一種自動感應(yīng)開關(guān)控制系統(tǒng)的研究

徐必剛 朱思潮 張衛(wèi)忠 孫文芳 張 輝 錢 靜 周 杰（安徽新華學(xué)院，安徽 合肥230088）

目前由于各種技術(shù)的進步，在開關(guān)控制系統(tǒng)中的研究越來越深入。也使得一些市場上開關(guān)產(chǎn)品越來越優(yōu)質(zhì)，控制效果越來越好。但是由于面臨的使用環(huán)境比較復(fù)雜，很有可能導(dǎo)致開關(guān)導(dǎo)通或者是關(guān)斷的過程中存在較大的電流沖擊，構(gòu)成對電器產(chǎn)品的不良影響。在此背景下做好這種感應(yīng)開關(guān)控制系統(tǒng)的研究具有較強的現(xiàn)實意義，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 現(xiàn)階段開關(guān)器件應(yīng)用的狀況

總體來說，開關(guān)器件已經(jīng)成為了現(xiàn)代社會不可或缺的重要元器件。并且已經(jīng)在大量實踐活動中積累了豐富的使用經(jīng)驗，發(fā)揮優(yōu)良的控制功能。但是由于開關(guān)器件的生產(chǎn)廠家眾多，具有不同的質(zhì)量水平。一些質(zhì)量不達標的產(chǎn)品在投入市場之后，一旦被用戶使用，就極有可能出現(xiàn)較大的事故。除此之外，開關(guān)線路設(shè)計方面也存在一些不科學(xué)性，特別是在一些大型工業(yè)化場合中，對開關(guān)線路的設(shè)計要求比較高，如果設(shè)計達不到預(yù)期的標準，就會在一些極端使用狀況下突發(fā)故障。由于電網(wǎng)存在一定的波動，如果接入電網(wǎng)的開關(guān)面臨一定的電流沖擊，如果沒有做好預(yù)防措施，就很有可能使這些開關(guān)出現(xiàn)功能性故障。針對上述原因，目前社會各界對于更加先進的開關(guān)控制系統(tǒng)具有較高的要求，更加迫切能夠通過一些先進的開關(guān)控制產(chǎn)品來滿足各項生產(chǎn)實踐活動的需求。節(jié)能減排已經(jīng)成為了現(xiàn)代社會發(fā)展的重要目標，開關(guān)期間由于長期使用在接通狀態(tài)，同樣會產(chǎn)生一定的電流消耗。如果能夠在不影響正常功能的情況下降低電能損失，也是一項可行性比較高的途徑，提高了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)性，是符合未來社會發(fā)展趨勢的。

2 一種自動感應(yīng)開關(guān)控制系統(tǒng)的研究目標

2.1 主要設(shè)計目標

考慮到開關(guān)系統(tǒng)的實際使用情況，必須要能夠?qū)﹂_關(guān)電路系統(tǒng)進行深入分析。比較重要的參數(shù)有電流值和溫度值，電流值指的是通過開關(guān)器件的電流大小，如果電流值過大，會導(dǎo)致開關(guān)期間在瞬間產(chǎn)生極高的溫度，最終燒毀開關(guān)期間。并且電流過大，還有可能在通過開關(guān)器件之后造成對其他電器的不利影響。除此之外就是溫度值，溫度值過高也是開關(guān)控制系統(tǒng)十分忌諱的一個方面。因此一旦檢測到溫度持續(xù)過高，就需要在系統(tǒng)的判斷下自動斷開開關(guān)。

2.2 需要重點注意的事項

本文研究的一種自動感應(yīng)開關(guān)控制系統(tǒng)需要使用溫度傳感器和電流傳感器來對整個系統(tǒng)的運行進行實時監(jiān)測。但是由于電磁信號原因的影響以及環(huán)境因素的影響，還有可能會導(dǎo)致采樣過程出現(xiàn)誤判。如果解決好這些干擾問題保證的誤差也是極其重要的，通過一些防磁干擾材料進行設(shè)計能夠很好的滿足這項需求。

3 開關(guān)控制系統(tǒng)一些基本知識

3.1 能量轉(zhuǎn)換分類

能量轉(zhuǎn)換是開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計十分重要的一個方面。要結(jié)合實際應(yīng)用場合的不同，選擇不同的開關(guān)控制系統(tǒng)模式設(shè)計方案。直流電和交流電本身就是現(xiàn)代電路控制系統(tǒng)中需要控制到兩種電路類型。此外，還能夠根據(jù)輸入輸出是否需要進行隔離進行重新分類。在隔離式開關(guān)中，主要有單端正激、反激、半橋轉(zhuǎn)換、全橋變換器等。在非隔離開關(guān)中，主要有Cuk 轉(zhuǎn)換器、Zeta 轉(zhuǎn)換器、Sepic 轉(zhuǎn)換器等。

3.2 按照工作環(huán)境進行分類

各種開關(guān)器件面臨的實際工作環(huán)境具有較大的差別，因此在使用過程中也需要能夠根據(jù)實際應(yīng)用場合產(chǎn)生的一些電壓或者是電流應(yīng)力條件來進行有針對性的設(shè)計。比如說在一些應(yīng)用要求比較高的場合下，需要在開關(guān)控制系統(tǒng)中增加屏蔽設(shè)計，降低噪聲可能帶來的干擾，達到濾波的效果。這樣能夠很好的滿足一些高精度場合開關(guān)控制器件的性能需求。軟開關(guān)器件現(xiàn)在是發(fā)展趨勢比較好的一種開關(guān)器件，由于不具有電流的重疊，因此最終呈現(xiàn)出來的效果就是極大地降低了開關(guān)損耗和開關(guān)電壓，有利于進行小型化設(shè)計。

3.3 發(fā)展歷程

開關(guān)已經(jīng)經(jīng)過了許多年的發(fā)展時間，最開始是一個簡單的開通和關(guān)斷功能。從上個世紀開始，由于電子電氣技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種應(yīng)用場合的需求，開關(guān)也開始逐漸形成了模塊化系統(tǒng)。但是其整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計相對比較簡單，總體的成本比較低。但是由于設(shè)計的巧妙性，其性能比較穩(wěn)定，并且很好的解決了一些開關(guān)控制過程中的復(fù)雜問題。一些優(yōu)質(zhì)的DC-DC電源能夠?qū)崿F(xiàn)以較少的電源作為輸入，提高了開關(guān)控制系統(tǒng)的運行效率。

4 開關(guān)電源主電路設(shè)計

4.1 消弧滅弧

當開關(guān)器件面臨大電流開通和關(guān)斷的情況時，極易出現(xiàn)火花，也需要做好消弧和滅弧處理。正常運行時，消弧線圈中無電流經(jīng)過。滅弧室是盆狀的，在其外部有滅弧線圈。這樣就建立起了磁場，從空間結(jié)構(gòu)上看來，該磁場是垂直于電弧的，那么最終引起的效果就是電弧被拉長，配合六氟化硫來將電弧熄滅。做好消弧滅弧處理的優(yōu)勢是能夠避免開關(guān)過程中可能帶來的不利影響。大面積燒毀其他部件的情況，結(jié)合本文研究的依據(jù)電流和溫度來實現(xiàn)開關(guān)通斷是十分有價值的。

4.2 變壓器繞制

變壓器繞制過程中，需要掌握科學(xué)的方式方法，為了防止滑線，需要使用高溫膠帶進行粘貼，固定結(jié)構(gòu)。在外面的高壓繞組需要包三層。低電壓繞組的頭部和尾部繞制2.2 圈，這樣設(shè)計的目的是為了減少泄露電感。

4.3 防干擾問題

考慮到實際使用環(huán)境比較復(fù)雜，所設(shè)計的開關(guān)控制系統(tǒng)需要在各種復(fù)雜的環(huán)境中使用，其中電磁影響尤為突出，因此做好硬件抗干擾措施是十分必要的。主要可以通過以下幾個方面進行，其一為在PCB 布線時，將高頻、低頻部分隔離開來，高電壓和低電壓的交流可以通過光耦進行隔離。在電路設(shè)計中，使用陶瓷電容來濾波。在PCB布線方面，要避免出現(xiàn)串擾的情況。布線方面，盡量使用短而直的設(shè)計，避免使用垂直交叉走線。

5 開關(guān)控制電路邏輯說明

5.1 硬件設(shè)計模塊

關(guān)于溫度控制方面，可以在開關(guān)控制系統(tǒng)中安裝一些溫度測量器件，比如DS18B20 是現(xiàn)階段比較常見的數(shù)字溫度傳感器，能夠?qū)囟葴y量直接轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，精度比較高。其體積也比較小，因此能夠在開關(guān)控制系統(tǒng)中進行鋪設(shè)。可以根據(jù)實際需求，使用多個DS18B20 來測量不同區(qū)域的溫度值，然后將這些數(shù)值輸送到相應(yīng)的判斷模塊。一旦發(fā)現(xiàn)測量得到的溫度值超過了預(yù)先設(shè)定的值，就立即斷開繼電器開關(guān)，使得電流不再流通繼續(xù)產(chǎn)生熱量。許多溫度突升的情況都是由于電流過大引起的，很有可能是出現(xiàn)了短路或者是線路接線錯誤。如果僅僅依靠人為判斷來斷開開關(guān)，具有較高的風(fēng)險，會給使用者帶來較大的安全威脅。并且手動斷開開關(guān)需要一定的時間，這一段時間對于電流流經(jīng)的電器來說是十分嚴重的，極易引起大面積燒毀。

5.2 濾波抗干擾

開關(guān)控制系統(tǒng)最直接的使用環(huán)境并不是完全無影響的。特別是一些工廠中的使用面臨較多的干擾。如果溫度采集的信號受到環(huán)境的干擾，這樣在一些高溫的使用環(huán)境下就很有可能造成出現(xiàn)誤報警的情況，從而導(dǎo)致開關(guān)控制系統(tǒng)無法正常投入使用。因此就必須要做好抗干擾設(shè)計。開關(guān)器件也需要做好耐久性測試，在實驗室中模擬各種工況測試開關(guān)器件的使用壽命，特別是可使用次數(shù)以及可靠性。要避免使用可靠性不強的開關(guān)器件，否則很有可能在系統(tǒng)發(fā)出命令之后，開關(guān)器件不執(zhí)行命令。

6 結(jié)論

本文對一種自動感應(yīng)開關(guān)控制系統(tǒng)進行了說明。該開關(guān)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)采集到的溫度信號以及電流信號來實現(xiàn)對開關(guān)器件的控制，這樣就很好的解決了短路電流過大或者是過溫的問題，解決了可能存在的一些安全隱患。也降低了在出現(xiàn)突發(fā)問題時的損失，這也說明了本文設(shè)計的自動感應(yīng)開關(guān)具有可行性，能夠滿足高標準的場合應(yīng)用需求。