CN1383266A - 多路单线固态遥控开关 - Google Patents

Abstract

多路单线固态遥控开关发明了在灯和电器使用单线开关控制时的单线取电技术和无源电子开关技术,实现了一种可直接安装在原有的86型暗盒内,可与普通机械开关串联连接,通过无线电或红外线信号遥控多个单线回路的电灯与电器。一个单线遥控有源电子开关电路和多个单线无源电子开关电路以一个模块封装的构成多路单线固态遥控开关。仅以单线无源电子开关电路以一个模块封装的构成单线无源固态开关。这些固态电子开关除了实现正常的开关控制外还有功率调节控制能力。它们具有体积小、功耗低、负载适应性广、安装十分简便、工作可靠、使用安全等特点,是家居照明开关走向电子化和智能化较理想的单线电子开关模块。

Description

多路单线固态遥控开关

本发明涉及一种单线取电技术和无源电子开关技术、以及由大功率MOSFET场效应管、单片机、回路隔离以及遥控接收等组成的以模块形式封装的单线固态遥控开关。

目前的现有单线无线遥控开关与调光电路技术中，1、单线取电电路通常在开关断开时，采用并联阻容分压方式取电，在开关闭合时，则通过串联电流互感器方式取电。2、功率执行器件都是采用可控硅或继电器。3、遥控接收部分采用无线射频信号或红外线。4、遥控信号的解码与控制有的采用专用解码集成电路，有的采用单片机实现。归纳目前产品存在的问题：1、由于功率器件采用可控硅或继电器，它需要较大的驱动电流，通常在十毫安至几十个毫安之间，且负载功率越大，所需驱动电流亦越大，控制电路功耗增大，导致静态守候电流很大。2、可控硅导通时有较大的电压降，耗散功率带来散热问题比较严重。3、可控硅器件的温度特性较差，在较高温度下漏电流的增大往往能使开关控制失灵。4、开关使用继电器，继电器的触点存在一定次数的开关寿命。5、现有控制电路取电方式都需要一个串联电流电压变换器，体积较大，在负载很轻时，串联电流互感器很难保证控制电路正常取电。6、现有电路特别是在单线多路控制方面，由于电路上存在体积和功耗问题，无法在一个86型暗盒内实现，更无法采用以模块形式封装成固态方式使用。7、目前所有电子开关都不可能100％的可靠，与普通机械开关的可靠性相比，仍然还存在一定的故障概率。如何直接串联普通机械开关，在电子开关故障时，机械开关照样还能用，以解决售后维修服务在时间上存在的问题，至今还没有成功的产品。8、目前单线遥控开关或调光器都必需有源工作，要一定的暗电流通过回路，对于那些采用电子镇流器工作的负载如节能灯、含电子镇流的日光灯都将会因回路有暗电流使内部电路慢速充电积累电压到一定值后，产生闪烁性发光，导致负载类型有一定的限制，所以一般只能配接白炽灯负载。由于以上这些问题的存在，阻碍了家居电灯电器的智能化开关以及各种电子化遥控开关的发展和推广。

本发明的目的是提供一种可封装成固态模块形式的多路单线遥控开关电路方案和实例，能直接安装在原有的86型暗盒内，能与现有单线机械开关串联使用，实现电灯电器开关与调光的遥控功能。并具有体积小，功耗低，过流自动保护，可靠性高，安装简单，使用安全等特点。多路单线遥控开关电路由单线固态遥控开关和单线固态开关两种模块组成。其中单线固态遥控开关模块为有源工作方式，其静态暗电流不大于4毫安；单线固态开关为无源工作方式，其静态暗电流近似于零。一个单线固态遥控开关可配接多个无源单线固态开关组成多路单线遥控开关，实现多路电灯电器的单线遥控。

为实现本发明，第一、在功率开关器件上采用了二极管桥式整流加MOSFET大功率开关管。由于MOSFET管是电压驱动器件，输入电流只需几个微安，且具有良好的温度特性。寻通电阻非常小，一般在1Ω以内，本身耗散功率相当小。例如：选MOSFET开关管为IRF740器件，导通电阻为0.55Ω，二极管压降为0.7V，电网电压220V，在负载功率为500W时，则该开关器件总耗散功率为(0.55*(500/220)+0.7*2)*(500/220)＝6W。在负载功率为200W时，则该开关器件总耗散功率为(0.55*(200/220)+0.7*2)*(200/220)＝1.7W。从上述分析可知，这样的电路在中小功率负载下，安装在墙壁的暗盒内没有大的散热问题。第二、在单线电路电源取电方面，发明了智能化的单线间断式取电技术。其电路是由隔离二极管与储能电容以及宽动态范围稳压滤波电路组成，在开关接通状态下，储能电容的瞬时充电控制，由微处理器按周波同步方式在某些时刻关闭一下MOSFET场效应开关管，使电流经负载完成对储能电容进行充电完成储能，为开关控制电路提供足够的电压维持正常工作。在开关关闭状态下，储能电容通常在每个周波都将处于充电状态。在具体开关电路设计过程中，当静态工作电流较大时，为减少静态功耗，降低储能电容电压，可在隔离二极管与储能电容之间增加一MOSFET开关，并加大储能电容容量值，由微处理器实现与在开关接通状态下类似的间断式充电储能控制，这样做会增加电路的一些成本。微处理器处理取电控制方式可以是逐个周波取电或者间隔一定周波数后取一次电或者按一定的编码规则进行取电以及每次取电在什么时刻和维持多长时间，这要取决于储能电容的大小和整个控制电路的工作电流以及负载功率。第三、单线无源电子开关技术方案，其目的是解决单线控制那些采用电子镇流方式工作的负载如节能灯、电子镇流日光灯。所谓单线无源就是该电子开关部分不用直流工作电源，自身回路没有静态电流的存在，仅依靠控制信号就能实现回路的开关和功率调节的控制。其技术方案有二种，第一种是采用开关控制信号用高频信号调制，通过高频耦合器实现控制回路隔离及将耦合输出的高频信号经整流滤波后获得电平信号来驱动MOSFET开关管，达到单线控制回路负载的目的。第二种是将开关控制信号电平当做自激式高频振荡器的电源，产生出相应的高频信号可达到同样的目的。另外，由于MOSFET管输入电流不用1个微安，所以，高频耦合器体积可以很小，控制驱动电流也很小。第四、为确保电子开关安全工作，对于超负荷工作情况下，进行强制性的电路保护。其保护工作原理是：在开关回路中串联一个检测电阻，当过流发生时，检测电阻上产生的电压将通过光电耦合器，在其输出产生一个低电平信号，触发保护电路，立即迫使微处理器产生复位，关断电子开关，直至单线有源电子开关被串联的机械开关关断后再重新上电。第五、过零检测电路。对于交流信号通过桥式整流电路后已是单向的直流脉动信号，但从其谐波分量中可以恢复其过零信息。采用电平比较，通过软件判别来确定过零点。第六、无线接收部分。对于内藏式单线固态遥控电子开关，需要使用无线电射频遥控方式，其电路在综合考虑接收距离、频率稳定性、电路体积、成本、电压范围、静态守候电流等因素，采用315MHZ频率ASK调制，接收方式有三种方案可选，一种是采取陶瓷滤波器直接选频放大检波输出方式，另一种是超再生电路检波，再一种是超外差接收方式。采用第一种方式，电路灵敏度较低，但电路简单，电路几乎不需要调试。采用第二种超再生电路检波方式，当多个电路在一起工作时会存在一定的相互干扰的问题。采用第三种超外差接收方式，在成本允许的情况下是较理想的选择。对于外露型的单线固态遥控电子开关亦可以采用红外线遥控方式，其接收电路仅是一片集成块，体积和成本都很理想，但工作电流较高，一般需要2毫安以上。第七、微处理器控制部分。主要完成遥控信号的抗干扰解码接收，电网同步检测，单线瞬间取电的控制，电子开关的控制以及过负荷保护控制。要求单片机时钟频率不低于455KHZ，工作电流不大于2毫安。第八、该电路可与普通机械开关串联使用。当普通开关闭合时，电子开关上电初始被置为接通状态，之后，可以接受遥控指令进行关闭或打开或调光操作；当普通开关断开时，单线回路整个断路，负载自然没电；当电子开关因某种特殊原因烧坏后，其开关结点的熔化通常是处于短路状态，此时普通开关还能正常使用。这样的设计，使遥控开关的可靠性更高、实用性更强。

下面结合说明书附图和具体的线路图实例对本发明作进一步详细说明。

说明书附图一为单线多路固态遥控开关原理框图。

说明书附图二为单线固态遥控开关的遥控器部分的原理框图。

说明书附图三为四路单线固态遥控开关的电路图(实例)。

说明书附图四为无源单线固态开关的电路图(实例)。

说明书附图五为四路单线固态遥控开关的遥控器部分的电路图(实例)。

单线多路固态遥控开关的工作原理如附图一所示。其中大虚线框内的电路为单线固态遥控开关的电原理框图，它是一个独立的基本模块，该模块包括无线遥控接收电路(或红外遥控接收电路)、单线取电电路、MOSFET场效应管开关电路、电网同步提取电路、微处理器电路、过电流检测保护电路这六个部分组成。电路实例如附图三所示，为一单线四路遥控开关实际电路图，其中无线遥控接收电路由三极管Q3、非门U1：A和U1：B的限幅放大器、以及外围电阻、电容、电感组成一频率为315MHZ的超再生检波电路。单线取电电路，由二极管D5、三极管Q2、微功耗稳压源Q4、储能电容C1等组成，D5为储能充电隔离作用，Q3为恒流放大调整管，R2为负反馈电阻，R1为偏置电阻，Z1和C2为稳压滤波电路。Q1与D1、D2、D3、D4组成功率开关电路。R7为过零检测耦合电阻。O1与R12、R3组成过流检测电路。P1、P2、P3为无源单线固态开关的控制连接口。

无源单线固态开关的电路原理图见附图一的数个小虚线框。该电路由高频振荡器、高频耦合器、整流滤波器、MOSFET电子开关以及过流检测电路五部分电路组成，实例如附图四所示，其中C2为高频耦合电容，T1为高频耦合电感线圈同时起单线回路隔离作用，D5、D6、C1、R1组成高频整流滤波并驱动MOSFET管，D1~D4、Q1组成单线回路电子开关，R2与O1光电耦合器组成过流保护检测。

用于控制单线固态遥控开关的遥控器部分，其工作原理如附图二所示，由按键、电池、发射电路与遥控信号编码器四部分电路组成。电路实例如图五所示，是一个8按键的用315MHZ无线电频率发射的遥控器电路原理图。其中，Q1为超短波振荡管、Q2为ASK调制开关管、R1~R10与S1~S8组成按键电路、U1单片机与U2及XT组成的单片机电路。

该发明的优点是：电路固态化体积小、功耗低、节能、安装简便、工作可靠、使用安全。其特点是：1、多路特性，一个单线固态遥控开关能连接多个无源单线固态开关。2、遥控地址无线学习功能，轻松实现一个遥控器控制多个单线固态遥控开关。3、无源单线固态开关无静态电流，配接负载种类无要求。4、固态开关过电流保护，使用更安全。5、所有固态开关均能遥控开关与调光，安装随意，使用更方便。6、能与机械开关同时使用，可靠性更高，实用性更强，用户更放心。7、遥控开关固态化，易安装，易暗藏，不动原装修，不浪费原投资，电灯电器控制智能化升级更容易。

Claims (6)

1.一种用于遥控多路电灯与电器的多路单线固态遥控开关，它是单线遥控电子开关电路和单线无源电子开关电路以一个模块方式封装的固态形式，其技术特征是发明了单线间断式取电和无源电子开关两项技术；其电路特征是由单线间断式取电电路、桥式整流硅与MOSFET场效应管组成的功率开关、过流保护电路、高频耦合器、无线(或红外线)接收电路以及微处理器等组成；其物理特征是一个具有绝缘和导热特些的封装外壳，外露多路单线回路开关的引线或接线柱以及控制扩展接口，可直接安装在原有的86型暗盒内，在红外线遥控方式下还有导光窗口，并能与现有单线机械开关串联使用，实现无线遥控多路电灯与电器的调光和开关。

2.单线间断式取电技术，其特征是由隔离二极管与储能电容组成瞬时充电电路以及宽动态范围稳压滤波电路组成，在开关接通状态下，储能电容的瞬时充电控制，由微处理器按周波同步方式在某些时刻关闭一下MOSFET场效应开关管，使电流经负载完成对储能电容进行间断式充电储能；在开关关闭状态下，储能电容一般情况下在每个周波都将处于充电状态，但在静态电流较大的情况下，为减少静态功耗，也可在隔离二极管与储能电容之间增加一MOSFET开关，由微处理器实现间断式控制充电储能。

3.单线无源固态开关是单线无源电子开关电路以模块方式封装的固态形式，其技术特征是将控制开关的电平信号直接驱动自激式高频振荡器的电源，产生出相应的高频信号，再通过高频耦合器实现控制回路的隔离，将高频耦合器输出的高频信号经整流滤波后获得的电平信号驱动桥式整流硅与MOSFET场效应管组成的功率开关，或者，要求控制器送出的控制信号通过高频信号调制后直接送入单线固态开关的高频耦合器的输入端，实现回路的隔离和控制的驱动，使被控制回路在无静态电流的情况下，达到控制负载的开关和功率调节的目的；其物理特征是一个具有绝缘和导热特性的封装外壳，外露二根开关引线或接线柱和二根控制信号引线或接线柱。

4.回路过流保护技术，其特征是在回路中串联一只电阻，再在电阻上并接一光电耦合器，当过电流发生时，光电耦合器输出一低电平信号，使微处理器立即产生复位，利用微处理器复位状态时端口保持高阻态这一特性，在该端口接一下拉电阻，使MOSFET场效应管输入为低电平，管子处于断开状态，在微处理器复位后将判断是否为回路过流而产生的复位，若被确认则该端口输出始终为低电平，直至整个单线回路被断开后重新上电。否则，电路将一直处于保护状态不变。

5.与普通机械开关串联共用的方式，其技术特征是其体积和功耗适合内藏于86型暗盒内，当普通开关闭合时，电子开关上电初始被置为接通状态，之后，可以接受遥控指令进行关闭或打开或调光操作；当普通开关断开时，单线回路整个断路，负载自然没电；当电子开关因某种特殊原因烧坏后，其开关结点的熔化通常是处于短路状态，此时普通开关还能正常使用。

6.桥式整流硅与MOSFET场效应管组成的功率开关，其技术特正是由四个二极管组成桥式整流电路，整流桥的正极输出接MOSFET场效应管的漏极，整流桥的负极接MOSFET场效应管的源极或经过一过流检测电阻接MOSFET场效应管的源极，场效应管的栅极与源极之间接控制信号。

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