TW201513569A - 開關裝置 - Google Patents

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Ming-Feng Lin
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Abstract

一種開關裝置，包含一第一開關元件與一自鎖電路。該第一開關元件的第一端電性連接一電源，第二端電性連接一負載；該自鎖電路包含有相互電性連接的一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體電性連接該第一開關元件的第一端，該第二電晶體電性連接至該第一開關元件的控制端；其中，施加一觸發電壓至該第二電晶體後，該第二電晶體與該第一開關元件導通，促使該第一電晶體導通；且該第一電晶體導通後，該第一電晶體供電予該第二電晶體以形成自鎖，使該第一開關元件維持導通。

Description

開關裝置
本發明係與開關裝置有關；特別是指可供控制導通或截止的開關裝置。
按，開關裝置係設於一電源與一負載之間，用以導通或阻斷該電源供予該負載之電能。習用的開關裝置係使用單向導通的矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)或雙向導通的三端雙向可控矽元件(Triode for Alternating Current，TRIAC)。以矽控整流器為例，矽控整流器被觸發導通後，即可讓該電源供電予該負載。惟，在矽控整流器被觸發導通後，必須使負載消耗的電流維持於矽控整流器的保持電流(Holding current)以上，始可讓矽控整流器維持導通，當負載所消耗的電流低於矽控整流器的保持電流時，矽控整流器即自動截止，阻斷供予該負載的電力。
以照明設備為例，傳統照明設備使用鎢絲燈時，其所消耗的電流係大於矽控整流器的保持電流，因此矽控整流器可正常作動。隨著科技的進步，照明燈具由鎢絲燈轉換至發光二極體時，由於發光二極體所消耗的電流遠小於鎢絲燈，當發光二極體的消耗的電流低於矽控整流器的保持電流時，矽控整流器將無法正常作動。為使矽控整流器可以正常作動，目前照明燈具皆會設計一假性負載電路，藉以讓照明燈具總消耗的電流大於矽控整流器的保持電流，使矽控整流器可正常作動。然，假性負載電路除了消耗能源外並無其它作用，即使發光二極體關閉後，假性負載電路仍持續地耗能， 造成能源無謂的消耗。若能減低開關裝置的保持電流當可減少能源無謂的消耗，且無需製作假性負載電路，可減少製作成本。此外，用於觸發導通矽控整流器或三端雙向可控矽元件的電流亦需數十毫安培以上，在講求低耗能的今日，若能減低開關裝置所需的觸發電流亦可減少能源的消耗。
本發明之主要目的在於提供一種開關裝置，可減少能源的消耗。
為達成前述之發明目的，本發明所提供之開關裝置，係設置於一電源與一負載之間，該開關裝置包含：一第一開關元件與一自鎖電路。其中，該第一開關元件具有一第一端、一第二端與一控制端，該第一端電性連接該電源，該第二端電性連接該負載，該控制端供控制該第一端與該第二端之間導通或阻斷；該自鎖電路包含有相互電性連接的一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體電性連接該第一開關元件的第一端，該第二電晶體電性連接至該第一開關元件的控制端；其中，施加一觸發電壓至該第二電晶體後，該第二電晶體與該第一開關元件導通，促使該第一電晶體導通；且該第一電晶體導通後，該第一電晶體供電予該第二電晶體，使該第二電晶體維持於導通之狀態。
藉此，透過該開關裝置可有效地減低能源無謂的消耗。
1、2、3‧‧‧開關裝置
10、20‧‧‧自鎖電路
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
Q1‧‧‧第一電晶體
Q2‧‧‧第二電晶體
Q3‧‧‧第三電晶體
Q4‧‧‧第四電晶體
Q5‧‧‧第五電晶體
Q6‧‧‧第六電晶體
R1~R6‧‧‧電阻
SCR‧‧‧矽控整流器
T‧‧‧預定時間
V1‧‧‧觸發電壓
θ‧‧‧延遲導通角
圖1為本發明第一較佳實施之開關裝置電路圖。
圖2為本發明第一較佳實施之開關裝置控制負載電壓產生延遲導通角之波形圖。
圖3為本發明第二較佳實施之開關裝置電路圖。
圖4為本發明第一較佳實施之開關裝置的另一實施態樣。
圖5為本發明第二較佳實施之開關裝置的另一實施態樣。
圖6為本發明第三較佳實施之開關裝置電路圖。
圖7為本發明第三較佳實施之開關裝置控制負載電壓產生延遲導通角之波形圖。
圖8為本發明第三較佳實施之開關裝置的另一實施態樣。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如后。請參閱圖1，為本發明第一較佳實施例之開關裝置1，係供設置於一電源與(圖未示)一負載(圖未示)之間，包含有一自鎖電路10與一開關元件，該自鎖電路10可受觸發以開啟該開關元件，藉以控制導通或阻斷該電源供應予該負載之電能。
該自鎖電路10包含有一第一電晶體Q1與一第二電晶體Q2，在本實施例中，該第一電晶體Q1為PNP型雙極接面電晶體(Bipolar Junction Transistor)，該第二電晶體Q2為NPN型雙極接面電晶體。該開關元件係以一第三電晶體Q3為例，該第三電晶體Q3亦為NPN型雙極接面電晶體。
該第三電晶體Q3的集極(即該開關元件之第一端)電性連接該電源與該第一電晶體Q1的射極，該第三電晶體Q3的射極(即該開關元件之第二端)電性連接該負載，該第三電晶體Q3的基極(即該開關元件之控制端)電性連接該第二電晶體Q2的射極，該第一電晶體Q1的基極電性連接該第二電晶體Q2的集極，該第一電晶體Q1的基極電，該第一電晶體Q1的集極電性連接該第二電晶體Q2的基極。該第二 電晶體Q2的基極供輸入一觸發電壓。
藉由上述之電路結構，該電源為正電壓時，且當該第二電晶體Q2的基極所輸入的觸發電壓大於該第二電晶體Q2與第三電晶體Q3的基-射極電壓之總合時，該第二電晶體Q2與第三電晶體Q3導通，使該電源供電予該負載；同時，該第二電晶體Q2的集極自該第一電晶體Q1的基極吸取電流，促使該第一電晶體Q1導通。當該第一電晶體Q1導通後，該第一電晶體Q1的集極供應電流予該第二電晶體Q2的基極，使該第二電晶體Q2維持於導通之狀態。藉此，該第一電晶體Q1與該第二電晶體Q2形成自鎖(Latching)，維持該第三電晶體Q3導通(集極與射極間導通)，即使該觸發電壓低於該第二電晶體Q2與第三電晶體Q3的基-射極電壓之總合，仍然可維持該第三電晶體Q3導通。如此，該開關裝置1即具有矽控整流器之功效。
請配合圖2所示，當該電源為交流電源時，在該電源電壓波形的每一正半波週期的零點之後一預定時間T輸入具有該觸發電壓V1之準位的一控制訊號至該第二電晶體Q2的基極，即可使該第三電晶體Q3導通，即使該控制訊號的電壓準位為零，該第三電晶體Q3亦為導通之狀態，直到該電源的電壓為零時該第三電晶體Q3截止。藉此，可使該第三電晶體Q3的射極供應至負載的之負載電壓波形形成一延遲導通角θ。改變該預定時間T的長短時，即可相對地改變該延遲導通角θ的角度。
更值得一提的是，由於該第二電晶體Q2受觸發後該第一電晶體Q1、第二電晶體Q2係在該電源之電壓的零點之前持續維持該第三電晶體Q3為導通，因此該電源的電壓在正半波週期接近零點的附近並不會自動截止，故無一般矽控整流器(SCR)必須使負載消耗的電流維持在保持電流以上的缺點。藉此，即使該第三電晶體Q3所連接的負載消耗的電流很小，亦可以正常地使該第三電晶體Q3導通，以供電予該 負載。
此外，在實務上該第一電晶體Q1、第二電晶體Q2可採用工作電流為微安培即可作動之小訊號電晶體，第三電晶體Q3採用功率電晶體，藉此，輸入該第二電晶體Q2的控制訊號之電流只要在微安培的等級即可觸發該第三電晶體Q3導通，無需使用額外的放大電路放大控制訊號的電流。如此，可以有效地減少習用的開關裝置耗能的缺點，且可以取代傳統的矽控整流器。
圖3所示為本發明第二較佳實施例之開關裝置2，具有大致相同第一實施例之架構，不同的是，本實施例的開關元件為一矽控整流器SCR。透過採用小訊號電晶體的該第一電晶體Q1、第二電晶體Q2形成的自鎖電路10，只要該第二電晶體Q2的基極輸入之控制訊號的電流在微安培等級，即可觸發該矽控整流器SCR導通。
圖4與圖5分別為該第一及第二較佳實施例之另一實施態樣，其係在開關裝置中更加設電阻R1~R3，同樣可以達到與第一、第二實施例相同之功效。
上述中，開關裝置係達成單向導通之功效，以下再提供另一實施例，可達到雙向導通之功效。請參閱圖6，為本發明第三較佳實施例之開關裝置3，其係以第一較佳實施例為基礎，除了以第三電晶體Q3為例的第一開關元件外，更增設一以第六電晶體Q6為例的第二開關元件；自鎖電路20除了第一電晶體Q1、第二電晶體Q2外，更包含相電性連接的一第四電晶體Q4與一第五電晶體Q5，以控制該第六電晶體Q6的導通或截止，且更包含防止逆向導通的一第一二極體D1與一第二二極體D2。
該第六電晶體Q6與該第三電晶體Q3的結構相同，且該第六電晶體Q6的射極(即第一端)電性連接該第三電晶體Q3的集極，該第六電晶體Q6的集極(即第二端)電性連接該第三電晶體Q3的射極。該第一電晶體Q1、第二電 晶體Q2與第三電晶體Q3之連接及作動方式與第一實施例大致相同，不同的是，該第一電晶體Q1係透過該第一二極體D1與該第三電晶體Q3的集極電性連接；而該第四電晶體Q4、第五電晶體Q5、第六電晶體Q6與第二二極體D2的連接方式亦相同於該第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第三電晶體Q3及第一二極體D1的連接方式。而該第二電晶體Q2的基極與該第五電晶體Q5的基極電性連接，供輸入觸發電壓。
在該電源為正電壓時，輸入觸發電壓後，該第二電晶體Q2、第三電晶體Q3導通；在該電源為負電壓時，輸入觸發電壓後，該第五電晶體Q5、第六電晶體Q6導通，促使該第四電晶體Q4、第五電晶體Q5形成自鎖而維持第六電晶體Q6導通。其中，該觸發電壓大於或等於該第二電晶體Q2與第三電晶體Q3的基-射極電壓之總合，且該觸發電壓大於或等於該第五電晶體Q5與第六電晶體Q6的基-射極電壓之總合
請配合圖7所示，當該第三電晶體Q3的集極所連接的電源為交流電源時，在電源電壓的在每一正、負半波的零點之後的預定時間T，輸入具有該觸發電壓V1之準位的控制訊號至該第二電晶體Q2的基極，即可在該電源電壓的正半波周期時導通該第二電晶體Q2與第三電晶體Q3，在該電源電壓的負半波周期時導通該第五電晶體Q5與第六電晶體Q6，使該第三電晶體Q3的射極輸出到負載的負載電壓波形在正、負可產生延遲導通角θ。藉此，該開關裝置3即形成如同三端雙向可控矽元件(TRIAC)之雙向導通元件。
同樣的，控制該預定時間T即可改變該延遲導通角θ的角度。同樣無一般三端雙向可控矽元件必須使負載消耗的電流維持在保持電流以上的缺點，即使該開關裝置3連接的負載消耗電流很小，亦可以正常地使該第三電晶體Q3或第六電晶體Q6導通，以供電予該負載。此外，該第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、第四電晶體Q4、第五電晶體Q5採用電 流為微安培即可作動之小訊號電晶體時，輸入該第二電晶體Q2的控制訊號之電流只要在微安培的等級即可觸發該第三電晶體Q3、第六電晶體Q6導通。
圖8所示者為前述第三較佳實施例之另一實施態樣，其係在第三較佳實施例之開關裝置3中更加設電阻R1~R6，同樣可以達到與第三實施例相同之功效。
據上所述，本發明之開關裝置可有效取代傳統的矽控整流器或三端雙向可控矽元件，並且所連接的負載無需設計維持在保持電流以上的假性負載電路，有效地減少無謂的能源消耗。而自鎖電路採用小訊號電晶體時，亦可有效減少觸發開關元件之控制訊號的電流，有效減少設計電流放大電路的製造成本。又，在上述各實施例中，各電晶體係以雙極接面電晶體為基礎設計，在實務上亦可採用其它種類的電晶體，例如金氧半場效電晶體(MOSFET)，設計開關裝置。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
1‧‧‧開關裝置
10‧‧‧自鎖電路
Q1‧‧‧第一電晶體
Q2‧‧‧第二電晶體
Q3‧‧‧第三電晶體

Claims (10)

  1. 一種開關裝置，係設置於一電源與一負載之間，該開關裝置包含：一第一開關元件，具有一第一端、一第二端與一控制端，該第一端電性連接該電源，該第二端電性連接該負載，該控制端供控制該第一端與該第二端之間導通或阻斷；以及一自鎖電路，包含有相互電性連接的一第一電晶體與一第二電晶體，該第一電晶體電性連接該第一開關元件的第一端，該第二電晶體電性連接至該第一開關元件的控制端；其中，施加一觸發電壓至該第二電晶體後，該第二電晶體與該第一開關元件導通，促使該第一電晶體導通；且該第一電晶體導通後，該第一電晶體供電予該第二電晶體，使該第二電晶體維持於導通之狀態。
  2. 如請求項1所述之開關裝置，其中該第一電晶體與該第二晶體為雙極接面電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)。
  3. 如請求項2所述之開關裝置，其中該第一電晶體為PNP型雙極接面電晶體，該第二電晶體為NPN型雙極接面電晶體，且該第一電晶體的射極電性連接該第一開關元件的第一端，該第一電晶體的基極電性連接該第二電晶體的集極，該第一電晶體的集極電性連接該第二電晶體的基極，該第二電晶體的射極電性連接該第一開關元件的控制端； 其中，該電源為正電壓且施加該觸發電壓至該第二電晶體的基極，導通該第二電晶體與該第一開關元件。
  4. 如請求項3所述之開關裝置，其中該第一開關元件為一第三電晶體，該第三電晶體為NPN型雙極接面電晶體，該第三電晶體的集極形成該第一端，該第三電晶體的射極形成該第二端，該第三電晶體的基極形成該控制端；該觸發電壓大於或等於該第二電晶體與第三電晶體的基-射極電壓之總合。
  5. 如請求項3所述之開關裝置，其中該第一開關元件為一矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，該矽控整流器的陽極形成該第一端，該矽控整流器的陰極形成該第二端，該矽控整流器的閘極形成該控制端。
  6. 如請求項1所述之開關裝置，包含有一第二開關元件，該第二開關元件具有一第一端、一第二端與一控制端，該第一端電性連接該第一開關元件的第二端，該第二端電性連接該第一開關元件的第二端，該控制端供控制導通或阻斷該第二開關元件；該自鎖電路更包含相互電性連接的一第四電晶體與一第五電晶體，該第四電晶體電性連接至該第二開關元件的第一端，該第五電晶體電性連接至該第二開關元件的控制端及該第二電晶體；其中，該電源為正電壓且施加該觸發電壓至該第二電晶體，導通該第二電晶體與該第一開關元件；該電源為負電壓且施加該觸發電壓至該第二電晶體，該第五電晶體與該第二開關元件導通，促使 該第四電晶體導通，該第四電晶體導通後，供電予該第五電晶體，使該第五電晶體維持於導通之狀態。
  7. 如請求項6所述之開關裝置，其中該自鎖電路更包含一第一二極體與一第二二極體，該第一二極體之陽極電性連接該第一開關元件的第一端，該第一二極體之陰極電性連接該第一電晶體，該第二二極體之陽極電性連接該第二開關元件的第一端，該第二二極體之陰極電性連接該第四電晶體。
  8. 如請求項7所述之開關裝置，其中該第一電晶體、該第二晶體、該第四電晶體與該第五電晶體為雙極接面電晶體。
  9. 如請求項8所述之開關裝置，其中該第一電晶體為PNP型雙極接面電晶體，該第二電晶體為NPN型雙極接面電晶體，該第一電晶體的射極電性連接該第一二極體的陰極，該第一電晶體的基極電性連接該第二電晶體的集極，該第一電晶體的集極電性連接該第二電晶體的基極，該第二電晶體的射極電性連接該第一開關元件的控制端；該第二電晶體的基極供輸入該觸發電壓；該第四電晶體為PNP型雙極接面電晶體，該第五電晶體為NPN型雙極接面電晶體，該第四電晶體的射極電性連接該第二二極體的陰極，該第四電晶體的基極電性連接該第五電晶體的集極，該第四電晶體的集極電性連接該第五電晶體的基極及該第二電晶體的基極，該第五電晶體的射極電性連接該第二開關元件的控制端。
  10. 如請求項9所述之開關裝置，其中該第一開關元件為一第三電晶體，該第二開關元件為一第六電晶體，該第三、第六電晶體為NPN型雙極接面電晶體，該第三電晶體的集極形成其第一端，該第三電晶體的射極形成其第二端，該第三電晶體的基極形成其控制端；該第六電晶體的集極形成其第一端，該第六電晶體的射極形成其第二端，該第六電晶體的基極形成其控制端；該觸發電壓大於或等於該第二電晶體與第三電晶體的基-射極電壓之總合，且該觸發電壓大於或等於該第五電晶體與第六電晶體的基-射極電壓之總合。
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