支援定時操作的按鈕式浴室風扇開關設計

作者: Rod Brick,EDN

這是Anthony Smith自鎖開關設計的改進版本。新設計可開關120VAC負載,並包括一些電源方面急需的細節、定時自動關閉、市電連接,以及其他微小變化。按下瞬動(ON)按鈕開關可以鎖定打開或關閉浴室排氣扇(或其他負載)…

這是Anthony Smith自鎖開關設計的改進版本。新設計可開關120VAC負載,並包括一些電源方面急需的細節、定時自動關閉、市電連接,以及其他微小變化。

按下瞬動(ON)按鈕開關可以鎖定打開或關閉浴室排氣扇(或其他負載)。按動開關,T2(是一個BS170 NFET)就可以鎖定打開,風扇也就打開。再次按動它,T2就會鎖定關閉,風扇也就關閉。若保持風扇運轉,則它會在27分鐘後自動關閉。

圖1中標注的A節點是關鍵結點。A在啟動時為低電平,這時所有的電晶體和風扇都關閉,4060二進位計數器上的重定輸入為高,因此它無效,並且其所有輸出都為低。靜態電流小於0.1μA,外加透過齊納二極體和開關中可選LED的電流。當A為高電平時,所有電晶體(T3除外)均導通,4060復位端被驅動到低電平(即有效/使能狀態),並且風扇導通。在這種狀態下,開關的電流負載為15mA,外加齊納二極體的電流為4mA。

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圖1 自鎖開關或定時浴室風扇的電路設計。

當瞬動按鈕(PB)開關閉合時,C3上的12V電壓就加在A上,導致T2導通。這個狀態使重定匯流排接地;透過R6和R7分壓器將Vgs(on)加到PFET T4的閘極上,從而使它導通;使PNP T5導通,從而驅動光隔離器打開電源TRIAC(雙向晶閘管);並將4060計時器的復位引腳拉低,而使它啟動。T4將VD加到R5和R6兩端,從而將10V電壓加到A節點上,使T2保持鎖定導通,並將T1打開,以透過R2釋放C3的電荷,而使斷開狀態下的PB開關處於0V狀態,以準備好開關按鈕關閉按動。

在打開開關幾秒鐘後可以手動關閉按鈕,反之亦然。如果現在將PB瞬動開關閉合,則在A處就會施加0V電壓,而使整個電路關閉。可以將開關保持2秒鐘而不影響工作。R1、R2、R6和C3形成RC延遲電路,可防止開關彈跳。

4060的OUT-14在27分鐘後變為高電平,並打開T3,而將0V施加到A上。這樣就可以關斷T2,進而使T1、T4、T5、光隔離器、TRIAC和風扇關斷,並將VD施加到4060的復位端,停止其振盪器並使OUT-14變為低電平,從而將T3重新關斷。

T2關斷後,T4要花幾百ns至幾μs的時間才會關斷並將A點鎖定在地電平上。但是,4060的復位端只要花70~150ns就會變為高電平,並傳播到晶片內部並重新關閉T3。為了確保在T4將A鎖定到低電平之前復位端不會變為高電平,需要插入一個較大的1.25秒RC延遲(R11和C4),以便在此之前將復位端保持在6V的VH/L以下。

計數器/計時器

CD4060BE是一款內建振盪器的14級二進位計數器,採用標準CMOS邏輯製造。當復位端為低電平時,振盪器將透過二進位級進行計數。在計數脈衝達到某級之前,其輸出一直保持低電平,然後以各自的週期在高低電平上振盪。

4060振盪器的週期為2.2×R13×C6或2.2×402K×0.22μf = 0.195s(f = 5.1Hz)。R12應為3到
10×R13。由於製造、VD或元件差異,振盪器可能會有±10%不同。

在經過13個二進位波紋級後,OUT-13返回低電平,這時,OUT-14變為高電平,將T3打開而將負載關斷:0.195s×213 = 1594s = 26.6min。

驅動電路

T5驅動IL4208光耦合器的LED,使其TRIAC導通,而使電源TRIAC的閘極通電。飽和後的T5利用R10和1.16V的VF以5.2mA電流(IFT(MIN) = 1mA)驅動光電LED,當電源TRIAC導通時,其VMT2-VMT1為1.1V。光耦合器TRIAC的通態VT為1.7V,再加上T635的VGT為1.3V,就等於3.0V壓降,因此在電源TRIAC導通時,IL4208 TRIAC沒有閘極電流流過。

當電源TRIAC電流下降到12mA的IHOLD閾值以下,即在過零點之前57μs處,此時ILOAD(PEAK)估計值為556mA時,TRIAC換向關斷(實際的IHOLD和ILATCH是IGATE的不完全函數——例如,兩者會在更高的閘極電流下降低,資料表規格也存在不精確)。當相角為38度(假設功率因數為0.79)時,兩個TRIAC換向關斷時的VT跳變到-102V。這將透過2kΩ R14和IL4208 TRIAC將IGATE驅動到50mA(IGT = 2-35mA;IGM = 4A),而使電源TRIAC開啟(即tON)5~10μs。

請注意,在電阻性負載(電壓和電流同相)的情況下,TRIAC換向關斷後,在VT使閘極驅動器通電之前,2kΩ電阻會引起25度滯後。這會使實現的平均負載功率降低到大約90%。

T635-T是一款800V、6A TRIAC。它的dv/dt為6~10,000V/μs,並且對於正常的電感性負載也不需要緩衝器(IL4208的TRIAC也沒有緩衝器)。在IT(RMS) = 0.4A時,大約是普通浴室排氣扇的高端,它的功耗為0.4W。它可以在2.1A(250W負載)下耗散2W的功率,還足以容納一個150W的燈泡,但在沒有散熱器的情況下容納不了電加熱器。

緩衝電路

帶有220Ω電阻R15和0.18μf電容C7的緩衝電路(不是用作常規的TRIAC dv/dt保護——T635不需要)可增強TRIAC的導通。TRIAC在-IHOLD處換向關斷,直到負載電流達到+15mA的ILATCH或大約120μs後才恢復並保持導通。如果沒有緩衝器,則TRIAC會在完全開啟之前每個半週期迴圈開關大約8次,從而產生不期望的RFI。

當TRIAC換向關斷時,緩衝電容會透過220Ω電阻充電至約24V。當TRIAC導通時,它會放電,最初為104mA,這會增加負載電流,此時的負載電流為零。它的放電足以使總TRIAC電流保持在高於ILATCH的狀態超過120μs,從而消除了振盪。

風扇關閉時,緩衝器將吸收大約8mA(RMS)的負載,即正常負載的2%。緩衝電容對功率因數沒有影響。

電源

該電路使用了無變壓器電容式電源。透過電容的平均交流電流 = C(dv/dt) = 4VPEAK(f)(C),其作用類似於電流源。0.47μf/330VAC自愈式金屬化薄膜X1安全等級饋通電容可提供19mA以上電流,該電路在接通時消耗15.1mA,在斷開時消耗7.4mA。多餘的電流透過齊納二極體排出。電路還添加了一個1A熔斷器以防止電容短路故障,並在電容周圍包含一個22MΩ的分流電阻,以防止電擊。

33Ω/2W的限流電阻將浪湧電流限制在5.2A,持續約16μs。可能經歷該浪湧電流的元件有六個,分別是饋通電容、限流電阻、保險絲、橋式整流器、齊納二極體和濾波電容,它們都可以承受5.2A的浪湧。820μf濾波電容的波紋係數約為0.6%。0.1μf C5進一步將VD濾波送至4060,400A的壓敏電阻可防止線路功率尖峰。

連接市電

市電連接看似微不足道,但事實並非如此。大多數示範性TRIAC控制電路只是顯示了電源神奇地出現在左側,就好像是牙仙子提供的那樣。

該電路需要直接連接到火線和零線上——火線和零線都不能連接到負載。這需要透過牆壁開關盒實現市電接入。如果市電接入點位於天花板固定裝置上,則在以下情況下可以使用:(1)零線連接到負載,而火線繞過負載,這是標準的房屋接線協議,以及(2)將綠色地線用作該電路的零線而造成違規。這會為市電地線增加19mA電流,雖然微不足道,但仍然會違反法規。風扇的電源電路中不太可能有接地故障漏電保護器(GFCI),這種地線使用可能會導致誤跳閘。

該開關出自E-Switch,是一款16mm(9/16”)PV6系列PB開關,並且內建LED背光燈,任何瞬動(ON)PB開關都可以。圓形藍色LED透過其2.68V的VF和1.2kΩ降壓電阻(R8)以7.5mA驅動,PV6開關也有其他LED顏色。

該電路代替普通的撥動開關安裝在牆壁開關盒中。我使用了一個BUD實用工具箱CU-18425(3.56”× 2.03”×1.65”—可在牆壁盒中實現緊密貼合),以及Kyle的雙開關板。PCB為2.58”×1.8”,圖2和圖3是PCB佈局和完整電路板的影像。從焊盤到電源的電線連接使用的是1618號絞線;從焊盤到PB開關、LED,以及R10到IL4208跳線使用的是1822號線。

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圖2 電路的PCB佈局。

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圖3 此設計的完整電路板。

(參考原文: Push-button bathroom fan switch design supports timed operation,by Rod Brick)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年2月號雜誌

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