單火線墻壁觸摸開(kāi)關(guān)的研究

劉冰冰 周文俊 劉希真

【摘 要】文章提供一種單火線墻壁觸摸開(kāi)關(guān)的實(shí)用電路，其特征是將專用觸摸集成電路和CMOS反相器有機(jī)地結(jié)合在一起，以控制晶閘管的通斷。它具有待機(jī)電流小、成本低、工作可靠的特點(diǎn)，以及零電壓開(kāi)通、零電流關(guān)斷的功能，能有效地減小開(kāi)機(jī)的沖擊電流和電磁干擾，應(yīng)用前景廣闊。

【關(guān)鍵詞】觸摸；單火線；零電壓；零電流

【中圖分類號(hào)】TM564 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）06-0074-03

0 前言

電容式墻壁觸摸開(kāi)關(guān)以玻璃作觸摸屏，防塵防水、經(jīng)久耐磨、安全可靠；觸摸開(kāi)關(guān)外觀設(shè)計(jì)靈活，高端大氣；使用壽命長(zhǎng)，遠(yuǎn)高于常用的機(jī)械開(kāi)關(guān)。觸摸開(kāi)關(guān)正逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)，成為現(xiàn)代智能家居的一個(gè)新寵。但目前市場(chǎng)上觸摸開(kāi)關(guān)技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均不理想，主要表現(xiàn)在4個(gè)方面：？譹？訛待機(jī)工作電流普遍大于30μA，節(jié)能燈會(huì)閃爍、LED燈微亮；？譺？訛大部分廠家采用PIC16F單片機(jī)或類似的單片機(jī)，雖然功能強(qiáng)大，但待機(jī)電流高達(dá)幾十甚至上百μA，且相對(duì)成本很高；？譻？訛為降低直流靜態(tài)工作電流，幾乎所有的產(chǎn)品均采用隔離變壓器降壓供電，不僅增加了產(chǎn)品成本，還會(huì)使電路復(fù)雜化、可靠性下降；？譼？訛開(kāi)關(guān)通、斷隨機(jī)，電流沖擊大、電磁干擾大，難以滿足電磁兼容的要求。上述問(wèn)題已影響了觸摸開(kāi)關(guān)的應(yīng)用和推廣。為克服上述弊端，本文提出單通道專用觸摸集成和集成CMOS斯密特反相器相結(jié)合的控制方案，二只集成的成本只有0.60元，不僅成本大大下降，且可靠性和抗干擾性能也大大提高。

1 微電流的設(shè)計(jì)

單火線墻壁觸摸開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)接線完全一致，使用十分方便，但存在一個(gè)公認(rèn)的技術(shù)瓶頸是微電流技術(shù)。單火線墻壁觸摸開(kāi)關(guān)與負(fù)載是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一旦待機(jī)電流大于20μA，部分LED燈就會(huì)微亮，部分節(jié)能燈就會(huì)閃爍，因此研究微電流技術(shù)十分重要。

1.1 微電流的設(shè)計(jì)方案

待機(jī)工作電流大小與電路結(jié)構(gòu)、電子器件的參數(shù)有關(guān)，必須精心設(shè)計(jì)方能滿足要求，同時(shí)觸摸開(kāi)關(guān)總成本要低，易于實(shí)現(xiàn)平民化，具體如圖1所示。

1.1.1 主要電子器件工作電流的計(jì)算

單通道專用觸摸集成：國(guó)內(nèi)許多廠家為降低靜態(tài)功耗，采用高通斷比的控制方案，其型號(hào)有RH6030、TTP223、ASC0111B，由于功能專一，故成本低（0.30元），且抗干擾性能和靜態(tài)電流均較為理想。圖1中U1型號(hào)為RH6030，2.5 V對(duì)應(yīng)電流為3μA，5 V對(duì)應(yīng)電流為8μA，選2.5 V更節(jié)能。

集成斯密特反相器：圖1中U3型號(hào)為CD40106，由于是CMOS結(jié)構(gòu)，在開(kāi)關(guān)處于工作狀態(tài)時(shí)，靜態(tài)功耗幾乎為0（<0.1μA）。

穩(wěn)壓二極管：圖1中穩(wěn)壓用的LED1為白光發(fā)光二極管，正向穩(wěn)壓值為2.5 V，相對(duì)應(yīng)工作電流為3μA，工作電壓低，觸發(fā)集成U1功耗低，選LED1穩(wěn)壓是因?yàn)槠湔蚍€(wěn)壓特性遠(yuǎn)優(yōu)于低壓穩(wěn)壓二極管。直流供電電阻R1為10 MΩ+10 MΩ，下偏置電阻R2為3 MΩ，電網(wǎng)向直流電源VCC提供的平均電流I0=，電路額定工作電流Ie==6.1μA，因I0>Ie，所以電路能正常工作，多余的電流流入LED1，能保持VCC電壓近似不變。

總漏電流、雙向晶閘管VT1、光控晶閘管VT2、單向微觸發(fā)晶閘管VT3和整流橋在額定電壓和常溫條件下總電流<1μA。

壓敏電阻Rv、抗干擾電容C1工作電流約4μA。負(fù)載的靜態(tài)電流IRL=4+1+10=15μA<20μA，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.1.2 觸摸集成上電起動(dòng)

專用觸摸集成RH6030或TTP223，其設(shè)計(jì)存在一個(gè)共同特點(diǎn)，即芯片上電啟動(dòng)工作時(shí)需要提供近毫安級(jí)工作電流，待芯片正常啟動(dòng)后，工作電流又會(huì)降為3μA，具體見(jiàn)表1。

從表1可知，RH6030上電啟動(dòng)電壓為1.8 V左右，啟動(dòng)之后工作電流大大減小，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。直流供電電阻R1為20 MΩ，正常向VCC供電電流為9μA，所以當(dāng)VCC>1.3 V就不能繼續(xù)上升了，如果R1減小為1 MΩ，此值對(duì)應(yīng)電流為200μA，此時(shí)所有LED燈在關(guān)斷狀態(tài)仍會(huì)發(fā)亮，該狀態(tài)是不允許發(fā)生的。而且，電壓達(dá)不到1.8 V，過(guò)不了啟動(dòng)關(guān)，RH6030不能正常啟動(dòng)。如果上電啟動(dòng)過(guò)程，讓微觸發(fā)單向晶閘管VT3導(dǎo)通一次，交流電源就可以經(jīng)過(guò)負(fù)載RL、單相整流橋、VT3向電源VCC快速充電，其充電時(shí)間由電源供電電壓、負(fù)載RL的阻值來(lái)決定，100 W負(fù)載充電電流高達(dá)0.5 A，充電過(guò)程將快速自動(dòng)結(jié)束。啟動(dòng)后因集成斯密特反相器U3-1被封鎖，故VT3不會(huì)再導(dǎo)通，不會(huì)出現(xiàn)第二次充電。

根據(jù)集成U3的工作特點(diǎn)，在上電過(guò)程集成U3-2會(huì)發(fā)一個(gè)脈沖，使VT3導(dǎo)通一次，產(chǎn)生一個(gè)較大的啟動(dòng)充電電流，具體過(guò)程如圖1所示。

集成斯密特反相器的工作特性見(jiàn)表2。在電源VCC緩慢上升到1.2 V時(shí)，U3開(kāi)始工作，如果當(dāng)電網(wǎng)電壓絕對(duì)值從零開(kāi)始上升到一定值時(shí)，集成U3-2輸出一個(gè)正脈沖，晶閘管VT3導(dǎo)通，即出現(xiàn)上述充電過(guò)程。具體原理如下：電網(wǎng)電壓為零時(shí)，U3-1第1腳電壓U1=1.2-2×0.5（微電流時(shí)二極管正向壓降VD=0.5 V）=0.2 V，處在低電平關(guān)斷狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)電壓上升到6.9 V以上時(shí)，對(duì)應(yīng)U3-1第1腳電壓U1=6.9×=0.9 V，處在高電平開(kāi)通狀態(tài)，經(jīng)U3-1、U3-2二次反相，U3-2輸出高電平，加上自舉升壓電容C4上電壓，晶閘管VT3被觸發(fā)導(dǎo)通充電，充電結(jié)束后VCC=2.5 V，U3-1第1腳最低電壓U1=2.5-2×0.5=1.5 V，大于對(duì)應(yīng)的關(guān)斷電壓（1.1 V），因此集成U3-2輸出一直保持高電平。由于C4隔直作用，晶閘管U3-2無(wú)脈沖，所以晶閘管VT1一直處在關(guān)斷狀態(tài)。

2 零電壓和零電流開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

零電壓和零電流開(kāi)關(guān)是最理想的開(kāi)關(guān)。在電網(wǎng)電壓接近零時(shí)，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)稱零電壓開(kāi)關(guān)。由于導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓低，晶閘管和負(fù)載通過(guò)的電流小，電流沖擊小、變化小，電磁干擾也小，易達(dá)到電磁兼容EMC的要求。由于晶閘管過(guò)零自然關(guān)斷，稱零電流開(kāi)關(guān)。因關(guān)斷無(wú)火花，自然無(wú)電磁干擾。零電流不需專門設(shè)計(jì)，零電壓開(kāi)關(guān)控制電路種類很多。本文介紹的零電壓開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，且成本很低。

2.1 自舉升壓電路

利用晶閘管VT3向直流電源VCC充電，VT3的門極電壓UG3必須大于陰極電壓UK3，即直流電源VCC的電壓，所以必須升壓。電容自舉升壓電路最簡(jiǎn)單，由集成U3-2、自舉升壓電容C3、充放電電阻R3、充電二極管VD3組成，其工作原理如下：當(dāng)U3-2的第4腳輸出為低電平（0 V）時(shí)，電源經(jīng)VD3、R3向C4充電，穩(wěn)壓狀態(tài)UC4的電壓右正、左負(fù)，約2 V（2.5 V-0.5 V）；當(dāng)U3-2的第4腳突然變?yōu)楦唠娖剑?.5 V），與升壓電容C4上電壓UC4疊加，總輸出電壓均為4.5 V，完全可以使晶閘管VT3觸發(fā)導(dǎo)通。導(dǎo)通之后U3-2輸出端（第4腳）降為0 V，電容C4反向充電，充電放電在電網(wǎng)電壓每過(guò)零一次就發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖，稱過(guò)零觸發(fā)。

2.2 零電壓脈沖形成電路

2.2.1 開(kāi)機(jī)清零狀態(tài)分析

開(kāi)機(jī)清零狀態(tài)，單通道專用觸摸集成U1設(shè)定輸出端（1腳）為2.5 V高電平對(duì)應(yīng)U3-1輸入端（1腳）最低電壓為1.5 V（2.5 V-2×0.5），查表2可知，1.5 V>1.1 V，故集成斯密特反相器U3-1輸入端確認(rèn)為高電平，脈沖被封鎖，無(wú)脈沖輸出，VT1處在截止?fàn)顟B(tài)，燈滅。

2.2.2 零電壓開(kāi)通分析

人體經(jīng)玻璃觸摸內(nèi)部觸摸片M后，因?yàn)橛|摸集成U1的第3腳等效電容增加，觸摸集成U1的輸出端（1腳）翻轉(zhuǎn)為低電平，封鎖被解除。此時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)電壓絕對(duì)值>8.5 V（1.1×），集成U3-2輸出仍保持高電平，無(wú)脈沖輸出，所以觸摸時(shí)電網(wǎng)處在高電壓時(shí)即使封鎖解除仍不會(huì)導(dǎo)通，故稱零電壓開(kāi)關(guān)。只有當(dāng)電網(wǎng)電壓降至0 V后重新升至12.3 V（1.6×）時(shí)，給VT3發(fā)一個(gè)觸發(fā)脈沖，VT3導(dǎo)通后向儲(chǔ)能電容C3充電，當(dāng)VC3=3.6 V（VCC+VG2）時(shí)，光控晶閘管VT2導(dǎo)通，VT2導(dǎo)通后VT1導(dǎo)通，觸發(fā)過(guò)程結(jié)束，集成U3-1的1腳電壓降至為零，當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí)晶閘管VT1自然關(guān)斷，當(dāng)電網(wǎng)電壓又升到12.3 V（開(kāi)啟電壓），VT1又一次導(dǎo)通，每個(gè)周期（20 ms）導(dǎo)通2次，周而復(fù)之。由于瞬時(shí)電壓12.3 V接近零電壓，對(duì)輸出功率基本上沒(méi)有影響。

雙向晶閘管VT1和光控晶閘管VT2可以用1只單向晶閘管代替，將晶閘管的陽(yáng)極A和陰極K分別并接在單相橋式整流電路正、負(fù)輸出端，其門極G接光控晶閘管VT2門極的位置。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是電路進(jìn)一步簡(jiǎn)化，成本也略有下降，但存在2個(gè)問(wèn)題：？譹？訛整流橋每次導(dǎo)通經(jīng)過(guò)2只二極管發(fā)熱量比原VT1還大，加上新的單向晶閘管，開(kāi)關(guān)腔體溫度較高；？譺？訛因?yàn)樨?fù)載電流經(jīng)過(guò)整流橋，故必須選大規(guī)格的整流橋，體積大，成本高。均衡考慮還是選擇圖1的方案較為合理。

微觸發(fā)晶閘管VT3導(dǎo)通后，一方面作用是驅(qū)動(dòng)VT2和VT1導(dǎo)通，另一方面作用是通過(guò)電阻R4向儲(chǔ)能電容C2補(bǔ)充充電，為使VCC上直流電壓波動(dòng)較小，C2的容量值應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C3。

3 抗干擾電路

為了防止誤觸發(fā)和誤動(dòng)作，提高抗干擾能力，本文采取如下有效措施。

（1）直流電源二級(jí)濾波：由C2、C3和R4構(gòu)成二級(jí)濾波，阻礙干擾信號(hào)經(jīng)VT3直接進(jìn)入。

（2）觸發(fā)輸入端濾波：光控晶閘管VT2觸發(fā)端接抗干擾電容C5、抗干擾電阻R7，主晶閘管VT1觸發(fā)端并抗干擾電容C6、抗干擾電阻R6。

（3）主晶閘管電路：主晶閘管VT1第2陽(yáng)極串小電感，第1和第2陽(yáng)極并壓敏電阻Rv和小電容，能有效防止VT1的誤導(dǎo)通。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本文提供的實(shí)用電路，設(shè)計(jì)了PCB板并裝配調(diào)試后，測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：？譹？訛待機(jī)交流電流IRL=16μA，1～5 W的LED、節(jié)能燈不亮不閃；？譺？訛讓觸摸開(kāi)關(guān)接近手持沖擊鉆，其電火花不會(huì)引起誤動(dòng)作，讓100 W晶閘管調(diào)光開(kāi)關(guān)導(dǎo)線經(jīng)過(guò)觸摸開(kāi)關(guān)玻璃平面，也能照常工作，抗干擾能力較強(qiáng)；？譻？訛100 W標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載經(jīng)過(guò)負(fù)載經(jīng)開(kāi)關(guān)后功率為99.5 W，損耗僅0.5 W；？譼？訛單路觸摸成本（不包括外殼）不足3元，遠(yuǎn)低于市場(chǎng)上產(chǎn)品的成本。

觸摸開(kāi)關(guān)樣品裝墻實(shí)驗(yàn)，近1年未出現(xiàn)過(guò)異常現(xiàn)象。實(shí)踐證明，本文提供的觸摸開(kāi)關(guān)電路經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉冰冰，劉若望，劉希真.零電壓型電子觸摸開(kāi)關(guān)[P].中國(guó)專利：ZL201310028732.7，2015-08-12.

[2]周文俊，劉冰冰.一種零電壓?jiǎn)位鹁€墻壁觸摸開(kāi)關(guān)電路[P].中國(guó)專利：201710043827.4，2017-05-18.

[3]劉金貴，楊天玉.一種新穎觸摸開(kāi)關(guān)的原理和應(yīng)用[J].儀器儀表用戶，2001（5）.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]