(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，延長電容的放電時間。根據(jù)實際測試（測試時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)為是電容放電時間），不同容量的濾波電容C1 的供電時間如下：電容大小(F)放電時間(s)3.3424.7756.811010160如果想延長放電時間，那么可以增大電容C1，但是這樣增加電容的充電時間，使得開關(guān)延時增加。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)控制信號為開，即處于開態(tài)且連接的是大功率負(fù)載時，低功耗開關(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，由于電流過小，未達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)過單向可控硅，再經(jīng)過電阻R1形成回路，從而實現(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，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，只有雙向可控硅發(fā)熱，并在可接受范圍內(nèi)，提高開關(guān)可靠性。該電路的巧妙之處是利用交流電過零后的起始段部分來給主控制單元供電；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，解決了因為負(fù)載燈具電流的變化而影響電路自身供電的問題；另一方面，由于可控硅工作于開關(guān)狀態(tài)，其有自身壓降小、功耗低等優(yōu)點。要想改變電源模塊在開態(tài)時輸入電壓的高低，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)，并且對電路的延時時間沒有限制，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，就是說控制芯片電路的靜態(tài)電流不能超過1mA。因為這種取電電路當(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)過整流橋D3之后，當(dāng)電壓沒達到6V的時候，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候，可控硅截止，電容C1

23、再次充電。這樣，交流電的每半個周期重復(fù)一次，電路利用交流電過零的起始階段對電容充電，從而給電路供電。交流電的頻率為50Hz，電容的放電時間約為10ms，盡量保持RL*C大于34個10ms，保證充電時間，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，所以計算的電容C的因該為400uF左右，實際選取470uF的電容?？煽毓璧膶?dǎo)通要具備兩個條件：一是可控硅的陽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關(guān)系，即使沒有控制極電壓可控硅依然導(dǎo)通，只有降低陽極和陰極之間的電壓，使得流過的電流小于最小的維持導(dǎo)通的

24、電流，可控硅才會關(guān)閉。上圖表示可控硅的啟動過程，紅線表示的輸出電壓，即電容兩端的電壓。初始上電的時候，整流的電壓加到電容兩端，電容充電，電壓沒有達到6V的時候，穩(wěn)壓管截止，沒有電流流過可控硅的控制極，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)電容充電電壓達到6V的時候，穩(wěn)壓管反向擊穿，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，觸發(fā)電流流過可控硅控制極，可控硅導(dǎo)通，主電流旁路，這時候電容放電，給電路供電；這時，穩(wěn)壓管負(fù)極接地，截止，可控硅失去控制極電流，當(dāng)市電接近零的時候，可控硅截止，電容開始充電，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候，電容充電，可控硅觸發(fā)。多路控制開關(guān)的設(shè)計上面的設(shè)計是單路開關(guān)控制，可以使用帶過零觸發(fā)的光耦或者繼電器控制實現(xiàn)多路開關(guān)控制，電路有所改動，增加了雙向可控硅同兩個穩(wěn)壓管串入負(fù)載回路進行開態(tài)取電。由于是利用負(fù)載流過的電流驅(qū)動光耦可控硅或吸合繼電器，所以對最小的控制功率有限制。光耦可控硅驅(qū)動型要求的最小負(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。如果要實現(xiàn)過零觸發(fā)，光耦可控硅要用MOC3063帶過零觸發(fā)的。電路設(shè)計如下所示：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)電源從零線通過燈負(fù)載到整流二極管D1，然后串入了限流電阻R1 進入電源模塊，借用了橋堆的負(fù)輸出臂的一個二極管回到電網(wǎng)的火線形成一個電流回路。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。開態(tài)取電：上面是在待機時的情況，但是當(dāng)控制線號為高電平，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)載燈點亮，火線就等于加到了整流二極管的正端通過燈具到零線，電源模塊的輸入端就沒有了電壓，當(dāng)然也就沒有輸出6.3V 直流電壓了。為了在開燈的狀態(tài)下維持電路的供電，我們使用了雙向可控硅和兩

27、個穩(wěn)壓管組成了開態(tài)取電電路，取電電路的原理可以簡化下圖：我們把它等效成一個可變電壓源，這個電壓源的內(nèi)阻是根據(jù)流過的燈電流的大小而變的，流過的燈電流小等效的電壓源內(nèi)阻就大，流過的燈電流大這個電壓源的內(nèi)阻就小，也就是說燈的功率小流過的電流小，經(jīng)過整流橋取出的電流也小，一般為燈電流的60%左右，而這個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)熱問題也是一個需要重視的問題，由于可控硅本身的特性，大電流通過時是要耗散功率而發(fā)熱，實測TO220封裝的可控硅在不加散熱片的情況下能通過的電流只有2A 左右（溫升40），在密閉的開關(guān)

28、盒內(nèi)這已是極限了。這樣如果是兩路開關(guān)每路的電流只有1A，如果是3路的則每路只有0.6A，這個開關(guān)電流是嫌小了一點。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)具體的開關(guān)結(jié)構(gòu)實施。雙向可控硅方案的優(yōu)點是采用而是采用通態(tài)和斷態(tài)電路分開供電的方式，確保無論開燈或者關(guān)燈時都能實現(xiàn)穩(wěn)定供電，另外保證了電子開關(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)電子開關(guān)斷態(tài)時，轉(zhuǎn)換效率達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。為了能夠在特殊場合使用單片機或者微處理器，需要一種能夠從單火線上取電源的裝置為單片機或者微處理器提供5V到7V的工作電源?；谏厦孢@個問題，提出一種單火線智能開關(guān)的解決方案。在單火線上通過MOS管和繼電器實現(xiàn)開關(guān)控制和為主控制模塊提供電源，從而構(gòu)成一個低成本，適合多種負(fù)載的單火線智能開關(guān)系統(tǒng)。供電模塊火線取電電路設(shè)計設(shè)計智能開關(guān)，首先要從功率的角度考慮，因為傳統(tǒng)的機械式開關(guān)是一個功率器件控制器，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，這點很重要，因為要替代傳統(tǒng)的墻壁開關(guān)，大多數(shù)裝載86性暗盒上的，所以，智能開關(guān)的體積要能放進暗盒中。為了實現(xiàn)火線的接通和斷開，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)繼電器接通的時候，選用IRL3803S大功率場效應(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，在這個設(shè)計中效果非常好。當(dāng)繼電器斷開時，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的金屬膜電阻來承擔(dān)壓降；之后還要通過穩(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。因為沒有零線，不能通過零火線給控制模塊供電，因此只能在火線上考慮如何既實現(xiàn)開關(guān)的功能，又能為控制模塊提供持續(xù)的電源。下圖設(shè)計的單火線取電電路實現(xiàn)這些功能，把電路分為繼電器導(dǎo)通和關(guān)閉兩部分進行取電，即開態(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)斷的控制信號的時候，這時電路為關(guān)態(tài)取電電路，繼電器K1斷開，220V交流電壓經(jīng)過D1半波整流，再經(jīng)過R1降壓，這時候由于功耗較小，壓降主要落在R2上，經(jīng)過計算，金屬膜電阻R1的阻值為20k歐姆，功率是0.25W。電壓再經(jīng)過Q1和Q2組成一個串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，最后經(jīng)過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)向電壓到來時，D1將電壓截斷，這時就靠C1 、C2，C3和C4放電來給系統(tǒng)供電。關(guān)態(tài)取電仿真：電壓較高時的取電源電路為火線進線接二極管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滑動變阻器上，滑動變阻器下接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)射極出來經(jīng)過二極管D3，接到51電阻和10uF電解電容和10nF 的無極性電容。輸出為系統(tǒng)提供5V7V直流電壓。同時輸出端接電感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，本方案就是通過三極管實現(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，再通過調(diào)整滑動變阻器R2值得Q2的集電極電壓為5V到7V之間，再通過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，同時實現(xiàn)電流的放大。其中Q2和穩(wěn)壓管Z1相當(dāng)于一個穩(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電壓跟隨器。電流的放大倍數(shù)為。仿真結(jié)果：其中藍線為輸出電壓，電壓為6.8V左右，可以通過調(diào)整滑動變阻器，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的之后，電容充電；等到負(fù)半周期到來的時候，電容放電給系統(tǒng)供電。藍線是經(jīng)過二極管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時候，輸入電流（即流過負(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的時候，流過負(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)中的開關(guān)面板是帶有數(shù)據(jù)收發(fā)功能的。其主要特點是動態(tài)電流較大，收發(fā)數(shù)據(jù)時的電流達到了幾十毫安，但時

37、間不長一般在0.5秒以下完成。有的是單片機和收發(fā)組件是分開的，也有的是單片機和收發(fā)功能集成的一起完成的，芯片的大部分時間都處于休眠狀態(tài)，電流只有幾十微安，只有在極少數(shù)時間開關(guān)控制處于收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，這時候的功率較大。系統(tǒng)將6V的系統(tǒng)電壓進行降壓，降到芯片普遍使用的3.3V，待機電流只有幾十微安，功率就控制在毫瓦級別，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。開態(tài)取電如圖所示，當(dāng)控制器發(fā)出開通信號時候，繼電器K1接通，這時電路為開態(tài)取電電路。電路的取電由IRL3803來完成，其內(nèi)置一個30V的穩(wěn)壓管，作用是IRL3803沒導(dǎo)通時，可提供最大30V的單相交流電，起到保護

38、電路的作用。通過IRL3803的導(dǎo)通和斷開實現(xiàn)兩個作用，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正向電壓到來時，經(jīng)D3半波整流，經(jīng)過R6和電感L1提供6V電壓，L1作用是讓電流更平滑；這時電壓經(jīng)過D4給C5和C6充電，電壓逐漸升高，此時Q4時斷開的，當(dāng)電壓上升到5.6V時，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Q4還沒有導(dǎo)通，當(dāng)C5和C6充電的電壓達到11V時，穩(wěn)壓管Z3導(dǎo)通，這時候Q4導(dǎo)通，開始大功率供電。當(dāng)交流電的負(fù)向電壓到來，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的放電實現(xiàn)的。開態(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的時候，首先經(jīng)過二極管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之間的時候，穩(wěn)壓管Z1和Z2截止，這時候電容C1，C2充電；電壓經(jīng)過R5，D2和R8達到三極管Q1的基極，Q1導(dǎo)通，這時候MOS管Q2的G極電壓較低，不能驅(qū)動mos管導(dǎo)通；當(dāng)電容C1，C2的充電電壓達到5.6V11V之間的時候，穩(wěn)壓管Z2擊穿導(dǎo)通，穩(wěn)壓管Z1還是截止，同時，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，同時三極管Q1截止，Q2的G極懸空，這時候MOS管的G極沒有電壓，不能使其導(dǎo)通；隨著電壓的進一步升高，達到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，開始大功率供電，這時候，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)半周期到來的時候，MOS管Q2里面的穩(wěn)壓管正向?qū)?，電壓直接回到正極，這時候系統(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的時候，穩(wěn)壓管Z2沒有導(dǎo)通，所以，D2正極電壓升高；當(dāng)電壓超過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沒有導(dǎo)通，負(fù)極電壓一直在升高，一旦超過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，還保證了開關(guān)使用者的安全。其次，之所以選擇IRL3803S場效應(yīng)管，因為當(dāng)出現(xiàn)故障或短路

42、，導(dǎo)致高電壓時候，MOS管還不能導(dǎo)通，它內(nèi)部有一個30V的穩(wěn)壓管，當(dāng)D極與S極之間的電壓超過30V，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，保護內(nèi)部電路不受損壞，電路的安全性更強。本設(shè)計也存在缺點：首先，當(dāng)MOS管導(dǎo)通，大功率供電開始，MOS管發(fā)熱問題，這樣縮短MOS管的使用壽命。其次，當(dāng)負(fù)載為小功率負(fù)載的時候，輸入電流很小，為系統(tǒng)提供的工作電流過小，這導(dǎo)致主控制電路無法正常工作，會出現(xiàn)CPU處理器不斷復(fù)位的現(xiàn)象。另外，該電路適合單路開關(guān)，不適合多路開關(guān)控制，如果設(shè)計成三路開關(guān)就需要三套完整的控制電路，設(shè)計比較復(fù)雜。在此方案下，建議不使用開關(guān)電源。開關(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)計抗干擾電路，而且容易使主控制電路在接收數(shù)據(jù)時發(fā)生混亂。方案三 充電電池本方案是基于無線網(wǎng)絡(luò)利用鋰電池供電的單火線智能開關(guān)，是基于無線網(wǎng)絡(luò)具有單火取電能力的智能開關(guān)。主要解決要安裝于86 盒中，可以與其它設(shè)備進行通訊，可以通過遠程和本地控制。通過單火線方式取得微弱電流，利用鋰電池儲能，為智能控制單元提供電能，它同時擁有電子控制開關(guān)和手動機械開關(guān)，以實現(xiàn)自動控制、手動控制和故障下的強制開關(guān)控制。該智能開關(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；可實現(xiàn)高可靠較大速率的雙向無線通訊；可以實現(xiàn)遠程自動控制和本地手動控制燈具的亮滅；具有不依賴于電子控制的手動機械開關(guān)作為應(yīng)急等特點。目前

44、在市場上具有嵌入式系統(tǒng)的智能開關(guān)所面臨的問題主要有：1.目前的智能開關(guān)控制多采用單向通訊單方向向開關(guān)發(fā)出指令，由于無法實現(xiàn)雙向通訊，開關(guān)的狀態(tài)信息、自檢情況等無法傳送出去，同時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單火線取電，采用單火取電方案時當(dāng)關(guān)燈時，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，竊取的電流如果過大會造成燈具產(chǎn)生鬼火（閃爍）；對于無線網(wǎng)絡(luò)中的一個智能節(jié)點，設(shè)備需要以一定的功率進行接收、發(fā)送相關(guān)信息，這需要較大的瞬時電流，會加大鬼火現(xiàn)象。3.出于設(shè)計及對設(shè)備體積的要求等原因，目前市場上普遍出現(xiàn)的是純電子開關(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，電燈狀態(tài)將不可控；有些開關(guān)雖然有手動按鈕，但它也是通過嵌入式系統(tǒng)來控制電燈的，即嵌入式系統(tǒng)故障該按鍵亦不起作用。綜上所述，本開關(guān)為適應(yīng)這些情況和克服相應(yīng)問題而設(shè)計。整體的設(shè)計方案基于上面的問題，設(shè)計出一種單火線可持續(xù)供電物聯(lián)網(wǎng)開關(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)電路與功率開關(guān)器件相連，功率開關(guān)器件與火線相連，功率開關(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)功率開關(guān)器件斷開時電源火線自動向可充電電池充電，功率開關(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)中智能開關(guān)的功能，并且有效解決智能開關(guān)的問題。其中，觸摸感應(yīng)按鈕實現(xiàn)手動控制開關(guān)，手動控制和控制模塊都能對開關(guān)進行控制，它們之間是相互獨立的，相互之間沒有影響。另外由于各種原因，智能開關(guān)可能出現(xiàn)失控的情況，這時候控制模塊不能控制開關(guān)器件，那么，手動控制開關(guān)就顯得格外重要。由于開關(guān)可以由觸摸開關(guān)和控制模塊一起控制，那么，開關(guān)器件就需要將其狀態(tài)反饋給控制模塊，以便控制模塊隨時了解到現(xiàn)在開關(guān)所處的狀態(tài)?？刂颇K中包含射頻模塊，因為，智能開關(guān)要通過無線通信與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交流。充電控制電路通過單火線對充電電池進行充電，而充電電池分別給控制模塊，觸發(fā)電路和功率開關(guān)器件供電。原理圖設(shè)計原理圖設(shè)計之前

47、首先是期間的選擇。首先是功率開關(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控制，并且具有動作快、無火花、壽命長、可靠性高以及電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，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U1A送入U1B，U1A和U1B是兩個與非門；IN2 接受控制模塊的控制觸發(fā)信號。U1A和U1B使兩路觸發(fā)信號都能有效控制且互不影響。因為觸摸按鈕的輸入信號是瞬間脈沖，信號不容易處理，要保證正確的處理信號，本方案使用的

48、是74HC74觸發(fā)器，對按鈕脈沖信號鎖定的功能。FB端將開關(guān)狀態(tài)反饋給控制模塊，G端是控制光耦的開關(guān)。因為一般開關(guān)大部分時間是處于關(guān)閉狀態(tài)，所以，本方案采用的是關(guān)態(tài)充電的設(shè)計，即當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉的狀態(tài)時候，通過單火線取電對電池進行充電；當(dāng)開關(guān)處于接通的狀態(tài)的時候，電池不充電，負(fù)責(zé)給控制模塊，觸發(fā)電路和開關(guān)器件供電。：當(dāng)開關(guān)斷開時，即G電發(fā)送斷開信號，由于可控硅T不導(dǎo)通，電流可以通過整流橋進入電源模塊U4，輸入電壓為300V，電流很小，不到1mA，電源模塊負(fù)責(zé)將這個大電壓，小電流轉(zhuǎn)換成小電壓，大電流。將電源模塊進行高效率電壓變換，輸出6.3V的直流電壓，電流為10mA，經(jīng)過電阻R10給充電電池充電

49、。當(dāng)開關(guān)接通時，可控硅導(dǎo)通，電源模塊U4停止工作，停止充電。這時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，電池通過BAT和GND進行充電；當(dāng)放電時，BAT為電池的正極。：當(dāng)開關(guān)斷開時，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，穩(wěn)壓管Z1截止，電源模塊一邊給電池充電，一邊通過U5穩(wěn)壓單元，輸出3.3V給VCC供電；當(dāng)電池的電壓高于4.5V時候，電流通過穩(wěn)壓二極管Z1 而不通過電池，防止電池過充。充電電池方案有效解決目前的智能開的問題。首先，本方案是手動控制和自動控制共同作用，并且之間相互獨立，解決開關(guān)由于控制模塊失控所造成的問題；其次

50、，充電電池實在關(guān)燈的情況下進行充電的，所以，電流小，功率小，不會造成元器件發(fā)熱的問題；另外，本方案還有效解決充電電池過充的問題。但是，本方案已經(jīng)存在一些問題。首先，本方案只能在關(guān)態(tài)的情況下對電池進行充電，在開態(tài)的情況下，電池只有放電，不進行充電。如果，開燈時間過長，可能造成電池電量用盡，那么，控制模塊和觸發(fā)電路就會掉電失控，那么，就會在成燈具無法關(guān)掉，造成只能夠開關(guān)控制失控的現(xiàn)象。另外，當(dāng)遇到停電的情況下，電池仍然會繼續(xù)消耗，并且沒有充電補充。所以針對上面的問題，對充電的方案進行改善，設(shè)計一個電路，其在用電設(shè)備無論是否接通的情況下均能為鋰電池補充損失的電量，同時能夠防止對電池的過度充電現(xiàn)象的發(fā)

51、生；當(dāng)供電停止時，能夠自動關(guān)閉電池的電源供給，盡量減少電量消耗。改進方法具體方案：1.通過單火取電方式在關(guān)態(tài)時，即智能開關(guān)控制的燈關(guān)閉時，為充電電池充電；2.在用開態(tài)時，即智能開關(guān)控制的燈打開時，通過開態(tài)取電電路取得一定的電量為充電電池充電；3.設(shè)置檢測電路實時監(jiān)測電池電壓，當(dāng)電池電壓達到一定閥值時，切斷充電供給，防止電池過充；4.實時監(jiān)測交流電供給情況，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：為了防止在燈打開或者關(guān)閉時，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，無論是在關(guān)態(tài)還是開態(tài)都對電池進行充電。這樣就增加了開

52、關(guān)的續(xù)航能留，防止出現(xiàn)開關(guān)出現(xiàn)掉電失控的情況。當(dāng)功率開關(guān)器件關(guān)閉時，火線進入開關(guān)通過設(shè)備內(nèi)部關(guān)燈取電電路、燈具與零線形成一個回路，開關(guān)通過此回路取電并向電池充電，這就是關(guān)態(tài)充電電路；當(dāng)功率開關(guān)器件接通時，火線電流開燈取電互感器，開關(guān)通過此互感器的二次回路取電并向電池充電；電池電壓監(jiān)測單元實時監(jiān)測電池電壓，當(dāng)電池電壓達到定的閥值時將關(guān)閉充電控制中的充電開關(guān)禁止向電池充電；充電控制單元根據(jù)兩個取電電路的狀態(tài)，實時判斷交流電供給情況，當(dāng)供給中斷時，發(fā)出供電控制信號關(guān)閉供電開關(guān)以禁止向系統(tǒng)供電?；诔潆婋姵氐膯位鹁€智能開關(guān)解決如下問題1.具有雙向無線通訊能力；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)傳輸時候的功耗很大。具體依據(jù)實際發(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，又不會因為額外的覆蓋浪費能源，通過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、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.實時給鋰電池充電，提供充電保護功能和停電情況下的電量浪費，使開關(guān)可以做到在生命周期內(nèi)對電池免維護；5.具有不依賴于電子控制的手動開關(guān)，保證在任何電子設(shè)備故障情況下開關(guān)都能在人工控制下實現(xiàn)對燈具的控制目的，徹底避免了因電子開關(guān)故障造成的燈具無法開啟或關(guān)閉的情況。RCC方案RCC開關(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， 電路簡單、性能穩(wěn)定，目前已被廣泛應(yīng)用于50W 以下的開關(guān)電源中，如彩電、電腦、光碟機、打印機及其他工業(yè)電器的控制及驅(qū)動電源中。本方案利用RCC電路設(shè)計的反激式開關(guān)電源用于單火線的關(guān)態(tài)取電。反激式變壓器，因為輸出在原邊繞組斷開電源時獲得能量而得名。它的優(yōu)點是電路簡單，裝換效率高，輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動時，仍可有較穩(wěn)定的輸出，無需切換而達到穩(wěn)定輸出的要求。下圖為RCC電路：為了進行穩(wěn)態(tài)分析，做以下近似：1.忽略變壓器漏電感對三極管Q1的集電極電壓VCE的影響，實際使用時需要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，電容

55、C3上的電壓保持不變；4.穩(wěn)定時，電阻Rg忽略不計。電路啟動：接通輸入電源Vin后，Vin是經(jīng)過全波整流的220V交流電，電流ig通過電阻Rg流向開關(guān)三極管Q1的基極，Q1導(dǎo)通，ig稱為起動電流。在RCC方式中，晶體管Q1的集電極C的電壓由零開始逐漸增加，因此ig應(yīng)盡量小一點。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，起作用是是開關(guān)晶體管進一步導(dǎo)通。因此，VB將維持Q1的導(dǎo)通狀態(tài)，此時基極電流IB是連續(xù)的穩(wěn)定電流，（忽略RS上的壓降）。此時，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，副邊電壓沒有電流。原邊電感為Lp，導(dǎo)通時間為t，Q1集電極的電流IC線性增長，。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，磁場的方向和大小都保持不變，因此，要與一次繞組中經(jīng)過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，同時變壓器電感中儲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?，此瞬間變壓器各個繞組的電壓為零，啟動電阻Rg中電流為基極電流，在正反饋作用下再次導(dǎo)通。穩(wěn)壓原理：RCC電路是一種非固定周期的開關(guān)電源，它不是由占空比連續(xù)變化的PWM控制信號來驅(qū)動。當(dāng)輸出電壓超過額定值時，開關(guān)管提前關(guān)斷，I1p峰值電流減小，反激變壓器儲能下降，變換器輸出電壓降低；當(dāng)輸出電壓低于額定時，開關(guān)管延遲關(guān)斷，I1p峰值電流升高，變壓器儲能增加，變換器輸出電壓上升，完成輸出穩(wěn)壓調(diào)整過程。要使晶體管關(guān)斷，只要使基極的驅(qū)動電流不足即可（相對于集電極電流而言），因此，可以用穩(wěn)壓管DZ來分流。DZ的陽極與電容器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)動電流從它所形成的旁路流過，進而使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，但是因為浮地，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，因為此電路沒有進行高壓隔離，所以，在沒有安裝穩(wěn)壓管DZ的時候不能上電，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的時候，電流為，當(dāng)使用0.5uf的電容時，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)定電壓后無電流流過，所以多余的電流會流向穩(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)載完全開路時，穩(wěn)壓管將通過全部的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，尚有11mA 電流通過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