CN101176129B - 用于调光器开关的状态指示器电路 - Google Patents

Abstract

一种用于控制从AC电源输送到电力负载的电量的负载控制装置，该负载控制装置包括半导体开关，该半导体开关具有控制输入端、触发电路、计时电路以及状态指示器电路。优选地，所述状态指示器电路包括在整流桥中的发光二极管。在第一实施方式中，所述状态指示器电路与计时电路中的电容器串联耦合，从而当负载未通电时，所述状态指示器处于微光状态，而当负载通电时，所述状态指示器处于亮光状态。在第二实施方式中，所述状态指示器电路与半导体开关的控制输入端串联耦合，从而当负载未通电时，所述状态指示器不发光，而当负载通电时，所述状态指示器发光。

Description

用于调光器开关的状态指示器电路

相关申请 

本申请涉及于2005年5月16日公开的与本申请同名的共同转让的美国专利No.60/681,276，其全部内容结合于此作为参考。 

技术领域

本发明涉及用于控制照明负载的亮度的调光器，特别涉及包括状态灯的调光器，当照明负载未通电时，所述状态灯不亮或者处于微光状态，当照明负载通电时，所述状态灯正常发光。 

背景技术

传统的双线调光器具有两条接线：连接至交流(AC)电源的“热(hot)”接线和连接至照明负载的“调光热(dimmed hot)”接线。标准的调光器使用一个或多个半导体开关，如触发三极管或场效应晶体管(FET)来控制向照明负载输送的电流从而控制光的强度。所述半导体开关被典型地耦合在调光器的热接线和调光热接线之间。 

标准的壁挂式调光器包括用户接口，该用户接口具有用于调节照明负载的亮度的装置，例如线性滑动块、旋转式按钮或摇杆开关。某些调光器还包括能够触发照明负载由关(照明负载未通电)到开(照明负载通电以发光)的按钮。用户接口包括状态指示器是可取的，所述状态指示器如小灯泡或者发光二极管(LED)可用于指示照明负载的状态，即是开还是关。 

许多现有技术的调光器包括合并夜间照明灯(incorporated night-lights)，当与之连接的照明负载处于关闭状态时，该夜间照明灯发光；当与之连接的照明负载处于开启状态时，该夜间照明灯发出微光或不发光。于1975年2 月4日授权的名为“DIMMER SWITCH WITH ILLUMINATED KNOB”的美国专利NO.3,864,561中公开了这种调光器的实例。这类调光器包括霓虹灯，或者等效光源，以及一系列的限流阻抗。所述霓虹灯和阻抗与半导体开关并连，从而当半导体开关不导通时，霓虹灯两端存在电压。因此，所述霓虹灯的亮度将和所连接的照明负载的亮度成反比。然而，尽管这种使夜光装置发光的传统提供了所连接照明负载的状态指示，但与人们一般希望的是相反的，人们认为照明负载开启时状态指示灯应该亮，而照明负载关闭时状态指示灯灭。 

于1991年5月21日授权的名为“INDICATOR LAMP SYSTEM”的美国专利No.5,017,837公开了一种具有指示灯的负载控制系统，该指示灯当负载未通电时发出微光，当负载通电时发出较亮的光。当照明负载关闭时所述微光足够在黑暗房间中被看清。然而，除了半导体开关以及相关的用于控制通过所连接的照明负载的电流的控制电路外，所述系统还需要许多的电子器件，这就使得调光器的成本更高，而其印刷电路板上的空间有限。 

由于包括了微控制器或者其他具有高级控制特性并能够进行终端用户选择反馈的处理装置，某些现有技术的调光器被视为“智能”调光器。于1993年9月28日授权的名为“LIGHTING CONTROL DEVICE”的共同转让的美国专利No.5,248,919中公开了智能调光器的实例，其全部内容结合于此作为参考。特别的，智能调光器包括大量用于接收用户输入的触发器，以及大量用于向用户反馈的LED。为了提供直流(DC)电压驱动微处理器和LED，所述调光器包括电源。在双线智能调光器中，当半导体开关不导通时，电源只能使很小的电流通过照明负载。为了给用户提供LED反馈，智能调光器需要包括微处理器和电源，这样就增加了调光器的成本和设计要求。 

因此，需要一种简单的状态指示器电路，该状态指示器电路不需要电源或许多其它元件，并能够实现当照明负载关闭时熄灭或发出微光，当照明负载开启时发出亮光的功能。

发明内容

根据本发明，提供一种用于控制从AC电源输送到电力负载的电量的负载控制装置，该装置包括耦合于AC电源和电力负载之间的用于控制输送到电力负载的电量的可控导电设备。耦合于AC电源和照明负载之间的具有用于提供计时信号的输出端的计时电路。耦合于所述计时电路的输出端和可控导电设备的控制输入端之间的触发电路。所述触发电路能够响应于计时信号通过控制输入端传导控制电流。所述调光器还包括状态指示器电路，该状态指示器电路用于传导控制电流并响应于此电流而提供状态指示。 

根据本发明的第一实施方式，状态指示器电路与半导体开关的控制输入端串联电连接，从而当电力负载未通电时，状态指示器不发光，当电力负载通电时，状态指示器发光。 

根据本发明的第二实施方式，状态指示器电路与计时电路的电容器串联电连接，从而当电力负载未通电时，状态指示器发出微光，当电力负载通电时，状态指示器发出亮光。 

根据本发明的另一实施方式，提供一种用于控制从AC电源输送到电力负载的电量的装置，该装置包括双向半导体开关、计时电路、整流桥、触发电路、光耦合器以及可发光的状态指示器。双向半导体开关耦合于AC电源和电力负载之间。计时电路耦合于AC电源和电力负载之间并具有用于提供计时信号的输出端。整流桥具有AC端和DC端，所述AC端耦合至计时电路以接收计时信号。触发电路与整流桥的DC端串联电连接，并以击穿电压为特征。当触发电路两端的电压超过其击穿电压时，触发电路能够传导控制电流。光耦合器具有与触发电路串联电连接的输入端以及耦合至半导体开关的控制输入端的输出端。当触发电路和光耦合器的输入端传导控制电流时 光耦合器的输出端能够通过半导体开关的控制输入端来传导门电流，从而使得半导体开关导电。可发光的状态指示器与触发电路和光耦合器的输入端串联电连接。当电力负载通电时，状态指示器发光，当电力负载未通电时，状态指示器不发光。优选地，调光器还包括与触发电路和光耦合器的输入端串联电连接的限流电路，该限流电路用于限制控制电流的幅值。 

可替换地，可发光的状态指示器可以与触发电路串联电连接，并与光耦合器的输入端并联电连接。因此，限流电路具有与光耦合器的输入端串联电连接的第一限流部分，该第一限流部分用于限制通过输入端的电流的幅值，并具有与可发光的状态指示器串联电连接的第二限流部分，该第二限流部分用于限制通过状态显示器的电流的幅值。 

此外，本发明还提供了一种方法，该方法在负载控制设备上提供一种用于控制从AC电源输送到电力负载的电量的可发光的状态指示器。该方法包括以下步骤：(1)将可控导电设备串联电连接于AC电源和电力负载之间以控制输送到电力负载的电量；(2)通过计时电容器传导充电电流；(3)响应于传导充电电流的步骤而通过触发装置传导控制电流；以及(4)响应于传导控制电流的步骤而通过可控导电设备的控制输入端传导门电流。可发光的状态指示器响应于传导控制电流的步骤而发光。优选地，可发光的状态指示器还能够响应于传导充电电流而发光。 

附图说明

图1显示了具有状态指示器的调光器的用户接口； 

图2显示了根据本发明第一实施方式的包括状态LED的双线调光器的示意图； 

图3显示了根据本发明第二实施方式的包括状态LED的双线调光器的示意图； 

图4显示了根据本发明第三实施方式的包括状态LED的双线调光器的示意图； 

图5显示了根据本发明第四实施方式的包括状态LED的双线调光器的示意图； 

图6显示了根据本发明第五实施方式的包括状态LED的双线调光器的示意图。 

具体实施方式

结合附图，以上概述和接下来对优选实施方式的详细描述能够得到更好的理解。为了说明本发明，优选实施方式以附图方式给出，其中同样的数字用于表示附图中类似的部分。尽管如此，应当理解的是，本发明不仅限于此处特定公开的方法和手段。 

图1显示了具有状态指示器12的调光器10的用户接口。状态指示器12作为调光器10上的按钮14的一部分，由透明的塑料片做成，以将来自调光器内部的发光二极管(LED)的光传导至调光器的用户接口。按钮14控制调光器10内部的机械开关，从而按钮14的触发将使所连接的照明负载在开启和关闭之间切换。附着在滑道18上的按钮16用于调整所连接的照明负载的亮度。将按钮16上移至滑道18的顶端可增加照明负载的亮度，而将按钮16下移至滑道18的底端可减小照明负载的亮度。 

图2显示了根据本发明第一实施方式的包括状态LED 145的双线调光器100。双线调光器100具有两个接线端：与交流(AC)电源104相连的热端102以及与照明负载108相连的调光热接线端106。机械开关S10与热端串    联，并通过用户接口的按钮14的触发来实现在断开和闭合状态之间的切换。当S10断开时，AC电源104与照明负载108完全分离，因此照明负载不发光。调光器100还使用电感器L10来输入噪声/电磁干扰(EMI)滤波。 

调光器100使用如触发三极管110的半导体开关来控制输送到照明负载108的电流量并因此控制照明负载的亮度。所述触发三极管110耦合于调光器100的热端102和调光热端106之间，并在调光热端提供调光热电压来驱动照明负载108。调光热电压包括相位舍弃(phase-cut)AC电压波形，电流只在AC波形的每个半周期的特定相位角之后被提供至电灯负载为本领域技术人员所公知。 

计时电路120包括连接在电感器L10和调光热端106之间的阻容(RC)电路，该阻容电路包括电位计R10和电容C10。计时电路120控制电容C10两端的开启电压(firing voltage)以在每个半周期的所选相位角之后开启触发三极管110。电容C10的充电时间响应于电位计R10阻值的变化而变化以改变触发三极管110开始导通时的所选相位角。 

双向击穿二极管130与触发三极管110的控制输入端或者门级串联，并作为触发装置使用。双向击穿二极管130具有击穿电压(例如30V)，并且仅当电容C10的开启电压超过双向击穿二极管130的击穿电压时才向触发三极管的门极输送或接收电流。电流会在正半周期期间流入触发三极管110的门极，并在负半周期期间从触发三极管110的门极流出。限流电阻R12限制流入或流出触发三极管110的门极的电流并在正负半周期期间使门极电流均衡。 

调光器100还包括状态LED电路140，该LED电路140与触发三极管110的门极串联。状态LED电路140包括在整流桥BR10内的状态LED 145，整流桥BR10包括二极管D10、D12、D14和D16。整流桥BR10的第一对AC端AC1、AC2与双向击穿二极管130、限流电阻R12、以及触发三极管110的门极串联电连接。LED 145的正极与整流桥BR10的正极DC输出端DC+相连，LED 145的负极与整流桥BR10的负极DC输出端DC-相连以确保电流在正负半周期期间以正确的流向通过LED。在正半周期期间，电流依 次流过二极管D10、LED 145和二极管D12。在负半周期期间，电流依次流过二极管D14、LED 145和二极管D16。 

当开关S10断开时，AC电源104与照明负载108以及调光器100的其他电路断开。因此，状态LED 145在照明负载108关闭时不发光。然而，当开关S10闭合时，照明负载108被驱动，并且状态LED 145会在触发三极管110的门极电流驱动下发光。 

为了给调光器100的用户接口提供适当的美感，状态LED 145应当在照明负载108开启时保持固定的亮度。为了使状态LED 145保持固定的亮度，通过LED的平均电流必须基本稳定。因为限流电阻R12在正负半周期期间限制和使通过LED的电流的均衡，通过LED 145的平均电流和LED 145的亮度就能够基本稳定。优选地，图1中通过LED 145的平均电流的幅值大约为1.5mA。 

图3显示了根据本发明第二实施方式的包括状态LED 245的双线调光器200。在该实施方式中，状态LED电路240与计时电路220的开启电容(firingcapacitor)C20串联。状态LED 245被包括在整流桥BR20内部以确保在正负半周期内电流以正确的流向通过LED。当电容C20在每个半周期期间充电时，电流流过电位计R20、状态LED 245和电容C20。当整流桥BR 20的结点AC1处的电压超过双向击穿二极管130的击穿电压时，电容C20通过状态LED 245放电。因此，根据第二实施方式的状态LED 245当电容C20充电和放电时都导电。状态LED 245在AC电源104的每个线周期期间都传导电流的四个脉冲。优选地，电位计R20具有为100KΩ的最大阻值。电容C20的电容值优选为0.15μF。 

电容C20的平均充电电流独立于调光器200的点弧角(firing angle)(即电容的充电时间)而基本恒定。每个半周期，电容C20上的电压V_C达到最大值，该最大值大约与双向击穿二极管130的击穿电压相等。因此，积累在 电容C20上的电量Q_C在每个半周期基本相等，因为： 

Q_C＝C*V_C，                 (等式1) 

其中C是电容C20的电容值。注意积累在电容C20上的电量等于充电电流对时间的积分，即： 

Q_C＝∫i_C(t)dt，            (等式2) 

平均充电电流I_C-AV等于充电电流对时间的积分除以积分的周期，即： 

I_C-AV＝(1/T)*∫i_C(t)dt.    (等式3) 

其中T为线性频率的周期(即50Hz或60Hz)。因此，能够得出的是，由于从一个半周期到下一个半周期所积累的电量Q_C基本恒定，电容C20的平均充电电流I_C-AV基本恒定。 

因为平均充电电流和平均门极电流均基本恒定，通过状态LED 245总电流和状态LED 245亮度也是基本恒定的。优选地，平均充电电流量大约是0.2mA，因此，图3中通过状态LED 245的总平均电流量大约是1.7mA。 

因为状态LED电路240与电容C20串联，当照明负载108关闭时，状态LED 245能够被设定为微光状态。在调光器200中，电阻R24与开关S10并联。当开关S10断开时，电阻24提供了为计时电路220中的电容C20充电的路径。优选地，电阻具有足够大的阻值(例如440KΩ)，从而电容C20在每个半周期不能够充至双向击穿二极管130的击穿电压。因此，状态LED245将仅因为电容C20的充电电流而发光。因为充电电流基本小于触发三极管110的门极电流，状态LED在照明负载108关闭时将处于微光状态。优选地，所述微光状态的亮度足够大以使人们能够在黑暗的房间里看到用户接口的状态指示器12，也足够微弱以能与照明负载108开启时的发光状态的亮度区分开来。 

图4显示了根据本发明的第三实施方式的包括状态LED 345的双线调光器300。调光器300包括计时电路320，该计时电路320包括电位计R30、 校准电阻R31和电容器C30，该计时电路320的工作原理与前两个实施方式中的计时电路类似。 

调光器300还包括触发电路330，该触发电路330包括两个晶体管Q30和Q32、两个电阻R32和R33、以及一个齐纳二极管Z30。触发电路330的工作方式与本发明前两个实施方式的电路中的触发三极管相似。当触发电路330两端的电压超过齐纳二极管Z30的击穿电压时，齐纳二极管开始导电。齐纳二极管Z30的击穿电压优选为30V。当电阻R33两端的电压达到晶体管Q30要求的基极-发射极电压时，晶体管Q30开始导电。随后电阻R32两端产生导致晶体管Q32开始导电的电压。这样必然会使齐纳二极管Z30短路，从而该齐纳二极管Z30停止导电，而触发电路330两端的电压会降低至大约0V。通过触发电路330的脉冲电流从电容C30流出并经过光耦合器350的光电二极管355，使得电流在正半周期从触发三极管110的门级流入，并在负半周期从所述门极流出。 

调光器300还包括限流电路360，该限流电路360电路包括晶体管Q34、两个电阻R35和R36、以及一个齐纳二极管Z32。在触发电路330开始导电后，电流将流过光耦合器350的光电二极管355、晶体管Q34和电阻R36。当电阻R36两端的电压加上晶体管Q34的基极-发射极电压超过齐纳二极管Z32的击穿电压时，晶体管Q34将进入线性区域并限制电流从晶体管的发射极流出。电阻R36的阻值优选为470Ω，而齐纳二极管Z32的击穿电压优选为3.3V。这些数值将限流电路360的电流限度设为大约6mA。 

状态LED 345与触发电路330、光耦合器350的光电二极管355、以及限流电路360串联。因为限流电路360可限制和均衡从一个半周期到下一个半周期通过状态LED 345的电流，通过状态LED的平均电流和状态LED的亮度可保持基本恒定。因为当开关S1断开时调光器300的电路不会通电，所以当照明负载关闭时LED 345不会发光。 

图5显示了根据本发明第四实施方式的包括状态LED 445的双线调光器400。与第二实施方式类似，状态LED 440与计时电路320的电容C30串联。包括在整流桥BR40内部的状态LED 445用于确保在正负半周期中都有电流流过LED。电阻R44与开关S1并联以使状态LED 445在照明负载关闭时发出微光。 

图6显示了根据本发明第五实施方式的包括状态LED 545的双线调光器500。调光器500包括新的限流电路560，该限流电路560包括两个晶体管Q54A和Q54B、三个电阻R55和R56A以及R56B、以及一个齐纳二极管Z52。光耦合器350的光电二极管355与第一限流部分串联，该第一限流部分包括第一晶体管Q54A和电阻R56A。第一限流部分用于限制通过光电二极管355的电流。状态LED 545与第二限流部分串联，即与用于限制通过状态LED的电流的第二晶体管Q54B和电阻R54B串联。因此，限流电路560包括两个限流部分，分别通过设定电阻R56A和R56B的阻值对光电二极管355和状态LED 545进行限流。齐纳二极管Z52的击穿电压优选为3.3V。 

尽管本发明参考特定实施方式描述，许多变化和改进以及其它用途将很容易为本领域技术人员所公知。因此，本发明不应限于此处特定公开内容，而仅限于所附权利要求。 

Claims (4)

1.一种用于控制从交流电源输送到电力负载的电量的负载控制装置，该负载控制装置包括：

可控导电设备，该可控导电设备适于耦合在交流电源和电力负载之间以控制输送到电力负载的电量，所述可控导电设备具有控制输入端；

计时电路，该计时电路适于耦合在所述交流电源和电力负载之间，所述计时电路具有用于提供计时信号的输出端；

触发电路，该触发电路在工作时耦合在所述计时电路的输出端和所述可控导电设备的控制输入端之间，所述触发电路用于响应于所述计时信号而通过所述控制输入端传导控制电流；以及

状态指示器电路，该状态指示器电路用于传导所述控制电流并响应于此电流而提供状态指示。

2.根据权利要求1所述的负载控制装置，其中所述状态指示器电路包括可发光的状态指示器。

3.根据权利要求2所述的负载控制装置，其中所述计时电路包括与计时电容串联电连接的计时电阻，串联结合的计时电阻和计时电容与所述可控导电设备并联电连接，所述计时电路的输出端位于所述计时电阻和所述计时电容的连接点；以及

其中所述状态指示器电路与所述计时电容串联电连接。

4.根据权利要求3所述的负载控制装置，其中当所述负载控制装置向负载提供电能时，所述状态指示器发光，当所述负载控制装置未向所述负载提供电能时，所述状态指示器处于微光状态。

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