基于智能家居控制電路弱電保護電路設計

張有瑞

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，計算機技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的進步，各種智能家居出現(xiàn)了。隨著智能家居的普及，智慧社區(qū)的概念也被提了出來。在未來，各家各戶的家具設備都能夠與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)監(jiān)測和遠程控制。而智能家居上應用廣泛、無所不在的弱電控制器是實現(xiàn)智能家居的重要部件，需要引起我們的重視。本文將對智能家居上的弱電控制器的保護電路設計進行深入的分析和研究。

關鍵詞：智能家居；弱電保護；電流控制

一、前言

目前智能家居上廣泛使用的弱電控制器或者通信模塊的電源線容易受到220V電源的影響，嚴重的話可能會導致后端芯片損壞。傳統(tǒng)的應對方法有浪涌保護器、屏蔽線等，但是這些應對方法都不能徹底的解決問題。為了克服這個問題，我們需要設計一個低壓保護電路，能夠保護智能家居控制系統(tǒng)的后端控制器，讓控制器能夠經(jīng)受住直流過載和交流干擾。

二、方案設計和器件選擇

弱電保護要從兩個方向入手，一個是對過流的保護，一個是對過壓的保護。這兩個問題是相對獨立的，需要進行分別設計。一般來說，弱電保護分為對5V、12V、24V和36V電路的保護，本文只以5V電路的保護為例子。

弱電保護關鍵的部分在于保護后端的元器件，保護元器件可以使用TVS管、PTC熱敏電阻或者自恢復保險絲。其中，自恢復保險絲是使用最為廣泛的。如果是使用TVS管，那么如何選擇合適的TVS管也是一個問題。

選擇TVS管的具體步驟如下。首先，要確定要保護的電源的直流電壓。如果不是直流電而是交流電，還要算出最大值。第二，步驟一計算出來的電壓值不能小于TVS的工作電壓。第三要確定TVS的峰值脈沖功率能夠有效的抑制干擾冒充。要做到這一點，首先要計算出干擾脈沖的波形和持續(xù)時間。第四，TVS的最大鉗位電壓要比電路最大電壓低。第五，確定雙向TVS用于交流電的場合。第六，根據(jù)浪涌電流確定功率。功率越大越好[1]。

在完成了保護元器件的選擇之后，可以進行交流干擾測試，綜合考慮，計算最大鉗位電壓和擊穿電壓的大小。交流電在實驗中作為感染信號，所以異常輸入的交流電信號是被抑制的對象。如果選用了熱敏電阻，那么電阻將發(fā)熱，產(chǎn)生分壓作用，結合TVS管保護后續(xù)工作電路。

三、5V硬件保護電路設計

如果使用自恢復保險絲來進行5V硬件保護電路的設計，應該考慮到電路過流對自恢復保險絲的影響。保險絲在過量的電流中溫度升高，相應的電阻也變大了。根據(jù)分壓原理，輸出端斷路，這樣就能夠有效的保護電路。在這個過程中TVSDE作用是當兩端收到瞬間到來的沖擊時能快速降低兩端的阻抗，吸收到能量，鉗制住兩邊的電壓，保護后端元器件面授雷擊和浪涌的傷害[2]。

四、測試和測試結果

為了驗證各種保護措施的效果，我們將進行弱電電路保護電路測試。不同的測試使用不同的材料和保護方法。在測試中，使用單向的TVS管或者是SMBJ6.5CA型號的TVS管都可以。在進行過流和過壓測試中，熱敏電阻能夠起到的作用很小，PTC起到一個限流的作用。如果超過了PTC管的最大耐受電流，那么阻值會提高，然后對電流進行限制。

與在過流實驗中不同，熱敏電阻在過壓測試中體現(xiàn)出了比較好的保護能力，電阻的提高呈指數(shù)提升。交流電壓超過最大值之后，熱敏電阻會立刻斷路，與TVS共同保護后端元器件[3]。

（一）試驗中直流過壓測試的實驗

本次實驗使用SMBJ6.5CA型號的TVS管來進行測試，這種芯片的理論鉗位電壓是11.3V，根據(jù)測試實際上是8.3V。實驗數(shù)據(jù)詳情請看表1。

根據(jù)表一我們可以清楚的看到，當輸入電壓超過了8.28的峰值之后，輸出的電壓不在上漲，而是始終保持著8.28的最高輸出，這表示保護裝置起了作用，可以保護后端元器件免受過壓的損害。

（二）試驗中交流干擾測試的實驗

為了測試弱電抗干擾能力，我們將在這一次實驗中在具體的直流輸出電源中加入交流信號，作為干擾的來源。在這次實驗中，與上一次實驗的單向TVS管不同，TVS管要選用雙向的，使用脈沖群抗干擾發(fā)生器、萬用表和直流穩(wěn)壓源等儀器對TVS管的保護功能進行測試。實驗分為三組，每組之間有兩分鐘的間隔時間。三次實驗輸入的直流電壓分別是2.3V，3.3V和5V。在電路中接入抗干擾裝置，然后使用萬用表來對輸出端的電壓進行測試。

在加入了交流電干擾信號之后，輸出的電壓始終在變化，我們沒有辦法得到一個定值，只能劃定一個區(qū)間。輸入2.3V電壓之后，在引入250V的干擾電壓，得到的結果在2.18V到2.31V之間。輸入3.3V電壓之后，仍然延續(xù)之前的干擾電壓，得到的區(qū)間是2.98V到3.28V。在輸入5V電壓后，干擾電壓不變，輸出結果是4.97V到5.12V[4]。

（三）弱電保護電路具體應用

這些弱電保護裝置具體應用到智能家居之中，常見的地方有可視對講、網(wǎng)關和所有能夠進行視頻和音頻輸出的設備。這種設備的液晶屏是由弱電控制的，需要抗過流抗過壓裝置的保護。顯示終端設備有220V和12V兩種，一般下層電源是220VAC，然后輸出12V，上層輸入12V，然后輸出需要的工作電壓。在實際設計中，220VAC的比較常見。

五、結束語

智能家居控制電路弱電保護電路設計對于智能家居的發(fā)展有著非常重要的意義，只有做好了弱電保護才能避免過流和過壓對電器造成的傷害。本文你首先介紹了弱電保護裝置的方案設計和器件選擇，然后闡述了5V硬件保護電路的設計思路，最后進行了一系列的測試來驗證結果。（作者單位：吉林電視臺）

參考文獻：

[1] 陳崇輝.基于GSM和電力線載波的智能家居控制系統(tǒng)的研究與設計[D].華南理工大學，2011.

[2] 師振偉.基于ARM和ZigBee的智能家居無線終端控制系統(tǒng)的設計[D].西安工業(yè)大學，2013.

[3] 陳岳秋.基于電話網(wǎng)絡的太陽能熱水器遠程智能控制系統(tǒng)的研究[D].湖南大學，2010.

[4] 魏海波.基于ARM和zigbee技術的智能家居燈光控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].江西科技師范大學，2014.