物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中電子開關(guān)的設(shè)計方案分享

01

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用電子開關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用電子開關(guān)的原因主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

自動化與智能化控制

自動控制：電子開關(guān)能夠基于預(yù)設(shè)的條件或指令自動執(zhí)行開關(guān)操作，無需人工干預(yù)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，這種自動化控制能力至關(guān)重要，因為它可以確保設(shè)備在需要時自動開啟或關(guān)閉，從而提高系統(tǒng)的整體運行效率。

智能控制：通過結(jié)合傳感器、微控制器等元件，電子開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光照等）的實時監(jiān)測，并根據(jù)這些參數(shù)的變化自動調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)。這種智能控制能力使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠更加精準(zhǔn)地滿足用戶需求，提升用戶體驗。

提高系統(tǒng)安全性

防止過載與短路：電子開關(guān)通常配備有過載保護和短路保護功能，能夠在電流異常時迅速切斷電源，防止設(shè)備損壞或引發(fā)火災(zāi)等安全事故。這種保護機制對于確保物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

隔離功能：部分電子開關(guān)在輸入部分和輸出部分之間具有隔離功能，能夠有效防止電路之間的相互影響和干擾，降低系統(tǒng)故障的風(fēng)險。

節(jié)能環(huán)保

節(jié)能：電子開關(guān)可以通過智能控制實現(xiàn)設(shè)備的按需供電，避免不必要的能源浪費。例如，在智能家居中，電子開關(guān)可以根據(jù)室內(nèi)人員的活動情況自動調(diào)整照明和空調(diào)等設(shè)備的工作狀態(tài)，從而達到節(jié)能的目的。

環(huán)保：由于電子開關(guān)通常使用電子元件而非傳統(tǒng)機械觸點進行開關(guān)操作，因此不會產(chǎn)生機械磨損和電弧等有害物質(zhì)，對環(huán)境更加友好。

適應(yīng)性與靈活性

多種應(yīng)用場景：電子開關(guān)適用于各種物聯(lián)網(wǎng)場景，包括智能家居、工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)溫室等。其廣泛的應(yīng)用范圍使得物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠更加靈活地應(yīng)對不同領(lǐng)域的需求。

易于集成：電子開關(guān)通常具有標(biāo)準(zhǔn)的接口和通信協(xié)議，易于與其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或系統(tǒng)進行集成。這種集成能力使得在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中部署電子開關(guān)變得更加簡單快捷。

具體應(yīng)用場景

在家庭智能化中，電子開關(guān)可以通過接收WiFi信號實現(xiàn)遠程控制燈光或其他電器設(shè)備的開關(guān)。電子開關(guān)在能源管理領(lǐng)域也扮演著重要的角色，它可以幫助實現(xiàn)能源的高效利用和節(jié)約。此外，它們用于許多現(xiàn)代應(yīng)用，例如電機，HVAC和工業(yè)，自動化，汽車，航空航天，機器人和更多商業(yè)應(yīng)用的VFD驅(qū)動器。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用電子開關(guān)的原因是多方面的，包括提高系統(tǒng)的自動化與智能化水平、增強系統(tǒng)的安全性、實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保以及提升系統(tǒng)的適應(yīng)性與靈活性等。這些優(yōu)勢使得電子開關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色。

本文會再為大家詳解電力電子器件家族中的一員——電子開關(guān)。

02

電子開關(guān)定義

電子開關(guān)是指利用電子電路以及電力電子器件實現(xiàn)電路通斷的運行單元，通過運用半導(dǎo)體材料中特定特性來實現(xiàn)控制電流的流動和終止，開關(guān)狀態(tài)的改變，電子開關(guān)沒有物理接觸或移動部件，可以通過電信號或編程電路（如微控制器或微處理器）自動操作。

03

電子開關(guān)分類及其原理

從原理上區(qū)分，大體可分為模擬開關(guān)與數(shù)字開關(guān)其中：

模擬開關(guān)： 模擬開關(guān)基于模擬電路原理，通過改變其內(nèi)部電阻或?qū)顟B(tài)，控制模擬信號的通斷和連接。模擬開關(guān)通常使用晶體管、MOSFET或機械式觸點等元件來實現(xiàn)。

數(shù)字開關(guān)： 數(shù)字開關(guān)基于數(shù)字信號處理原理，通過邏輯門或存儲器等數(shù)字電路，根據(jù)輸入的離散信號控制輸出信號的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。數(shù)字開關(guān)通常直接處理二進制信號（0和1）。

電子開關(guān)在現(xiàn)代電子技術(shù)中應(yīng)用廣泛，它可以實現(xiàn)電路的自動調(diào)節(jié)、遠程控制以及高效能量轉(zhuǎn)換等功能，它們操作精確，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，沒有開關(guān)操作的噪音。

04

電子開關(guān)基本類型

基本類型的電子開關(guān)。如晶閘管、晶體管、場效應(yīng)管、可控硅等。

二極管作為開關(guān)

一個基本的PN結(jié)二極管可用作開關(guān)。正向偏置中的二極管充當(dāng)閉合開關(guān)，而在反向偏置的情況下充當(dāng)開路開關(guān)。PN結(jié)二極管由硅或鍺（半導(dǎo)體材料）制成。當(dāng)向二極管施加0.7V（如果是鍺則為0.3V）作為閾值限制時，它以高狀態(tài)工作，即正向偏置，例如閉合電路，電流開始流過它。對于高負載電器，功率二極管和整流器用于開關(guān)操作。

NPN晶體管作為開關(guān)

當(dāng)逆變器的輸入為高“+5V”時，NPN晶體管飽和，其輸出為低“≈0V”。當(dāng)逆變器的輸入為低電平時，晶體管被切斷，其輸出為高電平。總之，在飽和區(qū)域，它像閉合開關(guān)一樣“開”在截止區(qū)域，它像開路開關(guān)一樣“關(guān)閉”。

場效應(yīng)管（MOSFET）

與晶體管類似，MOSFET被廣泛用作電力電子設(shè)備中的開關(guān)器件，即使是MHz的高頻也是如此。MOSFET（P溝道或N-Chanel）是一種電壓控制器件，MOSFET作為開關(guān)器件的ON和OFF操作可以通過控制柵極到源極（輸入）電壓來控制。MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）有三個端子。柵極（控制）漏極（輸入、輸出）源級（輸入，輸出）

與晶體管類似，MOSFET被廣泛用作電力電子設(shè)備中的開關(guān)器件，晶體管屬于電流控制，MOSFET屬于電壓控制，因此，在信號源額定電流極小的情況，應(yīng)選用MOSFET。此外，MOSFET是多子導(dǎo)電，濃度對溫度、輻射等外界條件不敏感，因此，對于環(huán)境變化較大的場合，采用場效應(yīng)管比較合適.

可控硅

SCR 代表可控硅整流器，作為晶閘管，它有三個端子，即陽極，陰極和門。SCR是一個四層和三個結(jié)的單向設(shè)備，即PNPN和J1，J2和J3。它們也稱為PN PN結(jié)或鎖存開關(guān)（類似于數(shù)字鎖存器），通過控制其柵極輸入電壓和偏置操作，可用作ON和OFF開關(guān)。用于高速開關(guān)應(yīng)用，工業(yè)中的整流器和功率控制。

IGBT

IGBT代表絕緣柵雙極晶體管，它是BJT晶體管和MOSFET的組合。它有三個端子，即發(fā)射器，集電極和柵極。它們用于高速開關(guān)應(yīng)用。

與BJT晶體管和MOSFET類似，IGBT可用作ON和OFF開關(guān)，如下所示：當(dāng) VGE是 0v，沒有 IC并且設(shè)備像打開開關(guān)一樣保持關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng) VGE超過閾值限制，IC開始增加，設(shè)備打開。作為高速開關(guān)，在工業(yè)用電機、民用小容量電機、變換器（逆變器）、照相機的頻閃觀測器、感應(yīng)加熱（InductionHeating）電飯鍋等領(lǐng)域應(yīng)用。

GTO 可關(guān)斷晶閘管

GTO代表柵極關(guān)閉OFF是一種基于晶閘管的半導(dǎo)體和完全控制的單向開關(guān)器件。它有三個端子，即陽極、陰極和柵極。GTO可用作ON和OFF應(yīng)用的開關(guān)，其中開關(guān)操作可以通過柵極端子進行控制。

可關(guān)斷晶閘管既保留了普通單向晶閘管耐壓高、電流大的特性，又具備了自關(guān)斷能力，且關(guān)斷時間短，不需要復(fù)雜的換向電路，工作頻率高，使用方便，但對關(guān)斷脈沖信號的脈沖功率和門極負向電流的上升率要求較高?？申P(guān)斷晶閘管是理想的高壓、大電流開關(guān)器件，廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域。

雙向可控硅

TRIAC縮寫為“交流電三極管”。與DIAC類似，它是一種雙向半導(dǎo)體控制開關(guān)，能夠在兩個方向上傳導(dǎo)電流。

它有三個終端（即主終端MT1和MT2和門），具有4層設(shè)備，背靠背連接的SCR在一個單元中，用于調(diào)節(jié)交流電路中的功率，風(fēng)扇和電機的速度控制，燈具和燈光的調(diào)光器等。

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審核編輯 黃宇