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單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法

由于近期家中裝修,想整成智能家居,以前自己做過智能家居的小玩意,勉強可以進行控制,不想再花錢買智能開關了,

但是在實際的安裝出現了問題,老式的開關友善父母,但是裝上之後,我們的智能子產品的供電問題是一個大問題,查閱了很多資料

一些朋友不了解什麼是單火線,也很奇怪一根火線怎麼取得電壓和電流。下面簡要介紹。

  

單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法

  大家知道,國内220V電網市電有兩根線:一根火線(符号L,标準顔色為紅色或者其他棕色)和一根零線(符号N,标準顔色為黑色、藍色或者冷色),此外為了保護人身安全有些電器(如洗衣機、電冰箱等)加設了一條保護地線(符号E,标準顔色為黃綠相間)。

  當用電器同時接入火線和零線時,就會形成電流,用電器才能正常工作。圖中是一個簡單的開關、燈泡的電路。當開關斷開時,燈泡實際隻連接配接了一條線,沒有電流,燈不會亮;當開關閉合時,電流流過燈泡,電燈發光。

  

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  傳統的機械牆壁開關盒,就是利用彈簧和機械結構控制火線的通斷,一進一出兩根線實際都是火線,這種接法就是“單火線”。

  

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  對于電子智能開關(遙控或觸摸),内部有一套精密的控制電路,取代了手動操作的機械結構,來控制線路的通斷。但無論開關是通是斷,這套控制電路本身都需要電源,以保證持續不斷的工作。

  

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  智能開關單火線工作示意圖如下所示:

  

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  智能開關單火線取電電路原理如下所示:

  

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單火線電源是智能家居之智能開關(如觸摸開關,無線遙控開關,Zigbee開關等)中最重要的組成部分,其核心技術就是單火線取電技術。

   單火線智能開關的控制示意圖如下:

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  單火線智能開關的技術難點: 由于單火線開關取任意一點電都是要流過燈具的,是以當開關的耗電量大于約為220V/50uA左右的時候,當電量達到燈具内部電容充電需求的時候,形成瞬間電流,一個小功率W數燈,比如2W的LED,就勢必出現閃爍。因為2W的燈,它點亮的電流很小=2W/220V=9mA。這就是俗稱的“鬼火”,也就是燈具在關閉狀态下的閃爍現象(參考閱讀:單線制電子開關帶節能燈(LED燈)會閃爍的原因)。

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對于需要遠端控制的無線遙控智能開關,勢必需要更多的電量,又要平衡“鬼火”問題,是以這個就是單火線取電的難點。開關工作時需要的瞬間電流至少要2mA (315MHz)或 30mA(ZigBee). 是以對于電流需求偏大的ZigBee開關産品,單火線取電就更為困難。

為了獲得理想的單火線電源解決方案,經過多年的基礎研究和技術攻關,東莞迅迪電子有限公司研制推出了一系列适合于單火線智能開關産品使用的小型化子產品電源。

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低功耗小功率電源主要應用于智能家居的執行單元(如智能開關,智能插座)或小型的控制器中,在此領域内應用的電源通常是 AC/DC(DC/DC)小功率産品,最小的應用需求可能在 1W 以内,功能稍複雜的産品可能用到 2W-5W 的電源産品。對産品的要求有如下幾個方面:

(1)小體積,友善安裝于标準外殼内;

(2)超低功耗,降低産品的待機功耗或智能開關的“鬼火”現象

 (3) 效率高,發熱低;

(4)故障率低, 品質穩定可靠是産品的首要因素。 

該系列産品為SIP4腳插針結構的超小型DC/DC (AC/DC) 電源,其尺寸

為L18*W9.5*H15.5mm,為業内該類型電源較小體積。其特點由于采用了先

進的電路結構,成本得到了很好的控制,非常适合運用在智能開關等智能家居産品中大量廣泛應用,目前已經成功應用于多個智能家居産品中,如智能插座(零火線)、智能開關(單火線)等。具體産品參數可以參考:東莞迅迪電子有限公司網站:www.xunzhi168.com。

   東莞市迅迪電子公司研發推出的PI系列超小型一體化智能家居單火線電源子產品,其輸入電壓範圍非常寬(13V-380V) 、輸出功率較大(200mA)、輸出電壓可選(3.3V,5V等),燈具負載範圍寬(1W-3000W)、功耗低發熱較 小。可以為控制電路(如專用控制IC,MCU,紅外接收頭,RF遙控子產品,ZigBee子產品,藍牙子產品,繼電器或者可控矽等 )提供穩定的工作電源

單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法
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圖a1 産品實物圖 圖a2 引腳圖
單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法
圖a3封裝尺寸圖

  産品特點:

● 超寬輸入電壓:13-380VDC

● 輸出保護功能:短路和過流保護

● 高效率:電源最大效率>65%;

● 大電流:輸出最大電流200mA;

● 低功耗:輸出空載時功耗小于5mW;

● 内部內建LDO電路:穩定輸出5V電壓(3.3V/3V),無需要外部另加穩壓IC電路

  ● 超小體積:L18*W9.5*H15.5m

[附]參考應用電路原理圖

單火線開關應用電路原理圖(以下為單火線供電電源部分, 完整三路開關電路原理圖可通路東莞市迅迪電子有限公司網站下載下傳):

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元件選擇:

  R1限流電阻,具體需根據輸入電壓範圍與輸出電流而定.

  C1濾波電容,建議使用0.47uF-100uF電解電容,具體需根據輸入電壓範圍與輸出電流而定.

  C2選用47uF/25V電解電容。

  C3輸出濾波電容,建議使用47uF-220uF.

  Z1 對于12V以下輸出子產品最大不超過12V;對于12V輸出子產品最大不超過15V.

注:如果對靜态電流要求相對比較嚴的情況下,建議C1-C3盡量選用漏電流比較小的電容.

   PI-3V3-B4系列單火線電源子產品為衆多的智能家居企業開發智能開關提供理想、便利的單火線電源解決方案(單火線取電子產品或單火線供電子產品,适用于ZigBee觸摸開關等産品),節能燈、LED燈、日光燈等不閃爍。。

單線進出的兩線制電子開關(以下簡稱為單火線電子開關)有着廣闊的應用前景:一方面它可以直接代換家居中非常普及的牆壁開關,安裝和代換都很友善;另一方面還可以友善地實作遙控或智能控制(如智能家居中的ZigBee智能開關,具有無線線遙控、觸摸感應等功能)。

然而,正因為隻有單線進出,在開關閉合時,開關兩端電壓幾乎為零,電子開關的自身供電難以解決;況且又由于開關所控制的負載不确定性,使得這個問題難上加難。

單火線開關的供電應用了單火線取電技術,一般是分成兩部份來實作對控制電路的供電:關态供電(關态取電)和開态供電(開态取電),下面分别加以說明:

1.關态供電(燈不亮,待機供電):

在關燈的時候,即可控矽截止不導通的狀态下主要是由微功耗電源子產品PI-3V3-B4來實作取電的(參以下電路原理圖),單火線電源子產品PI-3V3-B4負責把220V的電網電壓變成3.3V的穩定的低壓直流輸出。從圖1的路徑中看到,市電電網電源從零線(N)通過燈負載(LAMP)經過整流二極管D5,然後串入了限流電阻R1加到電源子產品PI-3V3-B4的高壓輸入腳(IN),由電源子產品的公共接地端(GND)經橋式整流器(D1-D4)中的一個二極管(D1)回到電網的火線端(L)形成一個電流回路。使得電源子產品有高壓電源輸入,低壓輸出端(OUT)就有了3.3V的穩定直流電壓輸出供給控制電路(如控制晶片、無線子產品等)使用。

有些朋友會問:既然稱為單火線開關是不是不需要零線都能工作,其實“單火線”是相對電子開關盒來說的(隻需要接入火線到開關盒中,不需要接入零線到開關盒中),對整個電路來說,實際上也是經過零火線來工作的,隻不過借用了燈具作為連接配接零線的通路,這就産生了一個問題,由于節能燈或LED類燈具隻要通過很小的電流,在關燈時都會産生閃爍發光現象,特别是LED燈閃光的時候非常亮,這個電流一般不能大于30μA,當然有些燈具大一些(例如100μA)也不會閃,但為了做成的開關能适應更多的燈具這個電流是越小越好。由于微功耗的電源子產品轉換效率一般都比較低,大都不超過50%(優化後可以達到65%),是以在輸入電流30μA的情況下,低壓輸出端(OUT)能提供給控制電路使用的電流不會超過1mA(即使瞬間電流可以幾十mA,但平均電流都必須控制在1mA以下)。

除了控制盡量小的後級控制電路電流以外,電源子產品本身的空載電流也是一個關鍵因素。如果電源子產品本身的空載輸入電流大于30μA的話,就算後級控制電路使用的電流為零也無法将電子開關的整體待機電流做到30μA以下,是以我們改進開發了這一種電源子產品。它的空載電流非常小(近乎“零”功耗),這樣在有條件把控制電路的使用電流做得很小的話,整個開關的待機電流就能做得很小,就能适應更多的節能燈或LED燈。

2.開态供電(燈點亮):

在開燈的時候,即可控矽導通的狀态下,為了維持電路的供電,我們使用了兩個穩壓管(Z1、Z2)和橋式整流器(D1-D4)組成了開态取電電路。

綜上所述,不論電子開關導通還是截止,都能夠解決電子開關電路的自身供電問題。

根據電子常識可知,凡是電子智能照明開關本身都需要消耗一定的電流,在待機時,由于單火線開關待機取電是通過流過燈具的電流給智能開關的控制電路供電的,如果待機輸入電流太小就會導緻待機電路不能正常工作,如果待機輸入電流太大就會導緻燈具關閉後還會有閃爍或微亮(出現“關不死”的現象)等問題。特别是高阻抗的電子節能燈和LED燈(例如:高效節能燈和AC直接驅動的ACLED燈具),對待機電流更為敏感。

單火線開關閃爍的原因是什麼?

電子開關為什麼接白熾燈不會閃爍,而接節能燈和LED燈就會閃爍呢?這與節能燈(或LED燈)以及電子開關的自身構造都有關系:由于電子開關是用電子電路組成的控制開關,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能燈(或LED燈)。由于電子節能燈(或LED燈)内部電路結構的特殊性,即使流過節能燈(或LED燈)的電流很小,也會使節能燈産生不同程度的閃爍現象。

下面分析其中原因:節能燈(或LED燈)内部電路一般采用了橋式整流電容濾波電路,如下圖:

單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法

     當電子開關本身消耗的微小的電流通過火線經燈具内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内部電容C充電,當燈具内部電容C上的直流電壓充到一定的程度時(約50V左右,不同的燈電路會有些差别),節能燈内部的電子電路就會恢複工作而使節能燈(或LED燈)點亮,這時電容C兩端的電壓因為放電而随則會下降,然後再開始下一回合的充電及放電過程。這樣,我們就會看到燈閃或微亮現象。

這一閃爍現象的間隔與流過的電流及節能燈(或LED燈)的内部電路結構密切相關,很難進行具體量化(如:多少瓦數以上的燈不會閃爍,哪些類型的燈不會閃爍)。經過對大量各品牌不同廠家的節能燈進行實際測試,發現引起節能燈閃爍的電流從20微安至100微安不等。有一些節能燈在電流小于10微安以下時都還會出現閃爍或者微亮的現象,另外燈閃爍與否與實際燈的标稱功率瓦數也沒有直接的絕對關系(如: 測試發現有些1W甚至更小的燈都不會閃爍或微亮,而有一些個别雜牌5W的燈卻會出現閃爍或微亮)。

是以,微功耗單火待機和工作電源電路的研發難度非常大,到目前為止這仍是國内外限制單火線(也稱: 2wire,單極,兩線)智能開關發展的最主要技術瓶頸。我們唯一可以做的就是:

将待機電流做到更小(15uA或者以下),以适應更多的各類燈具,進而保證絕大多數燈具不會出現閃爍(由于世界上的燈具品種繁多品質參差不齊是以少數個别極其特殊的燈具閃爍也是不可預知及無法避免的,在此特别建議生産廠家千萬不要對客戶或消費者絕對性承諾您的單火線智能開關帶任何燈都不會閃爍,或者帶x瓦以上的單不會閃爍,以免萬一碰到而遭受不必要的麻煩)。

單火線取電的解決方案有哪些?

單火線智能開關的DC供電電源(或者電源子產品)設計需要重點考慮兩個問題:一方面盡可能的降低待機功耗:

減小待機電流,避免出現燈關後閃爍或者微亮;另一方面是單火線的取電問題:

提供足夠的輸出電流給電子開關控制電路(如專用控制IC、MCU、紅外接收頭、RF遙控子產品、ZigBee晶片、繼電器或者可控矽等)。由于電子開關工作時取電是通過開關斷開時的兩端壓差來取電的,當開關閉合時就沒有了壓差無法取電,這樣就會導緻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,但有些還是比較複雜,電路成本也較高。目前市場上一些單火線電子開關的取電方式主要有:

方案一:變壓器電源變換取電法

其實作方式是先将主回路電流整流,再經電子變壓器進成DC-DC轉換取出直流電作為控制電流。變壓器電源變換取電方案的優點是:成品較低。

單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法

其缺點是:電路穩定性較差,生産調試非常困難且不良品較高,另外負載兼營性也是非常有限:因為變壓器轉換方式效率很低(有些人标示為85%,實際測試一般為35%左右)功耗較高,帶節能燈或LED燈可能會出現關不斷的現象而出現閃爍現象,是以不能控制小功率的負載。采用此種方案的電子開關廠家,往往在産品使用說明書中要求使用者在節能燈或LED燈的兩端并接旁路電容或電阻,其方法是在節能燈或LED燈的兩端并接一個0.1微法左右的電容或68K左右的電阻,由于外加電容或電阻的交流旁路作用,流過節能燈或LED燈的電流比較小,因而可以避免部分節能燈或LED燈閃爍,外加電阻或電容配件主要是優點就是開發技術難度較低;但是一方面因為外加電容體積及外加電阻自身發熱的問題,外加電容或電阻隻能提供比較有限的電流,無法保證某些中高檔電子開關(如Zigbee智能開關等)的自身供電電流足夠,因而兼營的燈具比較有限,另一方面從安裝的角度來說不太友善,需要額外拉線駁接這個電容或電阻配件,這将增加了安裝的難度而影響了消費體驗,是以目前極少用在中高檔智能開關産品中,隻是在市場上的一些普通的低檔單火線開關中比較常見。

單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法

上述變壓器電源變換取電法,已經初步解決了電子開關的自身供電的問題(解決了電子開關斷态時供電的問題),但對于電子開關控制的負載的功率範圍、穩定性及其電源轉換效率方面,還是存在明顯的不足。

方案二:超微功耗電源轉換器取電法

為了降低電子開關自身功耗、減少待機電流,一方面除了對控制電路(如控制晶片、RF無線子產品等)要選用低功耗的電子元器件來減小電源的負荷之外;另一方面單火取電電源電路要采用效率高功耗小的超微功耗電源變換器;這樣才能将電子開關自身整機功耗限制在0.01W以内,我們可以從理論上計算一下:節能燈的最大不閃爍電流I=30uA,開關和燈是串聯的那麼待機功耗P=Ui=220V×30uA=0.0088W=7.33mw;

現在視為理想情況輸出效率為100%,若輸出電壓按Uo=5V計算,那麼電子開關自身電源的輸出電流Io=P/Uo=0.00733W/5V=1.46mA

,而實際上由于電源開關管的穿透電流在10uA以上,這種超微功耗電源效率做到100%是不可能的,達到60%以上都極為困難,實際電子開關的電源供給負載的電流達到1mA就不錯了。這種方案的優點是電路耗電極低,可以兼營更多的燈具不會出現閃爍情況,但是超微功耗電源轉換器電路複雜,成本較高。目前市場上出現了一些一體化的小體積微功耗單火線電源子產品(如可控矽專用型PI-3V3-B4,繼電器專用型PI-05V-D4等),由于其專業化程度比較高、性能穩定、無需調試,能夠滿足各類負載功率(如:小功率LED燈、大功率電器等)及負載類型(包括阻性、容性、感性負載,如白熾燈、熒光燈、節能燈、LED燈、節能燈等)的應用要求,特别是可以接各種日光燈(包括傳統電感鎮流器、新型電子鎮流器類型),不失為智能家居廠家開發智能開關的一種捷徑,進而快速突破單火線取電的技術瓶頸而将開發重點轉移到産品智能化設計上面來。

單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法

   此類超小型一體化電源子產品,其輸入電壓範圍非常寬(13V-380V)、輸出功率較大(最大200mA)、輸出電壓可選(常用3.3V,5V等),燈具負載範圍寬(參考:3W-3000W)、功耗低發熱較小。可以為控制電路(如專用控制IC、MCU、紅外接收頭、RF遙控子產品、ZigBee子產品、藍牙子產品、繼電器或者可控矽等)提供穩定的工作電源。該産品的優點是采用超微功耗電路設計,利用此電源子產品的超寬電壓輸入特點(確定無論開燈或者關燈時都能實作穩定供電),保證了電子開關的安全穩定,電源子產品電路的轉換效率較高,在電子開關斷态時,轉換效率達到65%以上并且主回路上的電流較小,可以帶絕大多數(因為世界上的燈具品種繁多品質參差不齊,不可能兼營所有!)節能燈和LED燈而不出現爍或者微亮現象。此系列超小型一體化電源子產品可以根據實際控制電路需要(如,是采用專用IC還是采用MCU;是采用紅外接收還是RF遙控,是采用繼電器還是可控矽,....等等,不同的控制電路所需要的工作電壓和工作電流不一樣)來選用,(如可控矽專用型PI-3V3-B4、PI-05V-B4,繼電器專用型PI-05V-D4等)。

最後附上單火線開關應用電路原理圖(以下為單火線供電電源部分僅供學習參考,

正式生産用完整三路開關電路原理圖可聯系單火線子產品生産廠家提供)。

單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法

D-TC系列單火線子產品(一體化單火線驅動子產品)正式釋出

單火線開發現在更容易、更便宜了—— 因為有了【單火線子產品】 ! 

【單火線子產品】幫您實作—— 

做單火線像零火線一樣簡單!  

像零火線一樣做單火! 

單火線取電原理單火線開關閃爍的原因是什麼?單火線取電的解決方案有哪些?方案一:變壓器電源變換取電法

【單火線子產品】讓智能家居開發工程師從繁瑣的單火線驅動電路調試工作中切底解脫出來,快速完成開發任務實作産品上市!  

【單火線子產品】是在單火線電源子產品的基礎上,将單火線驅動的大部分外圍器件內建入内,進一步減少了更多繁瑣的硬體調試工作、縮短了智能開關的開發周期。 

【單火線子產品】特點及優勢: 

防潮、抗震動、一緻性更好,應用更簡單,可靠性更高,成本更低!

三大特點—— 

1)內建化: 內建了單火線驅動的大部分電路; 

2)标準化:子產品的零件集中采購品牌元件; 

3)智能化: 燈具負載自動檢測。 

三大優勢—— 

1)調試更簡單、開發更快捷 :由于子產品內建了單火線驅動的大部分電路,外圍零件更少,減少了更多繁瑣的硬體調試工作。  

2)性能更好、品質更可靠: 由于子產品的原料統一采購品牌元件,相對于各開關廠家分散采購一緻性更好,品質更穩定可靠。 

3)成本更低、生産更友善:由于子產品的元器件集中采購和子產品化生産工藝,降低了單火線驅動電路的整體成本,自然也降低了智能開關企業客戶的采購成本和生産成本。

産品概述:

XD-TC 系列單火智能開關驅動子產品(簡稱:單火線子產品)是在單火線電源子產品的基礎上,将單火線驅動的大部分外圍器件內建入内,進一步減少了應用開發工程師更多繁瑣的硬體調試工作、縮短了單火線智能開關的研發周期,降低了單火線智能開關制造企業的開發成本、BOM 成本以及生産成本,提升了智能開關産品的成本效益和市場競争力。

産品特性:

● 支援1-4 路單火線可控矽驅動(參考型号說明);

● 超低功耗:待機功耗小于5mW(帶載100uA時);

● 支援全市電輸入(110V、120V、220V、240V 供電通用);

● 具有負載檢測功能(用于檢測各路燈具負載是否安裝或者損壞);

● 輸出電壓3.3V 或5V(參考型号說明),以滿足不同外部控制電路需要;

● 内部內建LDO 電路,輸出穩定電壓、紋波更小;

● 可支援LED 燈、日光燈、節能燈等各種負載類型;

● 內建子產品,更低BOM 成本;

● 外部應用電路極其簡單,更好的提高了産品研發速度及生産效率。

産品應用:

單火線智能開關:觸摸開關、遙控開關、Zigbee 智能開關、藍牙控制開關、無線遙控開關

(868 433 315MHz)等,主要用于1-4 路可控矽驅動設計方案。

型号說明:

XD-TCxx-x

XX: VDD輸出電壓,33 為3.3V輸出;50 為5.0V輸出

X: 支援控制路數,可選2-4 路

典型型号:XD-TC33-2,XD-TC33-3,XD-TC3-4,XD-TC50-2,XD-TC50-3,XD-TC50-4

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