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支持定时操作的按钮式浴室风扇开关设计

2020-01-23 Rod Brick 阅读:
支持定时操作的按钮式浴室风扇开关设计
这是Anthony Smith自锁开关设计的改进版本。新设计可开关120VAC负载,并包括一些电源方面急需的细节、定时自动关闭、市电连接,以及其他微小变化。

这是Anthony Smith自锁开关设计的改进版本(系列文章见文章末尾)。新设计可开关120VAC负载,并包括一些电源方面急需的细节、定时自动关闭、市电连接,以及其他微小变化。EZYednc

按下瞬动(ON)按钮开关可以锁定打开或关闭浴室排气扇(或其他负载)。按动开关,T2(是一个BS170 NFET)就可以锁定打开,风扇也就打开。再次按动它,T2就会锁定关闭,风扇也就关闭。若保持风扇运转,则它会在27分钟后自动关闭。EZYednc

图1中标注的A节点是关键结点。A在启动时为低电平,这时,所有的晶体管和风扇都关闭,4060二进制计数器上的复位输入为高,因此它无效,并且其所有输出都为低。静态电流小于0.1µA,外加通过齐纳二极管和开关中可选LED的电流。当A为高电平时,所有晶体管(T3除外)均导通,4060复位端被驱动到低电平(即有效/使能状态),并且风扇导通。在这种状态下,开关的电流负载为15mA,外加齐纳二极管的电流为4mA。EZYednc

图1:自锁开关或定时浴室风扇的电路设计。EZYednc

当瞬动按钮(PB)开关闭合时,C3上的12V电压就加在A上,导致T2导通。这个状态使复位总线接地;通过R6和R7分压器将Vgs(on)加到PFET T4的栅极上,从而使它导通;使PNP T5导通,从而驱动光隔离器打开电源TRIAC(双向晶闸管);并将4060定时器的复位引脚拉低,而使它启动。T4将VD加到R5和R6两端,从而将10V电压加到A节点上,使T2保持锁定导通,并将T1打开,以通过R2释放C3的电荷,而使断开状态下的PB开关处于0V状态,以准备好开关按钮关闭按动。EZYednc

在打开开关几秒钟后可以手动关闭按钮,反之亦然。如果现在将PB瞬动开关闭合,则在A处就会施加0V电压,而使整个电路关闭。可以将开关保持2秒钟而不影响工作。R1、R2、R6和C3形成RC延时电路,可防止开关弹跳。EZYednc

4060的OUT-14在27分钟后变为高电平,并打开T3,而将0V施加到A上。这样就可以关断T2,进而使T1、T4、T5、光隔离器、TRIAC和风扇关断,并将VD施加到4060的复位端,停止其振荡器并使OUT-14变为低电平,从而将T3重新关断。EZYednc

T2关断后,T4要花几百纳秒至几微秒的时间才会关断并将A点锁定在地电平上。但是,4060的复位端只要花70到150ns就会变为高电平,并传播到芯片内部并重新关闭T3。为了确保在T4将A锁定到低电平之前复位端不会变为高电平,需要插入一个较大的1.25秒RC延迟(R11和C4),以便在此之前将复位端保持在6V的VH/L以下。EZYednc

计数器/定时器

CD4060BE是一款带振荡器的14级二进制计数器,采用标准CMOS逻辑制造。当复位端为低电平时,振荡器将通过二进制级进行计数。在计数脉冲达到某级之前,其输出一直保持低电平,然后以各自的周期在高低电平上振荡。EZYednc

4060振荡器的周期为2.2×R13×C6或2.2×402kΩ×0.22μF = 0.195s(f = 5.1Hz)。R12应为3到10×R13。由于制造、VD或元件差异,振荡器可能会有±10%不同。EZYednc

在经过13个二进制纹波级后,OUT-13返回低电平,这时,OUT-14变为高电平,将T3打开而将负载关断:0.195s×213 = 1594s = 26.6min。EZYednc

驱动电路

T5驱动IL4208光耦合器的LED,使其TRIAC导通,而使电源TRIAC的门极通电。饱和后的T5通过R10和1.16V的VF以5.2mA电流(IFT(MIN) = 1mA)驱动光电LED。当电源TRIAC导通时,其VMT2–VMT1为1.1V。光耦合器TRIAC的通态VT为1.7V,再加上T635的VGT为1.3V,就等于3.0V压降,因此在电源TRIAC导通时,IL4208 TRIAC没有门极电流流过。EZYednc

当电源TRIAC电流下降到12mA的IHOLD阈值以下,即在过零点之前57µs处,此时ILOAD (PEAK)估计值为556mA时,TRIAC换向关断(实际的IHOLD和ILATCH是IGATE的不完全函数——例如,两者会在更高的门极电流下降低,数据表规格也存在不精确)。当相角为38°(假设功率因数为0.79)时,两个TRIAC换向关断时的VT跳变到-102V。这将通过2kΩ R14和IL4208 TRIAC将IGATE驱动到50mA(IGT = 2-35mA;IGM = 4A),而使电源TRIAC开启(即tON)5至10µs。EZYednc

请注意,在电阻性负载(电压和电流同相)的情况下,TRIAC换向关断后,在VT使门极驱动器通电之前,2kΩ电阻会引起25°滞后。这会使实现的平均负载功率降低到大约90%。EZYednc

T635-T是一款800V、6A TRIAC。它的dv/dt为6-10,000V/μs,并且对于正常的电感性负载也不需要缓冲器(IL4208的TRIAC也没有缓冲器)。在IT(RMS) = 0.4A时,大约是普通浴室排气扇的高端,它的功耗为0.4W。它可以在2.1A(250W负载)下耗散2W的功率,还足以容纳一个150W的灯泡,但在没有散热器的情况下容纳不了电加热器。EZYednc

缓冲电路

带有220Ω电阻器R15和0.18μF电容器C7的缓冲电路(不是用作常规的TRIAC dv/dt保护——T635不需要)可增强TRIAC的导通。TRIAC在-IHOLD处换向关断,直到负载电流达到+15mA的ILATCH或大约120μs后才恢复并保持导通。如果没有缓冲器,则TRIAC会在完全开启之前每个半周期循环开关大约8次,从而产生不期望的RFI。EZYednc

当TRIAC换向关断时,缓冲电容器会通过220Ω电阻充电至约24V。当TRIAC导通时,它会放电,最初为104mA,这会增加负载电流,此时的负载电流为零。它的放电足以使总TRIAC电流保持在高于ILATCH的状态超过120µs,从而消除了振荡。EZYednc

风扇关闭时,缓冲器将吸收大约8mA(RMS)的负载,即正常负载的2%。缓冲电容对功率因数没有影响。EZYednc

电源

该电路使用了无变压器电容式电源。通过电容器的平均交流电流 = C(dv/dt) = 4VPEAK (f)(C),其作用类似于电流源。0.47μF/330VAC自愈式金属化薄膜X1安全等级馈通电容器可提供19mA以上电流。该电路在接通时消耗15.1mA,在断开时消耗7.4mA。多余的电流通过齐纳二极管排出。电路还添加了一个1A熔断器以防止电容器短路故障,并在电容器周围包含一个22MΩ的分流电阻,以防止电击。EZYednc

33Ω/2W的限流电阻将浪涌电流限制在5.2A,持续约16µs。可能经历该浪涌电流的元件有六个,分别是馈通电容器、限流电阻器、保险丝、桥式整流器、齐纳二极管和滤波电容器,它们都可以承受5.2A的浪涌。820μF滤波电容器的纹波系数约为0.6%。0.1μF C5进一步将VD滤波送至4060。400A的压敏电阻可防止线路功率尖峰。EZYednc

连接市电

市电连接看似微不足道,但事实并非如此。大多数示范性TRIAC控制电路只是显示了电源神奇地出现在左侧,就好像是牙仙子提供的那样。EZYednc

该电路需要直接连接到火线和零线上——火线和零线都不能连接到负载。这需要通过墙壁开关盒实现市电接入。如果市电接入点位于天花板固定装置上,则在以下情况下可以使用:(1)零线连接到负载,而火线绕过负载,这是标准的房屋接线协议,以及(2)将绿色地线用作该电路的零线而造成违规。这会为市电地线增加19mA电流,虽然微不足道,但仍然会违反法规。风扇的电源电路中不太可能有GFCI(接地故障漏电保护器),这种地线使用可能会导致误跳闸。EZYednc

图2:电路的PCB布局。EZYednc

图3:此设计的完整电路板。EZYednc

该开关出自E-Switch公司,是一款16mm(9/16")PV6系列PB开关,并且带有LED背光灯。任何瞬动(ON)PB开关都可以。 圆形蓝色LED通过其2.68V的VF和1.2kΩ降压电阻(R8)以7.5mA驱动。PV6开关也有其他LED颜色。EZYednc

该电路代替普通的拨动开关安装在墙壁开关盒中。我使用了一个BUD实用工具箱CU-18425(3.56"×2.03"×1.65"——可在墙壁盒中实现紧密贴合),以及Kyle的双开关板。PCB为2.58"×1.8"。图2图3是PCB布局和完整电路板的图像。从焊盘到电源的电线连接使用的是16至18号绞线;从焊盘到PB开关、其LED以及R10到IL4208跳线使用的是18到22号线。EZYednc

相关文章:

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Push-button bathroom fan switch design supports timed operationEZYednc

本文为《电子技术设计》2020年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里EZYednc

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