单火开关.docx
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单火开关.docx
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单火开关
(原文件名:
开关1.JPG)
最简单的机械开关的电原理图,贴这张上来只为了说明,开关动作的过程中,是需要输入能量的。
(原文件名:
开关2.JPG)
用电子电路代替人手来操作,在开关动作的过程中,也是需要输入能量的,不过能量的来源是市电。
但是这种电子电路只能用在开关不能完全闭合的电路中,如调光器上,如果开关完全闭合,则控制电路没有能量的输入,最终会造成电路的失控。
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开关3.JPG)
单火控制开关的真正简化电路,这个与上一张图的差别是开关的回路里串了一个开态取电电路,所以此开关是可以完全闭合的。
控制电路在开关闭合时,是通过开态取电电路提供能量的。
为了实现回路的开关,我们最常用的开关器件有:
继电器,可控硅和晶体管。
这里先讲继电器开关:
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开关4.JPG)
最简单的继电器实现开关的方法,控制电路给出一个信号,继电器就吸合。
电路中有一个关态取电的二极管,提供关态时300V的高压。
另外电路中还有开态取电电路,也就串在继电器回路中的MOS管,外加一个二极管。
在继电器吸合后,通过MOS管的通断,从回路中取出12V电。
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开关5.JPG)
这个电路与上一个电路的差别是继电器的控制电路中增加了RC器件,它利用的继电器一个重要的特性,即继电器在吸合后,只需维持一个较小的电流,继电器还会维持吸合状态(维持电流约为正常工作电流的20%左右)。
增加此电路的意义是可以降低继电器工作时的电流,这对供电本来就很紧张的单火开关来说是非常重要的。
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开关6.JPG)
这个电路只是上一个电路的变种,基本工作方式差不多,但差不多也是有差别的,上一个电路中,控制电路可以短时间连续控制继电器的开关,不过前提是供电电路能供得上电,不过单火开关最大的问题就是供电,所以经常出现连续动作几次后,电路突然失控的情况,其原因就是因为继电器是用电大户,连续工作几次后,会将供电电路的电压拉下来,进而造成整个单火开关的失控。
而下一面的电路中,继电器不能短时间连续动作,在吸合瞬间对供电电路的影响较小,相反在继电器松开时,会对供电电路有所影响。
说到MOS管取电电路,下图中就是关于MOS管取电的,不过真要应用起来,参数可能是要好好的调下了。
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开关7.JPG)
当然,这只是其中的一种电路,能实现开态取电的电路模式很多,基本原理就是取出MOS管关断瞬间回路的电流供控制电路使用。
我之前有做过两种MOS管取电的模式,第一种是MOS管采用低频通断模式(与市电同频),不过我后来发现一个很麻烦的问题,即所带负载灯会闪烁,其原因是当负载灯的状态微小改变,以及开关内控制电路使用电流的微小改变时,导致MOS管的关断时间的变化及在在市电过零后不同位置的通断,进而使至使负载灯闪烁。
后来就改用了第二种模式,即高频取电模式,通过远高于市电频率的高频信号控制MOS管的通断从而取出所需的电能,因为调制频率远高于人眼能感应的频率,所以就看不到闪烁了。
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开关11.JPG)
继电器开关的单火遥控开关的最小负载功率跟MOS管取电部分的关系最大,下面是一些计算方法:
负载回路电路为:
3W/220V/2=6.8Ma(3W负载,只能取出一半的回路电流)
5W/220V/2=11.4Ma(5W负载,只能取出一半的回路电流)
继电器的维持电压为:
12*20%=2.4V(按工作电压的20%设计)
继电器的维持电流为:
2.4V/320Ώ/0.9=8.27Ma(继电器线圈电阻取最小)
由上可知道一般厂家都会选择5W的节能灯。
5A的继电器参数可以参见下表。
还有一种低功耗型的继电器,线圈功率要小一倍,这样最小负载功率就可以再降低了。
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开关17.JPG)
引用图片
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开关18.JPG)
另外我还有搞了一种双MOS管的开态取电电路,能取出的开态电流比单MOS管的大一倍(单MOS管取电电路只是半波取电,只能取出正向关断时的电流,反向的电流则直接通过MOS管内部的二极管了)。
这样所带的最小负载会比单MOS管取电方案的小很多(也没小一倍那么多)。
最初做继电器的单火遥控开关时,我们有验证了不少的电源方案,最初采用的是直接降压的方案,从串联回路里取出的高压直接通过降压电路后保存在电容了,并采用了很多方法降低电路的静耗。
最终电路是做出来了,但电路非常的不稳定(供电电流实在太小,整个电路处在临界状态,只要短时间出现用电过大的情况,控制电路就会失控),而遥控的反应速度也低的不能接受。
无电流提升的供电电路可参考下面的电路。
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开关9.JPG)
这之后我们有搞了一个专门的电源电路,在200V/60uA输入时,可以输出12V/650uA,这个电源有成功的应用在继电器的单火遥控开关上,总体效果还过得去,而且这款单火遥控开关现在也在销售,不过价格有点贵。
但是因为电源输出的是12V电压(为了控制继电器),所以采用了一个电路方案,使RF和控制部分可以同时取得相近的电流。
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开关8.JPG)
从这个电路中可以看出,RF部分与控制部分是串取在一起的,所以这两部分能使用差不多多的电流。
不过麻烦就是因为RF部分接在电源的高端,其输出信号的电平会比控制部分的电平高很多(高了6V左右),所以必须有一个电平变换电路来将RF输出信号的电平转化为控制部分相同的电平。
这里说下单火遥控开关的RF遥控部分,我之前采用的RF接收模块是RX3400的超外差接收模块(不要提超再生的RF模块,那东西虽然价格和功耗低,但实际上在单火遥控开关上没法用),RX3400的接收模块的工作电流为2.2mA/5V,灵敏度有-105dB,用在遥控开关上相当不错,但为降低工作电流,都是采用间隙工作方式,下面是RF接收模块的控制电路。
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开关10.JPG)
近来听说RX3400芯片己经停产了,所以在找可以代替它的RF接收模块,好在这几年新出了不少RF的芯片,所以可选择面很广。
虽然我之前开发的都是继电器的单火遥控开关,这些单火遥控开关也在市场上正常销售,不过根据市场反馈的情况,这款产品存在很多不能或难以解决的问题。
首先这款单火遥控开关不能带电感式日光灯,5W以下的节能灯,LED灯,5根以上的日光灯带,也不能带大功率的水晶吊灯(功率太大了,有几千瓦)。
在使用中经常会出现继电器触点粘经,开态取电的MOS管烧坏等问题。
当然,最大问题还是不稳定,即经常有用户反应说开关失控不能动作的问题,即继电器单火遥控开关对关态电源的要求非常之高。
当时有想过用磁保持继电器来代替普通的继电器,但一来磁保持继电器价格超贵(当时只有松下在做一款尺寸比较合适的磁保持继电器,但单价近30元),如果做成三路开关,则成本难以接受。
而且即使是使用磁保持继电器也不触决触点粘经,开态取电的MOS管烧坏等问题。
在纠结了很久后,只能放弃继电器方案的单火遥控开关,转而去搞可控硅的单火遥控开关。
下面是可控硅单火遥控开关的控制电路。
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开关12.JPG)
为了能让可控硅导通后的开态也能取电,在光耦触发脚与可控硅触发脚间串接一个稳压管,可以将光耦导通后瞬间的触发信号的电取出供电路使用。
有人在这一块也采用与继电器的单火遥控开关一样的MOS管取电方式,这样做不能带来什么好处,反而将MOS易损坏的缺点也带入。
如果说继电器单火遥控开关的触点粘结的问题还可以解决(在回路中串一个大的电感,降低继电器导通瞬间的电流,以避免继电器的触点瞬间因高温熔结。
不过此电感体积有点大,无法装入开关内),那MOS管烧坏就是一个硬伤了(取电MOS管为低压MOS管,但这个低压MOS管是串在高压通路上的,在MOS管关断瞬间如果出现高压大电流的情况,而MOS管后的取电电路无法及时反应,就会造成MOS管烧坏)。
下面即是一款采用MOS管取电单火遥控开关的简花图,我没有采用这样的电路来设计单火遥控开关。
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开关19.jpg)
TO220封装的可控硅在没有散热片的情况下,其热阻是100K/W,在加装散热片的情况下会好很多,市场有的1000W/220V的调光开关就是在40*56*30的空间内加装散热片,其耗散功率可到8W左右的程度。
所以加装较小的散热片可控硅做到200W/220V也是很容易的事。
如果能制作大的整体式散热片,或是将散热片与开关固定架做成一体,则功率很容易做到650W/200V以上的程度,这对一般家庭的灯光照明来说是不存在任何问题的(水晶吊灯另说),不过此时要注意的是要采用塑封或是隔离的可控硅。
如果真怕用户使用大功率负载造成过热起火的问题,还可以在回路中加入温度保险丝,过热直接熔断。
解决这种大功率可控硅开关散热时,要注意种利用结构件来帮助散热,塑胶外壳是不错的选择,可能有些人会认为塑胶是热的不良导体,但不要忘了在缺乏对流条件下的空气其实是热的不良导体(只比真空好)。
可控硅需要选择HI-COM型的,因为这种可控硅对dv/dt以及di/dt的效果要强于普通的可控硅,这对不能加装RC吸收电路(RC吸收电路会增加回路中的漏电流,而且占用空间较大)和大电感的单火遥控开关来说是非常重要的。
我有专门针对可控硅单火遥控开关做过电快速脉冲群和雷击浪涌测试,在国家标准范围内未出现问题,在实际使用环境中,空调,冰箱,电钻,角磨机,豆浆机等等家庭能用上的电器也都有做过测试,并没有发现失控或是损坏的问题。
所以在可以相像的家庭应用环境中是不会出现问题的。
当然,如果使用的是工业动力用电,那么出现问题的机率可能会大很多,只是在此种条件下,家中大部分家用电器都会工作不正常了。
可控硅的触发电路采用标准的光耦触发方式,因为可控硅采用了HI-COM型的,所以光耦也要采用高dv/dt型的。
接着说下控制用的单片机吧,单火遥控开关所用的控制部分主体就是单片机,这个单片机也没什么特别的,就是功耗非常低,能选择大概就是MSP430或是PIC的低功耗系列了,不过像AVRmega8估计也能用,之前还看过别人用义隆单片机来做,不过己经是很低档的产品应用了。
我个人喜欢用PIC的,感觉工业场合用的单片机应该很稳定,我搞的智能家居系统也基本上在用PIC的单片机。
其它的外围,像LED也是低功耗型的,与负载灯的状态相反,但大部分厂家做的产品要么没有LED指示灯,要么跟负载灯的状态相同,这也是为了降低对供电的要求。
不过我觉得如果夜间回家开灯要找半天开关是很麻烦的,所以我设计单火遥控开关(包括用继电器的)的都带了与负载灯的状态相反的指示灯,虽然灯是比较暗的。
像对码的就直接按键学习实现(按住5秒10秒学习都行,那么对码能加蜂鸣器最好,有个提示,但这又加大了供电的难度了),如果还搞什么红外对码,拨码开关的,那就太麻烦了,好像也没厂家这么用的。
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开关15.JPG)
引用图片
在一些中低端的产品上我有看过RCC电源的应用,在200V/70uA输入,6V/800uA输出是很好的效果了,而且这种电源在低输入电压的情况,其输出电流下降较快,所以只能应用在可控硅开关,无指示灯和超再生模块的开关上了(市场上很多家都这么用了)。
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因为外围电路做久了,特性基本上都清楚了,那核心问题就是低功耗高效的电源了,我有测试过可能使用的各种器件的漏电等特性,其中RCC电源上所用的高压三极管就是个漏电大户,MOS管会好很多,电解电容是不同厂家的差别很大(标准:
小于等于0.01*容量*电压(低压电解电容),小于等于0.03*容量*电压(高压电解电容)),实测发现漏电小的只有三四个微安的。
我现在所做的电源电路的漏电在六到九个微安之间(当然要用很好的器件了),电路整体功耗在15到20个微安之间(输出电流为零,但内部电路工作也要消耗电能)。
在200V/70uA输入时,输出能做到5V/1.5mA,效率53.6%(当输出下降时,效率也下降了,那个电路功耗是基本不变的),当我们搞出这个电源时我是着实得意了一把。
不过我有一天听说有人在220V/25uA输入时,输出能做到3.5V/1mA时是非常的吃惊,根本就想不明白。
又当有一天又说这个电源可以做到在220V /38~50uA输入时,输出能做到5.5V/2mA,我算出最差情况下效率都是100%(那人却说最好的情况达到了85%,我在搞1200W的电源时,为了能让效率从82%提到85%可以花了老多时间的,那里可是对几微安不在乎电源,而这里几微安的损耗影响太大了),这时我就笑了,看来吹牛不用上税啊,那就往上吹吧(感觉说的像当初的水变油的说法)。
其实说电源有多好没什么实际意义,真正验证方案好不好最重要的就是看单火遥控开关能不能开关电感式日光灯,因为电感式日光灯在未点亮前整个电流通路就只有启辉器(有些叫跳泡)了,那可是通过氖气辉光放电形成的电流,其电流超小,压降超大,一般的单火遥控开关用上去就死(失控),我搞单火遥控开关这么多年,一直都过不了这关。
但电感式日光灯应用这么广(我家现在用的就是电感式日光灯),不可能不解决,但当我的新电源搞出来,并应用上以前各种降功耗的办法后,可控硅单火遥控开关带电感式日光灯变成自然而然的事了,至此最难解决的问题终于被我解决了。
一时我只想起这些在单火遥控开关上的问题,其实真正应用中还有很多问题,如果大家有什么疑问可以提问,我知道的可以回复,能测到的我也会测出回复的。
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