TWI638584B - 不使用水線的射頻控制開關箱及其射頻控制電路 - Google Patents

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Abstract

一種不使用水線的射頻控制開關箱包含：繼電器；及射頻控制電路， 其接收射頻控制信號以控制繼電器的斷開或閉合狀態。射頻控制電路、繼電器與發光二極體燈泡串聯於火線與水線之間。射頻控制電路包含電壓擷取電路。當繼電器為閉合時，火線與水線之間的市電電壓分配於電壓擷取電路與發光二極體燈泡，使得電壓擷取電路產生擷取電壓且使得發光二極體燈泡開啟；當繼電器為斷開時，射頻控制電路由可充電電池供電。

Description

不使用水線的射頻控制開關箱及其射頻控制電路
本發明係有關一種射頻控制開關箱，特別是一種不使用水線的射頻控制開關箱，其適用以控制發光二極體燈泡的開啟(turn on)與關閉(turn off)。
無線網路具低功耗與低成本等優點，因此普遍使用作為家庭自動化(home automation)的控制。無線自動化控制系統內一般會設置有無線控制的電源開關，其二端通常需連接至市電(mains)的火線(Line wire)與水線(Neutral wire)，將交流電源轉換為直流電源，用以提供電源給無線自動化控制系統內的無線控制模組。
然而，一些地區之建築物內的開關箱(switch box)提供的是火線與切換線，但並未提供水線。因此，在傳統無線自動化控制系統當中，必須額外拉水線給電源裝置。電源裝置提供電源給無線控制模組，其以無線方式來控制電源開關。然而，因為水線不在開關箱內，因而提高實施的複雜度並增加成本。有些無線自動化控制系統改使用電池作為電源，然而，會有經常更換電池的不便。
發光二極體燈泡(LED light bulb)的電效率(electrical efficiency)與使用壽命遠優於白熾燈泡(incandescent lamp)，因此發光二極體燈泡逐漸取代白熾燈泡。由於發光二極體燈泡的阻抗遠大於白熾燈泡，因此根據白熾燈泡所設計的無水線電源供電之無線自動化控制系統不能直接適用以控制發光二極體燈泡的開啟與關閉。
因此亟需提出一種新穎的無水線電源供電之無線自動化控制系統，用以控制發光二極體燈泡的開啟與關閉。
鑑於上述，本發明實施例的目的之一在於提出一種不使用水線的射頻控制開關箱，用以控制發光二極體燈泡的開啟與關閉。本實施例於繼電器閉合時，擷取一部分的市電電壓，用以產生所需電源並對可充電電池進行充電，且不會影響到發光二極體燈泡的發光。
根據本發明實施例，不使用水線的射頻控制開關箱包含繼電器及射頻控制電路。射頻控制電路接收射頻控制信號以控制繼電器的斷開或閉合狀態，其中射頻控制電路、繼電器與發光二極體燈泡串聯於火線與水線之間。射頻控制電路包含電壓擷取電路。當繼電器為閉合時，火線與水線之間的市電電壓分配於電壓擷取電路與發光二極體燈泡，使得電壓擷取電路產生擷取電壓且使得發光二極體燈泡發光；當繼電器為斷開時，射頻控制電路由可充電電池供電。
11‧‧‧水線
12‧‧‧射頻控制開關箱
121‧‧‧射頻控制電路
1211‧‧‧電壓擷取電路
1211A‧‧‧第一齊納二極體
1211B‧‧‧第二齊納二極體
1212‧‧‧橋式整流器
1213‧‧‧充電電路
1214‧‧‧電壓調節器
1215‧‧‧微控制器
1216‧‧‧射頻電路
122‧‧‧繼電器
1221‧‧‧開關
1222‧‧‧線圈
123‧‧‧第一端
124‧‧‧第二端
125‧‧‧控制導線
126‧‧‧天線
127‧‧‧手動開關裝置
13‧‧‧發光二極體燈泡
14‧‧‧火線
15‧‧‧切換線
LED‧‧‧發光二極體
Vx‧‧‧擷取電壓
V0‧‧‧整流電壓
V1‧‧‧電源電壓
V2‧‧‧調節電壓
C‧‧‧濾波電容器
B‧‧‧可充電電池
VBAT‧‧‧充電電壓
VA‧‧‧第一齊納二極體的齊納電壓
VB‧‧‧第二齊納二極體的齊納電壓
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
D3‧‧‧第三二極體
R‧‧‧限流電阻器
第一圖的系統方塊圖顯示本發明實施例之不使用水線的射頻控制開關箱。
第二圖顯示第一圖之射頻控制電路的細部方塊圖。
第三圖例示第二圖的電壓擷取電路的擷取電壓的電壓波形。
第四圖例示第二圖的充電電路的細部電路圖。
第一圖的系統方塊圖顯示本發明實施例之不使用水線11的射頻控制(RF controlled)開關箱(switch box)12，其適用以控制發光二極體燈泡13的開啟與關閉。本實施例之射頻控制開關箱12(以下簡稱為開關箱)可為牆面開關箱(wall switch box)，但不限定於此。如第一圖所示，開關箱12與發光二極體燈泡13串聯於火線14與水線11之間，其為市電(mains power)所提供。根據本發明實施例的特徵之一，開關箱12並未連接至水線11。本實施例的開關箱12的一端連接至火線14且另一端連接至切換線15。根據法規規定，發光二極體燈泡13連接於切換線15與水線11之間。
在本實施例中，開關箱12包含射頻控制電路121與繼電器122，串聯於火線14與切換線15之間，其串聯的順序不限定於圖示的順序。如第一圖所例示，射頻控制電路121的第一端123連接至繼電器122的開關1221，而射頻控制電路121的第二端124連接至發光二極體燈泡13。射頻控制電路121藉由控制導線125以控制繼電器122的線圈1222，用以控制繼電器122(的開關1221)的斷開或閉合狀態。根據本發明實施例的另一特徵，射頻控制電路121使用天線126以接收射頻電波，藉以達到遠端且無線方式控制繼電器122的斷開或閉合狀態。當繼 電器122處於斷開狀態時，發光二極體燈泡13關閉；當繼電器122處於閉合狀態時，發光二極體燈泡13開啟。在本發明實施例中，射頻控制電路121與發光二極體燈泡13串聯，但不會影響發光二極體燈泡13的開啟，其理由詳細說明如下。
本實施例之開關箱12還可選擇性包含手動開關裝置127，其可使用手動方式(而非射頻無線方式)產生手動開關信號給射頻控制電路121，再藉由控制導線125以控制繼電器122的線圈1222，用以控制繼電器122(的開關1221)的斷開或閉合狀態。手動控制可方便使用者直接使用，功能和透過射頻控制是一樣的。手動開關裝置127只是本實施例的選項，非必要之元件。
第二圖顯示第一圖之射頻控制電路121的細部方塊圖。在本實施例中，射頻控制電路121包含電壓擷取電路(Voltage Clamper)1211，連接於第一端123與第二端124之間，以產生擷取電壓Vx。當繼電器122閉合時，根據分壓原理，火線14與水線11之間的市電電壓會分配於電壓擷取電路1211與發光二極體燈泡13。由於發光二極體燈泡13具高阻抗，分配有較大部分的電壓，因此本實施例之電壓擷取電路1211於擷取適當電壓後，不會影響到發光二極體燈泡13的開啟。再者，發光二極體燈泡13內具有電壓調節(voltage regulation)機制，因此其開啟不會受到電壓擷取電路1211的影響。相反地，如果以白熾燈泡取代發光二極體燈泡13，當繼電器122閉合時，由於白熾燈泡的阻抗極低，根據分壓原理會分配過小的電壓，使得白熾燈泡無法開啟。
在本實施例中，電壓擷取電路1211包含第一齊納(Zener)二極體1211A與第二齊納二極體1211B，二者互相串聯且方向相反，例如第一齊納二極體1211A的陰極連接至第二齊納二極體1211B的陰極。電壓擷取電路1211使第一端123與第二端124之間的擷取電壓Vx的振幅不超過齊納電壓(Zener voltage)， 例如12伏特。第三圖例示第二圖的電壓擷取電路1211的擷取電壓Vx的電壓波形，其中VA為第一齊納二極體1211A的齊納電壓，VB為第二齊納二極體1211B的齊納電壓。
舉例而言，一般的發光二極體燈泡13的電壓範圍為85~230伏特，而市電的電壓為120伏特或230伏特。於最差情形下，發光二極體燈泡13的電壓為85伏特且市電的電壓為120伏特，則開關箱12因此具35(=120-85)伏特的容限值(tolerance)。若選擇齊納電壓為12伏特，則第一端123與第二端124之間的擷取電壓Vx可相容於前述的容限值。
本實施例的射頻控制電路121還包含整流電路(rectifier)，在本實施例中為橋式整流器(bridge rectifier)1212，接收第一端123與第二端124之間的擷取電壓Vx，用以將交流(AC)型式的擷取電壓Vx整流為直流(DC)型式的整流(rectified)電壓V0。本實施例的射頻控制電路121還可包含濾波(smoothing)電容器C，用以除去整流電壓V0的漣波(ripple)，使得整流電壓V0約等於齊納電壓。
根據本發明實施例的又一特徵，本實施例的射頻控制電路121包含充電電路1213，當繼電器122閉合時，充電電路1213接收整流電壓V0，用以對可充電電池(rechargeable battery)B進行充電，以產生充電電壓VBAT。充電電路1213比較整流電壓V0與充電電壓VBAT，選擇其中較大者作為電源電壓V1。當繼電器122處於斷開狀態時，第一端123與第二端124之間不具有壓降，使得整流電壓V0接近零。此時，充電電路1213選擇充電電壓VBAT作為電源電壓V1。當繼電器122處於閉合狀態時，第一端123與第二端124之間具有壓降以產生整流電壓 V0。此時，充電電路1213選擇整流電壓V0與充電電壓VBAT兩者當中較大者作為電源電壓V1，且對可充電電池B進行充電。
第四圖例示第二圖的充電電路1213的細部電路圖。在本實施例中，充電電路1213包含第一二極體D1，順向連接於充電電路1213的輸入端(亦即整流電壓V0處)與輸出端(亦即電源電壓V1處)。充電電路1213還包含第二二極體D2，順向連接於充電電路1213的輸入端與可充電電池B的正極之間。除了第二二極體D2之外，還可串聯限流電阻器(current limiting resistor)R。充電電路1213更包含第三二極體D3，順向連接於可充電電池B的正極與充電電路1213的輸出端之間。
根據第四圖所例示的電路，當整流電壓V0大於充電電壓VBAT時，整流電壓V0經由第二二極體D2而對可充電電池B進行充電，且整流電壓V0經由第一二極體D1而作為電源電壓V1。若忽略第一二極體D1的壓降，則電源電壓V1等於整流電壓V0。當整流電壓V0小於充電電壓VBAT時，充電電壓VBAT經由第三二極體D3而作為電源電壓V1。若忽略第三二極體D3的壓降，則電源電壓V1等於充電電壓VBAT。
本實施例的射頻控制電路121還包含電壓調節器(voltage regulator)1214，其接收電源電壓V1以產生調節電壓V2。調節電壓V2(例如3.3伏特)通常小於電源電壓V1。
本實施例的射頻控制電路121包含微控制器(MCU)1215，其接收調節電壓V2作為電源。若充電電路1213可輸出適當且穩定的電源電壓V1給微控制器1215，則可省略電壓調節器1214，直接以電源電壓V1作為電源。本實施例的微控制器1215執行多種功能。例如，微控制器1215接收射頻控制信號，其 係由天線126接收射頻電波，經射頻電路1216的處理所產生。根據射頻控制信號，微控制器1215藉由控制導線125以控制繼電器122的線圈1222，用以控制繼電器122(的開關1221)的斷開或閉合狀態。藉此，微控制器1215可遠端且無線方式控制繼電器122的斷開或閉合狀態。微控制器1215還可選擇性自手動開關裝置127接收手動開關信號，以手動方式控制繼電器122(的開關1221)的斷開或閉合狀態。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

Claims (19)

  1. 一種不使用水線的射頻控制開關箱，包含：一繼電器；及一射頻控制電路，接收射頻控制信號以控制該繼電器的斷開或閉合狀態，其中該射頻控制電路、該繼電器與一發光二極體燈泡串聯於火線與水線之間；其中該射頻控制電路包含一電壓擷取電路，當該繼電器為閉合時，該火線與該水線之間的市電電壓分配於該電壓擷取電路與該發光二極體燈泡，使得該電壓擷取電路產生交流型式的擷取電壓且使得該發光二極體燈泡開啟；當該繼電器為斷開時，該射頻控制電路由一可充電電池供電。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述不使用水線的射頻控制開關箱，更包含：一天線，接收射頻電波；及一射頻電路，處理該射頻電波以產生該射頻控制信號給該射頻控制電路。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述不使用水線的射頻控制開關箱，更包含一手動開關裝置，傳送手動開關信號給該射頻控制電路，以控制該繼電器的斷開或閉合狀態。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述不使用水線的射頻控制開關箱，其中該電壓擷取電路包含第一齊納二極體與第二齊納二極體，二者互相串聯且方向相反。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述不使用水線的射頻控制開關箱，其中該射頻控制電路更包含：一整流電路，用以將交流型式的該擷取電壓整流為直流型式的整流電壓；一充電電路，當該繼電器閉合時，接收該整流電壓，用以對該可充電電池進行充電，以產生充電電壓；及一微控制器，接收該射頻控制信號。
  6. 根據申請專利範圍第5項所述不使用水線的射頻控制開關箱，其中該整流電路包含一橋式整流器。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述不使用水線的射頻控制開關箱，其中該射頻控制電路更包含一濾波電容器，用以除去該整流電壓的漣波。
  8. 根據申請專利範圍第5項所述不使用水線的射頻控制開關箱，其中該充電電路比較該整流電壓與該充電電壓，選擇其中較大者輸出為電源電壓。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述不使用水線的射頻控制開關箱，其中當該繼電器處於斷開狀態時，該充電電路選擇該充電電壓作為電源電壓；當該繼電器處於閉合狀態時，該充電電路選擇該整流電壓與該充電電壓兩者當中較大者作為電源電壓。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述不使用水線的射頻控制開關箱，其中該充電電路包含：第一二極體，順向連接於該充電電路的輸入端與輸出端之間；第二二極體，順向連接於該充電電路的輸入端與該可充電電池的正極之間；及第三二極體，順向連接於該可充電電池的正極與該充電電路的輸出端之間。
  11. 根據申請專利範圍第8項所述不使用水線的射頻控制開關箱，其中該射頻控制電路更包含一電壓調節器，接收該電源電壓以產生調節電壓，作為該微控制器的電源。
  12. 一種射頻控制電路，包含：一電壓擷取電路，以產生交流型式的擷取電壓；一整流電路，用以將交流型式的該擷取電壓整流為直流型式的整流電壓；一充電電路，當該電壓擷取電路的二端之間具壓降時，接收該整流電壓，用以對一可充電電池進行充電，以產生充電電壓；及一微控制器，接收射頻控制信號。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述之射頻控制電路，其中該電壓擷取電路包含第一齊納二極體與第二齊納二極體，二者互相串聯且方向相反。
  14. 根據申請專利範圍第12項所述之射頻控制電路，其中該整流電路包含一橋式整流器。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述之射頻控制電路，更包含一濾波電容器，用以除去該整流電壓的漣波。
  16. 根據申請專利範圍第12項所述之射頻控制電路，其中該充電電路比較該整流電壓與該充電電壓，選擇其中較大者輸出為電源電壓。
  17. 根據申請專利範圍第16項所述之射頻控制電路，其中當該電壓擷取電路的二端之間不具壓降時，該充電電路選擇該充電電壓作為電源電壓；當該電壓擷取電路的二端之間具壓降時，該充電電路選擇該整流電壓與該充電電壓兩者當中較大者作為電源電壓。
  18. 根據申請專利範圍第16項所述之射頻控制電路，其中該充電電路包含：第一二極體，順向連接於該充電電路的輸入端與輸出端之間；第二二極體，順向連接於該充電電路的輸入端與該可充電電池的正極之間；及第三二極體，順向連接於該可充電電池的正極與該充電電路的輸出端之間。
  19. 根據申請專利範圍第16項所述之射頻控制電路，更包含一電壓調節器，接收該電源電壓以產生調節電壓，作為該微控制器的電源。
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