專利名稱：一種兩線制交流開關(guān)的寄生直流電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明解決在兩線制(或稱單刀、單極等)開關(guān)的交流線路上實(shí)施電子控制升級(jí)時(shí)遇到的如何利用回路的交流電而獲取電子線路所需直流電源以及相關(guān)交流負(fù)載和直流負(fù)載出現(xiàn)變動(dòng)時(shí)的適應(yīng)性問題和斷態(tài)半開問題。實(shí)施主要針對(duì)墻壁開關(guān)，但原理適合其它應(yīng)用。
背景技術(shù)：
一般意義上的開關(guān)(或稱機(jī)械開關(guān)、理想開關(guān))在接通時(shí)(通態(tài))，兩端電阻為零，電壓也為零。因此人們有理由認(rèn)為寄生直流電的獲得關(guān)鍵在如何處理開關(guān)的通態(tài)機(jī)制。事實(shí)上，在上世紀(jì)80年代初已有文獻(xiàn)記載兩線制交流開關(guān)的寄生直流電源的電路[參考文件1]，其取電方式不是像延時(shí)息滅開關(guān)那樣來自斷態(tài)而是來自通態(tài)。目前直流電的通態(tài)寄生主要是通過在交流電周期的特定低壓區(qū)間截取部分或全部獲得。部分截取時(shí)交流負(fù)載上會(huì)有斷流，否則是全部截取，盡管這并不意味被截流的電能100％能被直流負(fù)載使用。截取時(shí)開關(guān)兩端存在高于所需直流電壓的交流平均電壓，直流負(fù)載因此獲得部分電流分配。而經(jīng)過這種處理，負(fù)載是“感覺不到的”。也有寄生電路是截取若干個(gè)整半波的，這對(duì)加熱器負(fù)載“沒有感覺”但對(duì)燈具就“感覺明顯”[參考文件2]。且這種處理的電路成本高，本文不作考慮。在整個(gè)通態(tài)中電流直接流向交流負(fù)載的線路是主通路，實(shí)現(xiàn)寄生電源的通路是支路或稱寄生通路。低壓區(qū)間的截取機(jī)制有以晶體管做開關(guān)的后沿截取[參考文件3]和以可控硅做開關(guān)的前沿截取。前者優(yōu)點(diǎn)是電磁污染少，但線路略復(fù)雜，目前多數(shù)情況采用后者，以下討論將針對(duì)后者。對(duì)開關(guān)元件的一項(xiàng)必要要求是它們能在交流半波的某一區(qū)間內(nèi)關(guān)斷。如電磁繼電器是不具有這一性能的。其次在線路拓?fù)渖?，該開關(guān)元件必須位于與負(fù)載串聯(lián)的主通路上，即必須承受截電以外所有的負(fù)載電流，因此以下它也被稱為主開關(guān)或截電開關(guān)。主開關(guān)為晶體管或單向可控硅時(shí)，在大負(fù)載時(shí)存在整流電路熱損耗大、成本高的缺點(diǎn)，以下討論中將進(jìn)一步以雙向可控硅為主，圖1是描繪這種電路主要特征的框圖。圖中降壓電路可位于整流路之前，也可位于整流電路之后。為展開后面的討論，在此定義包含負(fù)載兩端的電路屬負(fù)載端或負(fù)載側(cè)(圖中1)，而包含開關(guān)兩端的電路屬開關(guān)本身(圖中2)?？紤]交流電流向時(shí)，上端為正是正半周，正半周電流先到點(diǎn)為較前點(diǎn)。
由于機(jī)械開關(guān)在斷態(tài)時(shí)，兩端的電壓就是電源電壓。因此，以電子開關(guān)替換機(jī)械開關(guān)在斷態(tài)時(shí)獲取直流電是容易的，就是一般的降壓整流或整流降壓7、8、穩(wěn)壓9和濾波10的工作。雖然這時(shí)交流負(fù)載3上也有電流流過，但只要所需的直流電流不大，電流流經(jīng)交流負(fù)載3時(shí)是“感覺不到”的。為實(shí)現(xiàn)通態(tài)時(shí)的直流電截取，只要可控硅5通態(tài)時(shí)的導(dǎo)通角小于半波，兩線制開關(guān)2兩端就可以形成平均電壓高于直流電壓的交流電壓，如果直流負(fù)載11充分地小，穩(wěn)壓電路9前的降壓元件通態(tài)與斷態(tài)還可以共用[參考文件3、4]。這種方案是最簡單的，但也是問題最多的——存在交流負(fù)載3和直流負(fù)載11的嚴(yán)重不適應(yīng)。由于單一的降壓元件阻抗值是固定的，為使在兩線制開關(guān)2通態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)更大的直流負(fù)載11，增加直流供電電流，該降壓元件的阻抗值必須很小。這樣，換成斷態(tài)時(shí)，交流負(fù)載3就很可能不再是“感覺不到”了，即容易引發(fā)負(fù)載的半開現(xiàn)象(燈具的微光、閃爍等)，且穩(wěn)壓電路9要承受很高的電壓。在交流負(fù)載3方面，如果負(fù)載由大變小(阻抗由小變大)，為維持直流負(fù)載11的供電，在通態(tài)時(shí)只能將可控硅5的導(dǎo)通角減小，若交流負(fù)載3是燈具就會(huì)造成“暗者更暗”的局面[參考文件5]。一般單阻抗降壓電路只用于直流供電非常有限的開關(guān)(如延時(shí)熄滅開關(guān))，且負(fù)載功率值有一定限制，通態(tài)功率因素低(導(dǎo)通角小)。
作為改進(jìn)，人們?cè)诜€(wěn)壓電路9前設(shè)計(jì)了雙阻抗元件降壓通態(tài)時(shí)電流自然流向比斷態(tài)時(shí)更小[參考文件6]甚至為零[參考文件7]的電阻元件，部分地緩解了通態(tài)時(shí)要求有足夠大的電流而斷態(tài)時(shí)流經(jīng)負(fù)載的電流要求足夠小的矛盾。被截流的電流更有效(損耗小)地提供給了直流負(fù)載11。但另方面，兩線制開關(guān)2就只有通斷功能而沒有調(diào)節(jié)的功能了?，F(xiàn)在通態(tài)時(shí)影響給直流負(fù)載11供電多少的因素就剩下電流截取的時(shí)間長短了。截電時(shí)間過長會(huì)增加穩(wěn)壓電路9的輸入電壓，縮短兩線制開關(guān)2的導(dǎo)通時(shí)間，減小線路的功率因素；截電時(shí)間過短則驅(qū)動(dòng)不起直流負(fù)載11，達(dá)不到設(shè)計(jì)電壓。在用可控硅截電的兩線制開關(guān)2中穩(wěn)壓電路9的鉗位功能對(duì)前級(jí)電路的反作用可以推遲可控硅觸發(fā)電路6的觸發(fā)時(shí)間，可見穩(wěn)壓電路9中使用穩(wěn)壓二極管以外的穩(wěn)壓電路(如先進(jìn)的線性或開關(guān)型穩(wěn)壓器件)，對(duì)截電時(shí)間未必有幫助。直流電的取電過程從交流電位超過直流電位開始到交流電位掙脫穩(wěn)壓鉗位至可控硅5打開時(shí)結(jié)束。以下的分析說明這些電路[參考文件6、7]的截電時(shí)間是會(huì)隨交流負(fù)載3的增大而減小從而影響它們的負(fù)載適應(yīng)性的。
首先給出它們通態(tài)時(shí)的簡化等效電路，見附圖2。12是交流負(fù)載3的等效電阻，13是降壓整流電路7、8，穩(wěn)壓電路9，濾波電路10，直流負(fù)載11的等效電阻(略去直流電路中的鉗位不影響定性分析的結(jié)論)。圖3是可由實(shí)驗(yàn)在示波器看到或仿真工具得出的圖2可控硅5兩端在截電前后的電位隨時(shí)間變化的三條曲線，曲線15、16、17分別對(duì)應(yīng)的等效電阻12為2200歐、1200歐和200歐(限流電阻14取1K左右、穩(wěn)壓二極管約25V)。曲線表明，等效電阻12從2200歐降到200歐時(shí)，截電時(shí)間從1.2毫秒降至0.5毫秒。原因是等效電阻12的減小導(dǎo)致交流電源電壓4在等效電阻12與等效電阻13的分壓點(diǎn)A電位的絕對(duì)值的抬高，曲線的斜率增大，也意味著可控硅5觸發(fā)電壓的提前到來，從而導(dǎo)致截電過程提前結(jié)束，造成等效電阻13上供電不足。
設(shè)想這種電路要維持低阻抗交流負(fù)載3(例如200歐)時(shí)通態(tài)對(duì)直流負(fù)載11的供電，并通過設(shè)定交流電過零后可控硅5推遲的觸發(fā)電壓，該電壓已能為直流負(fù)載11取得足夠的供電。換成高阻抗交流負(fù)載3后(例如2200歐)，觸發(fā)電壓不可按交流負(fù)載變化而調(diào)整，截電時(shí)間就要成倍增加。這時(shí)穩(wěn)壓二極管會(huì)遇到很大的反壓，使功耗大增至1瓦以上，這會(huì)縮短元件壽命，增大影響控制線路的諧波(做成遙控開關(guān)時(shí)影響控制距離)，降低交流線路的功率因素，原來足夠的截電量現(xiàn)在變成多余的甚至是有害的了。
電路的另一缺點(diǎn)是，只有在兩線制開關(guān)2兩端電位升高到高于直流負(fù)載11電位(由穩(wěn)壓電路9、濾波電路10維持)時(shí)，才能給直流負(fù)載11供電，之前的截電區(qū)間時(shí)間里，包括交流負(fù)載3的整個(gè)回路都是斷流的，因而屬部分截電。
前面提到對(duì)截電開關(guān)元件的要求時(shí)已說明，它就在電流主通路上，因此[參考文件6、7]在通態(tài)時(shí)在主通路上用另一只開關(guān)元件串聯(lián)截電開關(guān)并不合理。雖然該開關(guān)元件在雙降壓元件電路中起切換通態(tài)降壓與斷態(tài)降壓的作用，使通態(tài)降壓與斷態(tài)降壓的切換點(diǎn)位于主通路上。但由于它必須承受與截電開關(guān)元件同樣甚至更大的負(fù)荷，會(huì)使材料成本增加。如使用的是繼電器更會(huì)增加直流負(fù)載11的負(fù)荷。
以上討論的大部分設(shè)計(jì)中都只注意到開關(guān)的通態(tài)而忽略了斷態(tài)可能存在的問題。斷態(tài)時(shí)最突出的問題是交流負(fù)載3的半開問題。所謂半開問題就是交流負(fù)載3在斷態(tài)時(shí)因維持兩線制開關(guān)2供電的需要，流經(jīng)它的電流已經(jīng)到了超出人們對(duì)斷態(tài)感覺的地步了，具體表現(xiàn)是燈具的暗光或閃爍。事實(shí)上，整流降壓電路7、8，穩(wěn)壓電路9、濾波電路10和直流負(fù)11載構(gòu)成了開關(guān)元件的旁路，只要該旁路存在，采用什么元件做開關(guān)元件都對(duì)半開現(xiàn)象無濟(jì)于事(開關(guān)元件的換向關(guān)斷能力屬另外范疇)。不存在對(duì)所有類型負(fù)載都必然出現(xiàn)半開現(xiàn)象的特定電壓值或電流值。一般電流越小，半開現(xiàn)象出現(xiàn)的概率就越小，所以減小或至少在斷態(tài)時(shí)減小給直流負(fù)載11的供電是可以減小交流負(fù)載3的半開現(xiàn)象發(fā)生的。但只要交流負(fù)載3兩端有電壓，半開隱患就不能排除。高內(nèi)阻的較低內(nèi)阻的白熾燈容易出現(xiàn)半開，因?yàn)榈凸β实墓庠磳?duì)小電流更敏感。熒光燈出現(xiàn)半開現(xiàn)象與否因鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)而異。有時(shí)半開現(xiàn)象白天感覺不到，要到夜晚才有感覺。這一切都是因?yàn)橹绷髫?fù)載11不僅是開關(guān)通態(tài)時(shí)需要供電，在斷態(tài)時(shí)同樣需要供電的緣故。
在另一方面，即便采用了分別應(yīng)對(duì)通態(tài)與斷態(tài)的雙降壓元件對(duì)策，斷態(tài)時(shí)仍面臨前述的單降壓元件在斷態(tài)時(shí)面對(duì)負(fù)載阻抗大范圍變動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的問題。一般的設(shè)計(jì)是根據(jù)直流負(fù)載所需的最高電流，確定串聯(lián)回路中交流負(fù)載的最大阻抗(最小功率)，確?；芈冯娏?，更大阻抗時(shí)禁用。面對(duì)交流負(fù)載阻抗大幅度減小，穩(wěn)壓電路輸入端電壓大幅度提高時(shí)，穩(wěn)壓二極管會(huì)遇到很大的反壓，使功耗大增至1瓦以上，這一方面會(huì)縮短元件壽命，增大影響控制線路的諧波，另方面不符合節(jié)能，影響市場(chǎng)推廣。
在[參考文件7]中，也出現(xiàn)了把開關(guān)的整個(gè)工作電路延伸至交流負(fù)載一側(cè)1的嘗試，但在斷態(tài)時(shí)交流負(fù)載3仍處在回路中，不能排除出現(xiàn)半開現(xiàn)象的可能。此外上述交流負(fù)載3阻抗由大變小時(shí)產(chǎn)生的高反壓問題也未能在這一嘗試中解決。
綜上所述，在先文件的兩線制電子開關(guān)的電源電路未能較好地兼顧通態(tài)與斷態(tài)以及交流負(fù)載和直流負(fù)載的大范圍變動(dòng)。在斷態(tài)情況下存在半開隱患。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)帶雙降壓元件，只提供通斷兩種工作狀態(tài)(自身無功率調(diào)節(jié))的電子開關(guān)，提出1)改進(jìn)的通斷態(tài)切換點(diǎn)位及其實(shí)現(xiàn)器件、電路，降壓元件。2)斷態(tài)時(shí)起關(guān)鍵作用的位于交流負(fù)載側(cè)1的延伸電路——續(xù)流電路。它的引入增加了安裝的復(fù)雜性，是不得已的。
圖4是位于開關(guān)側(cè)2能實(shí)施通斷態(tài)切換的基本開關(guān)電路，圖5和圖6分別給出了位于交流負(fù)載側(cè)1，插入開關(guān)25用電磁繼電器和可控硅實(shí)現(xiàn)的3端口基本續(xù)流電路。基本開關(guān)電路中包括主開關(guān)5；斷態(tài)降壓元件20、通態(tài)降壓元件19，它們都位于整流電路8之前且為電容器；通斷態(tài)切換的支路開關(guān)18，它位于通態(tài)降壓元件19之前，由于是位于通往整流電路8的支路，平均電流大幅減小，因而可用低負(fù)荷開關(guān)實(shí)現(xiàn)；支路開關(guān)觸發(fā)器件21為光藕合觸發(fā)器，通斷信號(hào)輸入點(diǎn)22受到隔離。開關(guān)電路2的通斷態(tài)受光藕合觸發(fā)器21中的發(fā)光二極管端22的控制.。續(xù)流電路則由插入開關(guān)25、續(xù)流電容24和通斷態(tài)檢測(cè)電路23構(gòu)成。3個(gè)端口分別為與交流負(fù)載3、交流電源4相接的公共端26，與交流負(fù)載3相接的負(fù)載端27和與插入開關(guān)25相接的開關(guān)端28。
通態(tài)時(shí)，在開關(guān)側(cè)2，光藕合觸發(fā)器輸入端22維持控制電流。交流電源4過零后主開關(guān)5關(guān)閉，支路開關(guān)18打開。交流電源4選擇向阻抗較小的通態(tài)降壓電容15充電。直至A點(diǎn)到達(dá)使主開關(guān)5觸發(fā)的電位。在這過程中，通態(tài)降壓電容19也利用自身的剩余電荷向整流電路8方向充電，同時(shí)電流也會(huì)出現(xiàn)在交流負(fù)載3上。而在主開關(guān)5觸發(fā)后，交流電源4電流全部流向交流負(fù)載3。在固定的主開關(guān)5的觸發(fā)電壓下，整流電路8方向獲得的電量多少取決于斷態(tài)降壓電容17的容量而與交流負(fù)載3的阻抗大小無關(guān)。交流負(fù)載的阻抗大小變化只會(huì)影響充電時(shí)間，但不影響充電電量。這時(shí)，只要根據(jù)直流負(fù)載11的大與小選擇通態(tài)降壓電容19的大與小，通態(tài)時(shí)的直流負(fù)載11的供電就有保證。也正因?yàn)槿绱?，交流?fù)載側(cè)1在通態(tài)時(shí)，是否存在其它接入電路對(duì)直流負(fù)載11穩(wěn)定性無影響。如交流負(fù)載側(cè)1接有續(xù)流電路，就相當(dāng)于在交流負(fù)載3上多并聯(lián)了續(xù)流電容24和通斷態(tài)檢測(cè)電路23。通斷態(tài)檢測(cè)電路23使插入開關(guān)25接通。
斷態(tài)時(shí)，在開關(guān)側(cè)2，22端沒有控制電流，支路開關(guān)18的門極因觸發(fā)器件21阻斷而關(guān)閉。A點(diǎn)電位不足以使主開關(guān)5觸發(fā)，主開關(guān)5關(guān)閉。交流電源4的電流由斷態(tài)降壓元件20，經(jīng)整流8、穩(wěn)壓9、濾波10流向直流負(fù)載11。而在交流負(fù)載側(cè)1，只要開關(guān)側(cè)2呈現(xiàn)相對(duì)高阻，續(xù)流電路的通斷態(tài)檢測(cè)電路23到達(dá)檢測(cè)閾值，就能使相關(guān)聯(lián)的插入開關(guān)25關(guān)閉。在續(xù)流電路中，續(xù)流電容24、通斷態(tài)檢測(cè)電路23對(duì)插入開關(guān)25沒有旁路作用。因此交流負(fù)載3不會(huì)半開。這時(shí)交流負(fù)載側(cè)1就只有續(xù)流電容24和通斷態(tài)檢測(cè)電路23在交流回路內(nèi)，這些都可以視作阻抗恒定的負(fù)載，不會(huì)因此影響開關(guān)側(cè)2的穩(wěn)壓電路輸入而影響直流負(fù)載11的穩(wěn)定性。且斷態(tài)時(shí)，直流負(fù)載11的電流可以通過交流電源4的電壓與續(xù)流電容24串聯(lián)斷態(tài)降壓電容20后的阻抗計(jì)算出來。
到此，直流負(fù)載的穩(wěn)定性得到解決，無論交流負(fù)載阻抗發(fā)生什么變化，也無論是在通態(tài)還是在斷態(tài)。


圖1 帶寄生直流電源的兩線制交流開關(guān)的主要構(gòu)成框圖。
圖2 部分在先文件的開關(guān)電路在通態(tài)時(shí)的簡化電路。
圖3 圖2電路的實(shí)驗(yàn)曲線。橫軸為時(shí)間，縱軸是可控硅兩端電壓。
圖4 帶雙降壓電容切換產(chǎn)生寄生直流電源的開關(guān)主體。
圖5 用繼電器實(shí)現(xiàn)的續(xù)流器。
圖6 用可控硅實(shí)現(xiàn)的續(xù)流器。
圖7 帶雙降壓電容切換產(chǎn)生寄生直流電源的實(shí)際應(yīng)用——一種開關(guān)的底座。
圖8 作為產(chǎn)品時(shí)的續(xù)流電路。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的直流電源電路將作為新型電子開關(guān)底座部分圖7的核心。它負(fù)責(zé)給控制線路的面板提供多組電源。在遇到有多路開關(guān)的設(shè)計(jì)時(shí)，只選其中一路用做寄生電源。面板通過控制底座光藕輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)各路開關(guān)的控制。
用可控硅實(shí)現(xiàn)的續(xù)流電路沒有噪聲，但在體積、特別在續(xù)流電路優(yōu)化時(shí)的成本方面沒有優(yōu)勢(shì)(涉及常閉型固態(tài)繼電器)。續(xù)流電路的優(yōu)化是將其中的插入開關(guān)做成2擲開關(guān)，使通態(tài)時(shí)續(xù)流電容斷開。用意是提高線路的功率因素。圖8是用繼電器實(shí)現(xiàn)的實(shí)際續(xù)流電路。續(xù)流電容24接插座30時(shí)是優(yōu)化接法，接29是非優(yōu)化接法。對(duì)阻抗較高的負(fù)載，優(yōu)化會(huì)使通斷態(tài)檢測(cè)電路斷態(tài)時(shí)達(dá)不到檢測(cè)閾值，這時(shí)可使用非優(yōu)化接法。
續(xù)流電路是開關(guān)底座的必配件。由于續(xù)流電容體積較大，為盡可能將續(xù)流電路在現(xiàn)有的電氣安裝中隱藏起來，把續(xù)流電容單獨(dú)分開，兩端帶上插頭。續(xù)流電路的其余部分設(shè)計(jì)在另一小塑盒中并稱為續(xù)流器。目前，續(xù)流電路可以嵌入T8/T12熒光燈的大部分支架、吸頂燈具、部分墻壁插座。在續(xù)流電路無法隱藏時(shí)，提供續(xù)流電路封裝盒，把續(xù)流器與續(xù)流電容裝起來，保持線路的外在美觀。
權(quán)利要求
1一種兩線制交流開關(guān)寄生直流電源電路由半導(dǎo)體主開關(guān)、降壓元件、整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路構(gòu)成，其特征是在通態(tài)控制信號(hào)下，交流電流半波過零后在半導(dǎo)體主開關(guān)打開前先通過支路開關(guān)從整流電路前的雙降壓元件中選擇低阻抗的通態(tài)降壓元件經(jīng)過，且雙降壓元件均為電容器，再經(jīng)整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路等之后向直流負(fù)載供電。
2一種兩線制交流開關(guān)寄生直流電源電路由半導(dǎo)體主開關(guān)、降壓元件、整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路構(gòu)成，其特征是在斷態(tài)控制信號(hào)下，開關(guān)側(cè)呈相對(duì)高阻，在交流負(fù)載側(cè)的續(xù)流電路的通斷態(tài)檢測(cè)電路將續(xù)流電路的插入開關(guān)斷開，關(guān)閉交流負(fù)載電流，交流電流經(jīng)續(xù)流電容、開關(guān)側(cè)的斷態(tài)降壓元件、整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路等之后向直流負(fù)載供電。
全文摘要
一種兩線制電子開關(guān)的寄生取電電路可使寄生的低壓直流電在負(fù)載變動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性大幅提高且無斷態(tài)半開現(xiàn)象。
文檔編號(hào)H03K17/72GK101083437SQ20071002637
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月18日
發(fā)明者馮家寧 申請(qǐng)人:馮家寧