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工程师原创应用笔记——单火线设计系列文章1:场景由来&技术问题
发布时间:2021-09-30 阅读量:329 来源:我爱方案网 作者:雕塑者

单火线场景由来


控制一盏灯具只需要将开关串联在灯具所在的回路上。在传统的家庭中,我们使用机械式墙壁开关控制灯具的通断,若有多个灯具,则通过并联的方式对每个灯进行单独控制。

 

在实际工程装修中,由于只需要控制单一回路便可实现对灯的控制,为了节省线材,电工师傅一般只会将火线布置到墙壁开关上,即从电闸的火线拉线到机械开关,然后机械开关出线给灯(即灯线),该线通过天花板上的灯串联再到总闸的零线处。因此,墙壁机械开关处,我们通常只能够看到火线、灯线。这样的布线方式也可见于大厦的布线施工,节省下来的线材所换算出来的成本压缩非常明显!

 

image.png


智能开关的主要电气部分有:AC-DC恒压输出电路、负载通断控制电路、通讯模组射频电路。

 

AC-DC恒压输出电路需要零火线供电输入,但面对传统的家庭布线情况,施工上必然会碰到供电输入端只有火线、灯线,这和直接零火线输入不同,该输入端火线直接输入,但零线则需要通过灯具之后才能到达输入端。因此,区别于零火输入,这种特殊的接线方式称之为:单火线。

 

 image.png


单火线技术难题

闭态“鬼火”


由于必须保证实时联网,智能开关的AC-DC恒压电源务必实时供电,而串联电路中,各点的电流大小一致。当单火线中的灯处于OFF状态时(称之为:闭态),由于智能开关必须实时供电,因此线路中的电流并不为0(统的机械开关物理断开时电路电流为0)。这衍生出一个技术矛盾点:流过线路的电流需要能为AC-DC提供转化能量以支撑通讯模块的正常工作,但该电流又可能会导致灯具“微微亮起”(称之为:鬼火)。对于钨丝灯,这种负载为阻性,由于市面上的钨丝灯功率都在15W以上,而且钨丝灯将电能转化为热能,在单火场景中相当于回路中串联一个电阻,让该电阻发热且转化为热能所需要的电流比较大,因此钨丝灯在单火线中不太容易产生异常点亮的问题。对于LED灯,这种负载为容性,微小的电流可以在LED电源中的输入输出端电容积攒,能量积攒可以让LED灯具处于微微发光的状态,也可能在某个积攒点让LED发光但在发光的一瞬间又将能量消耗掉,消耗掉之后又开始了新的积攒并周而复始,在这种情况下我们会看到灯具闪烁的现象。


开态宕机


当灯具处于ON状态时(称之为:开态),电路中流过的电流≤LED灯具电流。例如将3W的LED灯串联在电路中,最大的电流≤13mA。因此电路中设计的开态取电电路理想状态是在保证该电流值的情况下建立模块所需要的电压、电流。当然,由于取电效率不可能达到100%,甚至可能只达到20-40%,因此所取出的电流可能不足以支撑模块OTA升级或搜网等工作模式下的电流消耗。当电流输出不足以支撑模块消耗时会直接导致模块供电电压下跌直至无法正常工作,由此会产生智能开关“宕机”的问题。

 

单火线技术路径


闭态取电部分,可使用分立器件做RCC、阻容降压做恒压输出取电,这种解决方式简单,低功耗性能一般,量产稳定性低。业界中PI、晶丰明源等厂家有各自的集成IC解决方案,可做到空载小于5mW。另外,还有讯迪、金升阳等厂家推出集成模块解决方案,这种模块即所谓的:拿来即用,可极大降低开发人员的设计难度,但由于模块仅保留基本的输入输出接口给设计者,因此也无法根据具体的应用产品做相应的内部电流调整,所达到的取电效率并非最佳。


开态取电部分,有可控硅、继电器两种方案,由于可控硅发热问题,继电器的方案目前在市面上较为主流。这两种方案的取电设计电路差异较大,若再考虑辐射、传导等EMC问题,那么对开发人员的设计功底则更为考究!


作者介绍:雕塑者(笔名),一名乐于开源文化的工程师,个人公众号【硬件大熊】。后续原创技术应用笔记还将在我爱方案网上线,敬请期待!


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