支持定时操作的按钮式浴室风扇开关设计

shuszhao

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。
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。
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。

                               
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图1：自锁开关或定时浴室风扇的电路设计。

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。
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。
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。
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。

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。
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。
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。

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。
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。
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%。
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。

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。
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。
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。

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。
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。

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。
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。

                               
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图2：电路的pcb布局。

                               
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图3：此设计的完整电路板。

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。
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和图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。

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