CN111342658B - 单火线电子开关取电电路拓扑及其构成的智能电子开关 - Google Patents

单火线电子开关取电电路拓扑及其构成的智能电子开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单火线电子开关取电电路拓扑及其构成的智能电子开关，其包括二个电路单元，第一电路单元为开关截止取电单元，该电路单元由反激式电路构成；第二电路单元为为开关导通取电单元，该电路单元由一个双向可控制的开关器件及一个带时间参数控制的电压监控与控制电路组成，两者的结合的核心在于其共同参考点，即参考地，位于双向可控制开关的中点，二个单元电路在单火线电子开关的不同工作状态下为电子开关内部电路提供稳定的电源。本发明在开关断开和闭合的时候，都能提供电源，且不影响负载的正常工作，彻底解决开关断开后灯泡闪亮以及开关导通后负载灯泡闪动的问题。

Description

单火线电子开关取电电路拓扑及其构成的智能电子开关
技术领域
本发明涉及电子控制技术领域，特别是指一种单火线电子开关取电电路拓扑及其构成的智能电子开关。
背景技术
随着无线通讯技术的成熟以及控制技术的成熟，智能家居产品变得越发的成熟，近年来智能家居产品逐渐进入了市场，为广大消费者所接受。其中，智能开关成为了智能家居产品里面的最核心的产品之一，智能开关不仅可以控制灯光，还可以控制电器或者是其他负载。与此同时，无线通讯技术给智能开关带来了更多更便捷的控制方式：如本地遥控，程序控制，语音控制，app控制等各种控制方式，极大地方便人们的生活。
当前的智能电子开关大多采用隐藏式布线，走线在墙壁里面，这些控制灯光的走线没有零线，只有火线，由于没有零线，无法形成回路，电子智能开关内部电路需要取电，在开关闭合或者断开时都需要给其他电路供电，所以当前的电子开关有个非常大的挑战是解决单火智能电子开关的取电问题：如何在开关断开时，取电的电流非常小，不会导致负载灯泡亮起或发出微弱的光，如何在开关导通时取电而不影响负载的工作，造成灯泡闪动等现象。
从2009年开始，市面上有很多单火线的电子开关，采用多种取电的方式。相关的专利也非常多，如：中国专利申请号为：201821470715.3、201820994778.2、201910710.267.2、201910592147.7、201910350794.7，所公布的单火电子开关所采用的供电电路，和中国专利：201910117453.5，201910443576.8公布单火开关取电电路，这些专利所公布的技术，在市面上销售的产品已经广泛使用，但是都存在单火开关断开时负载闪亮，开关闭合时负载闪动问题的一个和多个问题。
受制于当前技术的局限，目前市面上已有的产品和公开发表的技术资料，专利文献中，暂时没有一种理想的电路拓扑，可以同时解决单火开关断开时负载闪亮，开关闭合时，负载闪动的问题。
发明内容
本发明提出一种单火线电子开关取电电路拓扑，彻底解决了现有技术中开关断开时灯泡闪亮以及开关导通时负载灯泡闪动的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种单火电子开关的取电电路拓扑结构，通过巧妙控制现有反激电路的工作点，将电子开关断开后的取电漏电流控制在100uA以内，通过与市电同频率或者同步倍频，进行周期性的取电，确保电子开关闭合后正负半周取电严格相等，同时对二个电路的参考点进行优化，这样可以彻底解决单火开关取电的技术难题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种单火线电子开关取电电路拓扑，其包括二个电路单元，第一电路单元为开关截止取电单元，该电路单元由反激式电路构成；第二电路单元为为开关导通取电单元，该电路单元由一个双向可控制的开关器件及一个带时间参数控制的电压监控与控制电路组成，两者的结合的核心在于其共同参考点，即参考地，位于双向可控制开关的中点，二个单元电路在单火线电子开关的不同工作状态下为电子开关内部电路提供稳定的电源。
作为本发明的一个优选实施例，双向可控制开关器件由两个的低压MOSFET管组成。
作为本发明的一个优选实施例，所述反激式开关电源的供电电压低于7V，输出电压低于5V。
作为本发明的一个优选实施例，所述开关导通取电单元的平均电压低于5.6V。
作为本发明的一个优选实施例，所述控制电路为带有一定电压迟滞特征的控制电路。
作为本发明的一个优选实施例，所述开关截止取电单元至少包含一个或一个以上全桥整流电路，作为其输入整流电路。
作为本发明的一个优选实施例，所述开关导通取电单元的取电周期与市电的周期保持一致，或者为市电周期的n倍或者n分之一，n为正整数，且为偶数。
作为本发明的一个优选实施例，所述开关导通取电单元的时间参数随着负载电流的大小自动调节。
一种单火线智能电子开关，基于单火线电子开关取电电路拓扑构成，其主开关器件采用的是磁保持继电器，且磁保持继电器的最低驱动电压低于5V。
本发明的有益效果在于：在开关断开和闭合的时候，都能提供电源，且不影响负载的正常工作，彻底解决开关断开时灯泡闪亮以及开关导通时负载灯泡闪动的核心技术问题，有良好的社会及经济价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明单火线电子开关取电电路拓扑的功能模块示意图；
图2是本发明开关截止取电单元应用在单火线电子开关中的电路原理图；
图3是本发明开关导通取电单元应用在单火线电子开关中的电路原理图；
图4是本发明一种智能电子开关的功能模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明提出了一种单火线电子开关取电电路拓扑，包括开关单元S1、开关截止取电单元P10、开关导通取电单元P11和电子开关供电电源P12；其中P10和P11是本发明的核心电路拓扑，其与S1，P12的连接后可以组成一个单火线电子开关。火线分别与开关单元一端和开关截止取电单元的一端连接，开关单元的另一端与开关导通取电单元连接，开关截止取电单元和开关导通取电单元分别与电子开关供电电源连接；开关截止取电单元包括一个反激式开关电源，开关导通取电单元包括一个可双向控制的开关器件和一个带时间参数和电压监控的控制电路，开关器件和控制电路具有共同参考地，位于开关器件的中点。
开关单元S1串联在电子开关主回路中，分别与市电的输入线(一般是火线)和开关导通取电单元P11相连，该单元一般为一个继电器元器件，主要用于电子开关主回路的导通与截止控制，在电子开关的实际应用中，该单元可以被其他控制电路控制其导通或断开。
开关截止取电单元P10，其输入分别连接单火线电子开关的输入和输出端：L电子开关的市电火线端和Lx电子开关的负载输出端，其输出是低压直流电，输出至内部稳压单元P12的输入端。其在电子开关截止时，为电子开关内部电路提供电源。该单元由一个标准的反激式(FLYBACK)电路组成，能将高压交流电，转换为低压直流电，且具有待机功耗低，工作时输入电流小，输入、输出隔离的特点。
开关导通取电单元P11，其串联在电子开关主回路中，其输入为开关单元S1的输出端和电子开关的输出负载端Lx，其输出是低压直流电，输出至内部稳压单元P12的输入端。其在电子开关导通时，为电子开关内部电路提供电源。该单元由一个双向可控制的开关器件及一个带时间参数控制的电压监控与控制电路M1组成，其中双向可控制的开关器件可以是二个低压MOSFET Q1，Q2串联构成。在电子开关导通期间，M1控制Q1、Q2的导通与截止，实现取电功能。
电子开关供电电源P12，其输入为P10，P11的所输出的低压直流电，其输出为稳定的低压直流电，为电子开关内部提供电源。电子开关供电电源P12为线性稳压器或者DC/DC的稳压电路。
以上四部分可以组成一个完整的单火线电子开关及完整的取电电路，该取电电路可以在单火线电子开关不同工作状态下，为其电子开关内部电路提供电源。
值得说明的是，该电路拓扑的核心在于：1、开关截止取电单元P10和开关导通取电单元P11两者的具有共同的参考点，即参考地，该参考点位于Q1、Q2串联之间。2、开关导通取电单元P11中包含有一个带时间参数控制的电压监控与控制电路M1，该电路的取电周期与市电的周期(50Hz时为20mS，60Hz时为16.667mS)保持一致，或者为市电周期的n倍或者n分之一，n为正整数，且为偶数。
值得说明的是，开关单元S1和开关导通取电单元P11是串联关系，其位置可以调换而不影响而不影响本电路的工作。
值得说明的是，在用户的实际使用过程中，单火线电子开关可以串联在市电的火线与负载之间，也可以串联在市电的零线与负载之间。当用户将单火线电子开关串联在市电的火线与负载之间时，图1中L为火线，Lx为负载端；当用户将单火电子开关可以串联在市电的零线与负载之间时，图1中L为零线，Lx为负载端；
如图2所示，本发明提出开关截止取电单元应用在单火线电子开关中的电路原理图，该电路可以在单火线电子开关截止时取电，并为电子开关内部提供电源。
开关截止取电单元主要包括整流桥B1，高压储能电容C2，高频变压器T1，整流管D4，电容C3，电阻R2，R3，反激控制集成电路U1，输出整流D3，输出滤波C4。
L，S1，Q1，Q2，Lx，LAMP构成了单火线电子开关的主回路。L为单火线电子开关的一外接端口，连接LIVE端，LIVE可以是市电的火线或零线。Lx单火线电子开关的另一外接端口，连接外部负载LAMP，通过负载LAMP连接至NEUTRAL端，NEUTRAL端可以是市电的零线或火线。在使用过程中，外部负载与单火线电子开关串联，连接至市电的火线和零线之间。S1为单火线电子开关的主回路开关，Q1，Q2为电子开关导通取电电路中，串联在的单火线电子开关主回路的双向可控制的开关器件。
当单火线电子开关截止时，即主回路开关S1断开，市电的零线，火线经负载LAMP串联以后，送至整流桥B1的输入端，B1将高压交流电整流成高压直流电，该高压直流电被送至由高压储能电容C2，高频变压器T1，整流管D4，电容C3，反馈电阻R2，R3，反激控制集成电路U1，输出整流D3，输出滤波C4构成了的反激式开关电源变换电路：该前级的高压直流施加于变压器的初级绕组和反激控制集成电路U1内部开关管，反激式开关电源控制IC控制其内部开关管的导通与截止，通过变压器的初次级耦合，将能量传递给次级线圈，并通过次级电路的整流、滤波，输出低压直流。T1的供电与反馈绕组通过整流管D4，电容C3，为反激控制集成电路U1提供电源供电，并进一步通过反馈电阻R2，R3提供输出电压反馈信号。T1的输出绕组通过输出整流D3，输出滤波C4输出低压直流电。该电路与一般的反激式开关电源电路基本一致。在本电路中，能达到最小的输入电流的核心因素在于：其变压器有3个绕组，分别为原边绕组，供电与反馈绕组，输出绕组；其反激式开关电源控制IC的供电电压低于7V，一般为5V；其输出电压低于5V，一般为4V；其原边工作的峰值电流低于300mA，一般低于为150mA，在整流桥B1和高压储能电容C2，可以串联一个电压阻抗器，以调节输入电流的波形，减少输入电流的有效值。采用本电路拓扑，能将反激电源电路的空载功耗控制在20mW以内，输入的电流可以低于100uA。在单火线电子开关截止时，可以为单火线电子开关内部控制电路，通讯电路，指示电路等电路提供电源，因为其输入电流非常小，因此不会引起单火线电子开关所接负载(即灯泡)的闪烁，或突然亮起等问题。又由于其输入电路的正负半周是对称的，所以该单火线电子开关再外接有内置阻容降压电路的LED灯泡时也能正常工作，并且也不会有负载(即灯泡)的闪烁，或突然亮起等问题。
如图3所示，本发明开关导通取电单元应用在单火线电子开关中的电路原理图。
开关导通取电单元主要包括双向可控制的开关器件Q1、Q2，取电整流二极管D1、D2，带时间参数控制的电压监控与控制电路M1、R1和取电储能电容C1。
L，S1，Q1，Q2，Lx，LAMP构成了单火线电子开关的主回路。当开关单元S1闭合，主回路处于导通状态，由Q1、Q2组成的双向可控制的开关器件串联在单火线电子开关的主开关回路中，当带时间参数和电压监控的控制电路M1通过R1控制双向可控制的开关器件Q1、Q2截止时，如果此时市电是正半周，火线电流通过电子开关的输入端L，流至主回路中的开关单元S1，并流至D1正极，并进一步流至取电储能电容C1正极，并通过取电储能电容C1的负极流至Q2的源极，经过Q2的体二极管流至电子开关的负载端Lx，最终流经负载LAMP，流至市电的零线；如果此时市电是负半周，零线电流通过负载负载LAMP流至电子开关的负载端Lx，并流至D2正极，并进一步流至取电储能电容C1正极，并通过取电储能电容C1的负极流至Q1的源极，经过Q1的体二极管流至主回路中的电开关S1，并进一步流至电子开关的输入端L，最终流至市电的火线；取电储能电容C1的正极连接V+，负极连接GND，此二端输出低压的直流电，可以为电子开关的内部电路提供电源。当带时间参数控制的电压监控与控制电路M1通过R1控制双向可控制的开关器件Q1、Q2同时导通时，负载的电路直接通过Q1、Q2，不再通过D1，D2和C1。带时间参数控制的电压监控与控制电路M1周期性地导通，并监视C1上的电压，当储能电容C1上电压高于某一电压时，该控制电路控制双向可控制开关器件Q1、Q2同时导通，此时不再取电。该电路在市电的正负半周内基本处于对称工作状态，从而避免在市电的正负半周内工作不对称造成单火线电子开关接小负载LED灯泡时闪动的问题。
进一步的，带时间参数控制的电压监控与控制电路M1所控制双向可控制开关器件Q1、Q2截止的周期即为取电周期，该电路的取电周期与市电的周期(50Hz时为20mS，60Hz时为16.667mS)保持一致，或者为市电周期的n倍或者n分之一，n为正整数，且为偶数。或者，该电路的时间参数控制为随着负载电流的大小自动调节，但其取电周期与市电的周期(50Hz时为20mS，60Hz时为16.667mS)保持一致，或者为市电周期的n倍或者n分之一，n为正整数，且为偶数。
可选地，双向可控制的开关器件两个的低压MOSFET背靠背串联组成。
以上电路可以在单火线电子开关处于闭合状态(导通)时取电，可以在电子开关导通时，为电子开关内部各部分电路提供足够的供电，由于采用了带时间参数和电压监控的控制电路M1作为导通取电的控制，且取电周期与市电周期保持一定关系，使得其取电过程在市电的正负保持对称，从而避免在市电的正负半周内工作不对称造成单火线电子开关接小负载LED灯泡时闪动的问题。
如图4所示，本发明还提出了一种智能电子开关，该智能电子开关主要包括开关单元10，截止取电单元11，导通取电单元12和智能控制及通讯单元13。
开关单元10，导通取电单元12串联在电子开关主回路中，分别连接至单火智能电子开关的二端L和LOAD。单火智能电子开关的L连接至市电的一端(一般是火线，也可以是零线)，单火智能电子开关的LOAD连接至外部负载端，通过负载连接至市电的另一端(一般是零线，也可以是火线)和导通取电单元P11相连，开关单元10是一个磁保持继电器，用于单火智能电子开关主回路的导通与截止控制，磁保持继电器的最低驱动电压低于5V。开关单元10还连接至智能控制及通讯单元13，智能控制及通讯单元13可以通接受用户的本地、远程或者程序化的操作指令，控制开关单元10的闭合与断开，实现智能电子开关的开关功能。本智能电子开关只需要外接2根线，能串联在负载回路中，在安装上能直接替代当前传统的机械开关，所以是单火线电子开关。
当开关单元10断开时，单火智能电子开关处于截止状态，当开关单元10闭合时，单火智能电子开关处于导通状态。
截止取电单元11，其输入分别连接单火线电子开关的二端：L为电子开关的市电火线端和LOAD单火智能电子开关的负载输出端，其输出是低压直流电。其在电子开关截止时为智能控制及通讯单元13提供供电，截止取电单元11由一个标准的反激式(FLYBACK)电路组成，能将高压交流电，转换为低压直流电，且具有待机功耗低，工作时输入电流小，输入、输出电气隔离的特点。
导通取电单元12，其串联在单火智能电子开关主回路中，其输入为开关单元S1的输出端和电子开关的一段端LOAD，其输出是低压直流电，其在电子开关导通时为智能控制及通讯单元13提供供电。该单元由一个双向可控制的开关器件及一个带时间参数控制的电压监控与控制电路组成，其中双向可控制的开关器件可以是二个低压MOSFETQ1，Q2串联构成。在电子开关导通期间，M1控制Q1,Q2的导通与截止，实现取电功能。
智能控制及通讯单元13，其可以接受用户用户的本地、远程或者程序化的操作指令，控制开关单元10的闭合与断开，实现智能电子开关的功能。
以上四部分可以组成一个完整的智能电子开关，该智能电子开关在开关断开时，其输入电流非常小，不至于导致负载灯泡亮起或发出微弱的光；在开关闭合时，其在市电的正负半周都可以取电，而且正负半周内取电时间相等，即正负半周所取电流是对称的，因此不会影响负载的工作，造成灯泡闪动等现象。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单火线电子开关取电电路拓扑，其特征在于：其包括二个电路单元，第一电路单元为开关截止取电单元，该电路单元由反激式电路构成；第二电路单元为为开关导通取电单元，该电路单元由一个双向可控制的开关器件及一个带时间参数控制的电压监控与控制电路组成，两者的结合的核心在于其共同参考点，即参考地，位于双向可控制开关的中点，二个单元电路在单火线电子开关的不同工作状态下为电子开关内部电路提供稳定的电源；所述开关导通取电单元的取电周期与市电的周期保持一致，或者为市电周期的n倍或者n分之一，n为正整数，且为偶数；所述开关导通取电单元的时间参数随着负载电流的大小自动调节。
2.根据权利要求1所述的一种单火线电子开关取电电路拓扑，其特征在于：双向可控制开关器件由两个的低压MOSFET管组成。
3.根据权利要求1所述的一种单火线电子开关取电电路拓扑，其特征在于：所述反激式开关电源的供电电压低于7V，输出电压低于5V。
4.根据权利要求1所述的一种单火线电子开关取电电路拓扑，其特征在于：所述开关导通取电单元的平均电压低于5.6V。
5.根据权利要求1所述的一种单火线电子开关取电电路拓扑，其特征在于：所述控制电路为带有一定电压迟滞特征的控制电路。
6.根据权利要求1所述的一种单火线电子开关取电电路拓扑，其特征在于：所述开关截止取电单元至少包含一个或一个以上全桥整流电路，作为其输入整流电路。
7.一种智能电子开关，基于权利要求1-6任一项所述的单火线电子开关取电电路拓扑构成，其特征在于，其主开关器件采用的是磁保持继电器，且磁保持继电器的最低驱动电压低于5V。
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