CN1214527C - 双线可控开关 - Google Patents

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Abstract

开关电路，使接入导体的双线电路中继电器开关器件电控动作，包括：电动开关件(19)，安排与单相交流电路(18)中灯(11)串接。固态第二开关件(20)与第一开关件(19)串接。第一能量存储件(21)跨第一和第二开关件接，可控条件下，动作电源送至第一开关件(19)动作元件(22)。第二能量存储件(23)跨第二开关件(20)接，供门控第二开关件电源。第一开关件(19)到导通状态，第二能量存储件(23)相关的门控电路(24)使第二开关件(20)定期“接通”-“断开”。电路连接(25和26)从第一和第二开关件(19和20)的接点(27)到第一和第二能量存储件(21和23)。在第二开关件(20)“断开”期间，第一和第二能量存储件(21和23)充电。

Description

双线可控开关
技术领域
本发明涉及一种电路，其有利于：在只能接入带电导体或导线(此处称作带电导体)的双线电路中的开关器件的电控动作。本发明已经被应用于远程可控的照明电路，例如，响应于从计时器或运动检测器获得的输出而切换的照明电路，并且，在下文中将从这种角度来描述本发明。然而，将会理解，本发明具有更广的应用。
背景技术
大楼内的照明电路典型地是由双芯(带电的和中性的)电线供电的，该双芯电线被置于大楼的天花板上。而且，双芯电线通常用于在天花板上的带电导体与装于天花板上的照明配件的带电侧之间的电路中连接墙壁开关。也就是说，在典型的大楼情形中，在天花板水平下面，中性的导体通常不能被正常获得，并且因此，不能从天花板水平下面的电路获得电源供应。所以，不便于提供照明的电控开关，例如，使用继电器，需要电源来激励其线圈。
各种所谓的双线开关电路被用于照明的控制开关，其仅使用一个带电导体。在一个这种的电路中，例如，在1989年2月28号公开的澳大利亚专利No.608416中，一个三端双向可控硅开关元件被用作控制开关，但是这种方法会产生在限定的空间内的散热问题，尤其是在10安培量级的相当大的电流时。在解决该问题的实际方法中，一个电容与一个双稳继电器一起被使用在电路中，并且，当该继电器断开时，该电容被充电到其最大电平。然后，当继电器被动作到关闭状态时，电容电荷被用于激励继电器线圈“接通”，但是，该继电器仅在这样的时刻才被维持在关闭状态，所述的时刻是：认为电容的放电到一个低于激励继电器“断开”  线圈的电平。
另一种方法涉及到递升变压器和反向连接的二极管的使用，用于把锁定电流提供至继电器线圈，但是，这不适合在受限空间情形中使用。
然而，另一种方法涉及一种在1999年3月26日公开的澳大利亚专利申请No.22429/99中由本发明申请人提出的电路。然而，那种电路需要使用一种昂贵的肖特基二极管和用于耗散2至3瓦特的平均功率的散热片。
发明内容
本发明提供一种解决上述问题的替代方法，其便于如继电器等的控制开关器件的持续动作，并且，其以更好的方式提供用于在一个宽范围的负载电流上电控开关器件的动作。
大体说来，本发明提供了一种开关电路，包括：
可电动的第一开关器件，其被安排成与单相交流电路中的负载串联连接；
固态第二开关器件，其与第一开关器件串联连接；
第一能量存储器件，其跨第一和第二开关器件连接，并被安排于控制条件下，以便把动作电源传送至第一开关器件；
第二能量存储器件，其跨第二开关器件连接，并被安排成用来存储用于门控第二开关器件的电源；
门控电路，与第二能量存储器件相联系，并被安排成在第一开关器件被动作为导通状态期间，作用于第二开关器件的定期“断开”-“接通”门控；以及
电路连接，在第一和第二开关器件的连接点、与第一和第二能量存储器件之间，该电路连接用于在第二开关器件的“断开”门控期间提供第一能量存储器件的充电，和第二能量存储器件的充电，
其中，在交流电源的每个正半周期的一个初始时间间隔期间，门控电路被安排成将第二开关器件门控到“断开”状态，并且此后，对于交流电源的剩下的正半周期和下一个后续负半周期，将第二开关器件门控到“接通”状态，而且其中，在第二开关器件被门控为“断开”的时间间隔期间，利用第二开关器件两端的电压上升来将充电电流输出到第一和第二能量存储器件。
采用这种方法，就不再需要：如在前述的现有技术方法中的一个中所需要的肖特基(Shottky)二极管、和相联系的散热片。
在开关电路的操作中，第一能量存储器件被用作动作和锁定第一开关器件的电源。第一能量存储器件被充电至其全容量超过一个初始时间间隔，该时间间隔是在到电源电压的电路连接之后、但在第一开关器件动作到导通状态之前。其后，当第一开关器件动作到导通状态时，来自第一能量存储器件的电荷损耗被第二开关器件的定期“断开”-“接通”门控来补充。这种过程将在本说明书的稍后进行详细描述。
第一开关器件可包括一个在相当低的功率应用中被采用的固态开关器件，但是其最好包括一个具有线圈的继电器，该线圈由第一能量存储器件输出的动作信号来激励。也就是说，提供给继电器线圈的动作/锁定电流，是在控制的条件下从第一能量存储器件中输出的。
为了将不能接收的热损耗最小化和/或为了避免散热器的需要，固态第二开关器件最好包括低阻抗器件，也就是说，在其导通状态下，所呈现的阻抗对于平均10安培的电流，所引起的电压降不大于平均约500毫伏。第二开关器件最好包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。
在第二开关器件被门控到“断开”的时间间隔期间，第二开关器件两端的电压上升被用于向第一和第二能量存储器件输出充电电流。然而，门控电路被有效地禁止，直到第一开关器件动作到导通状态。
第二开关器件被门控到“断开”状态期间的时间间隔的选择，最好能引起器件两端的电压上升为10伏到20伏的量级。
如上面所定义的开关电路最好包括一个处理器，使其能够响应来自手动开关器件、邻近探测器、光度等级传感器、运动探测器、遥控(红外线或射频)信号传感器或其它此类器件的输入信号，而作用于第一开关器件的控制动作。
从开关电路的优选实施例的下列描述中，将更全面地理解本发明。将参考附图来描述该电路。
附图说明
在附图中：
图1示出了开关电路的部分细节和部分概略的图；以及
图2示出了包括如图1中所示的开关电路的组件以及附加的可选的处理电路的电路图。
具体实施方式
如图1中所示，开关电路10用于控制被安装到天花板12上的白炽灯11的激励。该灯被装到配件13上，该配件13包括：环路终端14、切换带电终端15和中性终端16。该开关电路被双线导体17连接到灯配件13的带电的和切换带电终端。
双线单相交流电源18以通常方式被提供至天花板12上。
开关电路10包括：以电磁继电器形式的电动的第一开关器件19，以及以金属氧化物场效应晶体管形式的串联连接的固态第二开关器件20。这两种开关器件19和20与灯11串联连接，并因此跨接在带电-中性电源18。
包括两个电容C2和C4的第一能量存储器件21跨接于，即并联在第一和第二开关器件19和20上，并被安排于控制条件下，如此后所描述的，以便把动作电源传送至继电器19的线圈22。同样，包括电容C3的第二能量存储器件23跨接于金属氧化物场效应晶体管20上，并被安排成用来存储门控金属氧化物场效应晶体管20的电源。
与金属氧化物场效应晶体管20相联系的门控电路24，用于在继电器19被动作到导通状态的时间期间，作用于金属氧化物场效应晶体管20的定期“断开”-“接通”门控。
在继电器-金属氧化物场效应晶体管连结点27与第一能量存储器件21之间存在电路连接25，以便在金属氧化物场效应晶体管20的“断开”门控期间、且在继电器19的动作之后，经由电容C2提供第一能量存储器件的充电。同样，在金属氧化物场效应晶体管20的“断开”门控期间，电路连接26为第二能量存储器件23提供定期的充电，即电容C3的充电，其中，通过所述的电路连接26，第二能量存储器件23跨接于金属氧化物场效应晶体管20上。
分离控制电路28用于开关开路10的初始化操作。在图1中概略地示出了该控制电路28，其包括手动可操作的“接通”-“断开”开关29。然而，该控制电路将正常地包括附图2中所示的、仅作为示例的类型的某些处理电路。
现在，同时参考图1和图2描述开关电路10的操作。
作为初始状态，假定继电器19是断开的，即，未激励的，并且，没有供给门控电路24的电源，金属氧化物场效应晶体管20是非导通的。然后，在连续的正半周期期间，如所指示的，相对于能量存储器件为零电压，电流将流经灯11，以对电容C2充电，以及在连续的负半周期期间，电流将流经带电的连接，以对电容C4充电。根据灯电阻，电容C2和C4通常被满充电至48伏的总的、串联电压电平，由齐纳二极管ZD2和ZD4决定，并将超过大约20个周期的时间期间。
在其后的任何时刻，随着开关29的操作，继电器19被动作到导通状态。用于继电器线圈的激励电源从电容C2和C4中输出。其后，随着在电源的第一和每个随后的正半周期中出现超过一个初始时间的电压上升，在金属氧化物场效应晶体管器件20上的漏极电压将使电流流经二极管D4，以对电容C3充电，并流经二极管D5，以对电容C2充电。
当电容C3被充电到使齐纳二极管ZD1和ZD3导通的电平时，来自锁存器UlA的输出被用于：在电源的剩下的正半周期的持续期间和下一个后续负半周期中，将金属氧化物场效应晶体管20门控到“接通”状态。值得注意的是，只有在锁存器UlA的初始设置和随后的复位之后，才将金属氧化物场效应晶体管20门控到“接通”状态。在继电器19的闭合之前，不对电容C3充电，这就确保金属氧化物场效应晶体管20被初始锁定为“断开”。
此外，在电源的每个正半周期的开始，锁存器复位UlA检测到电压上升，并将锁存器UlA复位到“断开”状态，这样反过来导致金属氧化物场效应晶体管被门控为“断开”一个由电容C3的充电时间决定的初始时间。在电源的每个正半周期的最小间隔，即0.5到1.5微秒的期间，可实现第一能量存储器件21的充电和第二能量存储器件23的充电。
熟悉传统电路设计的人员将会理解图2中所示的、但并未特别指出的各种电路组件的要求和功能。图2中所示的电路也适用于满足：图1中所示的方案在工作时的特定负载和其它要求。
然而，可以看出，通过选择低值的锁存器偏置电阻R4，如图2中所示，该开关电路可以使用具有宽操作电源范围的灯或其它负载。在相对大负载的情况下，电路将以上述的方式工作，并且，电流将同时流经继电器19和金属氧化物场效应晶体管20。然而，在电源的每个正半周期期间，在负载电流很小的情况下，电阻R4两端将出现低的电压降，将不能操作锁存器UlA，而且负载电流将流经电阻R4，而不是流经金属氧化物场效应晶体管。然后，在电源的每个负半周期期间，利用金属氧化物场效应晶体管器件的固有反向二极管特性，电流将流经金属氧化物场效应晶体管。取决于各种电路参数，可以采用器件，来容纳范围在20毫安到16安之间的负载电流，即超过将近3个数量级。

Claims (8)

1.一种开关电路，包括：
可电动的第一开关器件，其被安排成与单相交流电路中的负载串联连接；
固态第二开关器件，其与第一开关器件串联连接；
第一能量存储器件，其跨接在串联连接的第一和第二开关器件的两端，并被安排于控制条件下，以便把起动电源传送至第一开关器件；
第二能量存储器件，其连接在第二开关器件的两端，并被安排成用来存储用于门控第二开关器件的能量；
门控电路，其输入侧与第二能量存储器件相连接，并被安排成在第一开关器件被起动为导通状态期间，实现第二开关器件的定期“断开”-“接通”门控；以及
电路连接线，在第一和第二开关器件的连接点、与第一和第二能量存储器件之间，该电路连接线用于在第二开关器件的“断开”门控期间提供第一能量存储器件的充电，和第二能量存储器件的充电，
其中，在交流电源的每个正半周期的初始时间间隔期间，门控电路被安排成将第二开关器件门控到“断开”状态，并且此后，对于交流电源的剩下的正半周期和下一个后续负半周期，将第二开关器件门控到“接通”状态，而且其中，在第二开关器件被门控为“断开”的时间间隔期间，利用第二开关器件两端的电压上升来将充电电流输出到第一和第二能量存储器件。
2.如权利要求1的开关电路，其中，第一能量存储器件包括至少一个电容。
3.如权利要求1的开关电路，其中，第二能量存储器件包括至少一个电容。
4.如权利要求1的开关电路，其中，第一开关器件包括具有一个动作线圈的电磁继电器，所述的动作线圈在电路中与第一能量存储器件连接。
5.如权利要求1的开关电路，其中，第二开关器件包括一个金属氧化物场效应晶体管器件。
6.如权利要求1的开关电路，其中，在第一开关器件动作到导通状态之前，门控电路被有效地安排成停止状态。
7.如权利要求6的开关电路，其中，门控电路包括：锁存器，其输出端连接到金属氧化物场效应晶体管器件的控制极，所述的锁存器初始被安排成锁定金属氧化物场效应晶体管为“断开”状态；和锁存复位，其功能是在预定的正电压上升之后，把所述的锁存器复位到“接通”状态，并门控第二开关器件。
8.如权利要求7的开关电路，其中，与锁存器相联系的电路包括低值偏置电阻，该电阻连接在锁存器的输入侧，在交流电源的连续半周期内，当该电阻两端的电压降不足以设置锁存器和门控第二开关器件为“接通”状态时，其被安排成传输负载电流，在其他情况下，该负载电流将流过第二开关器件。
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