全功率零電壓墻壁智能開關的設計

劉冰冰,周文俊,李正勤

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全功率零電壓墻壁智能開關的設計

劉冰冰,周文俊,李正勤

溫州商學院, 浙江 溫州 325000

本文設計一種全功率零電壓墻壁智能開關的實用電路，主電路采用繼電器和晶閘管并聯與功率MOS管串聯的拓撲結構，既能滿足大功率電器設備的電流要求，又能有效解決單火線智能開關小功率負載難以維持直流供電電壓的技術難題。開關在全功率范圍內均能保證在零電壓導通、零電流狀態關斷，不產生電弧與火花，電磁干擾小，開關壽命遠大于普通機械開關。另外，采用多種節能措施，將空載電流降到20 μA以下，克服了單火線墻壁開關長期存在的待機電流大的技術瓶頸。

智能開關; 設計

電容式墻壁觸摸開關以玻璃介質作操作平面，徹底解決了機械開關表面滲水的安全問題，觸摸開關外觀高端大氣、經久耐用，深受廣大用戶的喜愛，產品銷售量正在逐年增長。但是目前市場上觸摸開關仍不理想，存在諸多的弊端，主要包括如下五個方面：1）繼電器式不能兼顧小功率負載、晶閘管式不能兼顧大功率負載，給用戶選型、安裝帶來不便；2）采用磁保持繼電器雖然大小功率能兼顧，但價格是普通繼電器的3~4倍，性價比低，難以實現平民化；3）待機電流普遍大于40 μA，LED燈會微亮、節能燈閃爍，不能適應所有照明燈具；4）電路復雜成本高；5）開關的開通、關斷隨機，電流沖擊大、電磁干擾大、難以滿足EMC的要求。上述問題已嚴重影響了觸摸開關的應用和大力推廣。

為了克服上述的弊端，實現智能化控制，本文提出了以繼電器（KA）和晶閘管（SCR）組合的技術方案，充分利用繼電器觸點導通壓降低和晶閘管驅動功率小、易實現零電壓開通、零電壓關斷的優點。根據不同的負載，按設定的邏輯關系，繼電器和晶閘管自動進行智能轉換；根據單火線開關的特點，選擇了多種模式的省電設計；以數字集成邏輯控制替代單片機程序，提高了工作可靠性又進一步降低了成本。

智能開關經過反復實驗和不斷改進，在全功率（1~3000 W）范圍內均能正常工作，適應所有的燈具和負載；每路待機電流I0<20 μA，小功率燈具無頻閃和微亮；不論晶閘管工作或是繼電器工作均能實現零電壓導通、零電流關斷；核心控制器件選用通用CMOS數字集成和觸摸集成，成本低、功耗低。該產品經二年多連續運行，未出現過誤動作現象，也不受電感式日光燈啟動影響和大功率手電鉆電火花影響。實踐證明：本文提供電路、技術方案先進可靠、經濟實用。

1 全功率智能開關的主電路的拓撲結構分析與邏輯控制

1.1 拓撲結構分析

智能開關主電路的拓撲結構圖如圖1所示[1]，KA1為繼電器的常開觸點，VT1為雙向晶閘管，V2為低壓驅動功率MOSFET，OP1為光控晶閘管。因為晶閘管是瞬態動作或負載功率<100 W狀態下工作，故不需要加散熱片；低壓驅動功率場效應管，其功能是穩定直流輸入電壓，為降低損耗，其工作在開關狀態，耐壓雖低，但導通電阻Ron非常小，因此產生熱量少也不加散熱片，所以整個電路非常簡單、整潔。

圖 1 智能開關主電路的拓撲結構圖

1.2 零電壓、零電流的邏輯控制

智能開關在零電壓狀態導通，零電流狀態關斷是最理想的工作模式[2]，因為是零電壓，對應導通電流很小，電磁干擾小，因為是零電流，沒有電流就沒有磁場，當然無電磁干擾。但對于不同負載必須采用不同邏輯控制方式，否則不能正常工作。

針對超小功率負載，如1~5 W，是不能用繼電器做為主開關，因通用12 V小型繼電器線圈，目前最小的工作電流為18 mA，半波整流供電是根本無法滿足。針對大功率負載，如>500 W，用晶閘管發熱過大，綜合考慮>100 W用繼電器，<100 W用晶閘管。

對于晶閘管邏輯控制方式比較簡單，人體觸摸玻璃面板，經專用觸摸集成TTP223，給雙向晶閘管VT1驅動光耦OP1（MOC3063）發一個直流信號，因MOC3063具有過零觸發功能，雙向晶閘管自然在電壓為零時導通并自鎖，當電流小于維持電流IH即自動關斷。

繼電器作為主開關，晶閘管必須配合作輔助開關，否則無法實現零電壓、零電流。因為繼電器吸合、斷開時間離散性較大，難以控制，但小型的繼電器開通或斷開時間按技術要求均<10 ms，這樣就可以實現零電壓導通零電流關斷。其邏輯控制原則是：晶閘管必須先通后斷，繼電器必須后通先斷。人體一旦觸摸觸摸集成觸摸片，輸出低電平（低電平有效），晶閘管在零電壓狀態立即導通并自鎖保持，繼電器常開觸點KA1設計為延時20 ms后自動導通，因繼電器吸合時晶閘管已處導通狀態，不會產生導通火花；人體再次觸摸玻璃面板，具有雙穩態功能觸摸集成TTP223輸出翻轉為高電平，繼電器立即關斷，但關閉需要時間，為避免繼電器觸點KA1斷開產生的火花，晶閘管必須保持導通，維持時間設計為20 ms，延時時間一到，當晶閘管電流降至零時（

2 智能開關自動轉換工作原理

墻壁開關實現零電壓開通、零電流關斷可采用單片機、分立元件、數字集成。本文采用CMOS集成斯密特反相器CD40106作核心，其特點零功耗、電路簡單、成本低（0.30元）、工作可靠、不需編程，下面結合工作原理圖和波形，其工作原理如下：

2.1 智能開關自動控制工作原理圖分析

圖2為智能開關自動控制工作原理圖：由集成斯密特六反相器CD40106、專用觸摸集成TTP223、零電壓導通的光電耦合器MOC3063、三極管、場效應管及電阻電容組成，器件功能分工明確，合計成本不超過1.5元。

圖 2 智能開關自動控制工作原理

2.1.1 開通延時和關斷延時控制集成反相器U3-1負責繼電器開通延時，U3-2負責晶閘管關斷延時，為可靠起見選擇延時時間大于實際所需的最長時間，本文選20 ms，由R8、C6和R7、C5時間常數決定。關斷狀態（off）、觸摸集成U2的第1腳輸出高電平，集成U3-1、U3-2輸出低電平，繼電器KA1線圈失電、光耦OP1無電流，主并聯開關斷開，負載上電流為零；人體觸摸面板，具有雙穩態功能觸摸集成U2輸出1腳翻轉為低電平，電容C5上電壓經VD7快速放電，U3-2輸出高電平，恒流三極管V2導通，光耦OP1得電，電壓過零時晶閘管VT1導通，如果此時負載為大功率負載，繼電器KA1經R8、C6延時放電后導通，因為KA1導通前晶閘管VT1已經導通，故KA1導通無火花；人體再次觸摸面板，集成U2第1腳翻轉為高電平，經VD8快速充電，U3-1輸出低電平，繼電器KA1快速關斷，因為R7、C5放電延時時間長，晶閘管VT1仍保持導通，故繼電器斷開時無電弧，可有效延長繼電器觸點使用壽命。

2.1.2 功率自動轉換控制大功率負載繼電器必須導通，否則晶閘管會過熱擊穿，小功率負載，特別是<5 W的負載，繼電器必須截止，因小功率負載半波供電電路不能提供線圈KA1的正常工作電流，造成工作不可靠或根本不能動作。

檢測負載功率，在額定電壓下通常是測工作電流，但檢測手段復雜、成本高，本文以脈寬大小判別功率，簡單易行，工作可靠。圖2中檢測點LA為直流穩壓電源輸入端脈沖充電波形，低于12 V時負載經圖1中二極管VD13向直流電源充電，一旦電壓達12 V，圖1中功率管V2導通，輸入端被短路，充電結束。負載功率大對應的充電電流大，充到12 V電壓時間短，對應的脈沖窄，反之對應的脈沖寬。在導通狀態，觸摸集成U2輸出1腳為低電平，集成反相器U3-1的輸入端電容C6經R8向U2的1腳放電，同時又接受VD10、R12的充電電流，如果功率大充電平均電流少于放電電流，U3-1輸出高電平，繼電器KA1導通，如果功率小充電電流大于放電電流，電容C6的電壓放不掉，繼續保持高電平，U3-1輸出低電平，繼電器KA1截止，由晶閘管單獨工作，功率轉換點功率由圖2中電阻R12阻值決定。

晶閘管封鎖電路見圖2，只有繼電器線圈得電晶閘管才會被封鎖，但封鎖必須延時，因繼電器KA1線圈得電到常開觸點KA1閉合仍需一定時間，繼電器未吸合，晶閘管已關閉，會產生開通火花，為可靠起見，斷開延時設置為20 ms。另外一旦關斷觸發，封鎖必須立即取消，不能延時，這樣才能保證KA1觸點關斷無火花。繼電器導通之前，晶閘管封鎖用集成反相器U3-3輸入端為高電平，U3-3輸入端電容C7無放電電路，保持高電平無封鎖，繼電器KA1的驅動場效應管V3導通后，電容C7上電壓經R9、VD11向V3的D、S極放電，低至U3-3的關斷電壓后，U3-3輸出高電平，U3-1被封鎖，延時時間也可設定為20 ms。當觸摸翻轉U2輸出高電平再次關斷時，高電平經VD9向C7快速充電，封鎖立即解除，由于關斷延時電容C5上電壓接近為零，晶閘管立即導通并維持20 ms關斷，確保繼電器KA1觸點斷開無電弧。

2.2 智能開關工作過程波形圖分析

智能開關工作過程波形圖如圖3所示，圖中UNL為電源進線電壓，U01為觸摸集成輸出信號電壓，低電平有效，UG1為晶閘管VT1的觸發電壓，UKA1是繼電器觸點KA1或晶閘管陽極之間的電壓，LA為直流電源充電的脈沖電壓。開機清零狀態，繼電器和晶閘管均不導通，繼電器常開觸點電壓就是電源進線電壓UNL，觸摸開通，晶閘管在進線電壓過零立即導通，繼電器延時導通，繼電器導通后UKA1上電壓明顯下降，再次觸摸，U01輸出高電平，晶閘管VT1封鎖解除后立刻轉為導通，而繼電器觸點KA1自身延時7 ms釋放，確保繼電器觸點KA1斷開時晶閘管仍處在開通狀態，斷開無火花。經20 ms延時，晶閘管失去觸發脈沖，待工作電流過零（

圖 3 智能開關工作過程波形圖

3 單火線開關節電電路與強啟動電路的設計

3.1 節電電路的設計

節電電路設計宗旨：可靠、節電、經濟。

3.1.1 觸摸集成觸摸電路可由單片機編程控制，集成組合電路和專用觸摸芯片控制。單片機的優點功能強大，可擴充功能，但成本高（3~6元）、功耗較大；專用集成組合電路結構復雜，專用觸摸芯片經過專門特定設計，抗潮濕，抗干擾能力強，成本十分低廉，3 V時，待機電流<4 μA，因此建議用專用芯片。

3.1.2 控制集成本文選擇COMS集成CD40106是因為：開關穩定狀態六個反相器總電流<1 μA，幾乎不耗電。

3.1.3 直流穩壓集成直流穩壓集成選用MD7150、7130較合適，其靜態電流<2 μA。

3.2 觸摸集成芯片的開機啟動電路

專用觸摸集成TTP223或其他型號集成，電性能卓越，都存在一個應用的瓶頸，開機啟動電流大，具體見圖4[3]。在2 V左右位置工作電流接近1 mA，過了2 V位置電流迅速降至3 μA。如果以μA電流充電，直流電壓停在2 V以下，如果以mA電流連續供電，LED燈將會大亮、節能燈會頻閃，對于在單火線觸摸開關這是絕對不允許的。圖4B線路能有效解決啟動和工作電流的矛盾，剛啟動時電流可達幾毫安以上。其工作原理如圖4B所示，開機時UC9=0 V，集成反相器U4-2輸出低電平，對應的集成U2工作電壓為零，在大電阻小電流充電的狀態，直流電壓輸入電壓VCC1電壓緩慢上升，當VCC1電壓低于VD12穩壓值時，反相器U4-1及供電電路輸入仍為零，VCC1電壓繼續上升，此時U4-1達到了開啟電壓，U4-2輸出突然變為3 V并維持，對應工作電流為4 μA，因VCC1濾波電容容量大，完全可以以較大的放電電流拖動TTP223進入正常工作電壓。

圖 4 觸摸集成電路的工作電流波形

4 結語

智能觸摸開關是現代科技發展的產物，因電性能卓越，相信在不久將來，會取代傳統機械式墻壁開關，成為智能家居中一個重要的成員。如果智能開關可靠性進一步提高，價格降至接近于普通裝飾開關的價格，市場銷售量將會猛增，社會效益、經濟效益非常顯著。

[1] 郭必廣,劉冰冰,蔣連忠,等.一種單火線全功率觸摸開關電路:中國,CN106879147A[P].2017-06-20

[2] 劉冰冰,劉若望,劉希真.零電壓型電子觸摸開關:中國,CN103138729A[P].2013-06-05

[3] 杜翼,江道灼,鄭歡,等.基于電力電子復合開關的限流式混合直流斷路器參數設計[J].電力系統自動化,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

劉冰冰(1977-),女,工程師、實驗師.主要研究方向為電子技術. E-mail:wzlbb@126.com