为什么幻腾PIXEL系列墙面开关采用火零接线?

如果你曾经关注过遥控墙面开关或智能墙面开关,那么第一个可能让你搞不清楚的概念就是“单火”和“火零”接法(为了和“单火”押韵,也常将后者称为“零火”)。我试着用简单的概念讲述两者的区别,以及为什么火零接法可以避免安全隐患。阅读本文,需要你回忆一下初中物理知识。

PIXEL Classic什么是火线和零线,灯为什么会亮?

两孔的电源插座里的两根线,就是火线和零线。左边是零线,不带电,人摸到也没有大问题;右边是火线,带电的,不小心摸到了就呵呵了。(不要尝试摸零线,因为有些喝醉了的电工有可能把你家电路火零完全接反了。)

当用电器同时接入火线和零线时,就会形成电流,用电器才能正常工作。图中是一个简单的开关、灯泡的电路。当开关断开时,灯泡实际只连接了一条线,没有电流,灯不会亮;当开关闭合时,电流流过灯泡,电灯发光。

普通开关

什么是智能开关的单火、火零接法?

正如上面的图所示,一个传统的开关,利用弹簧和机械结构控制火线的通断,一进一出两根线实际都是火线,这种接法就是“单火接法”。

对于遥控或智能开关,内部有一套精密的控制电路,取代了手动操作的机械结构,来控制线路的通断。但无论开关是通是断,这套控制电路本身都需要电源,以保证持续不断的工作。

如何给控制电路供电?最直接的方法:给它接上电源——火线和零线。既然火线已经接到开关里了,那么只要再接上零线,就万事大吉了。这种接法就是火零接法。

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火零电子开关共接3根线:火线进,火线出,零线。

但是问题来了。火零接法需要多接一根线,没法兼容传统的机械开关。为了兼容,人们设计出了一种“单火取电”的方式,使得只接进、出两根火线,还能保持控制电路持续工作。兼容性好了,但更多问题随之而来。

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单火电子开关和传统开关接法相同,只需2根线:火线进、火线出

 

为什么说单火接法的智能开关可能有安全隐患?

预备知识点1:电路消耗的电功率,是电路两端的电压和流过它的电流的乘积。

预备知识点2:串联电路中,各处的电流是相等的。(想象水流,一条河,只要没有枝杈,上下游各处单位时间流过的水量一定一样多。)

单火开关只接进、出火线,不接零线,怎么能保证控制电路持续工作呢?分两种情况:

开关闭合导通时,相同的电流同时流过开关和灯具,假设电流是0.1A。这时,开关“劫持”一部分电压,比如10V,留给灯具的电压剩下220-10=210V。对灯具来讲,电压并没有降低太多,仍然能正常工作;对开关来讲,这救命的10V带给它的电能就是10V×0.1A=1W,足够其控制电路工作。

开关断开时,理应没有电流通过灯具。这时,开关偷偷漏过微弱的电流流经灯具,例如0.0001A,即0.1mA. 如此微弱的电流,灯不能点亮,大部分的电压分在开关两端,接近220V。因此开关的耗能是220V×0.0001A=0.022W,虽然很小,也能勉强维持生计。

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单火开关导通时(左图),开关上分得部分电压,驱动控制电路;断开时(右图),灯具流过微小的漏电流

综上所述,单火开关求生的秘诀就是:通路时克扣小额电压“收买路钱”,断路时漏过微弱电流“收受贿赂”。那么单火开关的“问题”也就比较明确了:无论通断,都不彻底。

实际应用中,断路时漏电流带来的问题更加严重。举两个例子:

1. 节能灯关灯时闪烁:

假设连接的灯具是功率较小的节能灯或LED灯具。这类灯具的驱动电路初级通常带有一个大电容,用于将交流电转为平滑的直流电。关灯时,如果开关漏过微小电流,就会给这个电容充电。电容电压逐渐升高,一旦达到后续电路启动的电压,就会瞬间将储存的能量释放到后续电路,灯具就会闪一下,然后电容重新充电,准备下一次闪灯。

灯具功率越小,点亮后续电路需要的能量越少,灯闪的就越明显,越频繁。因此,单火开关通常要求灯具功率必须够大,闪烁才不明显,不会察觉。

2. 触电危险:

如果灯具坏了需要更换,这时老灯具卸下来,线路完全断了,漏电流没处漏,单火开关就不工作了。不过这时如果你装新灯时恰好碰到了电极,那么呵呵,你的身体就提供了漏电流的通道。你就可以体验麻酥酥的快感了。

更危险的是,单火开关里面也有个大电容,刚刚开始工作时需要比较大的漏电流,尽快给它充电。这时的电流远远大于了人体能承受的安全值。

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即使单火电子开关处于关闭状态,损坏或断路的灯具两端,仍有触电危险。

 

事实上,根据墙面开关的国家标准:GB 16915.1-2014中,表15对于断开时绝缘性的要求,在2000V或1250V电压下,仍应该保证至少2兆欧的绝缘电阻。市面上大多数单火智能开关,根本无法在断开时承受如此的高压,更无从完成这个测试。

电器强度截图
摘自墙面开关的通用国家标准GB 16915.1-2014,表15

火零接法解决了这些问题吗?

是的。虽然以技术的发展速度,我们不能说火零是唯一的解法,但它是目前最靠谱的一种解法。

当开关闭合时,灯具与控制电路并联,两者的供电是彼此独立互不影响的。当开关断开时,控制电路需要的微弱电流直接流经火线和零线,不流经灯具。灯具完全与火线断开。

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控制电路与灯具独立。闭合时,灯具完全供电;断开时,灯具完全断路,不管灯具是否安装,是否损坏。

只剩最后一个问题,控制部分一直工作,会不会太费电?如果你真的担心费电,建议你夏天把空调调高一度,冬天把暖气降低一度。因为空调少启动1小时,足够一个智能开关工作半年。

 

 

Stick’N’Press诞生志

2013年末,在幻腾推出一套产品之际,我写了这样两篇文字,介绍了我心里的Nova和Stick'N'Press。近日,应公司同事的要求,把这两篇文字找出来。不求完整的介绍两款产品(毕竟两款产品都已有了相应的升级),但求让大家了解两款产品的设计初衷。

SNP随心开关

在你需要的地方等着你

Stick’N’Press随心开关正如其名字所述的一样——随贴随按,完全无线。你可以在家里任何地方安装随心开关以控制Nova灯,不用开墙布线,不用请装修工人。你可以坐在客厅的沙发上,用贴在茶几上的随心开关调节客厅的灯光;可以躺在床上,用贴在床头的随心开关调节卧室或洗手间的灯光;可以在刚刚打开家门时,用门口的随心开关打开卧室的灯光,或在离开时关闭所有的灯光。当然,我们也建议在你已经按了十多年的传统墙面开关旁边贴一个随心开关,这样,享受全新生活方式的同时,你不需要改变养成已久的使用习惯。

不是遥控器,胜似遥控器

说到遥控器,人们会想到电视遥控器、空调遥控器,它们都有很多按钮,一个遥控器控制一个电器,会被丢在沙发上、餐桌上、床上等任何角落了。而Stick’N’Press随心开关虽然可以控制Nova灯,但从其它各个意义上来说,都不像遥控器。

电视节目快要开始了,却怎么也找不到电视遥控器,你是否有过这样的经历?Stick’N’Press随心开关被设计成贴在人们最经常驻足的各个地方,固定不动。一旦养成习惯,即使漆黑的深夜也能毫不费力地使用。

Nova灯有着复杂多变的情景模式,而随心开关却有着简单至极的用户界面:一个轻触按钮,以及简单至极的操作方式:按一下。通过幻腾智能手机APP,你可以配置随心开关的功能:开灯,关灯,或切换情景模式。配置过程全部通过手机和云端完成,一旦配置完成,即使是玩不转手机的爷爷奶奶们,也可以轻松使用。

一个电视遥控器智能控制一台电视,而每一个随心开关都可以控制家中任意的Nova灯,每一个Nova灯都可以被任意的随心开关控制。随心开关和Nova灯的配对关系同样可以通过幻腾智能手机APP进行设置。

魔法源于精心设计

得益于幻腾智能无线网络对于低功耗设备的支持,随心开关的待机功耗仅为3微安,这使得一节内置的纽扣电池可以支持其约5年或150,000次操作的电力。在如此低的耗电量下,随心开关仍能和网络中的所有节点进行双向通讯,从而随时接收和更新配置。

随心开关对Nova灯的控制基于幻腾智能无线网络,而不依赖于互联网和云端。因此,一旦配置正常,即使家里的网络出现不可预期的中断,也不影响随心开关的使用。

我们为随心开关设计了最纤薄的身躯,以便其轻便地贴在任何表面都不显厚重。63mm边长的方形表面与普通墙面开关大小相仿,大小和力度都恰好适合一只手三指并排按压,符合人体工学原理。

Nova诞生志

2013年末,在幻腾推出一套产品之际,我写了这样两篇文字,介绍了我心里的Nova和Stick'N'Press。近日,应公司同事的要求,把这两篇文字找出来。不求完整的介绍两款产品(毕竟两款产品都已有了相应的升级),但求让大家了解两款产品的设计初衷。

Nova2

新星的诞生

Nova,在天文学中意为新星,是最亮的星体之一。Nova灯,正取了新星的“新”和“亮”这两重含义。在幻腾智能的照明系统中,Nova是第一个研发成功并投入生产的,也是首批投入市场的产品,更是笔者接到写产品介绍的任务后,第一个开始写的产品。

爱迪生改进发明白炽灯已有2个世纪的历史。这200年间,人们常用的照明光源由延续百年至今的钨丝白炽灯,到传统镇流器驱动的荧光灯,到电子镇流器驱动的荧光灯,到反激恒流源驱动的发光二极管(LED)灯。技术在进步,而人们使用灯光的习惯却没有改变——开关咔嗒一响,切换白昼和黑夜。

在这日复一日的咔嗒声中,你是否曾期待灯光不是生硬的来去,而是柔和的变化;期待开关不只在那个固定的位置,而是在你需要的地方等你;期待睡前不必离开被窝关灯,再摸黑上床;期待晚上起夜不被刺眼的灯光晃得睡意全无;期待独自努力工作时有清晨般明亮干净的灯光,而陪爱人共进晚餐时有烛光般浪漫柔和的灯光……Nova在这些期待中诞生了。

柔性的灯光

从外观来看,Nova是一颗有着铝质散热外壳的螺口灯泡。E27螺口(最常见的大螺口)意味着Nova可以兼容最常见的传统灯具。作为用户,你不需要对家里原来的灯具做任何工程改动。那么更换一个Nova灯需要几个人?答曰:全家人。一人更换灯泡,而全家人没有人愿意错过这个时刻。(换灯泡笑话)

Nova是一颗LED灯,这意味着它继承了所有LED灯的先天优势——节能。虽然能耗只有5W左右,但Nova的最大亮度相当于一枚60W的传统钨丝白炽灯,或者一个中等大小的紧凑型荧光灯(节能灯)。和其它LED灯的生硬灯光不同的是,Nova的灯光亮度和光线的冷暖都可以调节。可以说,Nova的灯光是“柔性”的,可以根据人们对环境的需要而改变。

如何改变Nova的光线呢?这依赖于Nova内置的幻腾无线网络功能。您可以通过幻腾Stick’N’Press随心开关,在家中各处控制Nova的灯光;也可以通过幻腾智能手机APP在全世界任何可以访问互联网的地方控制家中的Nova。

清晨,Nova可以在闹钟响起前,通过一束柔和的暖色光线将您从深度睡眠中唤醒。白天的时光,Nova以明亮的正白光线伴您工作,令您精力充沛。傍晚,Nova以烛光般的暖色陪伴您和爱人共进晚餐。睡前,您不必下床,就可以通过手机或Stick’N’Press随心开关关灯。深夜起床,将Nova开到夜间亮度,既不会打消您的睡意,也不会影响爱人和孩子。

Nova给人们带来的全新可能性,完全由Nova内部的微处理器进行全数字控制。而你无需对原有的灯具做任何改造,就能开始享受这样的柔性灯光。

魔法源于精心设计

Nova简洁的外表下面,是幻腾开发人员的精心设计。我们通过调节通过LED的平均电流来达到对发光亮度的精确调节。为了适应人眼对于亮度的感知特点,我们特意为Nova的亮度调节设计了指数调光曲线。我们将正白色和暖白色的高质量5730 LED光源并排放在一起,并分别控制平均电流,从而达到了对于光线色温的调节。有趣的是,苹果iPhone 5S的闪光灯也使用了和Nova类似的色温调节技术。

就像每颗新星内部都在进行炽热的核聚变反应,每颗Nova灯内,都有一个强大的核心——一颗32位微处理器。如果倒退20年,这颗微处理器的性能可以秒杀任何一台个人计算机。处理器精确控制两路LED的电流,精度达到5600级,远远超过人眼可以感知的级别。

Nova灯内部的2.4G无线通讯芯片,和所有其他幻腾智能产品共同构建了一个无线网络。不必担心无线的辐射,因为它实际辐射的能量比WIFI网络还小,是手机通话的1/20一下。顺便说一句,担心WIFI的辐射也是没有必要的。由于无线信号的衰减和距离的平方成正比,离开无线路由器1m远,其信号强度就和空中无处不在的其它信号(比如收音机)不相上下了。

Nova灯由其中的一颗高效直流电源提供电力。直流电源一方面为处理器逻辑电路提供稳定的直流电,另一方面也保证了LED发光的稳定无闪烁。每一颗Nova灯在出厂前,都要经过高温老化测试,保证其工作稳定。为了延长LED灯珠的寿命,我们在每颗Nova内实际安装了可达6W的LED元件,却让它们只工作到极限的85%。对灯珠好一点,它们就会亮得持久很多。

所有的魔法,都被隐藏在LED光源之下的导热灌封胶中,露出表面的只有一小截白色天线,以及Nova带来的无限可能。

水,究竟有没有必要节约用

先提出个小问题,正是这个问题让我产生了下面的诸多思考。一次在机场安检前,包里还有两瓶尚未开封的纯净水需要处理。有如下三种方法,哪一种更加环保呢?
A. 连瓶带水丢到垃圾桶
B. 把水倒在地上(假设在户外),把瓶丢到垃圾桶
C. 把水倒到洗手间,把瓶丢到垃圾桶
我会在文章最后给出这个问题的分析。

节约用水,这是几乎每个中国孩子从小学前就开始被教育的观念。百度一下“节约”二字,第一个提示就是“节约用水”,并配以满屏各式各样的节水宣传海报。

从小就以环保主义者自居的我,对一切物料和能源都很珍惜。我一直相信,节约并不是为了省钱,在节约面前,任何物料或能源,不分贵贱,都是平等的。对于那些小学并没有重点教育的资源尚且珍惜如金,对于明星资源“水”,我自然是格外节约。

初到美国时,开始注意到了美国人的“节约”观念——美国人的节约,是建立在不牺牲哪怕一丁点质量或效果上的。只有当效果不打折扣时,他们才会考虑到节约。(当然,如果看不见的手过于强力时,他们也会为钞票委屈一下的。)因此,他们给从小接受节约教育的中国人的印象通常是——有钱任性、浪费无度。

很快我又注意到,美国人的“绿色”、“低碳”宣传,似乎从来没有节约用水这么一条。更有趣的是,几乎所有的出租房,房租都包水,而燃气、电、网、电视、甚至垃圾处理可能都要另收费。这就使得“水”就连经济杠杆这最重要的节约动力也失去了。我记得曾经连续几个星期,每晚听到隔壁的住户开大水泡浴缸,哗哗哗地真心疼。

另一个例子来自女票讲的美国的幼儿园。幼儿园教孩子洗手的正确流程中,擦香皂时是绝不能关掉水龙头的。洗完手后,也不能立刻关水,要用纸巾先擦干手后,垫着纸巾去关龙头。一切的理由都是:卫生。

我曾一直以为美国人不提节水,是因为以他们的浪费本性,水是生活质量的最基本保证,因此不能妥协。“洒家就是想天天泡澡,不想淋浴!” “为了节约一升水,手上多了100个细菌,万万不可!”

直到我遇到开篇的问题,产生了对水资源的一连串思考,终于动摇了我从小到大最基础的认识:“水资源,究竟有没有必要节约?”

中学地理课学过,地表的淡水会形成一个巨大的循环过滤系统。地面的水渗入地下并最终流入江河湖海,江河湖海的水自然蒸发形成云(这样就只有淡水了),再下雨落到陆地上。由于水的化学结构非常稳定,在自然界中几乎只作为溶剂,而不参与化学反应,因此地球上的水虽然形态各异(汽、液、冰川雪山等等),但数量几乎是不增不减。

既然总量不变,为什么会缺水?原因有三:

第一,水本身分布不均。我国南方常常发洪水,而北方旱得地表开裂也是常有的。

第二,自来水生产能力不足。干净的河湖淡水,还需要经过严格的过滤消毒,才能进入自来水管。若是这步处理跟不上,自然不够用。

第三,污水净化能力不足。污水如果都靠自然净化,那净化的速度远不及人们用的速度,水没减少,但都变成污水了。

以上三点,都是可以通过人力解决的:一、南水北调,二、建一堆自来水厂,三、建一堆污水处理厂。然而,解决问题时,需要耗费大量的人力物力或资源。一自不必说,二三的工厂本身,在做水处理时,需要消耗其他形式的能源。

讨论至此,我们知道美国人为什么不考虑节约用水了。人家有钱,输水、建厂都不成问题。人家还有技术,处理水效率高耗能低。上述三点都搞定了,人家自然可以随便泡浴缸。而咱们缺的不是水,而是钱和技术。

试想,如果外星人给了咱们一个装置,可以把一切流过的污水净化成纯净水,那么只要每家每户装一个,水就取之不尽了。事实上,在天宫或ISS上,正是用这种近乎零消耗的净化技术,实现水循环的。

那么,究竟有没有必要节约水?答案是肯定的。其实,我们节约的并不是水资源本身,而是输水工程耗费的资源、生产自来水消耗的能源、以及处理污水消耗的能源。对于全世界都是如此。而对于并不发达的天朝来讲,节水更加重要。

回到开头的问题。我认为,B是最佳选项。如果选A,那么最糟糕的情况是,这500ml水将和塑料瓶一起被填埋到垃圾场,几乎永远从地表水循环中失去。其次是C,清水倒入下水道,会和污水混合,不得不经过整个污水处理系统,消耗能源。而B选项,这部分清水可以直接蒸发,抄近路回到大自然中。