CN1150506A - 具有可控上升和下降特性的开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有可控上升和下降特性用于电子开关和功率控制的电子开关，包括一个与一个负载(L)串联连接的三端双向可控硅开关或SCR(可控硅整流器)开关元件(TK)，一个整流桥(2)，该整流桥(2)的交流(AC)输入端分别连接到开关元件(TK)的栅极和它的第一功率电极。一个SCR和控制电路(7)的正、负输入(I+、I-)，接在整流桥(2)的直流(DC)输出端(1+，-)之间。控制电路(7)的输出端连接到SCR(Ti)的栅极。滤波电路(1)连接在开关元件(TK)的栅极和第二功率电极与整流桥(2)交流(AC)输入端之间。根据本发明，控制电路(7)包括一个具有一个控制输入端(I)的放大级(6)和一个连接到该放大级的输出端的二端交流开关(DK)，二端交流开关的另一端构成控制电路的输出端，而放大级(6)的输入端构成控制电路(7)的正、负输入端(I+，I-)。此外，在放大级(6)的控制输入端(I)和整流桥(2)的正直流输出端(+)之间提供了一种直接反馈或间接反馈。

Description

具有可控上升和下降特性的开关
本发明涉及一种具有可控上升和下降特性的开关以及具有可控上升和下降特性的功率控制器，所述的功率控制器包括一个与负载串联连接的三端双向可控硅或SCR(可控硅整流器)开关元件，一个与上述开关元件的栅极和功率电极相连接的控制电路。
众所周知，已有某些电子开关电路具有可控上升和下降特性。有些人们所熟知的电路已在Király A.，ElEKtronikai receptekl.(Electronic recepiesl.Müszaki Kiadó，Budapest)一书中说明。被研制用于交流(AC)应用的这种电路非常适合用于照明技术，以增加发光体的寿命，避免照明突然变化，以程控方式或传感器控制方式接通或断开发光体，限制并控制发光亮度或能量消耗，以便用手工方式或自动方式控制像电加热设备和电动机之类的其他电气负载的工作。
一种具有比较简单结构的功率控制器可参见上述参考第34页。
电阻负载或电感负载上的功率通过控制三端双向可控硅开关元件的初相进行控制，通过一种串联RC元件的相移链(电路)产生必要的相移。相移链的第一个电阻器由AC(交流)市电供电，改变该电阻器的电阻值，可以使流过三端双向可控硅开关的电流的相移发生变化。适合于控制该三端双向可控硅开关的脉冲由与三端双向可控硅开关的栅极引线串联连接的二端交流开关形成。
该已知的电路的缺点是，它不适合于获得可控的上升和下降的特性，它只适合于使功率调整到固定值。
一种适合于以自动方式缓慢地增加发光亮度的电路在上述参考书的第70页中给出。这种电路由比较多的元件，例如晶体管和集成电路所组成的控制部分由市电电源供电。该方法的缺点是，由于用市电供电需要有变压器，因此，该电路的控制部分不能以小体积实现。
在该参考书的第73-75中介绍了一种可控的上升和下降特性的开关。该开关的三端双向可控硅开关是通过在控制电路的LED(发光二极管)和位于栅极电路的光电阻器之间的光电耦合来控制的。在这种情况下控制电路也用有变压器的市电电源进行供电。
由于具有可控的上升和下降特性的已知的开关要求较大的空间和有较大功率消耗，因此，它不适合于放在散热环境恶劣的隐蔽场所。
本发明的一个目的就是提供一种有效地消除已知解决方法的缺点的具有可控的上升和下降特性的开关；根据本发明，该开关不要求具有小尺寸和低热耗的分离电源，因此本发明的这种开关适合于在不能形成散热表面的结构中使用，例如，在同时还装有开关和电源控制电位器的墙上凹陷照明开关盒中使用。
本发明是基于这一思想，即控制电路的馈电是通过市电经由也作为衰减器用的电容元件输送来的加在三端双向可控硅开关或SCR开关元件上的电压实现，该电容元件无论如何是该电路所必需的部件。
根据本发明所提供的解决方法，都呈现可控上升特性和可控下降特性的开关和功率控制器是通过使用三端双向可控硅开关或SCR开关元件来实现的，开关元件与负载串联连接它的控制栅和功率电极连接到控制电路。开关元件的控制栅、它的一个功率电极与整流桥的一个AC输入端通过一个最好由无源部件。组成的滤波器电路连接起来。开关元件的另一个功率电极与整流桥的另一个AC输入端相连接，并连接到一个负载端子。一个SCR以及一个放大级的两个输入端接在整流桥的正、负直流输出端之间，通过一个二端交流开关将放大级的输出端与SCR的控制栅相连接。放大级的输出直接或间接地反馈到它的控制输入端，并且一个开关安置在该放大级中，最好与所述的控制输入端串联连接。
该放大级最好包括一个相移电路，一个开关和/或放大电路以及一个滤波级。相移电路的输入端连接到整流桥的DC输出端，相移电路的输出端与放大级的输出端相对应，一个以其一个连接端子与SCR的栅极相连接的二端交流开关被连接到相移电路的输出端。
最好是包含晶体管的开关和/或放大电路的输出端被连接到二端交流开关和相移电路的输出端的的公共点，它的一个输入被连接到整流桥的负DC输出，而它的另一个输入端被连接到最好使用无源元件构成的滤波级的输出端。滤波级5的一个输入端连接到整流桥2的负DC输出端，而滤波级5的另一个输入端与放大级6的控制输入端相对应。
如果不需要功率控制，那末在优选配置方式中，由一个电容器、一个控制下降和上升特性的电阻器和最好是齐纳二极管组成的滤波级中的开关按以下方式连接，电容器的一个连接端和与上述电容器并联连接的齐纳二极管的阳极连接到整流桥的DC负输出端。电容器的另一个连接端和与上述电容器并联连接的齐纳二极管的阴极被连接到串联连接的控制下降和上升特性的两个电阻器的公共连接点，下降电阻器的另一个连接端连接到开关的一个连接端。开关的另一个连接端与滤波级的输入端相对应，而上升电阻器的另一个连接端与滤波级的输出端相对应。
为了获得功率控制的效果，最好将还包括一个电容器，下降和上升电阻器以及一个最好是齐纳二极管的滤波级的功率控制电位器和开头接成以下方式：电容器，开关以及齐纳二极管的阳极都接到整流桥的负DC输出端，开关的另一个连接端连接到功率控制电位器的一个端点，电位器的滑动可变连接端连接到电容器的另一个连接端和上升电阻器。
上升控制电阻器的另一个连接端与滤波级的输出端相对应。电位器的另一个端点被连接到齐纳二极管的阴极和下降控制电阻器。此外，下降控制电阻器的另一个连接端与滤波级的输入端相对应。
在其优选的配置中，开关至少部分以集成电路方式来实现。
本发的配置比已知的配置更为优越的是，控制电路的损耗功率能降低到0.5W，不需要电源，这就是为什么它的体积能制作得小，可以安装在不通风的封闭场所，例如可以放置在一种嵌在墙壁凹陷内的开关盒中。
下面，参照图1-4，本发明将以优先实施例为例加以介绍。
在图1中，示出一种具有适合于功率控制的可控上升和下降特性的开关的示意电路图。
在图2中，示出使开关具有上述特性的放大器的详细方框图。
在图3和4中，示出了滤波级的可能的优选配置。
图中所示的配置说明如下。
可控的电子交流(AC)市电开关的开关元件如图1所示，该开关的开关元件是一个三端双向可控硅开关TK，TK与受控负载L串联连接，例如一盏白炽灯，或分极感应电动机(divided Poleinductionmototr)，电容电动机或空气调节器的通用马达，厨房机械，真空去尘器，或钻孔机。三端双向可控硅开头TK的电源电路配有普通保护性的元件和噪音抑制元件，由于这些元件已众所周知，在此不进行详细说明。三端双向可控硅开关TK的控制栅电极经由滤波器电路1连接到整流桥2的一个交流输入端。负载L和三端双向可控硅开关TK的公共连接点连接到控制电路中的整流桥2的另一个交流输入端。用“+”、“-”号表示的整流桥2的直流(DC)输出将作为控制电路的电源，在直流输出端上将出现经市电整流并衰减的信号，此外，一个低功率SC及连接在上述直流(DC)输出端之间，SCR Ti将会使直流(DC)输出端短路。这取决于它的电子控制，并且SCR在供电网的每个半周期内为三端双向可控硅开关TK提供选通脉冲。
因为SCR Ti经过整流桥2提供适当的选通信号，因此对于三端双向可控硅开关TK来说触发信号不需要再去额外形成。由于这个原因，它无需在三端双向可控硅开关TK的选通电路中使用例如一个二端交流开关。另一方面，在低功率SCR Ti的选通电路中，串联连接一个二端交流开关，以确保SCR Ti无差错地打开，进入导通状态。SCR Ti的栅极经由DK与放大级6的输出端相连接。放大级6的输出发馈到它的控制输入端1。也可以是经由一个电阻元件的间接反馈。放大级6包括一个最好与该放大级的控制输入端串联连接的开关K。图2说明放大级6的一种合适的内部配置。放大级6包括一个相移电路3，一个开关和/或放大电路以及一个滤波级5。相移电路3的输入端连接在放大级6中的整流桥的直流(DC)输出端之间，相移电路3的输出端与放大级6的输出端相对应，一个二端交流开关DK以其一个连接端连接到SCR Ti的栅极，以其另一连接端连接到上述的相移电路3的输出端，也如以上所述那样，相移电路3的输出端与放大级6的输出端相对应。这个其电路最好使用晶体管构成的开关和/或放大电路4的输出端连接到二端交流开关DK和相移电路3的公共连接点，上述开关和/或放大电路4的两个输入端中的一个输入端连接到整流桥2的负直流(DC)输出(一)，另一个输入端连接到最好由无源部件构成的滤波级5的输出端。滤波级5的一个输出端与放大级6的控制输入端1相对应，而滤波级5的另一个输入端连接到整流桥2的负直流(DC)输出端(一)。
当不需要功率控制时，对于这种情况，滤波级5的一种可能的配置如图3所示。由一个电容器C，一个控制下降的电阻器R1和一个控制上升的电阻器R2以及一个最好是齐纳二极管Z组成的滤波级5具有一个开关K。电容器C的二个连接端的一个和与电容器C并联连接的齐纳二极管Z的阴极连接到整流桥2的负直流输出端(一)。电容器C的另一连接端和与该电容器C并联连接的齐纳二极管Z的阴极连接到串联连接的控制下降的电阻器R1和控制上升的电阻器R2的公共连接点。电阻器R1的另一连接端连接到开关K的二个连接端的一个。K的另一连接端与滤波级5的输入端相对应，而控制上升的电阻器R2的另一连接端与上述滤波级5的输出端相对应。
当需要功率控制时，对于此情况，滤波级5的一种可能配置在图4中给出。由一个电容器C，一个控制下降的电阻器R1和一个控制上升的电阻器R2以及一个最好是齐纳二极管Z组成的滤波级5具有一个功率控制电位器P和一个开关K，开关K的一个连接端与齐纳二极管Z的阳极一起连接到整流桥2的负直流输出端。开关K的另一连接端连接到功率控制电位器P的一个端点，功率控制电位器P的中间端点连接到电容器C的另一连接端和上升控制电阻器R2的一个连接端。电阻器R2的另一连接端与滤波级5的输出端相对应。功率控制电位计P的另一端连接到齐纳二极管Z的阴极和下降控制电阻器R1的一个连接端。电容器C的另一连接端又与上升控制电阻器R2的一个连接端相连。电阻器R2的另一连接端与滤波级5的输出端相对应。功率控制电位器P的另一端连接到齐纳二极管Z的阴极和下降控制电阻器R1的一个连接端。另一连接端与滤波级5的输入端相对应，具有可控上升和下降特性的开关可以以混合的或部分单片集成电路(1C)来实现。
根据本发明，具有可控上升和下降特性的开关的工作情况将在下面说明。
图1的放大级6包括相移电路，放大器和滤波器电路，这些电路可由现有的元件构成。放大级6的配置已结合图2详细叙述。
如果在放大级6中，就是根据图3的配置，与输入端串联连接的开关K用于滤波级5，那末该电路工作如下所述。如果开关K一直接通，那末受控开关也就是三端双向可控硅开关TK处于断开状态。对于这一情况的原因是因为滤波级5中的电容器C经由电阻器R1被充电到齐纳二极管Z的电位，从而在开关和/或放大电路4的输入端的电压高到足以保持在它的与相移电路3和二端交流开关DK相连接的输出端的电位，低到足以使SCR Ti(经由二端交流开关DK)，保持在断路状态，也就是说，SCR Ti不会被触发从而三端双向可控硅开关TK稳定地处于断路状态，因此没有电流流过负载。
如果我们断开开关K，那末电容器C的充电电流就停止，而放电电流经过电阻器R2和开关和/或放大电路4保持流通。电容器C的电位在某一时间(该时间取决于电阻器R2的电阻值)之后减小到这样低的电平，以致于开关和/或放大电路4断路，从而被整流的市电电压在半周期中出现在相移电路3输出端的所占时间越来越长，也就是出现了使导通角相继增大的脉冲列，于是二端交流开关DK就触发了SCR Ti。在SCR Ti被触发之后，它将连接整流桥2的对角线，这样，在两个半周期内具有来自电源的能量的脉冲出现在三端双向可控硅开关TK的滤波电路1输入端，因此，相继增大的电流将流过负载L，直到三端双向可控硅开关达到完全开启的状态。通过改变电阻器R2的值，三端双向可控硅开关TK的开关时间就能够被控制。
当我们再次接通开关K(为了使负载L的电路断路)时，由于电容器C两端的电压经由电阻器R1而增大，所以，通过滤波级5，开关和/或放大电路4处在导通状态的时间相继增长。因此，我们按以下方式用二端交流开关DK使SCR Ti断开，在相继的市电半周期内起动SCR Ti的脉冲出现得越来越迟，最终完全消失，此时，三端双向可控硅开关Ti就被截止，从而负载L的电路将达到断路状态。达到这一断路状态所需的时间可以用电阻器R2来控制。
如果滤波级5的开关K的是根据图4那样的配置的，就是说开关K与功率控制电位器P串联连接，那么工作情况在以下细节中就与前面所述的不同，开关和/或放大电路4的输入电压可以根据功率控制电位器P的位置设定，这就产生一定的导通角，该导通角为常量，用这样的方法使输出功率的控制成为可能。显然，在这种情况下，仍然可以进行上升和下降控制并且所要求的上升和下降的时间取决于电阻器R1、R2的阻值。
该开关的上升和下降具有对数特性，在是光源的情况下，人的眼睛所感觉到像是直线上升和下降。

Claims (5)

1.用于电子开关和功率控制的具有可控上升和下降特性的开关，包括一个与一个负载(L)串联连接的三端双向可控硅开关或SCR(可控硅整流器)开关元件(TK)，一个整流桥(2)，该整流桥的交流(AC)输入端分别连接到开关元件(TK)的栅极和第一功率电极；包括一个SCR，和接在整流桥(2)的直流(DC)输出端之间的控制电路(7)的正、负输入端(I+、I-)，该控制电路(7)的输出端连接到该SCR(Ti)的栅极；还包括一个连接在该开关元件(TK)的栅极和第二功率电极与整流桥(2)的一个交流(AC)输入端之间的滤波电路(1)，该开关的特征在于，控制电路(7)包括一个具有一个控制输入端(1)的放大级(6)和一个连接到该放大级(6)的输出端的二端交流开关(DK)，该二端交流开关(DK)的另一端构成控制电路(7)的输出端，而放大级(6)的两个输入端分列构成控制电路(7)的正、负输入端(I+，I-)，并且在放大级(6)的控制输入端(1)和滤波桥(2)的正直流(DC)输出端(+)之间加有一种直接反馈或间接反馈。
2.根据权利要求1所述的具有可控上升和下降特性的开关，其特征在于，所述放大级(6)包括一个相移电路(3)，一个开关和/或放大电路(4)以及一个滤波级(5)，相移电路(4)的两个输入端分别连接到整流桥(2)的两个直流(DC)输出端，相移电路(4)的输出端与放大级(6)的输出端相对应；一个二端交流开关(DK)用它的一个连接端连接到SCR(Ti)的栅级，用它的另一连接端连接到相移电路(3)的输出端；包括最好是几个晶体管的开关和/或放大电路(4)的输出端连接到二端交流开关(DK)和相移电路(3)的输出端的公共连接点；它的一个输入端连接到整流桥(2)的负直流(DC)输出端，而它的另一输入端连接到滤波级(5)的输出，该滤波级最好使用无源部件构成，该滤波级(5)的一个输入端连接到整流桥(2)的负直流(DC)输出端，而它的其它输入端与放大级(6)的控制输入端相对应。
3.根据权利要求2所述的具有可控上升和下降特性的开关其特征在于，所述开关在滤波级中包括一个电容器(C)，两个分别控制下降和上升特性的电阻器(R1、R2)一个齐纳二极管(Z)，相应最好配置成使电容器(C)的一个连接端和与上述电容器(C)并联连接的齐纳二极管(Z)的阳极连接到整流桥(2)的负直流(DC)输出端，该电容器(C)的另一连接端和与上述电容器(C)并联连接的齐纳二极管(Z)的阴极连接到接成串联的控制下降和上升特性的电阻器(R1、R2)的公共连接点，下降电阻器(R1)的另一连接端连接到开关的一个连接端，开关的另一连接端与滤波级的输入端相对应，而上升电阻器(R2)的另一连接端与滤波级(5)的输出端相对应。
4.根据权利要求2所述的具有可控上升和下降特性的开关其特征在于，还包括一个电容器(C)，下降和上升电阻器(R1、R2)以及一个齐纳二极管(Z)的滤波级(5)的功率控制电位器和开关被配置成，使电容器(C)，开关(K)以及齐纳二极管(Z)连接到整流桥(2)的负直流输出端，开关(K)的另一连接端连接到功率控制电位器P的一个终端，电位器的中间连接端连接到电容器(C)的另一连接端和上升电阻器(R2)；上升控制电阻器(R2)的另一连接端与滤波级(5)的输出端相对应；功率控制电位计(P)的另一端点连接到齐纳二极管(Z)的阴极和下降控制电阻器(R1)，此外，下降控制电阻器(R1)的另一连接端与滤波级(5)的输入端相对应。
5.根据权利要求1-4中任何一条所述的具有可控上升和下降特性的开关其特征在于，该开关可部分或全部集成化。
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