CN1033254C - 双渐变电子开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双渐变电子开关，适合于照明及电机电器的渐变启闭控制。其主电路由整流桥和可控硅组成。控制电路由快速猝息同步积分器和触发脉冲积分器等组成，前者作为触发支路的脉冲移相器提供自适应变幅锯齿波，后者作为动态相位变换记忆器提供渐变触发比较基准，触发脉冲经主电路电压负反馈启动同步积分器猝息。触发脉冲积分器放电回路通，则其电压渐降，触发相角渐减，是为渐开；反之为渐关。开关渐变时间各自独立设置。

Description

双渐变电子开关

本发明涉及一种双渐变电子开关，适合于照明的拟自然光渐亮渐暗启闭控制及电机、电热器的渐开渐关减压启闭控制，其渐变过程是在启闭引导操作后自动控制进行的。

在现有技术中，由于技术经济的原因，照明及电机和电热器等设备一般都是骤开骤关、全电压启闭的，其过渡过程决定于设备本身的物理惯性参数而不能控调。这在很多情况下都不能满足需要，甚至给人们造成损害或损失。较大型的或特殊的设备需要减压启动或减压启闭的，多采用人工实时操作或自动调节一串联可调阻抗设备来控制其启闭过渡过程；在要求更高的场合，用开环或闭环的比例积分、微分、惯性环节组合的模拟计算装置，甚至用数字程控装置或专门的工控计算机来自动调控包括启闭在内的各种过渡过程，这些装置都较昂贵，且超出了渐变开关的范畴。至于照明控制，较好的影舞剧院场设有专门的渐变调光控制设备，这些设备包括人工操作的盐水闸刀、调压器和单钮手动或双点触调晶闸管无级调光器，它们的操作过程属于人机闭环实时操作，或者还必须与开关启闭操作配合进行。在民用照明无级调光领域，有一种单点触摸开关新产品，利用人体感应信号检测触摸操作，内装集成电路作简谐扫描式相位调节来控制可控硅的触发，停止触摸则保持该触发角，瞬时点触则转换开关状态。这显然属于人机闭环实时操作型设计。市售的调光台灯亦属于此领域产品。现有技术未曾提供一种方便价廉的启闭自动渐变开关。

本发明的任务是：提供一种方便价廉的启闭双渐变开关，用于照明控制具有拟自然光渐亮渐暗启闭过渡特性，控制电机、电器等设备具有渐开渐关减压启闭功能，其渐变过程在启闭引导操作后自动控制进行。

本发明的解决方案是：主电路由整流桥和可控硅组成，触发电路中有一个包含二极管和电容器串联支路的触发脉冲积分器，跨接在可控硅阳极与控制极之间，在积分电容的两极并联一个由操作接点(可以是保持型操作开关或不保持型操作按钮)和电阻串接而成的放电控制支路。

使用时，上下火线分接于整流桥的两交流输入端，开关的启闭过程是通过揿动操作接点引导后自动完成的。关闭以后，触发脉冲积分器的积分电容充电到电压最大值，该支路的二极管反向偏置而不导通，没有触发电流流过，可控硅一直保持截止。闭合操作接点，积分电容开始通过放电电阻放电，其电压逐渐下降，在每一个10毫秒(整流桥输出的100赫兹基频脉动电压)周期内，当瞬时脉动电压与积分电容电压之差为正时，二极管正向偏置而导通，流过一个电流脉冲触发可控硅，可控硅触发后，其阳阴极电压阶跃降至饱和压降，二极管立即恢复反向偏置。随着放电的进行，脉动电压与积分电容电压之差为正的时刻逐渐提前，主电路流过的平均电流越来越大，直至最大值，这就是开渐变过程。断开操作接点，积分电容放电电路断路，每10毫秒有一个触发脉冲通过积分电容，对其进行脉冲型充电，与开渐变过程相反，积分电容的电压逐渐升高，脉动电压与积分电容电压之差为正的时刻逐渐推后，触发角逐渐增大，主电路平均电流逐渐减小，积分电容电压达最大值时，二极管反向偏置，可控硅截止，这就是关渐变过程。开关渐变过程完成以后，进入由操作接点状态决定的开或关的稳态，稳态的保持与普通开关一样。开渐变的速度决定于放电RC常数，与该常数成反比；关渐变的速度则决定于电容值和触发脉冲电量，与前者成反比，与后者成正比。

本发明所提供的启闭双渐变功能，为许多领域的实际所需。本发明用于照明控制具有拟自然光渐亮渐暗启闭过渡特性，与人眼瞳孔调节生理相适应，使人感到舒适，可以起到保护视力的作用，还能延长灯具的使用寿命；本发明用于电动机的渐开渐关减压启闭控制，可减小启动电流和冲击力矩，有利于电网参数稳定和设备安全；本发明用于电热设备的渐开渐关减压启闭控制，可减小冷态冲击电流和热应力，延长设备使用寿命。由于本发明的渐变过程在启闭引导操作后自动控制进行，可以部分代替复杂的启闭过渡过程调控装置，使一些成套设备的成本得以降低。本发明设计简单，造价较低，性能价格比高于可替代产品，推广使用具有积极的效果。

本发明中的操作接点采用不保持型操作按钮时，即成为一种可在楼梯、走廊等公共场所使用的新式双渐变延时开关，将其开关渐变时间分别设置为2秒和2分左右即可获得满意的使用效果，具有渐变启闭、大体控制开时间和显示关时刻的功能，推广使用可以收到舒适、方便、节电和延长灯具寿命的积极效果。

本发明还包括如下的改进方案：触发脉冲积分器的积分电容一极接可控硅的控制极，操作接点为一刀两掷组合的一组接点，另一组接点串接一个电阻联接在可控硅的控制极与阴极之间。增加的电阻起两个作用，其一是降低和规范可控硅的触发灵敏度，从而可以在大批量生产时使工艺和元器件标准化，还能使积分电容的容量选大，以保障开渐变的时间常数范围而不致选用阻值超出常规系列的电阻；其二是降低环境温度和负载变化引起的可控硅触发灵敏度的变化对关渐变时间的不利影响。采用一刀两掷组合使开稳态时可控硅的灵敏度潜力得到充分利用，以减小开稳态导通角。

本发明的进一步改进方案是：从可控硅的阳极到阴极之间联接一个快速猝息同步积分器，由电阻分压采样电路、阻容积分电路以及采样电路控制的复合管快速猝息电路三部分组成。触发脉冲积分器支路则跨接于同步积分器积分电容的正极和可控硅控制极之间。在此改进方案中，快速猝息同步积分器作为触发支路的脉冲移相器提供自适应变幅锯齿波，而触发脉冲积分器作为动态相位变换记忆器提供渐变触发比较基准，触发脉冲经主电路电压负反馈后启动同步积分器快速猝息。因此，快速猝息同步积分器产生的锯齿波的幅度包络又反过来随触发角的变化而单调变化，形成一自适应变幅锯齿波。当操作接点接通时，触发脉冲积分器放电回路通，积分电容电压逐渐降低，触发脉冲积分器支路中二极管正向偏置所需的锯齿波电压瞬时值亦相应逐渐降低，快速猝息同步积分器的积分时间逐渐缩短，触发角逐渐减小，是为渐开。当操作接点断开时，触发脉冲积分器放电回路断，触发脉冲的不断流过使积分电容电压逐渐升高，触发脉冲积分器支路中二极管正向偏置所需的锯齿波电压瞬时值逐渐升高，快速猝息同步积分器的积分时间逐渐延长，触发角逐渐增大，是为渐关。此种改进电路能使触发角的动态范围增大。快速猝息同步积分器的积分时间常数置为30毫秒左右时，触发角的动态范围的上限增加到近乎180度，从而使主电路电压电流的渐变动态范围的下限减小到近乎零，使控制特性更为理想。

本发明减小开稳态导通角的措施是：在快速猝息同步积分器中增接稳压管或发光二极管支路，串接在快速猝息同步积分器积分电容负极与可控硅阴极之间。稳压管或发光二极管的非线性特性使得在开稳态时快速猝息同步积分器不工作，从而不对触发电流支路起分流作用，降低了使触发脉冲积分器支路中二极管正向偏置所需的锯齿波电压瞬时值，触发角得以减小。这一点对于消除电磁污染和减小开关的开稳态压降有重要作用。

附图描述了本发明的一个实施例。

图1是双渐变电子开关的电原理图。

下面结合图1对本发明的实施作具体说明。

参照图1，D1～D4构成全波整流桥，桥路主电流通过可控硅TR控制。电阻R1与二极管D5、D6及电容C2构成触发脉冲积分器，作为动态相位变换记忆器提供渐变触发比较基准。电阻R1、R2构成分压采样电路，由R2给猝息复合管提供猝息同步控制信号，以保证在每一个工作周期内积分电容C1准时猝息一次。复合三极管为积分电容C1的可控快速猝息支路，R1、D6、C1及稳压管W1构成积分支路。上述分压采样电路、快速猝息支路及积分支路构成快速猝息同步积分器。在开或关的暂态过程中，积分器相应产生一个包络渐减或渐增的自适应变幅锯齿波，该锯齿波的峰值电压高于脉冲积分电容C2上的电压，使二极管D5正向偏置，从而流过一个脉冲触发可控硅。可控硅触发后，经主电路负反馈，采样电阻R2上的电压降为零，电容C1被快速猝息，为下一周期的工作做准备。快速猝息同步积分器每周期内的积分时间决定于脉冲积分器积分电容上的电压值，电压越高，积分时间越长，因而触发角也就越大，主电路的周期平均电流也就越小。

操作接点为一刀二掷开关KS，KS接通C2的放电回路时，C2电压逐步下降，触发角渐减，主电路周期平均电流渐增，直至全开。KS断开C2放电回路，则C2电压随脉冲电量的积累而逐渐增高，触发角逐渐增大，主电路周期平均电流逐渐减小，直至完全关闭。电阻R4的作用是降低和规范关过渡过程中可控硅的触发灵敏度，以增大C2的电容值，减小R3的阻值。电容C3的作用是在开关刚开启时使电容C2上的电压产生一个负阶跃，从而使灯具有一个实用的起始亮度。

开稳态时，稳压管W1关闭快速猝息同步积分器，KS断开R4支路，这使得开稳态触发角大为减小，以满足近点电磁兼容性指标的要求。

本实施例特别适合于卧室照明的开关双渐变控制，具有拟自然光光强双渐变的效果，从而可以保护视力，提高环境舒适度。本实施例中，快速猝息同步积分器以充电时间常数在30毫秒左右、放电时间常数在0.1毫秒左右为宜。触发脉冲积分器以充电时间在20000个周期(每周期10毫秒)左右、放电时间常数在30秒左右为宜。

本发明可以按照用途的不同，大幅度地调整上述参数，改变或简化某些附加电路，开发出卧室型、延时型、启动型、去热应力型几个系列，分别用于卧室拟自然光照明控制、公共场所延时闭照明控制、电机减压启闭控制、电热器限热应力保护控制等。

Claims (4)

1、双渐变电子开关，其特征是：主电路由整流桥和可控硅组成，可控硅触发电路中有一个包含二极管D5和电容器C2串联支路的触发脉冲积分器，跨接在可控硅阳极与控制极之间，在积分电容C2的两极并联有一个由操作接点(可以是保持型操作开关或不保持型操作按钮)和电阻R3串接而成的控制支路。

2、权利要求1所述的双渐变电子开关，其特征是：触发脉冲积分器的积分电容C2一极接可控硅的控制极，操作接点为一刀两掷组合的一组接点，另一组接点串接一个电阻R4联接在可控硅的控制极与阴极之间。

3、权利要求1或权利要求2所述的双渐变电子开关，其特征是：从可控硅的阳极到阴极之间联接一个快速猝息同步积分器，由电阻R1和R2构成的采样电路、R1和D6及C1构成的积分电路、复合三极管构成的快速猝息电路三部分组成，包含D5和C2支路的触发脉冲积分器则跨接于同步积分器积分电容C1的正极和可控硅控制极之间。

4、权利要求3所述的双渐变电子开关，其特征是：快速猝息同步积分器中增接稳压管W1(或发光二极管)支路，串接在电容C1负极与可控硅阴极之间。

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