单火线取电原理

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

 

图a1 产品实物图	图a2 引脚图
图a3封装尺寸图

　　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.

 

   PI-3V3-B4系列单火线电源模块为众多的智能家居企业开发智能开关提供理想、便利的单火线电源解决方案（单火线取电模块或单火线供电模块，适用于ZigBee触摸开关等产品），节能灯、LED灯、日光灯等不闪烁。。
  

单线进出的两线制电子开关（以下简称为单火线电子开关）有着广阔的应用前景：一方面它可以直接代换家居中非常普及的墙壁开关，安装和代换都很方便；另一方面还可以方便地实现遥控或智能控制（如智能家居中的ZigBee智能开关，具有无线线遥控、触摸感应等功能）。
然而，正因为只有单线进出，在开关闭合时，开关两端电压几乎为零，电子开关的自身供电难以解决；况且又由于开关所控制的负载不确定性，使得这个问题难上加难。
单火线开关的供电应用了单火线取电技术，一般是分成两部份来实现对控制电路的供电：关态供电（关态取电）和开态供电（开态取电），下面分别加以说明:
 

1.关态供电（灯不亮，待机供电）：
在关灯的时候，即可控硅截止不导通的状态下主要是由微功耗电源模块PI-3V3-B4来实现取电的（参以下电路原理图），单火线电源模块PI-3V3-B4负责把220V的电网电压变成3.3V的稳定的低压直流输出。从图1的路径中看到，市电电网电源从零线（N）通过灯负载（LAMP）经过整流二极管D5，然后串入了限流电阻R1加到电源模块PI-3V3-B4的高压输入脚(IN)，由电源模块的公共接地端（GND）经桥式整流器（D1-D4）中的一个二极管（D1）回到电网的火线端（L）形成一个电流回路。使得电源模块有高压电源输入，低压输出端（OUT）就有了3.3V的稳定直流电压输出供给控制电路（如控制芯片、无线模块等）使用。
 
 

 

有些朋友会问：既然称为单火线开关是不是不需要零线都能工作，其实“单火线”是相对电子开关盒来说的（只需要接入火线到开关盒中，不需要接入零线到开关盒中）,对整个电路来说，实际上也是经过零火线来工作的，只不过借用了灯具作为连接零线的通路，这就产生了一个问题，由于节能灯或LED类灯具只要通过很小的电流，在关灯时都会产生闪烁发光现象，特别是LED灯闪光的时候非常亮，这个电流一般不能大于30μA，当然有些灯具大一些（例如100μA）也不会闪，但为了做成的开关能适应更多的灯具这个电流是越小越好。由于微功耗的电源模块转换效率一般都比较低，大都不超过50%（优化后可以达到65%），所以在输入电流30μA的情况下，低压输出端（OUT）能提供给控制电路使用的电流不会超过1mA（即使瞬间电流可以几十mA，但平均电流都必须控制在1mA以下）。
除了控制尽量小的后级控制电路电流以外，电源模块本身的空载电流也是一个关键因素。如果电源模块本身的空载输入电流大于30μA的话，就算后级控制电路使用的电流为零也无法将电子开关的整体待机电流做到30μA以下，所以我们改进开发了这一种电源模块。它的空载电流非常小（近乎“零”功耗），这样在有条件把控制电路的使用电流做得很小的话，整个开关的待机电流就能做得很小，就能适应更多的节能灯或LED灯。
2.开态供电（灯点亮）：
在开灯的时候，即可控硅导通的状态下，为了维持电路的供电，我们使用了两个稳压管（Z1、Z2）和桥式整流器（D1-D4）组成了开态取电电路。
综上所述，不论电子开关导通还是截止，都能够解决电子开关电路的自身供电问题。

 

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?

电子开关为什么接白炽灯不会闪烁，而接节能灯和LED灯就会闪烁呢？这与节能灯(或LED灯)以及电子开关的自身构造都有关系：由于电子开关是用电子电路组成的控制开关，就一定要消耗一定的电流，这一电流必定要通过串接在电源回路中的节能灯(或LED灯)。由于电子节能灯(或LED灯)内部电路结构的特殊性，即使流过节能灯(或LED灯)的电流很小，也会使节能灯产生不同程度的闪烁现象。

下面分析其中原因：节能灯(或LED灯)内部电路一般采用了桥式整流电容滤波电路，如下图：

     当电子开关本身消耗的微小的电流通过火线经灯具内部的桥式整流电路的滤波电容C时，这一很小的电流向灯具内部电容C充电，当灯具内部电容C上的直流电压充到一定的程度时（约50V左右,不同的灯电路会有些差别），节能灯内部的电子电路就会恢复工作而使节能灯(或LED灯)点亮，这时电容C两端的电压因为放电而随则会下降，然后再开始下一回合的充电及放电过程。这样，我们就会看到灯闪或微亮现象。

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？

单火线智能开关的DC供电电源(或者电源模块)设计需要重点考虑两个问题：一方面尽可能的降低待机功耗:
减小待机电流，避免出现灯关后闪烁或者微亮；另一方面是单火线的取电问题:
提供足够的输出电流给电子开关控制电路(如专用控制IC、MCU、红外接收头、RF遥控模块、ZigBee芯片、继电器或者可控硅等)。由于电子开关工作时取电是通过开关断开时的两端压差来取电的，当开关闭合时就没有了压差无法取电，这样就会导致控制电路开时失电失控问题。对于这一问题，有很多的解决办法出现，但有些还是比较复杂，电路成本也较高。目前市场上一些单火线电子开关的取电方式主要有：

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

 

单火线开发现在更容易、更便宜了—— 因为有了【单火线模块】 ！ 

【单火线模块】帮您实现—— 
做单火线像零火线一样简单！  
像零火线一样做单火！ 

 

 

 

【单火线模块】让智能家居开发工程师从繁琐的单火线驱动电路调试工作中切底解脱出来，快速完成开发任务实现产品上市！  

【单火线模块】是在单火线电源模块的基础上，将单火线驱动的大部分外围器件集成入内，进一步减少了更多繁琐的硬件调试工作、缩短了智能开关的开发周期。 

【单火线模块】特点及优势： 
防潮、抗震动、一致性更好，应用更简单，可靠性更高，成本更低！

三大特点—— 
1)集成化： 集成了单火线驱动的大部分电路； 
2)标准化：模块的零件集中采购品牌元件； 
3)智能化： 灯具负载自动检测。 

三大优势—— 
1)调试更简单、开发更快捷 ：由于模块集成了单火线驱动的大部分电路，外围零件更少，减少了更多繁琐的硬件调试工作。  

2)性能更好、质量更可靠： 由于模块的原料统一采购品牌元件，相对于各开关厂家分散采购一致性更好，品质更稳定可靠。 

3)成本更低、生产更方便：由于模块的元器件集中采购和模块化生产工艺，降低了单火线驱动电路的整体成本，自然也降低了智能开关企业客户的采购成本和生产成本。

 

产品概述：
XD-TC 系列单火智能开关驱动模块（简称：单火线模块）是在单火线电源模块的基础上，将单火线驱动的大部分外围器件集成入内，进一步减少了应用开发工程师更多繁琐的硬件调试工作、缩短了单火线智能开关的研发周期，降低了单火线智能开关制造企业的开发成本、BOM 成本以及生产成本，提升了智能开关产品的性价比和市场竞争力。

产品特性：
● 支持1-4 路单火线可控硅驱动（参考型号说明)；
● 超低功耗：待机功耗小于5mW(带载100uA时)；
● 支持全市电输入（110V、120V、220V、240V 供电通用）；
● 具有负载检测功能(用于检测各路灯具负载是否安装或者损坏)；
● 输出电压3.3V 或5V（参考型号说明)，以满足不同外部控制电路需要；
● 内部集成LDO 电路，输出稳定电压、纹波更小；
● 可支持LED 灯、日光灯、节能灯等各种负载类型；
● 集成模块，更低BOM 成本；
● 外部应用电路极其简单，更好的提高了产品研发速度及生产效率。

产品应用：
单火线智能开关：触摸开关、遥控开关、Zigbee 智能开关、蓝牙控制开关、无线遥控开关
(868 433 315MHz）等，主要用于1-4 路可控硅驱动设计方案。

型号说明：
XD-TCxx-x
XX: VDD输出电压，33 为3.3V输出；50 为5.0V输出
X: 支持控制路数，可选2-4 路
典型型号：XD-TC33-2，XD-TC33-3，XD-TC3-4，XD-TC50-2，XD-TC50-3，XD-TC50-4