TWI773530B - 交流電壓調整裝置及無線交流電壓控制系統 - Google Patents

Abstract

一種交流電壓調整裝置，包含交流電壓調整電路、無線通訊器及繼電器模組。交流電壓調整電路包含數位電位器，且用於提供輸出電壓至負載。無線通訊器用於接收交流電壓調整訊號。繼電器模組電性連接於無線通訊器及數位電位器，且用於依據交流電壓調整訊號調整數位電位器的電阻值，以調整輸出電壓的數值。

Description

交流電壓調整裝置及無線交流電壓控制系統

本發明係關於一種交流電壓調整器。

交流電壓調整器的應用廣泛，其可針對交流電源的負載進行調光、調壓、調溫及調速等，常見應用如燈光昏暗的調整、加熱功率調整及馬達轉速等控制。一般而言，這種交流電壓調整電路中，通常設計一個可變電阻供使用者方便調整。

調整可變電阻固然直接且簡易，卻有以下缺點：旋鈕式的調控須依賴人員進行調控，因此組裝或接線配置會受場地所限制；類比式旋鈕調整有多個數值，因此調控較耗費時間；無法實現按時間程序的控制要求，例如週期循環控制。

鑒於上述，本發明提供一種交流電壓調整裝置及無線交流電壓控制系統。

依據本發明一實施例的交流電壓調整裝置，包含交流電壓調整電路、無線通訊器及繼電器模組。交流電壓調整電路包含數位電位器，且用於提供輸出電壓至負載。無線通訊器用於接收交流電壓調整訊號。繼電 器模組電性連接於無線通訊器及數位電位器，且用於依據交流電壓調整訊號調整數位電位器的電阻值，以調整輸出電壓的數值。

依據本發明一實施例的無線交流電壓控制系統，包含多個如上所述的交流電壓調整裝置以及協調裝置。協調裝置無線連接於所述多個交流電壓調整裝置，且用於產生對應於每一交流電壓調整裝置的交流電壓調整訊號，並傳送至每一交流電壓調整裝置的無線通訊器。

藉由上述結構，本案所揭示的交流電壓調整裝置及無線交流電壓控制系統，具有由無線通訊器、繼電器模組及數位電位器組成的無線化模組，可以具有遠端遙控功能而不用考慮佈線問題，因此設備配置的彈性高，且可以進行程序控制，設計彈性高而應用面廣。再者，利用此架構，可以輕易地將高功率負載控制加入物聯網(Internet of Thing，IOT)場域的應用。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

1:交流電壓調整裝置

11:交流電壓調整電路

111:數位電位器

13:無線通訊器

15:繼電器模組

17:微控制器

2:負載

R11、R12:電阻

C:電容

VD:雙向二極體

VT:可控矽

AC:交流電源

R1~Rn:電阻

S1~Sn+1:開關元件

P1:高端

P2:低端

P3:滑動端

1a~1c:交流電壓調整裝置

2a~2c:負載

3:協調裝置

31:無線通訊器

32:微控制器

4:控制裝置

圖1係依據本發明一實施例所繪示的交流電壓調整裝置的示意圖。

圖2係依據本發明一實施例所繪示的交流電壓調整裝置中的數位電位器的電路圖。

圖3係依據本發明一實施例所繪示的無線交流電壓控制系統的功能方塊圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請一併參考圖1及圖2，其中圖1依據本發明一實施例所繪示的交流電壓調整裝置1的示意圖，圖2則係交流電壓調整裝置中的數位電位器的電路圖。如圖1所示，交流電壓調整裝置1包含交流電壓調整電路11、無線通訊器13、繼電器模組15及微控制器17。交流電壓調整電路11包含數位電位器111，用於提供輸出電壓至負載2。無線通訊器13電性連接於微控制器17，微控制器17電性連接於繼電器模組15，且繼電器模組15電性連接於交流電壓調整電路11的數位電位器111。交流電壓調整電路11的數位電位器111可以受無線通訊器13、繼電器模組15及微控制器17控制以改變電阻值，使提供至負載2的輸出電壓的數值升高或降低。負載2可以為高功率負載，例如馬達、加熱器、風扇等。

除了數位電位器111，交流電壓調整電路11可以包含電阻R11、電阻R12、電容C、雙向二極體VD及可控矽VT。交流電壓調整電路11具有負載連接端及交流電源連接端，其中負載連接端連接於負載2的一端，而交流電源連接端及負載2的另一端分別連接於交流電源AC的兩端。電阻R11的一端與可控矽VT的一端相連以作為負載連接端；電容C的一端與可控矽VT的另一端相連以作為電源連接端；電阻R11的另一端及電容C的另一端分別連接於數位電位器111的兩端；電容C的所述另一端更連接於 電阻R12的一端；雙向二極體VD的兩端分別連接於電阻R12的另一端及可控矽VT的控制端。

交流電源AC提供的電壓例如為110伏特。交流電源AC提供的電流經過負載2、電阻R11及數位電位器111，給電容C充電。當電容C上的電壓達到一定值時，電流通過電阻R12、雙向二極體VD及可控矽VT的控制端，使可控矽VT導通。電流流經負載2以觸發電路短接，在交流電壓為零時，可控矽VT則自動斷開，而後觸發電容C再次充電，使可控矽VT再次導通。透過改變數位電位器111的電阻值，可以改變可控矽VT的導通角，從而達到調壓的目的。圖1示例性地繪示交流電壓調整電路11中的數位電位器111與其他元件的電路配置，然本發明不限於此，本發明所屬領域中具有通常知識者可依實際所需調整其他元件的配置。

進一步來說明數位電位器111的組成，如圖2所示，數位電位器111具有高端P1、低端P2及滑動端P3，且可以包含由多個電阻R1~Rn串接的電阻串及多個開關元件S1~Sn+1。開關元件S1~Sn+1中的第一開關元件Sn+1的第一端連接於電阻串的第一端，作為高端P1；開關元件S1~Sn+1中的第二開關元件S1的第一端連接於電阻串的第二端，作為低端P2；開關元件S1~Sn+1中的其他開關元件S2~Sn的第一端分別連接於電阻串中的每兩個電阻之間；開關元件S1~Sn+1的第二端彼此連接，作為滑動端P3。

對應至圖1的示意圖，高端P1及滑動端P3可以作為數位電位器111連接於電阻R11及電容C的兩端，低端P2則連接於低電位端(例如接地端)，而開關元件S1~Sn+1的控制端連接於繼電器模組15。藉由控制開 關元件S1~Sn+1中不同開關元件的導通狀態，使高端P1與滑動端P3之間具有不同電阻值。舉例來說，當開關元件S3導通而其餘開關元件未導通時，高端P1與滑動端P3之間的電阻值為電阻Rn、電阻Rn-1、電阻Rn-2……及電阻R3的電阻值總和。本發明並不限制數位電位器111中的電阻數量、開關元件數量及各電阻之電阻值，本發明所屬領域中具有通常知識者可以依所需設計。

無線通訊器13用於自外部裝置接收交流電壓調整訊號。所述外部裝置可以為任一台電腦、伺服器、或使用者裝置等。進一步來說，無線通訊器13使用的通訊協定為IEEE 802.15.4、ZigBee、Wi-Fi及藍牙中的一或多者。更進一步來說，無線通訊器13可以無線通訊模組XBee實現，或支援IEEE 802.15.4或ZigBee通訊協定的裝置來實現。使用IEEE 802.15.4的無線通訊器13可以具有連線簡易、低數據傳輸率及低功耗的優勢，且適合家庭網路、工業自動化及醫療看護等應用。

繼電器模組15用於依據交流電壓調整訊號調整數位電位器111的電阻值，以調整輸出電壓的數值。進一步來說，繼電器模組15可以包含多個繼電器，分別連接於數位電位器111的開關元件S1~Sn+1的控制端，且交流電壓調整訊號可以包含多個開關訊號，分別由所述多個繼電器接收，繼電器便據以控制對應的開關元件導通或不導通。

微控制器17用於對無線通訊器13所接收的交流電壓調整訊號執行類比數位轉換，且可以利用數位通道(Digital I/O)控制繼電器的開關，以達到對數位電位器111的控制。舉例來說，微控制器17可以Arduino Mega 2560實現。微控制器17為選擇性設置的元件。於未設置微控制器17 的實施例中，無線通訊器13所接收的交流電壓調整訊號即為數位訊號。或者，微控制器17可以替換為其他具有類比數位轉換功能的元件。

本發明亦提出一種具有無線控制網路的系統。請一併參考圖1及圖3，其中圖3係依據本發明一實施例所繪示的無線交流電壓控制系統的功能方塊圖。如圖3所示，無線交流電壓控制系統包含多個交流電壓調整裝置1a~1c及協調裝置3。協調裝置3無線連接於交流電壓調整裝置1a~1c以共同組成星狀網路，其中，交流電壓調整裝置1a~1c為網路中的終端(Endpoint)節點，彼此不會直接通訊；協調裝置3則為網路中的協調器(Coordinator)節點，可以與各終端節點通訊，用於管理網路的設置，例如協調器可透過支援IEEE 802.15.4或ZigBee通訊協定與終端節點通訊。

交流電壓調整裝置1a~1c分別電性連接於負載2a~2c。交流電壓調整裝置1a~1c的組成及運作如同前列圖1及2的實施例所述的交流電壓調整裝置1，於此便不再贅述。協調裝置3，用於產生對應於每個交流電壓調整裝置1a~1c的交流電壓調整訊號，並將交流電壓調整訊號傳送至交流電壓調整裝置1a~1c的無線通訊器13。協調裝置3可以無線(或透過網際網路)連接於控制裝置4(例如為伺服器或電腦)，以依據控制裝置4的指令產生交流電壓調整訊號。特別來說，操作人員可以透過電腦傳送交流電壓調整的指令至協調裝置3，以透過星狀網路同時控制交流電壓調整裝置1a~1c。

進一步來說，協調裝置3包含彼此連接的無線通訊器31及微控制器32。無線通訊器31與交流電壓調整裝置1a~1c的無線通訊器13可以利用相同的通訊協定(例如IEEE 802.15.4、ZigBee、Wi-Fi或藍牙)以彼 此通訊。換句話說，協調裝置3可作為ZigBee網絡的中心節點，管理網路的設置，並負責控制和監測ZigBee路由。進一步來說，無線通訊器31與交流電壓調整裝置1a~1c的無線通訊器13可以各以XBee實現或支援IEEE 802.15.4或ZigBee通訊協定的裝置來實現。微控制器32可以用於依據控制裝置4的指令產生交流電壓調整訊號，再透過無線通訊器31傳送至交流電壓調整裝置1a~1c的無線通訊器13。舉例來說，微控制器32可以Arduino Mega 2560實現。

另外，作為終端節點的交流電壓調整裝置1a~1c亦可各設置有感測器或無線資料收集器，用於感測或收集負載2a~2c相關的資料(例如溫度、光源等)，並將所感測或收集的資料透過無線通訊器13傳送至協調裝置3。或者，感測器或無線資料收集器可以先對感測或收集的資料先做簡單運算處理後再傳送至協調裝置3。

藉由上述結構，本案所揭示的交流電壓調整裝置及無線交流電壓控制系統，具有由無線通訊器、繼電器模組及數位電位器組成的無線化模組，可以具有遠端遙控功能而不用考慮佈線問題，因此設備配置的彈性高，且可以進行程序控制，設計彈性高而應用面廣。再者，利用此架構，可以輕易地將高功率負載控制加入物聯網(Internet of Thing，IOT)場域的應用。

在本發明的一實施例中，本發明之無線交流電壓控制系統中的控制裝置4可為伺服器，該伺服器係亦可用於人工智慧(Artificial Intelligence，簡稱AI)運算、邊緣運算(Edge Computing)，或可當作5G伺服器、雲端伺服器或車聯網伺服器使用。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1:交流電壓調整裝置

11:交流電壓調整電路

111:數位電位器

13:無線通訊器

15:繼電器模組

17:微控制器

2:負載

R11、R12:電阻

C:電容

VD:雙向二極體

VT:可控矽

AC:交流電源

Claims (10)

1. 一種交流電壓調整裝置，包含：一交流電壓調整電路，包含一數位電位器，且用於提供一輸出電壓至一負載；一無線通訊器，用於接收一交流電壓調整訊號；以及一繼電器模組，電性連接於該無線通訊器及該數位電位器，且用於依據該交流電壓調整訊號調整該數位電位器的一電阻值，以調整該輸出電壓的數值。
2. 如請求項1所述的交流電壓調整裝置，其中該數位電位器包含一電阻串及多個開關元件，該些開關元件中的第一開關元件的第一端連接於該電阻串的第一端，該些開關元件中的第二開關元件的第一端連接於該電阻串的第二端，該些開關元件中的其他開關元件的第一端連接於該電阻串中的兩個電阻之間，該些開關元件的多個第二端作為一滑動端，且該電阻串的該第一端與該滑動端之間具有該電阻值。
3. 如請求項2所述的交流電壓調整裝置，其中該交流電壓調整訊號包含多個開關訊號，且該繼電器模組包含多個繼電器，分別連接於該些開關元件的控制端，並依據該些開關訊號分別控制該些開關元件的導通狀態。
4. 如請求項1所述的交流電壓調整裝置，更包含一微控制器，電性連接於該無線通訊器及該繼電器模組，用於對該交流電壓調整訊號執行類比數位轉換。
5. 如請求項4所述的交流電壓調整裝置，其中該微控制器可以Arduino Mega 2560實現。
6. 如請求項1所述的交流電壓調整裝置，其中該無線通訊器使用的通訊協定為IEEE 802.15.4、ZigBee、Wi-Fi及藍牙中的一或多者。
7. 如請求項1所述的交流電壓調整裝置，其中該無線通訊器可以無線通訊模組XBee實現。
8. 一種無線交流電壓控制系統，包含：多個如請求項1~7中任一項所述的交流電壓調整裝置；以及一協調裝置，無線連接於該些交流電壓調整裝置，且用於產生對應於每一該些交流電壓調整裝置的該交流電壓調整訊號，並傳送至每一該些交流電壓調整裝置的該無線通訊器。
9. 如請求項8所述的無線交流電壓控制系統，其中該協調裝置包含一第二微控制器及一第二無線通訊器，其中該第二微控制器用於產生對應於每一該些交流電壓調整裝置的該交流電壓調整訊號，並透過該第二無線通訊器將對應的該交流電壓調整訊號傳送至每一該些交流電壓調整裝置。
10. 如請求項8所述的無線交流電壓控制系統，其中每一該些交流電壓調整裝置更包含一感測器，連接於該無線通訊器，且用於感測該負載的一感測資料，並將該感測資料透過該無線通訊器傳送至該協調裝置。

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