CN105282914A - 开关设备以及包括该开关设备的负载控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供开关设备以及包括该开关设备的负载控制系统。本发明要解决的问题是不太易于出现由当到负载的电源被切断时在负载中出现的反电动势引起的在开关元件的接通与断开之间的切换。在本发明的开关设备(1)中，继电器(11)的接触件(111)插入并电气连接到将AC电源(200)连接到风扇负载(400)的电路径中。双向晶闸管(12)插入并电气连接到将AC电源(200)连接到照明负载(300)的电路径中。用于减小施加到双向晶闸管(12)的浪涌电压的浪涌吸收器电路(60)与双向晶闸管(12)并联地连接在AC电源(200)与照明负载(300)之间。

Description

开关设备以及包括该开关设备的负载控制系统

技术领域

本发明涉及开关设备，更具体而言，涉及用于在从AC电源向负载提供电力的状态与切断提供的电力的状态之间进行切换的开关设备，以及包括所述开关设备的负载控制系统。

背景技术

传统上，提出了一种具有热射线传感器的自动开关，其包括用于检测从人体辐射的热射线的热射线传感器(参见JP2005-183319A，例如下文中称为“文献1”)。将具有热射线传感器的自动开关配置为在基于热射线传感器的输出向负载提供电力的状态与停止向负载提供电力的状态之间切换。将具有热射线传感器的自动开关连接到作为负载的风扇负载和照明负载。具有热射线传感器的自动开关包括连接在AC电源与风扇负载之间的继电器，和连接在AC电源与照明负载之间的双向晶闸管。自动开关单独地接通或关闭继电器和双向晶闸管。

风扇负载包括用于使风扇旋转的电机，在关闭继电器以切断到风扇负载的电源时存在电机中出现反电动势的风险。当在电机中出现的反电动势进入用于在双向晶闸管(半导体开关)的接通与断开之间切换的开关电路时，双向晶闸管会短时导通。在将敏感度高于白炽灯的敏感度的发光二极管用作照明负载时，存在双向晶闸管由在电机中出现的反电动势短时导通，发光二极管暂时点亮的风险。

发明内容

鉴于上述问题做出了本发明，本发明的目的在于提供一种开关设备，其中，不太易于由反电动势引起连接在AC电源与另一个负载之间的开关元件在接通与断开断之间的切换，该反电动势在到负载的电源被切断时出现在负载中，并进一步提供包括该开关设备的负载控制系统。

本发明的开关设备包括连接到第一负载的第一端子；连接到第二负载的第二端子；插入并电气连接到将AC电源连接到第一负载的电路径中的第一开关元件；以及插入并电气连接到将AC电源连接到第二负载的电路径中的第二开关元件。第二开关元件包括半导体开关。用于减小施加到第二开关元件的浪涌电压的浪涌吸收元件与第二开关元件并联地连接在AC电源与第二负载之间。

本发明的负载控制系统包括开关设备、连接到第一端子的第一负载和连接到第二端子的第二负载。第一负载是感性负载，第二负载是LED光源。浪涌吸收元件被配置为减小由当第一开关元件被断开时在感性负载中出现的反电动势施加到第二开关元件的浪涌电压。

根据本发明，能够提供一种开关设备，其中，不太易于由反电动势引起连接在AC电源与另一个负载之间的开关元件的在接通与断开断之间的切换，该反电动势引在到负载的电源被切断时出现在负载中，并进一步提供包括该开关设备的负载控制系统。

附图说明

现在将更详细地说明本发明的优选实施例。参考以下的详细说明和附图，将更好地理解本发明的其他特征和优点，在附图中：

图1是根据实施例的开关设备的电路图。

具体实施方式

在下文中，参考附图来说明本实施例的开关设备和负载控制系统。下述的结构仅仅是本发明的一个示例。本发明不局限于以下的实施例，可以在不脱离本发明的技术构思的范围内根据设计等进行不同变型。

图1是根据实施例的开关设备1的电路图。

本实施例的开关设备1包括继电器10和11、双向晶闸管12、第一驱动电路20、切换电路30、信号处理单元40、第二驱动电路50、浪涌吸收器电路60(浪涌吸收元件)、人体传感器70和电源电路80。

本实施例的开关设备1包括两个输入端子90和92，连接到诸如商业AC电源的AC电源200。开关设备1进一步包括连接到作为第二负载的照明负载300的两个负载端子93和94(第二端子)，以及连接到作为第一负载的风扇负载400的两个负载端子95和96(第一端子)。输入端子92经由开关设备1的内部线路电气连接到负载端子93和95。照明负载300是LED光源，LED光源例如包括作为光源的发光二极管(LED)。

电磁继电器10的接触件101连接在输入端子91与负载端子94之间。限流电阻器R1连接在负载端子93与负载端子94之间。在AC电源200连接在输入端子91和92之间并且照明负载300连接在负载端子93和94之间的状态中，AC电源200经由电阻器R1与照明负载300的并联电路连接在接触件101的两端之间。

由双向晶闸管12和线圈L1构成的串联电路连接在接触件101的两端之间。在光耦合器51的输出侧的双向晶闸管512经由电阻器R2电气连接在双向晶闸管12的端子T2与栅极端子G1之间。电阻器R3和电容器C1的并联电路连接在双向晶闸管12的栅极端子G1与端子T1之间。在此，包括作为半导体开关的双向晶闸管12的第二开关元件插入并电气连接到将AC电源200连接到照明负载300的电路径中。

电磁继电器11的接触件111连接在输入端子91与负载端子96之间。在AC电源200连接在输入端子91和92之间，且风扇负载400连接在负载端子95和96之间的状态中，由AC电源200与风扇负载400构成的串联电路电气连接在接触件111的两端之间。在此，继电器11的接触件111插入并电气连接到将AC电源200连接到风扇负载400电路径中。

由二极管电桥构成的整流器DB1经由由电阻器R5与电容器C3构成的串联电路连接在输入端子91与输入端子92之间。

切换电路30连接到整流器DB1的输出侧。切换电路30包括电阻器R6、齐纳二极管ZD1和ZD2、和晶体管31。

由电阻器R6与齐纳二极管ZD1构成的串联电路连接在整流器DB1的DC(直流)输出端子DB11与DB12之间。齐纳二极管ZD1的阴极连接到电阻器R6，齐纳二极管ZD1的阳极连接到整流器DB1的低电位侧的输出端子DB12(电流的地)。

晶体管31是NPN晶体管。晶体管31的集电极经由齐纳二极管ZD2连接到整流器DB1的高电位侧的DC输出端子DB11。在此，齐纳二极管ZD2的阴极连接到整流器DB1的高电位侧的DC输出端子DB11，齐纳二极管ZD2的阳极连接到晶体管31的集电极。晶体管31的基极连接到在电阻器R6与齐纳二极管ZD1之间的连接点。

由电解电容器构成的平滑电容器C4例如连接在晶体管31的发射极与电路的地之间。晶体管31的发射极经由电阻器R7电气连接到包括在光耦合器51中的LED(发光二极管)511的阳极。LED511的阴极经由开关元件52(例如晶体管)连接到电路的地。开关元件52的控制端子连接到信号处理单元40的输出端口P3，并且开关元件52根据输出端口P3的电压电平而接通或断开。

包括在继电器10中的继电器线圈102的一端电气连接到晶体管31的发射极。继电器线圈102的另一端经由由电阻器R10与开关元件21(例如晶体管)构成的串联电路连接到电路的地。二极管D1并联连接到继电器线圈102。二极管D1的阴极连接到晶体管31的发射极，二极管D1的阳极连接到电阻器R10。出于以下目的布置了二极管D1：当切断流过继电器线圈102的电流时，形成了由在继电器线圈102中出现的反电动势使得电流流通的路径。开关元件21的控制端子连接到信号处理单元40的输出端口P1，并且开关元件21响应于输出端口P1的电压电平而接通或断开。

包括在继电器11中的继电器线圈112的一端电气连接到晶体管31的发射极。继电器线圈112的另一端经由由电阻器R11与开关元件22(例如晶体管)构成的串联电路连接到电路的地。二极管D2并联连接到继电器线圈112。二极管D2的阴极连接到晶体管31的发射极，二极管21的阳极连接到电阻器R11。出于以下目的布置了二极管D2：当切断流过继电器线圈112的电流时，形成了由在继电器线圈112中出现的反电动势使得电流流通的路径。开关元件22的控制端子连接到信号处理单元40的输出端口P2，并且开关元件22响应于输出端口P2的电压电平而接通或断开。

因而，第一驱动电路20由限流电阻器R10和R11以及开关元件21和22构成。第一驱动电路20被配置为选择性的将作为开关元件的继电器10和11的接触状态切换为第一状态(接通状态)和第二状态(断开状态)中的任意一种状态。

信号处理单元40例如包括微机，并被配置为通过借助微机执行存储在存储器中的程序来实现期望的功能。

浪涌吸收器电路60包括由电阻器R4与电容器C2构成的串联电路(RC串联电路)。浪涌吸收器电路60连接在AC电源200与照明负载300之间，与包括双向晶闸管12的第二开关元件并联，功能为减小施加到第二开关元件的浪涌电压。

人体传感器70包括热释红外探测元件，用于探测从人体辐射的热射线(红外射线)。人体传感器70基于红外探测元件的探测结果探测在探测区域中是否存在人。当探测到人的存在时，人体传感器70将探测信号输出到信号处理单元40。

电源电路80被配置为减小从AC电源200输入的AC电压，随后将减小的AC电压转换为期望电压值的DC电压，并向诸如信号处理单元40之类的内部电路提供操作电压。

包括本实施例的开关设备1的负载控制系统包括：开关设备1、连接到负载端子95和96的风扇负载400、和连接到负载端子93和94的照明负载300。开关设备1被配置为响应于作为触发器的人体传感器70的探测信号，控制照明负载300和风扇负载400的操作状态。

本实施例的开关设备1具有上述的功能，下面说明开关设备1的操作。

首先，说明当在人体传感器70的探测区域中不存在人时的开关设备1的操作。

当在人体传感器70的探测区域中不存在人时，信号处理单元40没有从人体传感器70接收到探测信号。信号处理单元40执行以下操作，关闭照明负载300并停止风扇负载400。

在没有从人体传感器70输入探测信号时，信号处理单元40将输出端口P1、P2和P3所有电压电平设定为低电平，并断开所有开关元件21、22和52。在此情况下，电流不流过继电器线圈102和112，接触件101和111都处于断开状态。电流也不流过LED511，双向晶闸管512处于断开状态，使得双向晶闸管12处于断开状态。因此，当在人体传感器70的探测区域中不存在人时，关闭照明负载300并停止风扇负载400。当所有开关元件21、22和52处于断开状态中时，基极电流不流过晶体管31，晶体管31处于断开状态。在整流器DB1的输出电压高于齐纳二极管ZD1的齐纳电压的期间，电流从整流器DB1经由电阻器R6和齐纳二极管ZD1流动。在此，第二电流路径RT1由电阻器R6和齐纳二极管ZD1构成，使得在第二状态中(在该状态中励磁电流不流过继电器线圈102和112)电流从AC电源200流动。第二电流路径RT2连接到用于限制流过第二电流路径RT2的电流的电阻器R6。

接下来，说明当在人体传感器70的探测区域中存在人时的开关设备1的操作。

当在人体传感器70的探测区域中存在人，并且将探测信号从人体传感器70输入到信号处理单元40时，信号处理单元40执行以下操作，开启照明负载300并使得风扇负载400执行通风。

信号处理单元40首先在将输出端口P1的电压电平保持为低电平的同时，将输出端口P2和P3的电压电平从低电平切换为高电平。此时，将开关元件21保持在断开状态，并将开关元件22和52从断开状态切换为接通状态。

当开关元件22接通时，基极电流流过晶体管31以将晶体管31从断开状态切换为接通状态，并且电容器C4对从整流器DB1输入的脉动电压进行平滑处理。此时，电流从电容器C4依次流过继电器线圈112、电阻器R11和开关元件22，使得励磁电流流过继电器线圈112，以接通继电器11的接触件111。当接触件111接通时，AC电流从AC电源200经由接触件111提供给风扇负载400，风扇负载400旋转电机以执行通风。

当接通开关元件52时，电流从电容器C4依次流过电阻器R7、LED511和开关元件52，双向晶闸管512在从AC电源200输入的AC电压的跨零点从关断状态切换为导通状态。当导通双向晶闸管512时，高于导通电压的电压施加到双向晶闸管12的栅极端子(栅极电极)G1，双向晶闸管12从关断状态切换为导通状态。当导通双向晶闸管12时，AC电从AC电源200经由双向晶闸管12提供给照明负载300，开启照明负载300。

在此，照明负载300是电阻负载。因此，当导通双向晶闸管12时，冲流从AC电源200流到照明负载300。当开启照明负载300时，冲流不流过继电器10的接触件101，但流过作为半导体开关的双向晶闸管12。即，当开启照明负载300时，冲流流过双向晶闸管12，因为接触件101处于断开状态且双向晶闸管12导通。因此，可以保护接触件101。风扇负载400是感性负载，且当接触件101接通时，冲流不流入风扇负载400中。因此，双向晶闸管没有并联连接到接触件111，并且仅借助接触件111来接通或断开传送到风扇负载400的电流。

在从双向晶闸管12从关断状态切换到导通状态的时间经过了预设第一延迟时间段后，信号处理单元40将输出端口P1的电压电平从低电平切换到高电平。此时，开关元件21从断开状态切换到接通状态，使励磁电流流过继电器线圈102，以使得接触件101接通。在从接触件101由断开状态切换到接通状态的时间经过了预设第二延迟时间段后，信号处理单元40将输出端口P3的电压电平从高电平切换为低电平。此时，开关元件52从接通状态切换到断开状态，以停止电流流过LED511，以使得双向晶闸管512断开。当双向晶闸管512断开时，双向晶闸管12断开，电流仅经由接触件101从AC电源200流到照明负载300。第一延迟时间段仅需设定为略长于在照明负载300接通时冲流流动的时间段，例如约为1秒。第二延迟时间段仅需设定为略长于从继电器线圈102传送电流的时刻至接触件101闭合的时刻所需的操作时间段，并且根据继电器10的操作性能来设定为适当的时间段。

因而，当人体传感器70探测到人时，开关设备1开启照明负载300并使得风扇负载400执行通风。开关设备1通过将双向晶闸管12从关断状态切换为导通状态来开启照明负载300，以便抑制接触件101由于在开启开始时流动的冲流的熔接。在从照明负载300开启的时间起经过了第一延迟时间段和第二延迟时间段后，开关设备1使得电流经由接触件101流到照明负载300。因此，可以减小双向晶闸管12由于电流传输的产热或者双向晶闸管12中的功耗。

在使得励磁电流流过继电器线圈102和112的第一状态中，励磁电流从整流器DB1经由齐纳二极管ZD2和晶体管31流到继电器线圈102和112。在本实施例中，电容器C4连接在晶体管31的发射极与电路的地之间，以便将从整流器DB1经由齐纳二极管ZD2和晶体管31输入的电压由电容器C4平滑为基本上恒定的电压。由电容器C4平滑的电压施加到继电器线圈102和112，以使得稳定的电流流过继电器线圈102和112。在此，齐纳二极管ZD2和晶体管31组成第一电流路径RT1，通过它，电流从AC电源200流到第一驱动电路20。第二电流路径RT2包括与第一电流路径RT1不同的电阻器R6，以使得第二电流路径RT2的阻抗高于第一电流路径RT1的阻抗。因此，与使得励磁电流流过继电器线圈102和112的第一状态相比，可以抑制从AC电源200流入切换电路30中的电流，并且可以在不使得励磁电流流过继电器线圈102和112的第二状态中减小储用功率。

接下来，说明在开启照明负载300且风扇负载400执行通风的状态中，当所有人都离开人体传感器70的探测区域时执行的开关设备1的操作。

当所有人都离开人体传感器70的探测区域时，从人体传感器70到信号处理单元40的探测信号的输入停止。在从探测信号的输入停止的时间起经过了预设操作保持时间段后，信号处理单元40执行以下操作，以关闭照明负载300并停止风扇负载400。

在从来自人体传感器70的探测信号的输入停止的时间起经过了操作保持时间段后，信号处理单元40将输出端口P1和P2的电压电平从高电平切换为低电平。信号处理单元40将输出端口P3的电压电平保持为低电平。在此情况下，电流不流过继电器线圈102和112，接触件101和111从接通状态切换为断开状态，关闭照明负载300并停止风扇负载400的通风。

在此，风扇负载400是感性负载，以使得在切断到风扇负载400的供电时在风扇负载400中出现反电动势，该反电动势比额定电压约大几倍。

当开关设备1不包括浪涌吸收器电路60，并且在连接到负载端子94的导线与连接到负载端子95的导线之间由于导线彼此靠近而产生杂散电容时，在风扇负载400中出现的反电动势会进入光耦合器51。当在风扇负载400中出现的反电动势进入光耦合器51且高于导通电压的电压施加到双向晶闸管512时，双向晶闸管512和双向晶闸管12短时导通。作为光源的照明负载300包括LED，其敏感度高于白炽灯的敏感度，以至于照明负载300由于双向晶闸管512和双向晶闸管12的短时导通而暂时开启。当双向晶闸管12的耐受电压低于光耦合器51的双向晶闸管512的耐受电压时，双向晶闸管12由在断开接触件111时在风扇负载400中出现的反电动势在双向晶闸管512之前导通。

在本实施例的开关设备1中，由电阻器R4与电容器C2组成的串联电路构成的浪涌吸收器电路60并联连接到双向晶闸管12。换言之，浪涌吸收器电路60并联连接到电阻器R2、双向晶闸管512和电阻器R3的串联电路。因此，即使在断开接触件111时在风扇负载400中出现反电动势，电压的上升也变得平缓，借助经由电阻器R4为电容器C2充电而减小了施加到包括双向晶闸管12的第二开关元件的浪涌电压。因而，在风扇负载400中出现的反电动势不太易于使得双向晶闸管512和双向晶闸管12导通，并且不太易于导致照明负载300暂时点亮的事件。浪涌吸收器电路60不局限于由电阻器R4和电容器C4构成的RC串联电路。浪涌吸收器电路60可以是其他电路结构或变阻器。

如上所述，本实施例的开关设备包括连接到第一负载(风扇负载400)的第一端子(负载端子95和96)，连接到第二负载(照明负载300)的第二端子(负载端子93和94)。开关设备1包括插入并电气连接到将AC电源200连接到第一负载的电路径中的第一开关元件(继电器11的接触件111)，和插入并电气连接到将AC电源200连接到第二负载的电路径中的第二开关元件。第二开关元件包括是半导体开关的双向晶闸管12和双向晶闸管512。用于减小施加到第二开关元件的浪涌电压的浪涌吸收元件(浪涌吸收器电路60)与第二开关元件并联地连接在AC电源200与第二负载之间。

因而，即使在第一开关元件切断到第一负载的供电时在第一负载中出现的反电动势进入第二开关元件，施加到第二开关元件的浪涌电压也可以由浪涌吸收元件减小。因此，在第一负载中出现的反电动势不太易于导致在第二开关元件在接通与断开之间的切换，且不太易于导致第二负载暂时操作的事件。

在本实施例的开关设备1中，优选地，浪涌吸收元件(浪涌吸收器电路60)被配置为将浪涌电压减小到低于半导体开关的导通电压的值。借助由浪涌吸收元件将浪涌电压减小到低于导通电压的值，消除了半导体开关由于浪涌电压而短时接通的事件。

在本实施例的开关设备1中，第一负载可以是感性负载(本实施例中的风扇负载400)。在切断到感性负载的供电时，在感性负载中出现反电动势。即使反电动势进入第二开关元件，浪涌吸收元件也减小施加到第二开关元件的浪涌电压，因此抑制了在第二开关元件在接通与断开之间的切换。

在本实施例的开关设备1中，第二负载可以是照明负载300，例如LED光源。即使在切断到第一负载的供电时在第一负载中出现的反电动势进入第二开关元件，浪涌吸收元件也减小施加到第二开关元件的浪涌电压，因此抑制了在第二开关元件在接通与断开之间的切换。因此，即使第二负载是具有高敏感度的LED光源，也消除了在切断到第一负载的供电时LED光源暂时点亮的事件。

本实施例的负载控制系统包括开关设备1、连接到第一端子(负载端子95和96)的第一负载和连接到第二端子(负载端子93和94)的第二负载。第一负载是感性负载(风扇负载400)，第二负载是LED光源(照明负载300)。浪涌吸收元件(浪涌吸收器电路60)被配置为减小由当断开第一开关元件(接触件111)时在感性负载中出现的反电动势施加到第二开关元件(双向晶闸管12)的浪涌电压。

因而，浪涌吸收元件减小由当断开第一开关元件时在感性负载中出现的反电动势施加到第二开关元件的浪涌电压。因此，抑制了由反电动势引起的第二开关元件在接通与断开之间的切换。结果，即使将具有高敏感度的LED光源连接到第二端子时，也消除了在断开第一开关元件时LED光源暂时点亮的事件。

在本实施例的上述开关设备1中，在从人体传感器70对人体的探测停止的时间起经过了操作保持时间段后，信号处理单元40停止照明负载300和风扇负载400。但操作保持时间段是可调的。例如，开关设备1可以包括设置开关，例如Π形插入式开关或旋转开关，可以借助设置开关将操作保持时间段设置为期望的时间段。信号处理单元40可以在来自人体传感器70的探测信号输入停止(即人体传感器70对人体的探测停止)后，立即关闭照明负载300并停止风扇负载400。

在本实施例的上述开关设备1中，继电器10和11是非闭锁继电器。但继电器10和11可以是闭锁继电器。当继电器10和11可以是闭锁继电器时，继电器10和11的每一个都包括设置线圈和重置线圈。当电流流过设置线圈时，接通接触件，即使在传送到设置线圈的电流停止时也保持接触件的接通状态。当电流流过重置线圈时，断开接触件，即使在传送到重置线圈的电流停止时也保持接触件的断开状态。

在本实施例的开关设备1中，将照明负载300和风扇负载400用作负载。但开关设备1的负载不局限于照明负载300和风扇负载400，可以是其他电气装置。

本实施例的开关设备1响应于作为触发器的从人体传感器70输入的探测信号，来控制负载的操作。但用以改变负载的操作状态的触发器不局限于人体传感器70对人体的探测。开关设备1可以使用作为触发器的人对操作单元的操作或者从遥控发射器发射的无线电信号的接收单元的接收来改变负载的操作状态。

尽管参考特定优选实施例说明了本发明，但本领域技术人员可以在不脱离本发明的真实精神和范围(即权利要求书)的情况下做出许多变型和变化。

Claims (6)

1.一种开关设备，包括：

第一端子，所述第一端子连接到第一负载；

第二端子，所述第二端子连接到第二负载；

第一开关元件，所述第一开关元件插入并电气连接到将AC电源连接到所述第一负载的电路径；以及

第二开关元件，所述第二开关元件插入并电气连接到将所述AC电源连接到所述第二负载的电路径，

其中，所述第二开关元件包括半导体开关，并且

其中，浪涌吸收元件与所述第二开关元件并联连接在所述AC电源与所述第二负载之间，所述浪涌吸收元件被配置为减小施加给所述第二开关元件的浪涌电压。

2.根据权利要求1所述的开关设备，其中，

所述浪涌吸收元件被配置为将所述浪涌电压减小到低于所述半导体开关的导通电压的电压。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的开关设备，其中，

所述第一负载是感性负载。

4.根据权利要求1至权利要求3中任意一项所述的开关设备，其中，

所述第二负载是LED光源。

5.根据权利要求1至权利要求4中任意一项所述的开关设备，其中，

所述浪涌吸收元件包括由电阻器与电容器构成的串联电路。

6.一种负载控制系统，包括：

根据权利要求1或权利要求2所述的开关设备；

与所述第一端子连接的所述第一负载；以及

与所述第二端子连接的所述第二负载，

其中，所述第一负载是感性负载，并且所述第二负载是LED光源，并且

其中，所述浪涌吸收元件被配置为减小由当所述第一开关元件被断开时在所述感性负载中出现的反电动势施加给所述第二开关元件的浪涌电压。