CN202095140U - 一种二线制电子开关的工作电源解决方案 - Google Patents

Abstract

一种二线制电子开关的工作电源解决方案，包含关态取电电路、开关执行电路、开态取电电路。关态取电电路包含一个具有限压功能的电子元件；开态取电电路包含一个N沟道功率场效应管，功率场效应管的漏极连接到二线制电子开关的一个接线端，功率场效应管的源极连接到直流电源公共地；开关执行电路的一个交流输入端连接到直流电源公共地，开关执行电路的另一个交流输入端连接到二线制电子开关的另一个接线端。本实用新型不但能够为二线制电子开关提供工作电源，而且功耗低，负载灯不会异常闪烁。

Description

一种二线制电子开关的工作电源解决方案

技术领域

本实用新型涉及照明电子开关领域，可应用于二线制的无线射频遥控开关、红外线遥控开关、人体红外线感应开关、声光控开关、触摸开关、定时开关等。

背景技术

当负载关闭时，二线制电子开关依靠流过负载的漏电流来获取工作电源。如果漏电流较大，当负载为节能灯或荧光灯时，这些灯在关灯后就会出现频繁闪光现象；如果漏电流过小，就会造成二线制电子开关因工作电流或电压不够而无法正常工作。一般的二线制电子开关因为漏电流解决不当，所以要么会出现负载灯频繁闪光现象，要么电子开关工作不稳定或性能降低。

当负载开启时，二线制电子开关利用功率半导体开关元件与负载分压来获取工作电源。现有的二线制电子开关由于分压方法和时机不理想，功率半导体开关元件容易因过热或过压损坏。

发明内容

为了解决当前的上述问题，本实用新型提供一种二线制电子开关的工作电源解决方案，它由关态取电电路(2)、稳压电路(6)、开关控制电路(7)、开关执行电路(3)、开态取电电路(4)构成。关态取电电路(2)包含一个具有限压功能的电子元件Z2；开态取电电路(4)包含一个N沟道功率场效应管Q1，Q1的漏极连接到二线制电子开关(1)的一个接线端(10)，Q1的源极连接到直流电源公共地(9)；开关执行电路(3)的一个交流输入端连接到直流电源公共地(9)，开关执行电路(3)的另一个交流输入端连接到二线制电子开关(1)的另一个接线端(8)。

所述关态取电电路(2)由降压限流电容C2和开关电源电路(5)组成，关态取电电路(2)在负载关闭时向电子开关(1)提供工作电能。开关电源电路(5)由全波整流桥堆BR1、偏置电阻R4、具有限压功能的电子元件Z2、晶体管Q2、变压器T1、反馈电阻R5、反馈电容C3、两个整流二级管D2和D3组成。C2是高压陶瓷电容。Z2是具有限压功能的半导体元件，它可以是压敏电阻，也可以是稳压二极管或瞬态电压抑制二极管。Q2为NPN型高压开关晶体管。T1有初级、次级和反馈三个绕组。二线制电子开关(1)的一个接线端(8)连接到C2的一端，C2的另一端连接到BR1的一个交流输入端，BR1的另一个交流输入端连接到二线制电子开关(1)的另一个接线端(10)；BR1的正极连接到T1的初级绕组同名端，BR1的负极连接到T1的反馈绕组异名端；R4的一端连接到BR1的正极，R4的另一端连接到Z2的阴极(或无极性端)，Z2的阳极(或另一个无极性端)连接到Q2的基极；C3的一端连接到Q2的基极，C3的另一端连接到T1的反馈绕组同名端；R5的一端连接到Q2的发射极，R5的另一端连接到BR1的负极；Q2的集电极连接到T1的初级绕组异名端；T1的次级绕组异名端连接到D2和D3的阳极，T1的次级绕组同名端连接到直流电源公共地(9)；D2的阴极连接到直流电源VPP，D3的阴极连接到直流电源VDD。在负载关闭时，C2可以限制流过负载的漏电流，减小其电容值，可以减少流经负载的漏电流，从而减小负载关闭后的闪光现象。开关电源电路(5)相当于电压变换器，它将输入的高电压小电流信号转换为低电压大电流信号输出，一方面满足了电子开关对工作电源的低电压要求，另一方面增大了直流供应电流。整流桥堆BR1的正极经过串联的R4和Z2连接到Q2的基极，用于控制三极管Q2在开关电源(5)输入电压比较高的时刻导通，这样不但能够增大开关电源(5)的输出电流和电压，而且能够间隔地阻断漏电流从负载流过，进一步减少负载关闭后的闪光现象，从而彻底消除负载灯的闪光现象。

所述的开态取电电路(4)由功率场效应管Q1、瞬态电压抑制二极管Z1、保护电容C1、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路(11)、单稳触发定时电路(12)组成；在负载开启时，开态取电电路(4)既为负载提供电流通路，又为电子开关(1)提供工作电能。Q1采用低电压、大电流、超低导通电阻的N沟道增强型功率场效应管，其内置单向稳压二极管；Z1的阳极和阴极分别连接到Q1的源极和漏极；Q1的漏极连接到二线制电子开关(1)的一个接线端(10)，Q1的源极连接到直流电源公共地(9)；Q1的栅极连接到C1的一端，C1的另一端连接到R1的一端，R1的另一端连接到Q1的漏极；R2的一端连接到Q1的栅极，R2的另一端连接到R3的一端，同时连接到单稳触发定时电路(12)的输出端OUT2，R3的另一端连接到直流电源公共地(9)；D1的阳极连接到Q1的漏极，D1的阴极连接到直流电源VPP；直流电源VDD为过压检测电路(11)和单稳触发定时电路(12)提供工作电源；过压检测电路(11)通过输入端IN2和IN1分别对电源VPP和Q1的漏极进行电压检测，当电源VPP或者Q1的漏极电压超过某一规定电压值时，过压检测电路(11)就会从其输出端OUT1向单稳触发定时电路(12)的输入端IN发送一个触发信号；当单稳触发定时电路(12)的输入端IN收到一个触发信号时，立即从其输出端OUT2输出一个正脉冲，此正脉冲经过R2传递到Q1的栅极，使Q1导通；正脉冲的宽度大于市电交流周期的五分之四，小于市电交流周期，这有利于降低Q1的发热，并且使Q1避免承受较高电压。Z1为半导体功率元件Q1提供浪涌电压保护。R1和C1构成的电路为Q1提供浪涌电流保护。Q1的导通电阻非常低，发热微小，不会出现过热而损坏。

本实用新型除了为二线制电子开关提供稳定适当的工作电源之外，还能够消除负载灯异常闪烁现象，降低电子开关的功耗和发热，延长其使用寿命，而且电路简单，可靠性高。

附图说明

图1是本实用新型的电路结构框图

图2是本实用新型的整体电路原理图

图3是本实用新型中开态取电电路的一种实施案例

图4是本实用新型中开关执行电路的第一种实施案例

图5是本实用新型中开关执行电路的第二种实施案例

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细说明。

在图1中，二线制电子开关(1)与负载串联接到市电的火线和零线上。

在图2所示电路中，二线制电子开关(1)由关态取电电路(2)、开关执行电路(3)、开态取电电路(4)、稳压电路(6)、开关控制电路(7)组成。VPP、VDD和VCC是电子开关的工作直流电源，均为正电压，并且共用直流电源地(9)。VPP为开关执行电路(3)提供工作电源。VDD为开关控制电路(7)和开态取电电路(4)提供工作电源。VCC为开关控制电路(7)提供工作电源。

在图2所示电路中，稳压电路(6)由电容C4、C5、C6、C7、C8、C9、稳压二极管Z3、电阻R6、整流二极管D4、三端稳压器Q3组成。VDD比VPP低大约1伏。稳压电路(6)的主要功能是储能、滤波、稳压，为电子开关(1)提供工作直流电源。三端稳压器Q3为低压降、微功耗、正压输出型线性稳压器。

在图2所示电路中，开关控制电路(7)由微处理器U1和感应电路组成。U1是具有休眠功能的低功耗通用IO型微处器。感应电路可以是无线射频遥控接收电路、红外线遥控接收电路、人体红外线感应电路、声光感应电路、触摸感应电路、定时设置电路中任意一种。电源VDD和VCC为感应电路提供工作电源，感应电路的输出端OUT接到微处理器U1的一个输入端I。U1对感应电路传送来的信号进行处理和判断，然后通过线路(13)向开关执行电路(3)发送负载开关信号。

图4是图2中开关执行电路(3)的第一种实施案例。如图4所示，开关执行电路(3)由双向可控硅Q5、双向可控硅输出型光电藕合器U2、晶体管Q6、电阻R8、R9、R10组成。Q5为大功率双向可控硅。光电藕合器U2的输入端内置发光二极管，U2的输出端内置双向可控硅。Q6为NPN型通用小功率晶体管。Q5的阳极连接到图2所示电路中的直流电源公共地(9)，Q5的阴极连接到图2所示的电子开关(1)的接线端(8)。当开关控制电路(7)中的微处器U1通过线路(13)向开关执行电路(3)输出的电压为高时，Q6导通，Q5被触发导通，线路(8)与线路(9)之间处于导通状态，负载因此开启。当U1通过线路(13)向开关执行电路(3)输出的电压为低时，Q6截止，Q5被关断，线路(8)与线路(9)之间处于阻断状态，负载因此关灭。

图5是图2中开关执行电路(3)的第二种实施案例。如图5所示，开关执行电路(3)由继电器K1、整流二极管D5、晶体管Q4、电阻R7组成。K1是带有常开触头的功率直流继电器。Q4为NPN晶体管。K1的常开触头一端连接到图2所示电路中的直流电源公共地(9)，K1的常开触头另一端连接到图2所示的电子开关(1)的接线端(8)。当开关控制电路(7)中的微处器U1通过线路(13)向开关执行电路(3)输出的电压为高时，Q4导通，K1吸合，线路(8)与线路(9)之间处于导通状态，负载因此开启。当U1通过线路(13)向开关执行电路(3)输出的电压为低时，Q4截止，K1释放，线路(8)与线路(9)之间处于阻断状态，负载因此关灭。

在图2所示电路中，关态取电电路(2)包括降压限流电容C2和开关电源电路(5)。开关电源电路(5)由全波整流桥堆BR1、偏置电阻R4、具有限压功能的电子元件Z2、晶体管Q2、变压器T1、反馈电阻R5、反馈电容C3、两个整流二级管D2和D3组成。Q2为NPN型高压开关晶体管。当负载关闭时，电子开关

(1)两端的交流信号，经C2降压后，送至BR1的两个交流输入端，作为开关电源电路(5)的输入信号。开关电源电路(5)将输入的高电压低电流信号转换为低电压大电流信号，向电源VPP和VDD输送电能。C2可以控制流过负载的漏电流，减小C2的电容，可以减少流经负载的漏电流，从而减少负载关闭后的闪光现象。C2为高压陶瓷电容，其电容值为数纳法。R4和Z2串联接到Q2的基极，用于控制Q2在开关电源(5)输入电压比较高的时刻导通，这样不但能够增大开关电源(5)的输出电流和电压，而且能够间隔地阻断漏电流从负载流过，减少负载关闭后的闪光现象，从而消除负载灯的闪光发生。R4的电阻值为数兆欧姆，Z2的电压值低于市电交流电压。

如图2所示，开态取电电路(4)由功率场效应管Q1、瞬态电压抑制二极管Z1、保护电容C1、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路(11)、单稳触发定时电路(12)组成。在负载开启时，开态取电电路(4)既为负载提供电流通路，又为电子开关(1)提供工作电能。Q1采用低电压、大电流、超低导通电阻的N沟道增强型功率MOS管，其内置单向稳压二极管。Q1的输入阻抗极高，输入电流微小，因此可节省功耗。如果负载开启时刻有浪涌电流产生，而且浪涌电流是从Q1的漏极流入时，那么C1和R1构成的保护电路及时将Q1的沟道打开，让电流流过，从而避免Q1过压击穿。每当Q1漏极的交流电压由负变正时，如果Q1的栅极没有正电压，那么Q1关断，Q1的漏极电压通过D1向电源VPP充电。过压检测电路(11)对电源VPP和Q1的漏极进行电压检测，当VPP或者Q1的漏极电压超过某一规定电压值时，过压检测电路(11)向单稳触发定时电路(12)输出的电压就会发生变化，单稳触发定时电路(12)因此被触发，立刻输出一个正脉冲，将Q1的沟道打开。Q1的沟道打开时，其漏极电压接近零，D1反向截止，停止向电源VPP供电。每当Q1漏极的电压为负值时，即使Q1的沟道关断，全部电流也可以从Q1内部的稳压二极管或者Z1正向流过。每当Q1漏极的电压为负值时，D1反向截止，Q1的漏极不向电源VPP输送电能。上述正脉冲的电压幅度与电源VDD一致，以保证Q1的导通电阻足够低，同时减少Q1的发热，从而可以提高电子开关的带负荷能力。瞬态电压抑制二极管Z1的反向关态电压略高于上述规定电压值，它可以抑制瞬态浪涌电压，保护功率场效管和其它元件。

上述规定电压值不能超过Q1的最大工作电压。规定电压值决定Q1栅极电压，如果栅极电压较低，则Q1的导通电阻较大，功耗也较大，因此规定电压值不宜过低；规定电压值越高会导致Q1处于关断的时间越长，这样不但会造成负载灯闪烁，而且会使Q1的功耗增大，因此规定电压值也不宜过高。

在上述的开态取电电路(4)中，单稳触发定时电路(12)输出的正脉冲宽度就是单稳触发定时电路的暂稳态维持时间。确定正脉冲的宽度，需要考虑以下因素：一、在每个交流周期的绝大部分时间内，市电交流电压会超过规定电压值，在这段时间内必须将Q1导通；二、在Q1漏极电压由负变正之前，必须将Q1关断，以便Q1漏极正电压向电源VPP充电；三、如果负载不是纯阻性，那么Q1漏极电压和负载电流就会不同相，因此要尽可能增加Q1的导通时间。综合以上因素，正脉冲的宽度应当大于市电交流周期的五分之四，但小于市电交流周期。

图3是图2中开态取电电路(4)的一种实施案例。如图3所示，开态取电电路(4)由功率场效应管Q1、瞬态电压抑制二极管Z1、保护电容C1、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路(11)、单稳触发定时电路(12)组成。过压检测电路(11)由整流二极管D6、稳压二极管Z4、Z5、电阻R11、R12、R13、电容C12、三极管Q7组成。Q7为NPN型通用小功率晶体管。单稳触发定时电路(12)由与非门集成电路U3、电阻RT、电容CT构成。U3为四二输入与非门。参照电路(12)，采用与非门施密特触发器或者其它的与非门也可以构成单稳触发定时电路。为了降低功耗，U3应选用低功耗的CMOS集成电路。Z4的稳压值加上0.6伏特等于规定电压值，Z5的稳压值等于规定电压值。图3中，除过压检测电路(11)和单稳触发定时电路(12)之外的部分，已经在图2的开态取电电路(4)中出现和陈述，因此不再重述。按照时序分析，电路工作原理如下：当单稳触发定时电路(12)处于稳态时，Q7截止，U3的5、6脚为低电平，U3的10脚输出低电平，Q1的沟道关断；当Q1的漏极电压为正时，漏极电压经D1向电源VPP充电；当Q1的漏极电压或者电源VPP超过规定电压值时，Q7导通，U3的2脚输入变为低电平，U3的3脚输出高电平；由于CT两端电压不能突变，因此U3的5、6脚迅速变为高电平，单稳触发定时电路(12)进入暂稳态；U3的4脚输出低电平，U3的10脚输出高电平，Q1导通，Q1的漏极电压下降至零，停止向电源VPP充电，电源VPP的电压随着工作消耗逐渐下降至规定值以下，Q7截止，U3的2脚输入变为高电平；由于U3的1脚输入仍为低电平，因此U3的3脚仍输出高电平，电流经RT向CT充电，U3的5、6脚电压随着充电不断下降；如果U3的5、6脚电压仍为高电平，则U3的4脚输出仍为低电平，U3的10脚输出仍为高电平，Q1维持导通，U3的3脚仍输出高电平；当CT的充电使U3的5、6脚变为低电平时，单稳触发定时电路(12)恢复到稳态，U3的10脚输出低电平，Q1关断。从稳态到暂稳态，再到稳态，单稳触发定时电路(12)随着交流周期周而复始地工作。U3的10脚输出高电平的持续时间，就是单稳触发定时电路(12)的暂稳态维持时间，由CT和RT决定，约等于0.65×CT×RT。

Claims (3)

1.一种二线制电子开关的工作电源解决方案，主要由关态取电电路(2)、稳压电路(6)、开关控制电路(7)、开关执行电路(3)、开态取电电路(4)构成，其特征是：关态取电电路(2)包含一个具有限压功能的电子元件Z2；开态取电电路(4)包含一个N沟道功率场效应管Q1，Q1的漏极连接到二线制电子开关(1)的一个接线端(10)，Q1的源极连接到直流电源公共地(9)；开关执行电路(3)的一个交流输入端L2连接到直流电源公共地(9)，开关执行电路(3)的另一个交流输入端L1连接到二线制电子开关(1)的另一个接线端(8)。

2.根据权利要求1所述的一种二线制电子开关的工作电源解决方案，其特征是：关态取电电路(2)由降压限流电容C2和开关电源电路(5)组成；开关电源电路(5)由全波整流桥堆BR1、偏置电阻R4、具有限压功能的电子元件Z2、晶体管Q2、变压器T1、反馈电阻R5、反馈电容C3、两个整流二级管D2和D3组成；C2是高压陶瓷电容，Z2是具有限压功能的半导体元件，Q2为NPN型高压开关晶体管，T1有初级、次级和反馈三个绕组；二线制电子开关(1)的一个接线端(8)连接到C2的一端，C2的另一端连接到BR1的一个交流输入端，BR1的另一个交流输入端连接到二线制电子开关(1)的另一个接线端(10)；BR1的正极连接到T1的初级绕组同名端，BR1的负极连接到T1的反馈绕组异名端；R4的一端连接到BR1的正极，R4的另一端连接到Z2的阴极，Z2的阳极连接到Q2的基极；C3的一端连接到Q2的基极，C3的另一端连接到T1的反馈绕组同名端；R5的一端连接到Q2的发射极，R5的另一端连接到BR1的负极；Q2的集电极连接到T1的初级绕组异名端；T1的次级绕组异名端连接到D2和D3的阳极，T1的次级绕组同名端连接到直流电源公共地(9)；D2的阴极连接到直流电源VPP，D3的阴极连接到直流电源VDD。

3.根据权利要求1所述的一种二线制电子开关的工作电源解决方案，其特征是：开态取电电路(4)由功率场效应管Q1、瞬态电压抑制二极管Z1、保护电容C1、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路(11)、单稳触发定时电路(12)组成；Q1采用低电压、大电流、超低导通电阻的N沟道增强型功率场效应管；Z1的阳极和阴极分别连接到Q1的源极和漏极；Q1的漏极连接到二线制电子开关(1)的一个接线端(10)，Q1的源极连接到直流电源公共地(9)；Q1的栅极连接到C1的一端，C1的另一端连接到R1的一端，R1的另一端连接到Q1的漏极；R2的一端连接到Q1的栅极，R2的另一端连接到R3的一端，同时连接到单稳触发定时电路(12)的输出端OUT2，R3的另一端连接到直流电源公共地(9)；D1的阳极连接到Q1的漏极，D1的阴极连接到直流电源VPP；直流电源VDD为过压检测电路(11)和单稳触发定时电路(12)提供工作电源；过压检测电路(11)通过输入端IN2和IN1分别对电源VPP和Q1的漏极进行电压检测，当电源VPP或者Q1的漏极电压超过某一规定电压值时，过压检测电路(11)就会从其输出端OUT1向单稳触发定时电路(12)的输入端IN发送一个触发信号；当单稳触发定时电路(12)的输入端IN收到一个触发信号时，立即从其输出端OUT2输出一个正脉冲，此正脉冲经过R2传递到Q1的栅极，使Q1导通；正脉冲的宽度大于市电交流周期的五分之四，小于市电交流周期。

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