TWI554034B - 具備自動調光功能的紅外線電開關 - Google Patents

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Description

具備自動調光功能的紅外線電開關
本發明有關於一種紅外線電開關，且特別是有關於一種具備自動調光功能的紅外線電開關。
機械式電開關是基於兩片導電金屬的接合或分離，分別產生短路或開路。此種機械式電開關通常是以手動接觸來進行操作，且於開關接合時，由於瞬間的大電流會產生火花或電弧，故不適用在有氣爆疑慮的空間。
然而，可控半導體開關元件，例如，雙向可控三極管(Triac)，在導通時，其兩個輸出電極的電壓差接近零電壓，而在截止時，流過該兩個電極的電流接近零電流。因此，固態電子電開關利用上述雙向可控三極管的電特性，並藉由觸發電路據以控制雙向可控三極管的導通或斷電。由於固態電子電開關的效能類似於機械式電開關，但是固態電子電開關的主要電流的通道由於沒有機械式的接合，故可以避免火花或電弧的產生。
習知的固態電子電開關有多種的實施技術，例如專利US 4,322,637中所揭示的一種以光耦合元件觸發雙向可控三極管導通的技術，或者是例如專利US 6,285,140 B1中所揭示的一種微控制器(microcontroller unit，MCU)結合過零點檢測器的技術，並由微控制器產生與交流電源同步的觸發信號，以控制雙向可控三極管的導通，傳輸電功率到發光二極體。然而，上述的固態電子電開關基本上只作為負載及交流電源之間的短路或開路連結。
除此之外，無論是機械式電開關或固態電子電開關，通常設置有彈簧按鍵，並藉由手按下上述之按鍵來變換導通或斷電狀態。然而，在很多的工作場合，例如，廚房或醫院的工作台，因為手沾污而不適宜直接碰觸電開關。
本發明是一種紅外線電開關，此紅外線電開關以光學感應方式切換開/關及調變光源亮度，並至少包括一組紅外光感測器，一組微控制器及一個可控半導體開關元件，其中可控半導體開關元件串聯負載並且連接到電源。
本發明實施例提供一種紅外線電開關，此紅外線電開關連接於負載及電源之間，並用於控制負載及電源之間的導通率。此紅外線電開關包括有可控半導體開關元件、紅外光感測器以及微控制器。可控半導體開關元件電性連接於負載與電源之間。紅外光感測器依據實體是否進入紅外光感測器的感測範圍，據以輸出紅外光感測信號。微控制器電性連接於可控半導體開關元件與紅外光感測器之間，此微控制器依據此上述之紅外光感測信號，據以控制可控半導體開關元件的截止與導通。其中，於可控半導體開關元件導通時，微控制器依據紅外光感測信號的時間長度，據以控制電源供應至負載的電功率大小。
本發明實施例提供一種紅外線電開關，此紅外線電開關連接於負載及直流電源之間，並用於控制負載及直流電源之間的導通率。此紅外線電開關包括有單向可控半導體開關元件、紅外光感測器以及微控制器。單向可控半導體開關元件電性連接於負載與直流電源之間。紅外光感測器 依據實體是否進入紅外光感測器的感測範圍，據以輸出紅外光感測信號。微控制器電性連接於單向可控半導體開關元件與紅外光感測器之間，此微控制器依據上述之紅外光感測信號，產生脈衝寬度調變電壓信號，據以控制單向可控半導體開關元件的截止或導通。其中，於單向可控半導體開關元件導通時，微控制器依據紅外光感測信號於低電位時的時間長度，據以控制直流電源供應至負載的電功率大小。
本發明實施例提供一種紅外線電開關，此紅外線電開關連接於負載及交流電源之間，並用於控制負載及交流電源之間的導通率。此紅外線電開關包括複數個繼電器元件、紅外光感測器以及微控制器。所述多個繼電器元件互相並聯，使得所述多個繼電器電性連接於負載與交流電源之間。紅外光感測器依據實體是否進入紅外光感測器的感測範圍，據以輸出紅外光感測信號。微控制器電性連接紅外光感測器與所述多個繼電器元件之間，此微控制器依據上述之紅外光感測信號，產生零電位電壓或高電位電壓，據以分別控制所述多個繼電器元件的開路或短路。
本發明實施例提供一種紅外線電開關，此紅外線電開關連接於負載及交流電源之間，並用於控制負載及交流電源之間的導通率。此紅外線電開關包括雙向可控半導體開關元件、紅外光感測器、過零點檢測器以及微控制器。雙向可控半導體開關元件電性連接於負載與交流電源之間。紅外光感測器依據實體是否進入紅外光感測器的感測範圍，據以輸出紅外光感測信號。過零點檢測器電性連接交流電源。微控制器電性連接於紅外光感測器、過零點檢測器 與雙向可控半導體開關元件之間。此微控制器依據上述之紅外光感測信號，產生零電位電壓或過零點延時電壓脈衝，據以控制雙向可控半導體開關元件的截止或導通。其中，於雙向可控半導體開關元件導通時，微控制器依據紅外光感測信號於低電位時的時間長度，據以控制交流電源供應至負載的電功率大小。簡言之，本發明之特徵在於，以微控制器的程式解讀紅外光感測信號，構成一個使用者與電開關之間無接觸的操作介面，以據以實施至少兩種電開關的操作方式。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
可控半導體開關元件參閱圖1，圖1為本發明之紅外線電開關運用在交流電源的方塊圖。如圖1所示，紅外線電開關1與負載2串聯，且連接到交流電源3，以控制交流電源3傳輸電功率到負載2。此紅外線電開關1至少包括一組紅外光感測器11、一組微控制器(MCU)12、過零點檢測器13及一個雙向可控半導體開關元件14。在圖1中，紅外光感測器11電性連接微控制器12的一支接腳，其用以傳送紅外光感測信號到微控制器12。過零點檢測器13電性連接微控制器12的另一支接腳及交流電源3的一條導線，以產生與交流電源3同步的信號，並將上述之同步信號輸入到微控制器12。微控制器12以另一支接腳電性連接到雙向可 控半導體開關元件14的控制電極，藉以傳送電壓脈衝來控制雙向可控半導體開關元件14的電性狀態。
紅外光感測器11輸出紅外光感測信號到微控制器12，並經由微控制器中的寫入程式解讀此紅外光感測信號之後，據以使微控制器12執行至少兩種工作模式。
其中一種工作模式是切換開/關模式，微控制器12根據紅外光感測器11送出的感測信號，使得微控制器12以交替方式，依序切換雙向可控半導體開關元件14的導通及截止。此外，在此工作模式時，微控制器12藉由輸出電壓脈衝信號，來觸發雙向可控半導體開關元件14的導通，並且傳輸定值電功率到負載2，或者是，微控制器12輸出零電位電壓，造成雙向可控半導體開關元件14截止，停止傳輸電功率到負載2。
另一種工作模式是調變電功率模式，微控制器12依據過零點檢測器13所輸出的同步信號，據以產生與交流電源3同步的相位延時電壓脈衝，並在交流電源3的正半週及負半週的適當時間點觸發雙向可控半導體開關元件14的導通，並且依據紅外光感測器11所輸出的紅外光感測信號，連續改變雙向可控半導體開關元件14的導通相位之大小，以傳輸不同的電功率到負載2。另外，前述及的兩種工作模式，可以藉由一個實體(例如為手、腳或軀幹)伸入紅外光感測器11的感測範圍所產生紅外光感測信號，來選擇執行切換開/關模式或是調變電功率的模式。
配合圖1，參閱圖2。圖2為本發明之紅外線電開關運用在交流電源的電路實施示意圖。如圖2所示，紅外線電開關1與負載2及交流電源3串聯。交流電源3，經過電容 C2的降壓與二極體D1、D2以及Dz的整流，產生使電路可正常運作的電壓源VDD。紅外光感測器11以電晶體M2作為輸出級，電晶體M2的汲極電性連接微控制器12的接腳pin_3，以傳送紅外光感測信號到微控制器12。
過零點檢測器13由電晶體Q1構成，其中電晶體Q1的集極電性連接微控制器12的接腳pin_10，電晶體Q1的基極經由一個電阻R3及一個二極體D3連接到交流電源3的一條導線。在交流電源3的正半週時，電晶體Q1飽和導通，電晶體Q1的集極之電壓接近零電位；在交流電源3的負半週時，電晶體Q1截止，電晶體Q1的集極為高電位之電壓源VDD。對照交流電源3的正弦波，過零點檢測器13因此由電晶體Q1的集極輸出一低電位的方波及一高電位的方波，據以與交流電源3同步，並將上述之方波輸入到微控制器12的接腳pin_10，其意義在後文進一步說明。於實務上，雙向可控半導體開關元件14可以是一個雙向可控三極管T1，微控制器12以接腳pin_1電性連接到雙向可控三極管T1的閘極，控制雙向可控三極管T1的導通與否或是調整雙向可控三極管T1的導通程度，但不以此為限。
再參閱圖2，紅外光感測器11包括發射電路及接收電路。在發射電路部分，一個紅外發光二極體IR_LED串接到一個電晶體M1的汲極，此電晶體M1的閘極與一個計時器110的輸出端電性連接。於實務上，計時器110可以為555計時器，此555計時器輸出約3kHz頻率的方波電壓，以調制電晶體M1的汲極電流，使紅外發光二極體IR_LED輸出方波形式的紅外光，以作為感測的光源。
在接收電路部分，其包括一個光敏二極體PD、兩級串 聯的放大器112與114以及一個電晶體M2。如前述及，電晶體M2的汲極電性連接到微控制器12的接腳pin_3。光敏二極體PD與放大器112構成紅外光偵測電路，放大器112輸出端連接到放大器114。於實務上，放大器112及114可以為運算放大器LM324，而放大器114與電阻R7~10的組合為一種史密特(Schmitt)觸發電路，其中此史密特觸發電路具有一個臨界電壓，此臨界電壓是由電阻R8及R9組成的分壓電路產生。
光敏二極體PD用以接收發射電路之紅外光，若放大器112的電位信號值超過前述及的臨界電壓值，則放大器114產生一個高電位信號，此電壓信號加在電晶體M2的閘極，而造成電晶體M2導通，因此，從電晶體M2的汲極輸出一個接近零值的低電位信號，低電位信號的時間長度與感測到紅外光的時間有關。
另外，若光敏二極體PD沒有接收到紅外光，此即放大器112的電位信號值低於臨界電壓值，放大器114恆輸出接近零電壓的信號到電晶體M2的閘極，而造成電晶體M2的截止，因此，從電晶體M2的汲極輸出一個高電位信號，其電壓位準為VDD。換句話說，圖2之微控制器12的接腳pin_3依據紅外光感測器11是否有感測動作，而分別接收到一低電位信號或一高電位信號，其中低電位信號之時間長度約為感測到紅外光的時間。
換句話說，微控制器12在偵測到紅外光感測信號時，會藉由判斷此紅外光感測信號於低電位時的時間長度，據以執行上述兩種工作模式，其中一工作模式為控制雙向可控半導體開關元件14的截止與導通，另一工作模式為於雙 向可控半導體開關元件14導通時調整此雙向可控半導體開關元件14的導通程度。換句話說，於雙向可控半導體開關元件14導通時，微控制器12可以依據紅外光感測信號的時間長度，據以控制交流電源3供應至負載2的電功率大小。配合圖2，請一併參閱圖3A與圖3B，圖3A為本發明之紅外線電開關中之紅外光感測器於實際操作時的示意圖；圖3B為本發明之紅外光感測信號的波形示意圖。如圖3A所示，圖3A描繪紅外光感測器11的基本構造，其中一個紅外發光二極體IR_LED與一個光敏二極體PD平行排列。當以手靠近此排列，發光二極體IR_LED的紅外光從手的皮膚表面散射出去並且可能進入光敏二極體PD的受光表面。
如圖3B所示，圖3B為紅外光感測器11的輸出電壓信號。基本上，若光敏二極體PD沒有接收到從手表面散射的紅外光，或者是所接收到紅外光的強度不足時，紅外光感測器11之電晶體M2的汲極輸出一個高電位信號H，其大小為VDD。在一個「適當的距離」，若光敏二極體PD接收到從手散射出來的紅外光，其強度造成放大器112所輸出的電位信號值超過放大器114之臨界電壓值，放大器114因而觸發，產生高電位電壓，並且驅動電晶體M2導通，則從M2的汲極輸出一個約為零的低電位信號L。換句話說，當紅外光感測器11感測到實體(例如為手、腳或軀幹)進入該紅外光感測器11的感測範圍時，紅外光感測器11輸出屬於低電位的紅外光感測信號，當實體離開紅外光感測器11的感測範圍時，紅外光感測器11輸出屬於高電位的紅外光感測信號。
此「適當的距離」可以定義為紅外光感測器11的「有效感測範圍」。另外，圖3B之低電位信號L的時間長度Ts約等於手停留在此「有效感測範圍」的時間，其大小約為零點幾至幾秒。當移動手離開此「有效感測範圍」，紅外光感測器11的輸出即從低電位變成高電位。紅外光感測器11的輸出電信號，如圖3B描述，是二位元信號，可以經由微控制器12的程式判讀，作為操作紅外線電開關1之依據。
配合圖2及圖3，圖4為本發明之紅外線電開關中之微控制器的程式之步驟流程圖。如圖4所示，在微控制器12，寫入唯讀記憶體(read only memory，ROM)的程式包含數個工作迴圈，並且從切換開/關模式的迴圈(步驟S1~步驟S6)位置啟動。微控制器12的接腳pin_3接收從紅外光感測器11傳送的電壓信號，其中低電位信號之時間長度Ts，是手停留在感測距離的時間。
微控制器12的程式從紅外線電開關1截止的迴圈(步驟S1~步驟S2)開始。微控制器12的程式掃瞄接腳pin_3的電位(步驟S2)，若是高電位，微控制器12的程式留在開關裝置1截止的迴圈(步驟S1~步驟S2)，若是低電位，程式跳入紅外線電開關1導通的迴圈(步驟S3~步驟S6)。在紅外線電開關1導通的迴圈(步驟S3~步驟S6)，微控制器12的程式掃瞄pin_3的電位，若偵測到低電位，從步驟S4進入步驟S5，判讀時間長度Ts的長度並且與一個預設時間To作比較。於實務上，預設時間To介於1至2秒之間，但不以此範圍為限。
在步驟S5中，若時間長度Ts小於預設時間To，則進入步驟S6，偵測接腳pin_3是否高電位，若是，程式跳回 紅外線電開關1截止的迴圈(步驟S1~步驟S2)，若否，程式留在紅外線電開關1導通的迴圈(步驟S3~步驟S6)。
簡言之，在切換開/關的大迴圈(步驟S1~步驟S6)，以手來回短暫停留在感測紅外光感測器11的感測範圍，可以反復切換紅外線電開關1截止或導通，這即是切換開/關的工作模式。
在步驟S5中，若時間長度Ts大於預設時間To，則進入步驟S7，並判讀時間長度Ts是否大於n倍的預設時間To，其中n2，若否，則回到紅外線電開關1導通的迴圈(步驟S3~步驟S4)，若是，則從步驟S7跳入調變電功率模式的迴圈(步驟S8~步驟S10)。圖4沒有顯示在調變電功率(S8)流程的細節，簡述之，微控制器12的程式掃瞄接腳pin_3的電位，若偵測到複數個低電位信號，其時間時間長度Ts及Ts’長短不一，並且時間長度Ts與Ts’小於預設時間nTo時，微控制器12以連續方式變大或者變小電功率的傳輸，若到達最大或者最小電功率之後，則不再對偵測到的低電位作回應。在調變電功的迴圈(步驟S8~步驟S10)，若偵測到時間長度Ts大於n-To時，微控制器12的程式即從調變電功率模式(步驟S8~步驟S10)跳回紅外線電開關1截止的迴圈(步驟S1~步驟S2)。接著，重覆上述的流程。
依據圖2電路的實施例，可以將預設時間To設為2秒及將n設為2。因此，綜合圖4的微控制器12的步驟流程，若接腳pin_3偵測到低電位的時間長度Ts小於2秒(亦即手停留在感測範圍的時間小於2秒)時，微控制器12不改變工作模式；若接腳pin_3偵測到低電位的時間長度Ts大於4秒(亦即手停留在感測範圍的時間大於4秒)時，微控 制器12變換工作模式。換句話說，若紅外光感測信號於低電位時的時間長度Ts小於預設時間To時，則微控制器12不作工作模式的變換；若紅外光感測信號於低電位時的時間長度Ts大於預設時間To時，則微控制器12以交替方式變換於上述兩種工作模式之間。
配合圖2及圖4，請一併參閱圖5至圖7，圖5為本發明之紅外線電開關於切換開/關模式中的紅外線電開關於截止時的電壓波形圖；圖6為本發明之紅外線電開關於切換開/關模式中的紅外線電開關於導通時的電壓波形圖；圖7為本發明之紅外線電開關在調變電功率模式中的紅外線電開關的電壓波形圖。圖5至圖7由上至下依序排列的電壓波形分別為交流電源3的正弦波、過零點檢測器13的輸出的信號、從微控制器12的接腳pin_1輸出的信號以及於負載2兩個端點的電壓波形，藉以說明微控制器12的程式與紅外線電開關1在上述之兩個工作模式互動。其中，過零點檢測器13的輸出，如前文已述及，是方波信號，送到微控制器12的接腳pin_10，作為微控制器12的外控中斷的觸發信號。另外，從微控制器12的接腳pin_1輸出的信號，傳送到雙向可控三極管T1的閘極，以控制雙向可控三極管T1的導通狀態。
微控制器12的程式分別在切換開/關以及調變電功率模式的迴圈，使用外控中斷的技術，產生與交流電源3同步的電壓脈衝，為此，微控制器12的程式預設接腳pin_10的電位變動為觸發外控中斷的信號。因為，過零點檢測器13的方波信號，其高/低電位變動時間點即為正弦波3的過零點。因此，微控制器12的程式自動在交流電源3的過零 點觸發外控中斷，其意義進一步在圖6及圖7說明。
配合圖2及圖4，參閱圖5，微控制器12的程式從紅外線電開關1截止的迴圈(步驟S1~步驟S2)開始。微控制器的程式掃瞄接腳pin_3的電位，若接腳pin_3的為高電位，則微控制器12從接腳pin_1輸出零電壓。雙向可控三極管T1因為閘極為零電位而截止，使得在負載2兩端的電壓為零。
配合圖2及圖4，參閱圖6，在紅外線電開關1截止的迴圈(步驟S1~步驟S2)，微控制器12的程式掃瞄接腳pin_3的電位。若偵測到接腳pin_3的為低電位，則微控制器12的程式跳躍到紅外線電開關1導通的迴圈(步驟S3~步驟S4)。在此迴圈(步驟S3~步驟S4)中，微控制器12的程式掃瞄接腳pin_10的電壓信號，接腳pin_10的方波信號的電位變化時間點發生外控中斷，在這個中斷程序並沒有執行其它程式，而是立即回到主程式。這樣的程式之設計，是利用中斷程序發生的時間即為交流電壓的過零點。微控制器的程式接著以中斷程序發生的時間為基準，經過一個時間延遲tD，由程式產生過零點延時電壓脈衝，並從接腳pin_1輸出。由接腳pin_1輸出的信號即為此電壓脈衝，分別距離過零點一個時間延遲tD，並且各別在交流電源3的正及負半週產生脈衝，用來觸發雙向可控三極管T1使之導通，傳輸交流電功率到負載2。對照圖6的交流電源3以及接腳pin_1輸出的信號，於負載2兩個端點的電壓波形圖，其負載2的平均電功率正比於雙向可控三極管T1的導通時間ton。
在紅外線電開關1導通的導通的迴圈(步驟S3~步驟 S4)中，過零點延時電壓脈衝的時間延遲tD是固定值，則負載2的平均電功率也是固定值。一般，設計一個最小的時間延遲tD，使雙向可控三極管T1的導通時間ton最大，以傳輸最大的平均電功率到負載2。若負載2是電光源，當交替切換紅外線電開關1截止或導通時，光源則分別以最暗或最亮的亮度變動。於實務上，負載2可以是一種熾熱型燈泡、螢光燈、交流發光二極體或是一個發光二極體的模組等電光源，其中若負載2為發光二極體的模組的話則需跨接在全波整流電橋的輸出埠端。
配合圖2及圖4，參閱圖7，在紅外線電開關1導通的較大迴圈(步驟S3~步驟S6)時，微控制器12的程式掃瞄接腳pin_3的電位。若偵測到接腳pin_3的為低電位的時間長度Ts大於nTo，其中n大於等於1，微控制器12的程式跳躍到紅外線電開關1調變電功率的迴圈(步驟S8~步驟S10)。在此迴圈(步驟S8~步驟S10)中，微控制器12的程式掃瞄接腳pin_10的電壓信號，以觸發外控中斷的方式，產生類似於圖6的具有時間延遲tD的過零點延時電壓脈衝，從接腳pin_1輸出。這同時，微控制器12的程式掃瞄接腳pin_3的電位，若偵測到時間長度Ts之大小不等之低電位信號，則微控制器的程式以連續方式，並按照時間長度Ts的比例，增大電壓脈衝的時間延遲tD。若時間延遲tD到達一個預設的最大值之後，則微控制器12的程式不再繼續對偵測到的低電位作回應。其中，增大時間延遲tD即是縮短雙向可控三極管T1的導通時間ton，以降低傳輸到負載2的平均電功率。因此，圖7是以電壓波形說明本發明之紅外線電開關1在調變電功率模式時，微控制器12程式對應紅外光 感測，以漸進方式調動時間延遲tD。
一般，負載2若是發光二極體，尤其是交流發光二極體(AC-LED)，此交流發光二極體具有一個開始導通電流的切入電壓Vt。當過零點延時電壓脈衝在微控制器12的程式產生並且從接腳pin_1輸出時，若交流電源3的電壓值仍低於負載2的切入電壓Vt，則雙向可控半導體開關元件14可能不被被觸發導通。因此，考慮負載2的切入電壓Vt，在設計圖6及圖7的過零點延時電壓脈衝時，必須把時間延遲tD限制在如下範圍，以確定半導體元件14之穩定觸發：to<tD<1/(2f)-to，其中to=(1/2πf)sin-1(Vt/Vm)，f是交流電源之頻率，Vm是交流電源之電壓振幅。
除此之外，本發明的概念亦可以應用到直流電源的系統，只須要在可控半導體開關元件及微控制器的程式作微小更動，並且移除過零點檢測器即可實現。請參閱圖8A，圖8A為本發明之紅外線電開關運用在直流電源的方塊圖。如圖8所示，紅外線電開關1’連接於負載2’與直流電源3’之間，即紅外線電開關1’、負載2’及直流電源3’串聯在一起，經由紅外線電開關1’控制直流電源3’傳輸到電功率到負載2’。對照圖1，在圖8的紅外線電開關1’包括紅外光感測器11’，微控制器12’及單向可控半導體開關元件14’。於實務上，單向可控半導體開關元件14’可以是雙極性接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)或是金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)，而負載2’可以是發光二 極體或是熾熱型燈泡，但不以此為限。
配合圖3，參閱圖8。紅外光感測器11’傳送偵測到手移動的紅外光感測信號，作為微控制器12’的程式選擇工作模式及操作紅外線電開關1’的依據。在切換開/關模式之紅外線電開關1’截止的情況下，微控制器12’的程式送出零電位電壓到單向可控半導體開關元件14’的閘極，用來截止單向可控半導體開關元件14’。在切換開/關模式之紅外線電開關1導通的情況下，微控制器12’的程式送出脈衝寬度調變(pulse width modulation，PWM)電壓信號到單向可控半導體開關元件14’的閘極，據以調整此單向可控半導體開關元件14’的導通電流，並傳送定值電功率到負載2’。
參閱圖8B，圖8B為本發明之脈衝寬度調變電壓信號的電壓波形圖。如圖8B所示，脈衝寬度調變電壓信號是方波，包含一個零電位電壓(或低電位電壓)以及一個高電位電壓，其中脈衝寬度調變電壓信號的週期是T1。當脈衝寬度調變電壓信號在高電位時，則單向可控半導體開關元件14’導通，若於高電位時的時間長度是T2，則經由單向可控半導體開關元件14’傳輸到負載2’的平均電功率正比於T2/T1，其中定義δ=T2/T1為脈衝寬度調變信號的責任週期(duty cycle)。一般，在切換開/關模式，微控制器12’的程式產生脈衝寬度調變信號，此脈衝寬度調變信號具有最大的責任週期，以使紅外線電開關1’在導通時傳輸最大的平均電功率到負載2’。另外，在調變電功率模式，微控制器12’的程式掃瞄紅外光感測器11’的信號，若偵測到感測的低電位信號，其時間長度Ts長短不一，則微控制器12 ’的程式按時間長度Ts比例縮小脈衝寬度調變信號的責任週期，以逐步降低傳輸到負載2’的電功率。
一般，以雙向可控半導體開關元件14控制導通相角的大小，易發生高階諧波，而干擾負載的效能。本發明的概念，亦可以應用到交流電源，但是排除雙向可控三極管T1及過零點檢測器13的使用。
參閱圖9，圖9為本發明之紅外線電開關運用在交流電源的另一方塊圖。如圖9所示，其中紅外線電開關1”連接於負載2”與交流電源3”之間，即紅外線電開關1”、負載2”以及交流電源3”串聯在一起。對照圖1，在圖9的實施例，其中紅外線電開關1”包括紅外光感測器11”，微控制器12”及三個繼電器(relay)15a、15b以及15c，其中所述三個繼電器15a、15b以及15c分別連接不同的阻抗(electrical impedance)，其阻抗分別是零、16b以及16c，據以形成三條不同的阻抗的分路。所述三個繼電器15a、15b以及15c互相並聯，並再連接到負載2”及交流電源3”，換句話說，所述三個繼電器15a、15b以及15c串聯於負載2”並電性連接交流電源3。於實務上，負載2”可以是電風扇、交流發光二極體、螢光燈或是熾熱型燈泡。
微控制器12”以三支接腳分別電性連接到驅動各個繼電器15a、15b以及15c的金屬氧化物半導體場效電晶體的閘極。當微控制器12”的三支接腳同時輸出零電位電壓到金屬氧化物半導體場效電晶體時，三個繼電器15a、15b以及15c斷電，則紅外線電開關1”斷電或開路。當微控制器12”的其中一支接腳輸出高電位電壓信號到金屬氧化物半導體場效電晶體時，其餘兩支接腳是零電位，則所對應的唯一 繼電器吸合導通，其餘兩個繼電器斷電。因此，依據微控制器12”的程式運作，第一個繼電器15a吸合時，交流電源3”直接傳輸第一階段的交流電功率到負載2”；第二個繼電器15b吸合時，交流電源3”經由一個串聯阻抗16b傳輸第二階段的交流電功率到負載2”；第三個繼電器15c1吸合時，交流電源3”經由一個串聯阻抗16c傳輸第三階段的交流電功率到負載2”。
配合圖3，參閱圖9。紅外光感測器11”傳送偵測到手移動的信號，作為微控制器12”的程式選擇工作模式及操作紅外線電開關1”的依據。在切換開/關模式之紅外線電開關1”截止的情況下，微控制器12”的三支接腳送出零電位電壓到金屬氧化物半導體場效電晶體的閘極，用來截止繼電器15a、15b以及15c。在切換開/關模式之紅外線電開關1”導通的情況下，微控制器12”的第一支接腳輸出高電位電壓，其餘兩支接腳輸出零電位電壓，繼電器15a吸合，傳輸第一階段的交流電功率到負載2”。在調變電功率模式，微控制器12”的程式掃瞄紅外光感測器11”的信號，若偵測到感測的低電位信號，則微控制器12”的程式依序分別從第二支接腳或第三支接腳輸出高電位電壓，其餘兩支接腳輸出零電位電壓，據以分別驅動繼電器15b或繼電器15c吸合，而變動傳輸到負載2”的電功率。換句話說，微控制器12”偵測紅外光感測信號，並依據此紅外光感測信號，產生一個零電位電壓或一個高電位電壓，據以分別控制所述多個繼電器15a、15b以及15c的開路或短路。
參閱圖10，圖10為本發明之紅外線電開關應用在一般 電器裝置的實施示意圖。如圖10所示，本發明之紅外線電開關可以應用在吊燈2a，電風扇2b、戶外燈2c、廚房廚櫃燈2d與2e、桌台燈2f以及立燈2g。此外，紅外光感測器可以用獨立的模組方式，放置在合適的位置，再連線到紅外線電開關的微控制器。這樣，可以更方便伸手到紅外光感測器的感測範圍，以操作電光源的開或關，以及必要時調光。
以上所述僅為本發明之實施例，但是其並非用以侷限本發明之專利範圍。
1、1’、1”‧‧‧紅外線電開關
11、11’、11”‧‧‧紅外光感測器
110‧‧‧計時器
112、114‧‧‧放大器
PD‧‧‧光敏二極體
IR_LED‧‧‧紅外發光二極體
12、12’、12”‧‧‧微控制器
13‧‧‧過零點檢測器
14‧‧‧雙向可控半導體開關元件
T1‧‧‧雙向可控三極管
14’‧‧‧單向可控半導體開關元件
15a、15b、15c‧‧‧繼電器
16b、16c‧‧‧阻抗
2、2’、2”‧‧‧負載
2a~2g‧‧‧一般電器裝置
3、3”‧‧‧交流電源
3’‧‧‧直流電源
C1~C4‧‧‧電容
D1~D3、Dz‧‧‧二極體
M1、M2、Q1‧‧‧電晶體
R1~R15‧‧‧電阻
pin_1、pin_3、pin_10‧‧‧接腳
VDD‧‧‧電壓源
H、L‧‧‧電位信號
Ts、T2‧‧‧時間長度
T1‧‧‧週期
To‧‧‧預設時間
tD‧‧‧時間延遲
ton‧‧‧導通時間
S1~S10‧‧‧步驟流程
圖1為本發明之紅外線電開關運用在交流電源的方塊圖。
圖2為本發明之紅外線電開關運用在交流電源的電路實施示意圖。
圖3A為本發明之紅外線電開關中之紅外光感測器於實際操作時的示意圖。
圖3B為本發明之紅外光感測信號的波形示意圖。
圖4為本發明之紅外線電開關中之微控制器的程式之步驟流程圖。
圖5為本發明之紅外線電開關於切換開/關模式中的紅外線電開關於截止時的電壓波形圖。
圖6為本發明之紅外線電開關於切換開/關模式中的紅外線電開關於導通時的電壓波形圖。
圖7為本發明之紅外線電開關在調變電功率模式中的紅外線電開關的電壓波形圖。
圖8A為本發明之紅外線電開關運用在直流電源的方塊圖。
圖8B為本發明之脈衝寬度調變電壓信號的電壓波形圖。圖9為本發明之紅外線電開關運用在交流電源的另一方塊圖。
圖10為本發明之紅外線電開關應用在一般電器裝置的實施示意圖。
1‧‧‧紅外線電開關
11‧‧‧紅外光感測器
12‧‧‧微控制器
13‧‧‧過零點檢測器
14‧‧‧雙向可控半導體開關元件
2‧‧‧負載
3‧‧‧交流電源

Claims (8)

  1. 一種紅外線電開關，適用於控制一負載及一直流電源之間的導通率，該紅外線電開關包括：一單向可控半導體開關元件，電性連接於該負載與該直流電源之間；一紅外光感測器，依據一實體是否進入該紅外光感測器的感測範圍，據以輸出一紅外光感測信號；以及一微控制器，電性連接於該單向可控半導體開關元件與該紅外光感測器之間，該微控制器依據該紅外光感測信號，產生一脈衝寬度調變電壓信號，據以控制該單向可控半導體開關元件的截止或導通；其中，於該單向可控半導體開關元件導通時，該微控制器依據該紅外光感測信號於一第一電位時的時間長度，據以控制該直流電源供應至該負載的電功率大小。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線電開關，其中該單向可控半導體開關元件是雙極性接面電晶體或金屬氧化物半導體場效電晶體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線電開關，其中該負載是發光二極體或熾熱型燈泡。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線電開關，其中該紅外光感測器感測到該實體進入該紅外光感測器的感測範圍時，該紅外光感測器輸出屬於該第一電位的該紅外光感測信號，當該實體離開該紅外光感測器的感測範圍時，該紅外光感測器輸出屬於一第二電位的該紅外光感測信號，該第一電位為低電位，且該第二電位為高電位。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之紅外線電開關，其中於該微控制器偵測該紅外光感測信號時，藉由判斷該紅外光感測信號於該第一電位時的時間長度，據以執行至少二工作模式之一，所述至少二工作模式其中之一為控制該單向可控半導體開關元件的截止與導通，另一該工作模式為於該單向可控半導體開關元件導通時調整該單向可控半導體開關元件的導通程度，該第一電位為低電位，且該第二電位為高電位。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之紅外線電開關，其中若該紅外光感測信號於低電位時的時間長度小於一預設時間時，該微控制器不作所述至少二工作模式的變換，若該紅外光感測信號於低電位時的時間長度大於該預設時間時，該微控制器以交替方式變換於所述至少二工作模式。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之紅外線電開關，其中該預設時間介於1至2秒。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之紅外線電開關，其中於該微控制器偵測該紅外光感測信號時，該微控制器依據該紅外光感測信號於低電位時的時間長度，依序地控制該單向可控半導體開關元件的截止至導通，再依據所述至少二工作模式的條件，據以調整該單向可控半導體開關元件的導通程度。
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