CN203690915U - 用于控制电功率施加至负载的负载控制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于控制电功率施加至负载的负载控制设备，包括具有微处理器的控制器，一个或多个状态指示器，负半波电源。能够检测其何时被连接到泄漏型（双线）或中性线型（三线）功率输入，并因此自动调节其操作。在泄漏操作中，泄漏电流被限制为0.5ma，而在三线操作或中性线操作中，电源所提供的电流多于泄漏操作中的电流。在中性线操作中，一个或多个信号被提供给微处理器，从而能够操作指示器或其它功率消耗元件。

Description

用于控制电功率施加至负载的负载控制设备

技术领域

如下所述的本发明涉及电力负载控制领域，并更具体地涉及能够自动确定所应用类型或功率的负载控制器。 

背景技术

许多照明控制产品使用泄漏到负载或泄漏到地的电源电路，以适应其中只有两根电源线可用的设备。典型地，两根电源线可用于控制切换到负载的AC线路或火线电压的墙壁开关。该负载随后连接到负载处的中性回路。典型地，壁箱被接地以满足建筑规范，因此接地连接也是可用的。泄漏到负载的电源通常从壁箱中的线路和负载线窃取电力，并且将回路电流泄漏到负载。泄漏到地的电源通常从线路导线窃取电力，但是将回路电流泄漏到接地连接；某些安全标准将该电流限制为0.5毫安（RMS）或更低，并且这限制了控制电路执行其功能的可用的功率量。许多泄漏型电源在低功率需求期间存储能量，来用于在高功率需求期间使用，例如当必须控制继电器或必须启动LED指示器时（需要几毫安的电流）。新设备通常具有三根电力线可用（导线、负载线、中性线），因此控制器能够连接到导线和中性线，并具有足够的功率可用于在任何时间执行高功率需求。 

现有技术的典型电力负载控制器被设计成接线到泄漏型电源（双线）或作为普通电源（三线）。然而，由于在具有许多泄漏型控制器的大型建筑物中的接地回路中具有泄漏电流的问题，建筑规范将被改变，以使得三线功率可在所有时间是可用的且将禁止泄露至地的连接。虽然可以将这些产品转变为泄漏到负载的电源设计，但是这些电源具有本领域中公知的问题，例如由于泄漏电流在相应的镇流器中累积，从而使得灯泡闪烁。同样地，优选直接转变为具有三线电源设计的控制器。然而，对于正式且广泛地适合于本地城市以及设备供应商的建筑规范而言，这通常需要很多年来保留两种类型的控制器可用。 

发明内容

以下描述的设备和方法提供一种电力负载控制设备，其能够检测其何时被连接到泄漏型（双线）或中性线型（三线）电源，并因此自动调节其操作。在泄漏操作中，泄漏电流被限制为0.5ma，而在三线型操作中，电源所提供的电流多于泄漏操作中的电流。在中性线操作中，将一个或多个信号提供给微处理器，从而能够操作指示器或其它功率消耗元件。 

一种用于控制电功率施加至负载的负载控制设备包括：具有微处理器的控制器、一个或多个状态指示器、以及负半波电源，所述负半波电源包括恒流源；中性线检测器。当仅使用地线和火线供应电功率时，所述电源可用于将输出电流限制到预设限制值，而当使用中性线、地线和火线供应电功率时，所述电源可用于输送高于所述预设限制值的输出电流。所述中性线检测器产生指示正在由中性线、地线和火线供应所述电功率的一个或多个信号，所述控制器使用所述一个或多个信号来控制所述一个或多个状态指示器。 

一种用于控制电功率施加至负载的负载控制设备包括具有电源的控制器；其中当仅使用地线和火线供应电功率时，所述电源可用于将输出电流限制到预设限制值，而当使用中性线、地线和火线供应电功率时，所述电源可用于输送高于所述预设限制值的输出电流。所述电源还产生指示正在由中性线、地线和火线供应所述电功率的一个或多个信号，所述控制器使用所述一个或多个信号以控制一个或多个状态指示器。 

一种用于控制电功率施加至负载的负载控制设备，包括：具有微处理器的控制器、一个或多个状态指示器和半波电源。该电源包括恒流源和中性线检测器。当仅使用地线和火线供应电功率时，该电源可用于将输出电流限制为预设限制值，而当使用中性线、地线和火线供应电功率时，该电源可用于输送高于预设限制值的输出电流。该中性线检测器产生指示正在由中性线、地线和火线供应电功率的一个或多个信号，该控制器使用所述一个或多个信号来控制该一个或多个状态指示器。 

该电源可以是负或正半波电源，以使成本和复杂性最小化。也可以使用全波电源。在下面的详细描述中，将参照负半波电源来描述该电路。 

附图说明

图1是具有泄漏型和中性线型布线以及中性线检测负载控制器的电气系统的透视图。 

图2是中性线检测负载控制器的框图。 

图3是图2的中性线检测负载控制器的电源的示意图。 

具体实施方式

包含电力负载10和电力线11的场所（例如图1的房间11）包括一个或多个负载控制器，例如电力负载控制设备12。电力线11可以仅具有两个导线，例如线路11A，或具有三个导线，例如线路11B。 

诸如负载控制设备12的负载控制设备可以由任何合适类型的负载控制元件13（例如开关、调光器、镇流器或LED驱动器）来控制。如图2所示，每个负载控制设备连接到一个或多个控制元件（例如负载控制元件13），并且包括微控制器20。该负载控制元件是与该负载控制设备连接的用户接口，并可以是任何合适的设备，例如拨动开关、摇臂开关、滑动开关、触摸面板或触摸屏。在输入端15处在两根或三根导线14上施加电功率。微控制器包括为半波电源的电源16，其能够检测电功率输入正在使用两根或三根导线。如果三根导线被用于输入功率，则它们是火线、中性线和地线。中性线的存在由电源16中的检测器17来确定。中性线检测器17产生被应用于微处理器20的一个或多个信号18。所提供的信号18由控制设备12中的微处理器20使用，以配置负载控制设备12的操作。在仅有两根导线将功率施加到负载控制设备12的情况下，该设备正操作在泄漏电流的情况下并被限制在内部电源使用。在三根导线将功率施加到负载控制设备12的情况下，具有大量的可用功率，并且负载控制设备12可以使用一个或多个指示器22（例如灯23）或超过0.5ma电气规范安全限值的其它设备。功率通过输出线24被施加到负载，例如负载10。 

电源16是半波电源，其在图3中被示出，并且可以使用负半波或正半波或全波信号。在电源16中，火线/端子/导线，导线25连接到在点25X处的控制电源接地参考点。如果仅使用两根导线，则另一导线是地线或接地 线，并被连接到地线端子26。如果第三导线将功率施加到负载控制设备12，该第三导线则是中性导线27并且连接到端子27X。接地并不需要检测带电的第三输入端连接的存在或不存在。 

当地线连接在端子26处时，负周期中的电流流过下列部件以产生电源电压：地线端子26、D2（整流二极管）、Z1、R24、D6、R4、Q4、R5、Z2、Rl6，并返回到火线端子25X。选择齐纳二极管Z2，以便为电源产生预选的输出电压VDD。在此，Z2为12V齐纳二极管，以在端子30产生12VDC的电源。当中性线连接在端子27处时，负周期中的电流流过下列部件以产生电源电压：中性线端子27X、D1、OK1、R4、Q4、与R7和Q1并联的R5、Z2、R16，并返回到火线端子25X。存储和滤波电容器C1和C2用于稳定在端子30处的电源电压。反馈电路R10、R15和C7将3VDC信号、VOLTAGE_DET（电压检测）、信号31提供到微控制器20，以用于上电复位，从而确保该微控制器的可靠启动。信号31是信号18的一部分。 

当中性线连接在端子27X处时，负周期中的电流流过红外发射二极管，该红外发射二极管嵌入在光耦合器OK1中。红外信号导通嵌入在OK1中的光晶体管，然后该光晶体管导通Q2和Q11。Q1通过Q2被导通。Q11的输出是中性线检测信号——脉冲串28，其被输出到微控制器作为端子29处的信号NEUTRAL_DET（中性线检测）。来自电源16的信号18包括脉冲串28。当中性导线27被连接时，在端子29处没有脉冲串。脉冲串28的存在表示地线连接，而没有该脉冲串则表示中性导线连接。如果地线和中性线两者都被连接，则齐纳二极管Z1保证二极管D2被反向偏置，因为没有电流流过该连接，有效地使地线连接26脱离电路，因此不产生脉冲串，并且微控制器20正确地解译出中性导线在输入连接处的存在。电阻器R27可存在或不存在，其被用来稳定光隔离器OK1的操作。 

当Q1导通时，电流源32可供应8毫安或更多的电流，其适于在任何时间直接驱动指示器22和继电器。当检测到中性线连接时，控制设备12将使用该模式。Q2在该配置中由硬件电路控制，以提高可靠性和响应性。可替换地，中性线检测电路可由微控制器固件来控制。 

当Q1关断时，电流源32能够通过R5的认真选择而供应多达0.5毫安的电流，这是根据特定标准和建筑规范的泄漏到地的设备的上限值。当在 无法检测到在端子27处中性线连接时，控制设备12将使用这种模式来限制泄漏到地的电流、以及避免使用LED或其它指示器22、监视继电器可被启动的频率如何，以及本领域中已知的其它功率节约技术（例如，微控制器可以使自己进入较慢的、较少功耗的工作频率或时钟）。 

恒流源电路32由双极结型晶体管Q4利用通过电阻器R5和晶体管Q6的负反馈来控制。当通过R5的电流增大且R5两端的电压降增大时，Q6开始导通并降低Q4的偏置，由此减小传输通过R5的电流。R5的值通常控制可用的电流量，其应该被设计为将电流限制到泄漏到地的可接受的最大值（即，0.5毫安）。当Q1通过Q2被导通时，R5被旁路，并且所供应的电流显著上升，这主要由Q4和R7的偏置点来确定。恒流电路32在该配置中由硬件电路来控制，以提高可靠性和响应性。该恒流电路可以由微控制器固件来控制，该微控制器在恒流源被启动之前提供了实施其它检查的机会。可替换地，恒流电路经由现有技术中已知的混合硬件/逻辑方法（例如，FPGA、ASIC等）来实现。 

使用齐纳二极管形成简单的电源是本领域公知的。然而，难以控制控制器的功率消耗，这是因为任何未使用的电流会通过齐纳二极管被分流。如果该控制器工作在低功率模式下，例如当中性线连接不可用时，该未使用的电流可能是显著的。通常，选择齐纳二极管来处理电流（功率）。为了保持低功耗并使用更小、更便宜、更低功率的齐纳二极管，空载功率减小电路——电路33被实施。电阻R16和晶体管Q8一起工作，以限制该空载电流。如果通过齐纳二极管分流的电流太高，R16被设计成具有在其两端产生足以导通Q8的电压，这将关断Q4并中断电源。一旦分流电流减小，Q8关断，并且Q4通过在R8和C5之间产生的电压再次导通，这也确保了Q4在初始上电期间导通，并也稳定了Q4的导通和关断次数。 

电阻器R5和/或R7可切换为其它值，或者，可使用或可选择（例如使用可手动选择的DIP开关或电子切换装置）另外的恒流电路，从而允许针对特定装置来改变最小允许电流。例如，一些泄漏到负载的应用设备可以允许使用高于0.5mA的电流，例如某些灯能够承受2mA或5mA而并不影响灯的开/关操作。用户可以设定设备的电流消耗，来匹配负载的泄漏电流容量。可通过来自开关装置的反馈向微控制器提供可选择的开关设定，或 者如果切换受微控制器控制时直接向微控制器提供可选择的开关设定。以任一种方式，微控制器可以根据可用的电流量来使其适于外围设备、指示器等的使用。这种类型的可切换电流限定值也可用于其它场合，诸如本领域中已知的需求响应，并且将允许建筑物或校园中潜在的数千个设备以减少它们的电流使用，并明显有助于满足需求响应的要求。另一电流限定值要求可以是满足LEED或其它所谓的智能大楼或环保意识建筑操作的要求。用于将需求响应或其它电流极限值要求通信到设备的方法是本领域公知的，例如网络设备或提供信号线至独立装置。 

尽管负载控制设备12和电源16被描述为泄漏到地的设备，但是，它们可适于作为泄漏到负载的功率设备来工作。负载控制设备12和电源16采用中性线检测器，该电路可以例如通过将光隔离器OK1移动到地线端子26和二极管D2之间而被重新配置为非中性线检测器（实际上是接地检测器），从而在地线端子被连接以及中性线端子未被连接时产生脉冲串。 

虽然已经参照使用环境描述了该装置和方法的优选实施例，但是，它们仅说明本发明的原理。不同实施例的元件可以被结合到其它种类中的每一个，以获得结合这些其它种类的那些元件的益处，并且各种有益特征可在实施例中单独地采用或彼此组合使用。在不背离本发明的精神和所附权利要求的范围的情况下，可以设计出其它实施例和配置。 

Claims (6)

1.一种用于控制电功率施加至负载的负载控制设备，包括：

具有微处理器的控制器；

一个或多个状态指示器；

负半波电源，所述负半波电源包括：

恒流源；

中性线检测器；

其中，当仅使用地线和火线供应电功率时，所述电源可用于将输出电流限制到预设限制值，而当使用中性线、地线和火线供应电功率时，所述电源可用于输送高于所述预设限制值的输出电流；并且

其中，所述中性线检测器产生指示正在由中性线、地线和火线供应所述电功率的一个或多个信号，所述控制器使用所述一个或多个信号来控制所述一个或多个状态指示器。

2.根据权利要求1所述的负载控制设备，其中所述电源可用作泄漏到地的设备。

3.根据权利要求1所述的负载控制设备，其中所述电源可用作泄漏到负载的设备。

4.一种用于控制电功率施加至负载的负载控制设备，包括：

具有电源的控制器；

其中，当仅使用地线和火线供应电功率时，所述电源可用于将输出电流限制到预设限制值，而当使用中性线、地线和火线供应电功率时，所述电源可用于输送高于所述预设限制值的输出电流；并且

其中，所述电源产生指示正在由中性线、地线和火线供应所述电功率的一个或多个信号，所述控制器使用所述一个或多个信号以控制一个或多个状态指示器。

5.根据权利要求4所述的负载控制设备，其中所述电源可用作泄漏到地的设备。

6.根据权利要求4所述的负载控制设备，其中所述电源可用作泄漏到负载的设备。

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