单火线墙壁触摸开关的研究

刘冰冰 周文俊 刘希真

【摘 要】文章提供一种单火线墙壁触摸开关的实用电路，其特征是将专用触摸集成电路和CMOS反相器有机地结合在一起，以控制晶闸管的通断。它具有待机电流小、成本低、工作可靠的特点，以及零电压开通、零电流关断的功能，能有效地减小开机的冲击电流和电磁干扰，应用前景广阔。

【关键词】触摸；单火线；零电压；零电流

【中图分类号】TM564 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）06-0074-03

0 前言

电容式墙壁触摸开关以玻璃作触摸屏，防尘防水、经久耐磨、安全可靠；触摸开关外观设计灵活，高端大气；使用寿命长，远高于常用的机械开关。触摸开关正逐步取代传统的机械开关，成为现代智能家居的一个新宠。但目前市场上触摸开关技术性能和经济指标均不理想，主要表现在4个方面：？譹？訛待机工作电流普遍大于30μA，节能灯会闪烁、LED灯微亮；？譺？訛大部分厂家采用PIC16F单片机或类似的单片机，虽然功能强大，但待机电流高达几十甚至上百μA，且相对成本很高；？譻？訛为降低直流静态工作电流，几乎所有的产品均采用隔离变压器降压供电，不仅增加了产品成本，还会使电路复杂化、可靠性下降；？譼？訛开关通、断随机，电流冲击大、电磁干扰大，难以满足电磁兼容的要求。上述问题已影响了触摸开关的应用和推广。为克服上述弊端，本文提出单通道专用触摸集成和集成CMOS斯密特反相器相结合的控制方案，二只集成的成本只有0.60元，不仅成本大大下降，且可靠性和抗干扰性能也大大提高。

1 微电流的设计

单火线墙壁触摸开关与传统的机械开关接线完全一致，使用十分方便，但存在一个公认的技术瓶颈是微电流技术。单火线墙壁触摸开关与负载是串联结构，一旦待机电流大于20μA，部分LED灯就会微亮，部分节能灯就会闪烁，因此研究微电流技术十分重要。

1.1 微电流的设计方案

待机工作电流大小与电路结构、电子器件的参数有关，必须精心设计方能满足要求，同时触摸开关总成本要低，易于实现平民化，具体如图1所示。

1.1.1 主要电子器件工作电流的计算

单通道专用触摸集成：国内许多厂家为降低静态功耗，采用高通断比的控制方案，其型号有RH6030、TTP223、ASC0111B，由于功能专一，故成本低（0.30元），且抗干扰性能和静态电流均较为理想。图1中U1型号为RH6030，2.5 V对应电流为3μA，5 V对应电流为8μA，选2.5 V更节能。

集成斯密特反相器：图1中U3型号为CD40106，由于是CMOS结构，在开关处于工作状态时，静态功耗几乎为0（<0.1μA）。

稳压二极管：图1中稳压用的LED1为白光发光二极管，正向稳压值为2.5 V，相对应工作电流为3μA，工作电压低，触发集成U1功耗低，选LED1稳压是因为其正向稳压特性远优于低压稳压二极管。直流供电电阻R1为10 MΩ+10 MΩ，下偏置电阻R2为3 MΩ，电网向直流电源VCC提供的平均电流I0=，电路额定工作电流Ie==6.1μA，因I0>Ie，所以电路能正常工作，多余的电流流入LED1，能保持VCC电压近似不变。

总漏电流、双向晶闸管VT1、光控晶闸管VT2、单向微触发晶闸管VT3和整流桥在额定电压和常温条件下总电流<1μA。

压敏电阻Rv、抗干扰电容C1工作电流约4μA。负载的静态电流IRL=4+1+10=15μA<20μA，满足设计要求。

1.1.2 触摸集成上电起动

专用触摸集成RH6030或TTP223，其设计存在一个共同特点，即芯片上电启动工作时需要提供近毫安级工作电流，待芯片正常启动后，工作电流又会降为3μA，具体见表1。

从表1可知，RH6030上电启动电压为1.8 V左右，启动之后工作电流大大减小，进入正常工作状态。直流供电电阻R1为20 MΩ，正常向VCC供电电流为9μA，所以当VCC>1.3 V就不能继续上升了，如果R1减小为1 MΩ，此值对应电流为200μA，此时所有LED灯在关断状态仍会发亮，该状态是不允许发生的。而且，电压达不到1.8 V，过不了启动关，RH6030不能正常启动。如果上电启动过程，让微触发单向晶闸管VT3导通一次，交流电源就可以经过负载RL、单相整流桥、VT3向电源VCC快速充电，其充电时间由电源供电电压、负载RL的阻值来决定，100 W负载充电电流高达0.5 A，充电过程将快速自动结束。启动后因集成斯密特反相器U3-1被封锁，故VT3不会再导通，不会出现第二次充电。

根据集成U3的工作特点，在上电过程集成U3-2会发一个脉冲，使VT3导通一次，产生一个较大的启动充电电流，具体过程如图1所示。

集成斯密特反相器的工作特性见表2。在电源VCC缓慢上升到1.2 V时，U3开始工作，如果当电网电压绝对值从零开始上升到一定值时，集成U3-2输出一个正脉冲，晶闸管VT3导通，即出现上述充电过程。具体原理如下：电网电压为零时，U3-1第1脚电压U1=1.2-2×0.5（微电流时二极管正向压降VD=0.5 V）=0.2 V，处在低电平关断状态，当电网电压上升到6.9 V以上时，对应U3-1第1脚电压U1=6.9×=0.9 V，处在高电平开通状态，经U3-1、U3-2二次反相，U3-2输出高电平，加上自举升压电容C4上电压，晶闸管VT3被触发导通充电，充电结束后VCC=2.5 V，U3-1第1脚最低电压U1=2.5-2×0.5=1.5 V，大于对应的关断电压（1.1 V），因此集成U3-2输出一直保持高电平。由于C4隔直作用，晶闸管U3-2无脉冲，所以晶闸管VT1一直处在关断状态。

2 零电压和零电流开关的设计

零电压和零电流开关是最理想的开关。在电网电压接近零时，导通开关称零电压开关。由于导通时对应的电压低，晶闸管和负载通过的电流小，电流冲击小、变化小，电磁干扰也小，易达到电磁兼容EMC的要求。由于晶闸管过零自然关断，称零电流开关。因关断无火花，自然无电磁干扰。零电流不需专门设计，零电压开关控制电路种类很多。本文介绍的零电压开关的特点是简單、可靠，且成本很低。

2.1 自举升压电路

利用晶闸管VT3向直流电源VCC充电，VT3的门极电压UG3必须大于阴极电压UK3，即直流电源VCC的电压，所以必须升压。电容自举升压电路最简单，由集成U3-2、自举升压电容C3、充放电电阻R3、充电二极管VD3组成，其工作原理如下：当U3-2的第4脚输出为低电平（0 V）时，电源经VD3、R3向C4充电，稳压状态UC4的电压右正、左负，约2 V（2.5 V-0.5 V）；当U3-2的第4脚突然变为高电平（2.5 V），与升压电容C4上电压UC4叠加，总输出电压均为4.5 V，完全可以使晶闸管VT3触发导通。导通之后U3-2输出端（第4脚）降为0 V，电容C4反向充电，充电放电在电网电压每过零一次就发一个触发脉冲，称过零触发。

2.2 零电压脉冲形成电路

2.2.1 开机清零状态分析

开机清零状态，单通道专用触摸集成U1设定输出端（1脚）为2.5 V高电平对应U3-1输入端（1脚）最低电压为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输入端确认为高电平，脉冲被封锁，无脉冲输出，VT1处在截止状态，灯灭。

2.2.2 零电压开通分析

人体经玻璃触摸内部触摸片M后，因为触摸集成U1的第3脚等效电容增加，触摸集成U1的输出端（1脚）翻转为低电平，封锁被解除。此时，当电网电压绝对值>8.5 V（1.1×），集成U3-2输出仍保持高电平，无脉冲输出，所以触摸时电网处在高电压时即使封锁解除仍不会导通，故称零电压开关。只有当电网电压降至0 V后重新升至12.3 V（1.6×）时，给VT3发一个触发脉冲，VT3导通后向储能电容C3充电，当VC3=3.6 V（VCC+VG2）时，光控晶闸管VT2导通，VT2导通后VT1导通，触发过程结束，集成U3-1的1脚电压降至为零，当电网电压过零时晶闸管VT1自然关断，当电网电压又升到12.3 V（开启电压），VT1又一次导通，每个周期（20 ms）导通2次，周而复之。由于瞬时电压12.3 V接近零电压，对输出功率基本上没有影响。

双向晶闸管VT1和光控晶闸管VT2可以用1只单向晶闸管代替，将晶闸管的阳极A和阴极K分别并接在单相桥式整流电路正、负输出端，其门极G接光控晶闸管VT2门极的位置。这种方案的优点是电路进一步简化，成本也略有下降，但存在2个问题：？譹？訛整流桥每次导通经过2只二极管发热量比原VT1还大，加上新的单向晶闸管，开关腔体温度较高；？譺？訛因为负载电流经过整流桥，故必须选大规格的整流桥，体积大，成本高。均衡考虑还是选择图1的方案较为合理。

微触发晶闸管VT3导通后，一方面作用是驱动VT2和VT1导通，另一方面作用是通过电阻R4向储能电容C2补充充电，为使VCC上直流电压波动较小，C2的容量值应远远大于C3。

3 抗干扰电路

为了防止误触发和误动作，提高抗干扰能力，本文采取如下有效措施。

（1）直流电源二级滤波：由C2、C3和R4构成二级滤波，阻碍干扰信号经VT3直接进入。

（2）触发输入端滤波：光控晶闸管VT2触发端接抗干扰电容C5、抗干扰电阻R7，主晶闸管VT1触发端并抗干扰电容C6、抗干扰电阻R6。

（3）主晶闸管电路：主晶闸管VT1第2阳极串小电感，第1和第2阳极并压敏电阻Rv和小电容，能有效防止VT1的误导通。

4 实验结果

根据本文提供的实用电路，设计了PCB板并装配调试后，测试实验结果如下：？譹？訛待机交流电流IRL=16μA，1～5 W的LED、节能灯不亮不闪；？譺？訛让触摸开关接近手持冲击钻，其电火花不会引起误动作，让100 W晶闸管调光开关导线经过触摸开关玻璃平面，也能照常工作，抗干扰能力较强；？譻？訛100 W标准负载经过负载经开关后功率為99.5 W，损耗仅0.5 W；？譼？訛单路触摸成本（不包括外壳）不足3元，远低于市场上产品的成本。

触摸开关样品装墙实验，近1年未出现过异常现象。实践证明，本文提供的触摸开关电路经济、实用。

参 考 文 献

[1]刘冰冰，刘若望，刘希真.零电压型电子触摸开关[P].中国专利：ZL201310028732.7，2015-08-12.

[2]周文俊，刘冰冰.一种零电压单火线墙壁触摸开关电路[P].中国专利：201710043827.4，2017-05-18.

[3]刘金贵，杨天玉.一种新颖触摸开关的原理和应用[J].仪器仪表用户，2001（5）.

[责任编辑：陈泽琦]