单火线取电原理

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由于近期家中装修，想整成智能家居，以前自己做过智能家居的小玩意，勉强可以进行控制，不想再花钱买智能开关了，

但是在实际的安装出现了问题，老式的开关方便父母，但是装上之后，我们的智能模块的供电问题是一个大问题，查阅了很多资料

一些朋友不理解什么是单火线，也很奇怪一根火线怎么取得电压和电流。下面简要介绍。

　　大家知道，国内220V电网市电有两根线：一根火线（符号L，标准颜色为红色或者其他棕色）和一根零线（符号N，标准颜色为黑色、蓝色或者冷色），此外为了保护人身安全有些电器(如洗衣机、电冰箱等）加设了一条保护地线（符号E，标准颜色为黄绿相间）。

　　当用电器同时接入火线和零线时，就会形成电流，用电器才能正常工作。图中是一个简单的开关、灯泡的电路。当开关断开时，灯泡实际只连接了一条线，没有电流，灯不会亮；当开关闭合时，电流流过灯泡，电灯发光。

　　传统的机械墙壁开关盒，就是利用弹簧和机械结构控制火线的通断，一进一出两根线实际都是火线，这种接法就是“单火线”。

　　对于电子智能开关(遥控或触摸)，内部有一套精密的控制电路，取代了手动操作的机械结构，来控制线路的通断。但无论开关是通是断，这套控制电路本身都需要电源，以保证持续不断的工作。

　　智能开关单火线工作示意图如下所示：

　　智能开关单火线取电电路原理如下所示：

单火线电源是智能家居之智能开关(如触摸开关，无线遥控开关，Zigbee开关等)中最重要的组成部分，其核心技术就是单火线取电技术。

   单火线智能开关的控制示意图如下:

　　单火线智能开关的技术难点:　由于单火线开关取任意一点电都是要流过灯具的，所以当开关的耗电量大于约为220V/50uA左右的时候，当电量达到灯具内部电容充电需求的时候，形成瞬间电流，一个小功率W数灯，比如2W的LED，就势必出现闪烁。因为2W的灯，它点亮的电流很小=2W/220V=9mA。这就是俗称的“鬼火”，也就是灯具在关闭状态下的闪烁现象(参考阅读：单线制电子开关带节能灯(LED灯)会闪烁的原因)。

对于需要远程控制的无线遥控智能开关，势必需要更多的电量，又要平衡“鬼火”问题，所以这个就是单火线取电的难点。开关工作时需要的瞬间电流至少要2mA （315MHz)或 30mA(ZigBee). 所以对于电流需求偏大的ZigBee开关产品，单火线取电就更为困难。

为了获得理想的单火线电源解决方案，经过多年的基础研究和技术攻关，东莞迅迪电子有限公司研制推出了一系列适合于单火线智能开关产品使用的小型化模块电源。

低功耗小功率电源主要应用于智能家居的执行单元（如智能开关,智能插座）或小型的控制器中，在此领域内应用的电源通常是 AC/DC(DC/DC)小功率产品，最小的应用需求可能在 1W 以内，功能稍复杂的产品可能用到 ２W-5W 的电源产品。对产品的要求有如下几个方面：

（1）小体积，方便安装于标准外壳内；

（2）超低功耗，降低产品的待机功耗或智能开关的“鬼火”现象

 (3) 效率高，发热低；

（4）故障率低， 质量稳定可靠是产品的首要因素。 

该系列产品为SIP４脚插针结构的超小型DC/DC (AC/DC) 电源，其尺寸

为L18*W9.5*H15.5mm，为业内该类型电源较小体积。其特点由于采用了先

进的电路结构，成本得到了很好的控制，非常适合运用在智能开关等智能家居产品中大量广泛应用，目前已经成功应用于多个智能家居产品中，如智能插座(零火线)、智能开关(单火线)等。具体产品参数可以参考:东莞迅迪电子有限公司网站：www.xunzhi168.com。

   东莞市迅迪电子公司研发推出的PI系列超小型一体化智能家居单火线电源模块,其输入电压范围非常宽(13V-380V) 、输出功率较大(200mA)、输出电压可选(3.3V,5V等),灯具负载范围宽(1W-3000W)、功耗低发热较 小。可以为控制电路(如专用控制IC，MCU，红外接收头,RF遥控模块，ZigBee模块，蓝牙模块，继电器或者可控硅等 )提供稳定的工作电源

　　产品特点：

● 超宽输入电压：13-380VDC

● 输出保护功能：短路和过流保护

● 高效率：电源最大效率>65%;

● 大电流：输出最大电流200mA;

● 低功耗：输出空载时功耗小于5mW;

● 内部集成LDO电路：稳定输出5Ｖ电压(3.3V/3V),无需要外部另加稳压IC电路

　 ● 超小体积：L18*W9.5*H15.5m

[附]参考应用电路原理图

单火线开关应用电路原理图(以下为单火线供电电源部分, 完整三路开关电路原理图可访问东莞市迅迪电子有限公司网站下载):

元件选择：

  R1限流电阻,具体需根据输入电压范围与输出电流而定.

  C1滤波电容,建议使用0.47uF-100uF电解电容,具体需根据输入电压范围与输出电流而定.

  C2选用47uF/25V电解电容。

  C3输出滤波电容，建议使用47uF-220uF.

  Z1 对于12V以下输出模块最大不超过12V；对于12V输出模块最大不超过15V.

注：如果对静态电流要求相对比较严的情况下，建议C1-C3尽量选用漏电流比较小的电容.

根据电子常识可知，凡是电子智能照明开关本身都需要消耗一定的电流，在待机时，由于单火线开关待机取电是通过流过灯具的电流给智能开关的控制电路供电的，如果待机输入电流太小就会导致待机电路不能正常工作，如果待机输入电流太大就会导致灯具关闭后还会有闪烁或微亮(出现“关不死”的现象)等问题。特别是高阻抗的电子节能灯和LED灯(例如:高效节能灯和AC直接驱动的ACLED灯具)，对待机电流更为敏感。

单火线开关闪烁的原因是什么?

这一闪烁现象的间隔与流过的电流及节能灯(或LED灯)的内部电路结构密切相关，很难进行具体量化(如：多少瓦数以上的灯不会闪烁，哪些类型的灯不会闪烁)。经过对大量各品牌不同厂家的节能灯进行实际测试，发现引起节能灯闪烁的电流从20微安至100微安不等。有一些节能灯在电流小于10微安以下时都还会出现闪烁或者微亮的现象,另外灯闪烁与否与实际灯的标称功率瓦数也没有直接的绝对关系（如:　测试发现有些１W甚至更小的灯都不会闪烁或微亮，而有一些个别杂牌5W的灯却会出现闪烁或微亮）。

所以，微功耗单火待机和工作电源电路的研发难度非常大，到目前为止这仍是国内外限制单火线（也称: 2wire,单极,两线）智能开关发展的最主要技术瓶颈。我们唯一可以做的就是:
将待机电流做到更小(15uA或者以下)，以适应更多的各类灯具，从而保证绝大多数灯具不会出现闪烁（由于世界上的灯具品种繁多质量参差不齐所以少数个别极其特殊的灯具闪烁也是不可预知及无法避免的，在此特别建议生产厂家千万不要对客户或消费者绝对性承诺您的单火线智能开关带任何灯都不会闪烁，或者带x瓦以上的单不会闪烁，以免万一碰到而遭受不必要的麻烦)。

单火线取电的解决方案有哪些？

方案一：变压器电源变换取电法

其实现方式是先将主回路电流整流，再经电子变压器进成DC-DC转换取出直流电作为控制电流。变压器电源变换取电方案的优点是：成品较低。

其缺点是：电路稳定性较差，生产调试非常困难且不良品较高，另外负载兼营性也是非常有限：因为变压器转换方式效率很低（有些人标示为85%，实际测试一般为35%左右）功耗较高，带节能灯或LED灯可能会出现关不断的现象而出现闪烁现象，所以不能控制小功率的负载。采用此种方案的电子开关厂家，往往在产品使用说明书中要求用户在节能灯或LED灯的两端并接旁路电容或电阻，其方法是在节能灯或LED灯的两端并接一个0.1微法左右的电容或68K左右的电阻，由于外加电容或电阻的交流旁路作用，流过节能灯或LED灯的电流比较小，因而可以避免部分节能灯或LED灯闪烁，外加电阻或电容配件主要是优点就是开发技术难度较低；但是一方面因为外加电容体积及外加电阻自身发热的问题，外加电容或电阻只能提供比较有限的电流，无法保证某些中高档电子开关（如Zigbee智能开关等）的自身供电电流足够，因而兼营的灯具比较有限，另一方面从安装的角度来说不太方便，需要额外拉线驳接这个电容或电阻配件，这将增加了安装的难度而影响了消费体验，所以目前极少用在中高档智能开关产品中，只是在市场上的一些普通的低档单火线开关中比较常见。

上述变压器电源变换取电法，已经初步解决了电子开关的自身供电的问题（解决了电子开关断态时供电的问题），但对于电子开关控制的负载的功率范围、稳定性及其电源转换效率方面，还是存在明显的不足。

方案二：超微功耗电源转换器取电法

为了降低电子开关自身功耗、减少待机电流，一方面除了对控制电路（如控制芯片、RF无线模块等）要选用低功耗的电子元器件来减小电源的负荷之外；另一方面单火取电电源电路要采用效率高功耗小的超微功耗电源变换器；这样才能将电子开关自身整机功耗限制在0.01W以内，我们可以从理论上计算一下：节能灯的最大不闪烁电流I=30uA，开关和灯是串联的那么待机功耗P=Ui=220V×30uA=0.0088W=7.33mw;
现在视为理想情况输出效率为100%，若输出电压按Uo=5V计算，那么电子开关自身电源的输出电流Io=P/Uo=0.00733W/5V=1.46mA
,而实际上由于电源开关管的穿透电流在10uA以上，这种超微功耗电源效率做到100%是不可能的，达到60%以上都极为困难，实际电子开关的电源供给负载的电流达到1mA就不错了。这种方案的优点是电路耗电极低，可以兼营更多的灯具不会出现闪烁情况，但是超微功耗电源转换器电路复杂，成本较高。目前市场上出现了一些一体化的小体积微功耗单火线电源模块(如可控硅专用型PI-3V3-B4，继电器专用型PI-05V-D4等)，由于其专业化程度比较高、性能稳定、无需调试，能够满足各类负载功率(如：小功率LED灯、大功率电器等)及负载类型(包括阻性、容性、感性负载，如白炽灯、荧光灯、节能灯、LED灯、节能灯等)的应用要求，特别是可以接各种日光灯（包括传统电感镇流器、新型电子镇流器类型），不失为智能家居厂家开发智能开关的一种捷径，从而快速突破单火线取电的技术瓶颈而将开发重点转移到产品智能化设计上面来。
 

 
  
 此类超小型一体化电源模块，其输入电压范围非常宽(13V-380V)、输出功率较大(最大200mA)、输出电压可选(常用3.3V，5V等)，灯具负载范围宽(参考：3W-3000W)、功耗低发热较小。可以为控制电路（如专用控制IC、MCU、红外接收头、RF遥控模块、ZigBee模块、蓝牙模块、继电器或者可控硅等）提供稳定的工作电源。该产品的优点是采用超微功耗电路设计，利用此电源模块的超宽电压输入特点（确保无论开灯或者关灯时都能实现稳定供电），保证了电子开关的安全稳定，电源模块电路的转换效率较高，在电子开关断态时，转换效率达到65%以上并且主回路上的电流较小，可以带绝大多数（因为世界上的灯具品种繁多质量参差不齐，不可能兼营所有！）节能灯和LED灯而不出现烁或者微亮现象。此系列超小型一体化电源模块可以根据实际控制电路需要（如，是采用专用IC还是采用MCU；是采用红外接收还是RF遥控，是采用继电器还是可控硅，….等等，不同的控制电路所需要的工作电压和工作电流不一样）来选用，(如可控硅专用型PI-3V3-B4、PI-05V-B4，继电器专用型PI-05V-D4等)。

最后附上单火线开关应用电路原理图(以下为单火线供电电源部分仅供学习参考,
正式生产用完整三路开关电路原理图可联系单火线模块生产厂家提供)。

D-TC系列单火线模块(一体化单火线驱动模块)正式发布