原创物联网系统中电子开关的设计方案分享

 2024-9-30 15:59  39 3 3 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用电子开关

物联网系统中使用电子开关的原因主要体现在以下几个方面：

自动化与智能化控制

自动控制：电子开关能够基于预设的条件或指令自动执行开关操作，无需人工干预。在物联网系统中，这种自动化控制能力至关重要，因为它可以确保设备在需要时自动开启或关闭，从而提高系统的整体运行效率。
智能控制：通过结合传感器、微控制器等元件，电子开关能够实现对环境参数（如温度、湿度、光照等）的实时监测，并根据这些参数的变化自动调整设备的工作状态。这种智能控制能力使得物联网系统能够更加精准地满足用户需求，提升用户体验。

提高系统安全性

防止过载与短路：电子开关通常配备有过载保护和短路保护功能，能够在电流异常时迅速切断电源，防止设备损坏或引发火灾等安全事故。这种保护机制对于确保物联网系统的安全稳定运行具有重要意义。
隔离功能：部分电子开关在输入部分和输出部分之间具有隔离功能，能够有效防止电路之间的相互影响和干扰，降低系统故障的风险。

节能环保

节能：电子开关可以通过智能控制实现设备的按需供电，避免不必要的能源浪费。例如，在智能家居中，电子开关可以根据室内人员的活动情况自动调整照明和空调等设备的工作状态，从而达到节能的目的。
环保：由于电子开关通常使用电子元件而非传统机械触点进行开关操作，因此不会产生机械磨损和电弧等有害物质，对环境更加友好。

适应性与灵活性

多种应用场景：电子开关适用于各种物联网场景，包括智能家居、工业自动化、农业温室等。其广泛的应用范围使得物联网系统能够更加灵活地应对不同领域的需求。
易于集成：电子开关通常具有标准的接口和通信协议，易于与其他物联网设备或系统进行集成。这种集成能力使得在物联网系统中部署电子开关变得更加简单快捷。

具体应用场景

在家庭智能化中，电子开关可以通过接收WiFi信号实现远程控制灯光或其他电器设备的开关。电子开关在能源管理领域也扮演着重要的角色，它可以帮助实现能源的高效利用和节约。此外，它们用于许多现代应用，例如电机，HVAC和工业，自动化，汽车，航空航天，机器人和更多商业应用的VFD驱动器。

综上所述，物联网系统中使用电子开关的原因是多方面的，包括提高系统的自动化与智能化水平、增强系统的安全性、实现节能环保以及提升系统的适应性与灵活性等。这些优势使得电子开关在物联网系统中扮演着不可或缺的角色。

本文会再为大家详解电力电子器件家族中的一员——电子开关。

电子开关定义

电子开关是指利用电子电路以及电力电子器件实现电路通断的运行单元，通过运用半导体材料中特定特性来实现控制电流的流动和终止，开关状态的改变，电子开关没有物理接触或移动部件，可以通过电信号或编程电路（如微控制器或微处理器）自动操作。

电子开关分类及其原理

从原理上区分，大体可分为模拟开关与数字开关其中：

模拟开关： 模拟开关基于模拟电路原理，通过改变其内部电阻或导通状态，控制模拟信号的通断和连接。模拟开关通常使用晶体管、MOSFET或机械式触点等元件来实现。
数字开关： 数字开关基于数字信号处理原理，通过逻辑门或存储器等数字电路，根据输入的离散信号控制输出信号的状态转换。数字开关通常直接处理二进制信号（0和1）。

电子开关在现代电子技术中应用广泛，它可以实现电路的自动调节、远程控制以及高效能量转换等功能，它们操作精确，确保系统的稳定性和可靠性，没有开关操作的噪音。

电子开关基本类型

基本类型的电子开关。如晶闸管、晶体管、场效应管、可控硅等。

二极管作为开关

一个基本的PN结二极管可用作开关。正向偏置中的二极管充当闭合开关，而在反向偏置的情况下充当开路开关。PN结二极管由硅或锗（半导体材料）制成。当向二极管施加0.7V（如果是锗则为0.3V）作为阈值限制时，它以高状态工作，即正向偏置，例如闭合电路，电流开始流过它。对于高负载电器，功率二极管和整流器用于开关操作。

NPN晶体管作为开关

当逆变器的输入为高“+5V”时，NPN晶体管饱和，其输出为低“≈0V”。当逆变器的输入为低电平时，晶体管被切断，其输出为高电平。总之，在饱和区域，它像闭合开关一样“开”在截止区域，它像开路开关一样“关闭”。

场效应管（MOSFET）

与晶体管类似，MOSFET被广泛用作电力电子设备中的开关器件，即使是MHz的高频也是如此。MOSFET（P沟道或N-Chanel）是一种电压控制器件，MOSFET作为开关器件的ON和OFF操作可以通过控制栅极到源极（输入）电压来控制。MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）有三个端子。栅极（控制）漏极（输入、输出）源级（输入，输出）

与晶体管类似，MOSFET被广泛用作电力电子设备中的开关器件，晶体管属于电流控制，MOSFET属于电压控制，因此，在信号源额定电流极小的情况，应选用MOSFET。此外，MOSFET是多子导电，浓度对温度、辐射等外界条件不敏感，因此，对于环境变化较大的场合，采用场效应管比较合适.

可控硅

SCR 代表可控硅整流器，作为晶闸管，它有三个端子，即阳极，阴极和门。SCR是一个四层和三个结的单向设备，即PNPN和J1，J2和J3。它们也称为PN PN结或锁存开关（类似于数字锁存器），通过控制其栅极输入电压和偏置操作，可用作ON和OFF开关。用于高速开关应用，工业中的整流器和功率控制。

IGBT

IGBT代表绝缘栅双极晶体管，它是BJT晶体管和MOSFET的组合。它有三个端子，即发射器，集电极和栅极。它们用于高速开关应用。

与BJT晶体管和MOSFET类似，IGBT可用作ON和OFF开关，如下所示：当 VGE是 0v，没有 IC并且设备像打开开关一样保持关闭状态。当 VGE超过阈值限制，IC开始增加，设备打开。作为高速开关，在工业用电机、民用小容量电机、变换器（逆变器）、照相机的频闪观测器、感应加热（InductionHeating）电饭锅等领域应用。

GTO 可关断晶闸管

GTO代表栅极关闭OFF是一种基于晶闸管的半导体和完全控制的单向开关器件。它有三个端子，即阳极、阴极和栅极。GTO可用作ON和OFF应用的开关，其中开关操作可以通过栅极端子进行控制。

可关断晶闸管既保留了普通单向晶闸管耐压高、电流大的特性，又具备了自关断能力，且关断时间短，不需要复杂的换向电路，工作频率高，使用方便，但对关断脉冲信号的脉冲功率和门极负向电流的上升率要求较高。可关断晶闸管是理想的高压、大电流开关器件，广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。