單火線墻壁觸摸開關(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關(guān)的實用電路，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，以及零電壓開通、零電流關(guān)斷的功能，能有效地減小開機(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】TM564 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）06-0074-03

0 前言

電容式墻壁觸摸開關(guān)以玻璃作觸摸屏，防塵防水、經(jīng)久耐磨、安全可靠；觸摸開關(guān)外觀設(shè)計靈活，高端大氣；使用壽命長，遠(yuǎn)高于常用的機(jī)械開關(guān)。觸摸開關(guān)正逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)，成為現(xiàn)代智能家居的一個新寵。但目前市場上觸摸開關(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個方面：？譹？訛待機(jī)工作電流普遍大于30μA，節(jié)能燈會閃爍、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，還會使電路復(fù)雜化、可靠性下降；？譼？訛開關(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。上述問題已影響了觸摸開關(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

單火線墻壁觸摸開關(guān)與傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)接線完全一致，使用十分方便，但存在一個公認(rèn)的技術(shù)瓶頸是微電流技術(shù)。單火線墻壁觸摸開關(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燈就會微亮，部分節(jié)能燈就會閃爍，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)計方能滿足要求，同時觸摸開關(guān)總成本要低，易于實現(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算

單通道專用觸摸集成：國內(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型號為RH6030，2.5 V對應(yīng)電流為3μA，5 V對應(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型號為CD40106，由于是CMOS結(jié)構(gòu)，在開關(guān)處于工作狀態(tài)時，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)壓是因為其正向穩(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)計要求。

1.1.2 觸摸集成上電起動

專用觸摸集成RH6030或TTP223，其設(shè)計存在一個共同特點，即芯片上電啟動工作時需要提供近毫安級工作電流，待芯片正常啟動后，工作電流又會降為3μA，具體見表1。

從表1可知，RH6030上電啟動電壓為1.8 V左右，啟動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，此值對應(yīng)電流為200μA，此時所有LED燈在關(guān)斷狀態(tài)仍會發(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，過不了啟動關(guān)，RH6030不能正常啟動。如果上電啟動過程，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)過負(fù)載RL、單相整流橋、VT3向電源VCC快速充電，其充電時間由電源供電電壓、負(fù)載RL的阻值來決定，100 W負(fù)載充電電流高達(dá)0.5 A，充電過程將快速自動結(jié)束。啟動后因集成斯密特反相器U3-1被封鎖，故VT3不會再導(dǎo)通，不會出現(xiàn)第二次充電。

根據(jù)集成U3的工作特點，在上電過程集成U3-2會發(fā)一個脈沖，使VT3導(dǎo)通一次，產(chǎn)生一個較大的啟動充電電流，具體過程如圖1所示。

集成斯密特反相器的工作特性見表2。在電源VCC緩慢上升到1.2 V時，U3開始工作，如果當(dāng)電網(wǎng)電壓絕對值從零開始上升到一定值時，集成U3-2輸出一個正脈沖，晶閘管VT3導(dǎo)通，即出現(xiàn)上述充電過程。具體原理如下：電網(wǎng)電壓為零時，U3-1第1腳電壓U1=1.2-2×0.5（微電流時二極管正向壓降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，對應(yīng)U3-1第1腳電壓U1=6.9×=0.9 V，處在高電平開通狀態(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 零電壓和零電流開關(guān)的設(shè)計

零電壓和零電流開關(guān)是最理想的開關(guān)。在電網(wǎng)電壓接近零時，導(dǎo)通開關(guān)稱零電壓開關(guān)。由于導(dǎo)通時對應(yīng)的電壓低，晶閘管和負(fù)載通過的電流小，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。由于晶閘管過零自然關(guān)斷，稱零電流開關(guān)。因關(guān)斷無火花，自然無電磁干擾。零電流不需專門設(shè)計，零電壓開關(guān)控制電路種類很多。本文介紹的零電壓開關(guān)的特點是簡單、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，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)電壓每過零一次就發(fā)一個觸發(fā)脈沖，稱過零觸發(fā)。

2.2 零電壓脈沖形成電路

2.2.1 開機(jī)清零狀態(tài)分析

開機(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，無脈沖輸出，VT1處在截止?fàn)顟B(tài)，燈滅。

2.2.2 零電壓開通分析

人體經(jīng)玻璃觸摸內(nèi)部觸摸片M后，因為觸摸集成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，當(dāng)電網(wǎng)電壓絕對值>8.5 V（1.1×），集成U3-2輸出仍保持高電平，無脈沖輸出，所以觸摸時電網(wǎng)處在高電壓時即使封鎖解除仍不會導(dǎo)通，故稱零電壓開關(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，給VT3發(fā)一個觸發(fā)脈沖，VT3導(dǎo)通后向儲能電容C3充電，當(dāng)VC3=3.6 V（VCC+VG2）時，光控晶閘管VT2導(dǎo)通，VT2導(dǎo)通后VT1導(dǎo)通，觸發(fā)過程結(jié)束，集成U3-1的1腳電壓降至為零，當(dāng)電網(wǎng)電壓過零時晶閘管VT1自然關(guān)斷，當(dāng)電網(wǎng)電壓又升到12.3 V（開啟電壓），VT1又一次導(dǎo)通，每個周期（20 ms）導(dǎo)通2次，周而復(fù)之。由于瞬時電壓12.3 V接近零電壓，對輸出功率基本上沒有影響。

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)點是電路進(jìn)一步簡化，成本也略有下降，但存在2個問題：？譹？訛整流橋每次導(dǎo)通經(jīng)過2只二極管發(fā)熱量比原VT1還大，加上新的單向晶閘管，開關(guān)腔體溫度較高；？譺？訛因為負(fù)載電流經(jīng)過整流橋，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VT2和VT1導(dǎo)通，另一方面作用是通過電阻R4向儲能電容C2補充充電，為使VCC上直流電壓波動較小，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）直流電源二級濾波：由C2、C3和R4構(gòu)成二級濾波，阻礙干擾信號經(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陽極串小電感，第1和第2陽極并壓敏電阻Rv和小電容，能有效防止VT1的誤導(dǎo)通。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)本文提供的實用電路，設(shè)計了PCB板并裝配調(diào)試后，測試實驗結(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？訛讓觸摸開關(guān)接近手持沖擊鉆，其電火花不會引起誤動作，讓100 W晶閘管調(diào)光開關(guān)導(dǎo)線經(jīng)過觸摸開關(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)過負(fù)載經(jīng)開關(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)低于市場上產(chǎn)品的成本。

觸摸開關(guān)樣品裝墻實驗，近1年未出現(xiàn)過異?，F(xiàn)象。實踐證明，本文提供的觸摸開關(guān)電路經(jīng)濟(jì)、實用。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]周文俊，劉冰冰.一種零電壓單火線墻壁觸摸開關(guān)電路[P].中國專利：201710043827.4，2017-05-18.

[3]劉金貴，楊天玉.一種新穎觸摸開關(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]