CN104579271A - 开关装置 - Google Patents

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Abstract

一种开关装置，包含一第一开关组件与一自锁电路。该第一开关组件的第一端电性连接一电源，第二端电性连接一负载；该自锁电路包含有相互电性连接的一第一晶体管与一第二晶体管，该第一晶体管电性连接该第一开关组件的第一端，该第二晶体管电性连接至该第一开关组件的控制端；其中，施加一触发电压至该第二晶体管后，该第二晶体管与该第一开关组件导通，促使该第一晶体管导通；且该第一晶体管导通后，该第一晶体管供电予该第二晶体管以形成自锁，使该第一开关组件维持导通。

Description

开关装置
技术领域
本发明与开关装置有关；特别是指可供控制导通或截止的开关装置。
背景技术
按，开关装置是设于一电源与一负载之间，用以导通或阻断该电源供予该负载的电能。公知的开关装置是使用单向导通的硅控整流器（SiliconControlled Rectifier，SCR）或双向导通的三端双向可控硅组件（Triode forAlternating Current，TRIAC）。以硅控整流器为例，硅控整流器被触发导通后，即可让该电源供电予该负载。惟，在硅控整流器被触发导通后，必须使负载消耗的电流维持于硅控整流器的保持电流（Holding current）以上，始可让硅控整流器维持导通，当负载所消耗的电流低于硅控整流器的保持电流时，硅控整流器即自动截止，阻断供予该负载的电力。
以照明设备为例，传统照明设备使用钨丝灯时，其所消耗的电流大于硅控整流器的保持电流，因此硅控整流器可正常作动。随着科技的进步，照明灯具由钨丝灯转换至发光二极管时，由于发光二极管所消耗的电流远小于钨丝灯，当发光二极管的消耗的电流低于硅控整流器的保持电流时，硅控整流器将无法正常作动。为使硅控整流器可以正常作动，目前照明灯具皆会设计一假性负载电路，以让照明灯具总消耗的电流大于硅控整流器的保持电流，使硅控整流器可正常作动。然，假性负载电路除了消耗能源外并无其它作用，即使发光二极管关闭后，假性负载电路仍持续地耗能，造成能源无谓的消耗。若能减低开关装置的保持电流当可减少能源无谓的消耗，且无需制作假性负载电路，可减少制作成本。此外，用于触发导通硅控整流器或三端双向可控硅组件的电流亦需数十毫安以上，在讲求低耗能的今日，若能减低开关装置所需的触发电流亦可减少能源的消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开关装置，可减少能源的消耗。
为实现上述目的，本发明所提供的开关装置，设置于一电源与一负载之间，该开关装置包含：一第一开关组件与一自锁电路。其中，该第一开关组件具有一第一端、一第二端与一控制端，该第一端电性连接该电源，该第二端电性连接该负载，该控制端供控制该第一端与该第二端之间导通或阻断；该自锁电路包含有相互电性连接的一第一晶体管与一第二晶体管，该第一晶体管电性连接该第一开关组件的第一端，该第二晶体管电性连接至该第一开关组件的控制端；其中，施加一触发电压至该第二晶体管后，该第二晶体管与该第一开关组件导通，促使该第一晶体管导通；且该第一晶体管导通后，该第一晶体管供电予该第二晶体管，使该第二晶体管维持于导通的状态。
由此，通过该开关装置可有效地减低能源无谓的消耗。
附图说明
图1为本发明第一较佳实施的开关装置电路图。
图2为本发明第一较佳实施的开关装置控制负载电压产生延迟导通角的波形图。
图3为本发明第二较佳实施的开关装置电路图。
图4为本发明第一较佳实施的开关装置的另一实施态样。
图5为本发明第二较佳实施的开关装置的另一实施态样。
图6为本发明第三较佳实施的开关装置电路图。
图7为本发明第三较佳实施的开关装置控制负载电压产生延迟导通角的波形图。
图8为本发明第三较佳实施的开关装置的另一实施态样。
附图中主要组件符号说明：
1、2、3开关装置，10、20自锁电路，D1第一二极管，D2第二二极管，Q1第一晶体管，Q2第二晶体管，Q3第三晶体管，Q4第四晶体管，Q5第五晶体管，Q6第六晶体管，R1～R6电阻，SCR硅控整流器，T预定时间，V1触发电压，θ延迟导通角。
具体实施方式
为能更清楚地说明本发明，举较佳实施例并配合附图详细说明如后。
请参阅图1，为本发明第一较佳实施例的开关装置1，供设置于一电源与（图未示）一负载（图未示）之间，包含有一自锁电路10与一开关组件，该自锁电路10可受触发以开启该开关组件，藉以控制导通或阻断该电源供应予该负载的电能。
该自锁电路10包含有一第一晶体管Q1与一第二晶体管Q2，在本实施例中，该第一晶体管Q1为PNP型双极接面晶体管（Bipolar JunctionTransistor），该第二晶体管Q2为NPN型双极接面晶体管。该开关组件是以一第三晶体管Q3为例，该第三晶体管Q3亦为NPN型双极接面晶体管。
该第三晶体管Q3的集极（即该开关组件的第一端）电性连接该电源与该第一晶体管Q1的射极，该第三晶体管Q3的射极（即该开关组件的第二端）电性连接该负载，该第三晶体管Q3的基极（即该开关组件的控制端）电性连接该第二晶体管Q2的射极，该第一晶体管Q1的基极电性连接该第二晶体管Q2的集极，该第一晶体管Q1的基极电，该第一晶体管Q1的集极电性连接该第二晶体管Q2的基极。该第二晶体管Q2的基极供输入一触发电压。
由上述电路结构，该电源为正电压时，且当该第二晶体管Q2的基极所输入的触发电压大于该第二晶体管Q2与第三晶体管Q3的基-射极电压的总合时，该第二晶体管Q2与第三晶体管Q3导通，使该电源供电予该负载；同时，该第二晶体管Q2的集极自该第一晶体管Q1的基极吸取电流，促使该第一晶体管Q1导通。当该第一晶体管Q1导通后，该第一晶体管Q1的集极供应电流予该第二晶体管Q2的基极，使该第二晶体管Q2维持于导通的状态。由此，该第一晶体管Q1与该第二晶体管Q2形成自锁（Latching），维持该第三晶体管Q3导通（集极与射极间导通），即使该触发电压低于该第二晶体管Q2与第三晶体管Q3的基-射极电压的总合，仍然可维持该第三晶体管Q3导通。如此，该开关装置1即具有硅控整流器的功效。
请配合参阅图2所示，当该电源为交流电源时，在该电源电压波形的每一正半波周期的零点之后一预定时间T输入具有该触发电压V1的能级的一控制讯号至该第二晶体管Q2的基极，即可使该第三晶体管Q3导通，即使该控制讯号的电压为零，该第三晶体管Q3亦为导通状态，直到该电源的电压为零时该第三晶体管Q3截止。由此，可使该第三晶体管Q3的射极供应至负载的负载电压波形形成一延迟导通角θ。改变该预定时间T的长短时，即可相对地改变该延迟导通角θ的角度。
更值得一提的是，由于该第二晶体管Q2受触发后该第一晶体管Q1、第二晶体管Q2是在该电源电压的零点之前持续维持该第三晶体管Q3为导通，因此该电源的电压在正半波周期接近零点的附近并不会自动截止，故无一般硅控整流器（SCR）必须使负载消耗的电流维持在保持电流以上的缺点。由此，即使该第三晶体管Q3所连接的负载消耗的电流很小，亦可以正常地使该第三晶体管Q3导通，以供电予该负载。
此外，在实际上该第一晶体管Q1、第二晶体管Q2可采用工作电流为微安培即可作动的小讯号晶体管，第三晶体管Q3采用功率晶体管，由此，输入该第二晶体管Q2的控制讯号的电流只要在微安培的等级即可触发该第三晶体管Q3导通，无需使用额外的放大电路放大控制讯号的电流。如此，可以有效地减少公知的开关装置耗能的缺点，且可以取代传统的硅控整流器。
图3所示为本发明第二较佳实施例的开关装置2，具有大致相同第一实施例结构，不同的是，本实施例的开关组件为一硅控整流器SCR。通过采用小讯号晶体管的该第一晶体管Q1、第二晶体管Q2形成的自锁电路10，只要该第二晶体管Q2的基极输入的控制讯号的电流在微安培等级，即可触发该硅控整流器SCR导通。
图4与图5分别为该第一及第二较佳实施例的另一实施态样，其是在开关装置中还加设电阻R1～R3，同样可以达到与第一、第二实施例相同的功效。
上述中，开关装置是达成单向导通的功效，以下再提供另一实施例，可达到双向导通的功效。请参阅图6，为本发明第三较佳实施例的开关装置3，其是以第一较佳实施例为基础，除了以第三晶体管Q3为例的第一开关组件外，还增设一以第六晶体管Q6为例的第二开关组件；自锁电路20除了第一晶体管Q1、第二晶体管Q2外，还包含相电性连接的一第四晶体管Q4与一第五晶体管Q5，以控制该第六晶体管Q6的导通或截止，且还包含防止逆向导通的一第一二极管D1与一第二二极管D2。
该第六晶体管Q6与该第三晶体管Q3的结构相同，且该第六晶体管Q6的射极（即第一端）电性连接该第三晶体管Q3的集极，该第六晶体管Q6的集极（即第二端）电性连接该第三晶体管Q3的射极。该第一晶体管Q1、第二晶体管Q2与第三晶体管Q3的连接及作动方式与第一实施例大致相同，不同的是，该第一晶体管Q1是通过该第一二极管D1与该第三晶体管Q3的集极电性连接；而该第四晶体管Q4、第五晶体管Q5、第六晶体管Q6与第二二极管D2的连接方式亦相同于该第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三晶体管Q3及第一二极管D1的连接方式。而该第二晶体管Q2的基极与该第五晶体管Q5的基极电性连接，供输入触发电压。
在该电源为正电压时，输入触发电压后，该第二晶体管Q2、第三晶体管Q3导通；在该电源为负电压时，输入触发电压后，该第五晶体管Q5、第六晶体管Q6导通，促使该第四晶体管Q4、第五晶体管Q5形成自锁而维持第六晶体管Q6导通。其中，该触发电压大于或等于该第二晶体管Q2与第三晶体管Q3的基-射极电压的总合，且该触发电压大于或等于该第五晶体管Q5与第六晶体管Q6的基-射极电压的总合。
请配合图7所示，当该第三晶体管Q3的集极所连接的电源为交流电源时，在电源电压的在每一正、负半波的零点之后的预定时间T，输入具有该触发电压V1的能级的控制讯号至该第二晶体管Q2的基极，即可在该电源电压的正半波周期时导通该第二晶体管Q2与第三晶体管Q3，在该电源电压的负半波周期时导通该第五晶体管Q5与第六晶体管Q6，使该第三晶体管Q3的射极输出到负载的负载电压波形在正、负可产生延迟导通角θ。由此，该开关装置3即形成如同三端双向可控硅组件（TRIAC）的双向导通组件。
同样的，控制该预定时间T即可改变该延迟导通角θ的角度。同样无一般三端双向可控硅组件必须使负载消耗的电流维持在保持电流以上的缺点，即使该开关装置3连接的负载消耗电流很小，亦可以正常地使该第三晶体管Q3或第六晶体管Q6导通，以供电予该负载。此外，该第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5采用电流为微安培即可作动的小讯号晶体管时，输入该第二晶体管Q2的控制讯号的电流只要在微安培的等级即可触发该第三晶体管Q3、第六晶体管Q6导通。
图8所示为前述第三较佳实施例的另一实施态样，其是在第三较佳实施例的开关装置3中还加设电阻R1～R6，同样可以达到与第三实施例相同的功效。
据上所述，本发明的开关装置可有效取代传统的硅控整流器或三端双向可控硅组件，并且所连接的负载无需设计维持在保持电流以上的假性负载电路，有效地减少无谓的能源消耗。而自锁电路采用小讯号晶体管时，亦可有效减少触发开关组件的控制讯号的电流，有效减少设计电流放大电路的制造成本。又，在上述各实施例中，各晶体管是以双极接面晶体管为基础设计，在实务上亦可采用其它种类的晶体管，例如金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET），设计开关装置。
以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，举凡应用本发明说明书及专利范围所为的等效结构变化，理应包含在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种开关装置，设置于一电源与一负载之间，该开关装置包含：
一第一开关组件，具有一第一端、一第二端与一控制端，该第一端电性连接该电源，该第二端电性连接该负载，该控制端供控制该第一端与该第二端之间导通或阻断；以及
一自锁电路，包含有相互电性连接的一第一晶体管与一第二晶体管，该第一晶体管电性连接该第一开关组件的第一端，该第二晶体管电性连接至该第一开关组件的控制端；
其中，施加一触发电压至该第二晶体管后，该第二晶体管与该第一开关组件导通，促使该第一晶体管导通；且该第一晶体管导通后，该第一晶体管供电予该第二晶体管，使该第二晶体管维持于导通的状态。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其中，该第一晶体管与该第二晶体为双极接面晶体管。
3.根据权利要求2所述的开关装置，其中，该第一晶体管为PNP型双极接面晶体管，该第二晶体管为NPN型双极接面晶体管，且该第一晶体管的射极电性连接该第一开关组件的第一端，该第一晶体管的基极电性连接该第二晶体管的集极，该第一晶体管的集极电性连接该第二晶体管的基极，该第二晶体管的射极电性连接该第一开关组件的控制端；其中，该电源为正电压且施加该触发电压至该第二晶体管的基极，导通该第二晶体管与该第一开关组件。
4.根据权利要求3所述的开关装置，其中，该第一开关组件为一第三晶体管，该第三晶体管为NPN型双极接面晶体管，该第三晶体管的集极形成该第一端，该第三晶体管的射极形成该第二端，该第三晶体管的基极形成该控制端；该触发电压大于或等于该第二晶体管与第三晶体管的基-射极电压的总合。
5.根据权利要求3所述的开关装置，其中，该第一开关组件为一硅控整流器，该硅控整流器的阳极形成该第一端，该硅控整流器的阴极形成该第二端，该硅控整流器的闸极形成该控制端。
6.根据权利要求1所述的开关装置，其中，包含有一第二开关组件，该第二开关组件具有一第一端、一第二端与一控制端，该第一端电性连接该第一开关组件的第二端，该第二端电性连接该第一开关组件的第二端，该控制端供控制导通或阻断该第二开关组件；该自锁电路包含相互电性连接的一第四晶体管与一第五晶体管，该第四晶体管电性连接至该第二开关组件的第一端，该第五晶体管电性连接至该第二开关组件的控制端及该第二晶体管；其中，该电源为正电压且施加该触发电压至该第二晶体管，导通该第二晶体管与该第一开关组件；该电源为负电压且施加该触发电压至该第二晶体管，该第五晶体管与该第二开关组件导通，促使该第四晶体管导通，该第四晶体管导通后，供电予该第五晶体管，使该第五晶体管维持于导通状态。
7.根据权利要求6所述的开关装置，其中，该自锁电路包含一第一二极管与一第二二极管，该第一二极管的阳极电性连接该第一开关组件的第一端，该第一二极管的阴极电性连接该第一晶体管，该第二二极管的阳极电性连接该第二开关组件的第一端，该第二二极管的阴极电性连接该第四晶体管。
8.根据权利要求7所述的开关装置，其中，该第一晶体管、该第二晶体、该第四晶体管与该第五晶体管为双极接面晶体管。
9.根据权利要求8所述的开关装置，其中，该第一晶体管为PNP型双极接面晶体管，该第二晶体管为NPN型双极接面晶体管，该第一晶体管的射极电性连接该第一二极管的阴极，该第一晶体管的基极电性连接该第二晶体管的集极，该第一晶体管的集极电性连接该第二晶体管的基极，该第二晶体管的射极电性连接该第一开关组件的控制端；该第二晶体管的基极供输入该触发电压；该第四晶体管为PNP型双极接面晶体管，该第五晶体管为NPN型双极接面晶体管，该第四晶体管的射极电性连接该第二二极管的阴极，该第四晶体管的基极电性连接该第五晶体管的集极，该第四晶体管的集极电性连接该第五晶体管的基极及该第二晶体管的基极，该第五晶体管的射极电性连接该第二开关组件的控制端。
10.根据权利要求9所述的开关装置，其中，该第一开关组件为一第三晶体管，该第二开关组件为一第六晶体管，该第三、第六晶体管为NPN型双极接面晶体管，该第三晶体管的集极形成其第一端，该第三晶体管的射极形成其第二端，该第三晶体管的基极形成其控制端；该第六晶体管的集极形成其第一端，该第六晶体管的射极形成其第二端，该第六晶体管的基极形成其控制端；该触发电压大于或等于该第二晶体管与第三晶体管的基-射极电压的总合，且该触发电压大于或等于该第五晶体管与第六晶体管的基-射极电压的总合。
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