二线制电子开关的工作电源和功率解决方案的制作方法

文档序号:7441720
专利名称:二线制电子开关的工作电源和功率解决方案的制作方法
技术领域
本发明涉及照明电子开关领域,可应用于二线制的无线射频遥控开关、红外线遥 控开关、人体红外线感应开关、声光控开关、触摸开关、定时开关等。
背景技术
当负载关闭时,二线制电子开关依靠流过负载的漏电流来获取工作电源。如果漏 电流过小,就会造成二线制电子开关因工作电流或电压不够而无法正常工作。反之,如果漏 电流较大,控制节能灯、荧光灯时,这些灯在关灯后就会出现频繁闪光现象。现有的二线制 电子开关由于无法解决漏电流问题,要么工作不稳定或性能差,要么会出现负载灯频繁闪 光现象。当负载开启时,二线制电子开关利用功率半导体开关器件与负载分压,来获取工 作电源。如果分压的方法不适当,或者分压的时间较长,分取的电压较大,就会造成功率半 导体开关器件发热,这样不但会降低电子开关的带负荷能力,而且容易使其损坏。电子开关 的功耗越大,分压的时间越长。现有的二线制电子开关由于自身功耗较大,以及分压方法不 恰当,造成功率半导体开关器件发热较大,因此产品功率都做得比较小。

发明内容
本发明的目的有两个一、解决二线制电子开关的工作电源问题,消除负载关闭时 出现的负载灯频繁闪光现象;二、提高二线制电子开关的带负荷能力。为实现上述目的,本发明提供一种二线制电子开关的工作电源和功率解决方案, 它由关态取电电路、开关执行电路、开态取电电路、稳压电路、开关控制电路组成。关态取电 电路包含一个降压限流电容。开关执行电路包含一个磁保持继电器,磁保持继电器有一组 常开触头和一个线圈,当常开触头断开时,负载关闭;当常开触头闭合时,负载开启。开态取 电电路包含一个功率场效应管。稳压电路包含一个三端稳压器。开关控制电路包含一个微 处器。VPP、VDD和VCC是电子开关的工作直流电源,均为正电压,并且共用直流电源地。在 稳压电路中,VPP经过大约1伏电压降后连接到VDD,VDD连接到三端稳压器的输入端,三端 稳压器的输出端连接到VCC,VPP、VDD和VCC分别接有储能和滤波电容。VPP为开关执行电 路提供工作电源,它的最大值等于磁保持继电器的线圈最大工作电压。VDD为开关控制电路 和开态取电电路提供工作电源。VCC为开关控制电路提供工作电源,其电压值与微处器的工 作电压一致。所述关态取电电路由降压限流电容和开关电源电路组成,它在负载关闭时向电子 开关提供工作电能。开关电源电路由全波整流桥堆、偏置电阻、压敏电阻、三极管、变压器、 反馈电阻、反馈电容、二个整流二级管组成。三极管为NPN型高压开关晶体管。变压器有初 级、次级和反馈三个绕组。市电零线经过负载连接到降压限流电容的一端,降压限流电容的 另一端连接到整流桥堆的一个交流输入端。整流桥堆的另一个交流输入端连接到直流电源 地。整流桥堆的正极连接到变压器的初级绕组同名端,整流桥堆的负极连接到变压器的反馈绕组异名端。偏置电阻的一端连接到整流桥堆的正极,偏置电阻的另一端连接到压敏电 阻的一端,压敏电阻的另一端连接到三极管的基极。反馈电容的一端连接到三极管的基极, 另一端连接到变压器的反馈绕组同名端。反馈电阻的一端连接到三极管的发射极,另一端 连接到整流桥堆的负极。三极管的集电极连接到变压器的初级绕组异名端。变压器的次级 绕组异名端连接到二个整流二级管的阳极,变压器的次级绕组同名端连接到直流电源地。 一个整流二极管的阴极连接到电源VPP,另一个整流二极管的阴极连接到电源VDD。在负载 关闭时,降压限流电容可以限制流过负载的漏电流,减小其电容值,可以减少流经负载的漏 电流,从而减小负载关闭后的闪光现象。开关电源电路相当于电压变换器,它将输入的高电 压小电流信号转换为低电压大电流信号输出,一方面满足了电子开关对工作电源的低电压 要求,另一方面增大了直流供应电流。整流桥堆的正极经过串联的偏置电阻和压敏电阻连 接到三极管的基极,用于控制三极管在开关电源输入电压比较高的时刻导通,这样不但能 够增大开关电源的输出电流和电压,而且能够间隔地阻断漏电流从负载流过,进一步减少 负载关闭后的闪光现象,从而彻底消除负载灯的闪光现象。所述开关执行电路由放电场效应管、充电场效应管、中继场效应管、分压电阻、限 流电阻、发光二极管、电解电容、磁保持继电器组成。三个场效应管、分压电阻、限流电阻、电 解电容构成磁保持继电器的驱动电路。三个场效应管均为低电压、小功率的N沟道增强型 MOS管。磁保持继电器有一组常开触头和一个线圈,按照吸合动作区分,线圈有正极和负极 两个接线端。放电场效应管、中继场效应管的栅极连接到开关控制电路中微处器的一个输 出端口,该输出端口向开关执行电路提供负载开关信号。放电场效应管、中继场效应管的 源极连接到直流电源地。中继场效应管的漏极和充电场效应管的栅极连接到限流电阻的一 端;限流电阻的另一端和发光二极管的阴极连接到分压电阻的一端;分压电阻的另一端和 发光二极管的阳极连接到电源VPP。充电场效应管的漏极连接到电源VPP。放电场效应管 的漏极和充电场效应管的源极连接到电解电容的正极;电解电容的负极连接到磁保持继电 器的线圈正极接线端;线圈的负极接线端连接到直流电源地。磁保持继电器的常开触头一 端连接到负载的一端,常开触头的另一端连接到开态取电电路中功率场效应管的漏极。当 中继场效应管的栅极电压由高变低时,磁保持继电器的常开触头闭合,负载因此开启。当中 继场效应管的栅极电压由低变高时,磁保持继电器的常开触头断开,负载因此关闭。磁保持 继电器的驱动电路采用场效应管作为开关元件,由于场效应管是电压控制器件,其输入阻 抗极高,因此输入电流微小,这样可以节省功耗。磁保持继电器触头的通断是依靠驱动电路 向其线圈施加激励脉冲来实现的,线圈平时不消耗电能,因此非常省电。当电源VPP经过充 电场效应管向电解电容充电时,在线圈两端会产生一个正脉冲,使磁保持继电器吸合,这时 需要耗电。当电解电容通过放电场效应管放电时,在线圈两端会产生一个负脉冲,使磁保持 继电器断开,这时不需要耗电,因此使线圈的功耗更低。负载开启时发光二极管不发光,负 载关灭时发光二极管发光。发光二极管不仅可以指示负载的开关状态,还方便用户在黑暗 中迅速找到电子开关所在位置。发光二极管安插在磁保持继电器的驱动电路中,不单独消 耗电流,因此节省功耗。所述的开态取电电路由功率场效应管、瞬态抑制二极管、保护电容、保护电阻、驱 动电阻、下拉电阻、整流二极管、过压检测电路、单稳触发定时电路组成。在负载开启时,它 既为负载提供电流通路,又为电子开关提供工作电能。功率场效应管采用低电压、大电流、超低导通电阻的N沟道增强型功率MOS管,其内部带有大功率单向稳压二极管,稳压二极管 的阳极、阴极分别连接到功率场效应管的源极、漏极。功率场效应管的超低导通电阻使其发 热量较小,有利于提高电子开关的带负载能力。功率场效应管的输入阻抗极高,输入电流微 小,因此可以节省功耗。瞬态抑制二极管的阳极、阴极分别连接到功率场效应管的源极、漏 极。功率场效应管的源极连接到火线(火线也是直流电源地)。功率场效应管的漏极连接 到开关执行电路中磁保持继电器的常开触头一端,常开触头的另一端接到负载的一端,负 载的另一端连接到零线。功率场效应管的栅极连接到保护电容和驱动电阻的一端,保护电 容的另一端连接到保护电阻的一端,保护电阻的另一端连接到功率场效应管的漏极。驱动 电阻的另一端连接到下拉电阻的一端,同时连接到单稳触发定时电路的输出端,下拉电阻 的另一端连接到直流电源地。整流二极管的阳极连接到功率场效应管的漏极,整流二极管 的阴极连接到电源VPP。电源VDD为过压检测电路和单稳触发定时电路提供工作电源。当 电流从功率场效应管的源极流入时,不需要在栅极与源极之间施加正电压,即使功率场效 应管的沟道关断,全部电流也可以从内部的稳压二极管正向流过,此时功率场效应管的漏 极电压接近零,整流二极管反向截止,不向电源VPP输送电能。当电流从功率场效应管的漏 极流入时,其内部的稳压二极管反向截止,如果不在栅极与源极之间施加正电压,则沟道关 断,电流无法流过功率场效应管,漏极相对直流电源地就会有正电压产生,此正电压通过整 流二极管向电源VPP供电。过压检测电路对电源VPP或者功率场效应管的漏极进行电压检 测,当VPP或者功率场效应管的漏极电压超过某一规定电压值时,过压检测电路就会向单 稳触发定时电路输出一个触发信号。当单稳触发定时电路收到触发信号时,立即输出一个 正脉冲,此正脉冲经过驱动电阻传递到功率场效应管的栅极,从而打开功率场效应管的沟 道,让电流流过。正脉冲的电压幅度与电源VDD —致,正脉冲的宽度大于市电交流周期的五 分之四,但小于市电交流周期。当功率场效应管的沟道打开时,其漏极电压接近零,因此停 止向电源VPP供电,过压检测电路输出的触发信号也消失。当正脉冲结束时,单稳触发定时 电路的输出恢复为稳定状态,电压为零。瞬态抑制二极管的反向关态电压略高于上述规定 电压值,它可以抑制瞬态浪涌电压,保护功率场效管和其它元件。保护电容和保护电阻构成 保护电路,如果负载开启时有浪涌电流,那么保护电路就会将功率场效应管的沟道及时打 开,让电流流过,从而避免功率场效应管过压击穿,而且能够减少传导辐射。


图1是本发明的电路结构框图
图2是本发明的整体电路原理图
图3是本明中开态取电电路的第--种实施案例
图4是本明中开态取电电路的第二二种实施案例
图5是本明中开态取电电路的第三三种实施案例
图6是本明中开态取电电路的第四种实施案例
图7是本明中开态取电电路的第五种实施案例
图8是本明中开态取电电路的第六种实施案例
图9是本明中开态取电电路的第七种实施案例
具体实施例方式下面结合附图对本发明作详细说明。如图1所示,二线制电子开关(1)与负载串联接到市电的火线和零线上。如图2如所示,二线制电子开关(1)由关态取电电路O)、开关执行电路(3)、开态 取电电路G)、稳压电路(6)、开关控制电路(7)组成。VPP、VDD和VCC是电子开关的工作 直流电源,均为正电压,并且共用直流电源地。VPP为开关执行电路(3)提供工作电源。VDD 为开关控制电路(7)和开态取电电路(4)提供工作电源。VCC为开关控制电路(7)提供工 作电源,其电压值与微处器Ul的工作电压一致。直流电源地与市电火线直接相连。如图2所示,关态取电电路⑵包括降压限流电容C2和开关电源电路(5)。开关 电源电路(5)由全波整流桥堆BR1、偏置电阻R4、压敏电阻VR1、三极管Q2、变压器Tl、反馈 电阻R5、反馈电容C3、二个整流二级管D2、D3组成。Q2为NPN型高压开关晶体管。当负载 关闭时(磁保持继电器Kl的常开触头断开),电子开关(1)两端的交流信号,经C2降压后, 送至BRl的二个交流输入端,作为开关电源电路(5)的输入信号。开关电源电路(5)将输 入的高电压低电流信号转换为低电压大电流信号,向电源VPP和VDD输送电能。C2可以控 制流过负载的漏电流,减小C2的电容,可以减少流经负载的漏电流,从而减少负载关闭后 的闪光现象。C2为高压陶瓷电容,其电容值为数纳法。R4和VRl串联接到Q2的基极,用于 控制Q2在开关电源( 输入电压比较高的时刻导通,这样不但能够增大开关电源( 的输 出电流和电压,而且能够间隔地阻断漏电流从负载流过,减少负载关闭后的闪光现象,从而 消除负载灯的闪光发生。R4的电阻值为数兆欧姆,VRl的电压值低于市电交流电压。如图2所示,开关执行电路(3)由放电场效应管Q4、充电场效应管Q5、中继场效应 管Q3、分压电阻R7、限流电阻R8、发光二极管LD1、电解电容C5、磁保持继电器Kl组成。当 开关控制电路(7)中的微处器Ul向开关执行电路(3)输出的电压由高变低时,Q3和Q4关 断,Q5导通,LDl不发光,电源VPP经Q5、K1的线圈向C5充电,在C5充电过程中Kl的线圈 正极和负极两端就会产生一个正脉冲,线圈受正脉冲激励将Kl的常开触头闭合,负载因此 开启。当微处器Ul向开关执行电路(3)输出的电压由低变高时,Q3和Q4导通,Q5关断, LDl发光,C5两端的电压经Q4、K1的线圈放电,在C5放电过程中Kl的线圈正极和负极两端 就会产生一个负脉冲,线圈受负脉冲激励将Kl的常开触头断开,负载因此关闭。三个场效 应管Q3、Q4、Q5均为低电压、小功率的N沟道增强型MOS管,其输入阻抗极高,输入电流微 小,因此功耗极小。Kl只在吸合时刻需要耗电,其它时间都不耗电,因此功耗非常低。发光 二极管LDl安插在Kl的驱动电路中,不单独消耗电流,因此节省功耗。负载开启时LDl不 发光,负载关灭时LDl发光。发光二极管LDl不仅可以指示负载的开关状态,还方便用户在 黑暗中迅速找到电子开关所在位置。C5的电容值要根据Kl对线圈激励脉冲的宽度要求来 确定。如图2所示,稳压电路(6)由电容C6、C7、C8、C9、CIO、C11、稳压二极管Z2、电阻 R10、整流二极管D5、三端稳压器Q6组成。Z2的稳压值等于磁保持继电器Kl的线圈最大工 作电压。VDD比VPP低大约1伏。稳压电路(6)的主要功能是储能、滤波、稳压,为电子开关 (1)提供直流工作电源。三端稳压器Q6为低压降、微功耗、正压输出型线性稳压器。如图2所示,开关控制电路(7)由微处理器Ul和感应电路组成。Ul是具有休眠 功能的低功耗通用型微处器,在其应用程序中应尽量多使用休眠,以节省功耗。感应电路可以是无线射频遥控接收电路、红外线遥控接收电路、人体红外线感应电路、声光感应电路、 触摸感应电路、定时设置电路中任意一种。电源VDD和VCC为感应电路提供工作电源,感应 电路的输出接到微处理器Ul的一个输入端口。Ul对感应电路传送来的信号进行处理和判 断,然后向开关执行电路(3)发送负载开关信号。如图2所示,开态取电电路由功率场效应管Q1、瞬态抑制二极管Z1、保护电容 Cl、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路、单稳触发定时电 路组成。在负载开启时,它既为负载提供电流通路,又为电子开关(1)提供工作电能。Ql采 用低电压、大电流、超低导通电阻的N沟道增强型功率MOS管,其内部带有大功率单向稳压 二极管,稳压二极管的阳极、阴极分别连接到Ql的源极、漏极。Ql的输入阻抗极高,输入电 流微小,因此可节省功耗。现在,这类功率场效应管的标称承载电流可达100安培以上,导 通电阻只有几毫欧,而且价格便宜。如果负载开启时刻有浪涌电流产生,而且浪涌电流是从 Ql的漏极流入时,那么Cl和Rl构成的保护电路及时将Ql的沟道打开,让电流流过,从而 避免Ql过压击穿。自从负载开启后的第二个交流周期开始,每当Ql漏极的交流电压由负 变正时,由于Ql的栅极没有正电压,因此Ql关断,Ql的漏极电压经过Dl向电源VPP充电。 过压检测电路对电源VPP或者Ql的漏极进行电压检测,当VPP或者Ql的漏极电压超过某 规定电压值时,过压检测电路向单稳触发定时电路输出的电压就会发生变化,单稳触发定 时电路因此被触发,立刻输出一个正脉冲,将Ql的沟道打开。Ql的沟道打开时,其漏极电 压接近零,Dl反向截止,停止向电源VPP供电。每当Ql漏极的交流电压为负值时,即使Ql 的沟道关断,全部电流也可以从Ql内部的稳压二极管正向流过,Dl反向截止,Ql的漏极不 向电源VPP输送电能。上述正脉冲的电压幅度与电源VDD—致,以保证Ql的导通电阻足够 低,减少Ql的发热,从而可以提高电子开关的带负荷能力。瞬态抑制二极管Zl的反向关态 电压略高于上述规定电压值,它可以抑制瞬态浪涌电压,保护功率场效管和其它元件。在上述的开态取电电路⑷中,规定电压值不能超过Ql的最大工作电压。规定电 压值不宜过低,一方面因为电源VDD取自电源VPP,而电源VDD为Ql提供栅极电压,如果栅 极电压较低,则Ql的导通电阻较大,因此功耗较大;另一方面因为电源VPP为Kl的驱动电 路提供电源,如果电压过低,则线圈需要的驱动电流较大。规定电压值也不宜过高,电压越 高会导致Ql处于关断的时间越长,不但会造成负载灯闪烁,而且会使Ql的功耗增大。为了 保障磁保持继电器Kl操作可靠,规定电压值应当高于Kl的线圈额定电压,但略低于Kl的 线圈最大工作电压。综合考虑,规定电压值在8V 12V之间比较合适。在上述的开态取电电路中,正脉冲的宽度等于单稳触发定时电路的暂稳态维 持时间。确定正脉冲的宽度,需要考虑以下因素一、在差不多半个交流周期内,市电交流电 压会超过规定电压值,在这段时间内必须将Ql导通;二、在漏极电压由负变正之前,必须将 Ql关断,以便漏极正电压向电源VPP充电;三、如果负载不是纯阻性,那么漏极电压和负载 电流就会不同相,因此要尽可能增加Ql的导通时间。综合以上考虑,正脉冲的宽度应当大 于市电交流周期的五分之四,但小于市电交流周期。图3是图2中开态取电电路(4)的第一种实施案例。如图3所示,开态取电电路 (4)由功率场效应管Q1、瞬态抑制二极管Z1、保护电容Cl、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉 电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路(18)、单稳触发定时电路(17)组成。过压检测电路 (18)由整流二极管D6、稳压二极管Z3、电阻R11、R12、R13、电容Cl2、三极管Q7组成,Q7为NPN型通用小功率晶体管。单稳触发定时电路(17)由与非门集成电路U2、电阻RT、电容CT 构成。U2为四二输入与非门。参照电路(17),采用与非门施密特触发器或者其它的与非门 也可以构成单稳触发定时电路。为了降低功耗,U2应选用低功耗的CMOS集成电路。^3的 稳压值加上0. 6伏特等于规定电压值。图3中,除过压检测电路(18)和单稳触发定时电路 (17)之外的部分,已经在图2的开态取电电路(4)中出现和陈述,因此不再重述。按照时序 分析,电路工作原理如下当单稳触发定时电路(17)处于稳态时,U2的5、6脚为低电平,U2 的10脚输出低电平,Ql的沟道关断,Q7截止,CT两端电压为零;当Ql的漏极电压为正时, 漏极电压经Dl向电源VPP充电;当Ql的漏极电压超过规定电压值时,Q7导通,U2的2脚 输入变为低电平,U2的3脚输出高电平;由于CT两端电压不能突变,因此U2的5、6脚迅速 变为高电平,单稳触发定时电路(17)进入暂稳态;U2的4脚输出低电平,U2的10脚输出高 电平,Ql的沟道导通,Ql的漏极电压下降至零,停止向电源VPP充电,Q7截止,U2的2脚输 入变为高电平;由于U2的1脚输入仍为低电平,因此U2的3脚仍输出高电平,电流经RT向 CT充电,U2的5、6脚电压随着充电不断下降;如果U2的5、6脚电压仍为高电平,则U2的4 脚输出仍为低电平,U2的10脚输出仍为高电平,Ql维持导通,U2的3脚仍输出高电平;当 CT的充电使U2的5、6脚变为低电平时,单稳触发定时电路(17)恢复到稳态,U2的10脚输 出低电平,Ql的沟道关断。从稳态到暂稳态,再到稳态,单稳触发定时电路(17)如此周而 复始地工作。U2的10脚输出高电平的持续时间,就是单稳触发定时电路(17)的暂稳态维 持时间,由CT和RT决定,约等于0. 65 X CTX RT。 图4是图2中开态取电电路(4)的第二种实施案例。如图4所示,开态取电电路 (4)由功率场效应管Q1、瞬态抑制二极管Z1、保护电容Cl、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉 电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路(20)、单稳触发定时电路(19)组成。过压检测电路 (20)由整流二极管D6、稳压二极管Z3、电阻R11、R12、R13、电容Cl2、三极管Q7组成,Q7为 NPN型通用小功率晶体管。单稳触发定时电路(19)由或非门集成电路U2、电阻RT、电容CT 构成。U2为四二输入或非门。参照电路(19),采用其它的或非门也可以构成单稳触发定时 电路。为了降低功耗,U2应选用低功耗的CMOS集成电路。的稳压值加上0.6伏特等于规 定电压值。图4中,除过压检测电路00)和单稳触发定时电路(19)之外的部分,已经在图 2的开态取电电路⑷中出现和陈述,因此不再重述。按照时序分析,电路工作原理如下当 单稳触发定时电路(19)处于稳态时,U2的8、9脚为高电平,U2的10脚输出低电平,Ql的 沟道关断,Q7截止,CT两端电压为零;当Ql的漏极电压为正时,漏极电压经Dl向电源VPP 充电;当Ql的漏极电压超过规定电压值时,Q7导通,U2的1、2脚输入变为低电平,U2的3 脚输出高电平,U2的4脚输出低电平;由于CT两端电压不能突变,因此U2的8、9脚迅速变 为低电平,单稳触发定时电路(19)进入暂稳态;U2的10脚输出高电平,Ql的沟道导通,Ql 的漏极电压下降至零,停止向电源VPP充电,Q7截止,U2的1、2脚输入变为高电平;由于U2 的6脚输入仍为高电平,因此U2的4脚仍输出低电平,电源VDD经RT向CT充电,U2的8、 9脚电压随之不断上升;如果U2的8、9脚电压仍为低电平,则U2的10脚仍输出高电平,Ql 维持导通,U2的4脚仍输出低电平;当CT的充电使U2的8、9脚变为高电平时,单稳触发定 时电路(19)恢复到稳态,U2的10脚输出低电平,Ql的沟道关断。从稳态到暂稳态,再到稳 态,单稳触发定时电路(19)如此周而复始地工作。U2的10脚输出高电平的持续时间,就是 单稳触发定时电路(19)的暂稳态维持时间,由CT和RT决定,约等于0. 65 X CTX RT。
图5是图2中开态取电电路(4)的第三种实施案例。如图5所示,开态取电电路 (4)由功率场效应管Q1、瞬态抑制二极管Z1、保护电容Cl、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉 电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路(22)、单稳触发定时电路组成。过压检测电路 (22)由整流二极管D6、稳压二极管Z3、电阻R11、R12、R13、电容Cl2、三极管Q7组成,Q7为 NPN型通用小功率晶体管。单稳触发定时电路由555集成电路U2、电阻RT、电容CT、 C13构成。为了降低功耗,U2应选用低功耗的CMOS集成电路。Ti的稳压值加上0. 6伏特 等于规定电压值。图5中,除过压检测电路02)和单稳触发定时电路之外的部分,已 经在图2的开态取电电路中出现和陈述,因此不再重述。按照时序分析,电路工作原 理如下当单稳触发定时电路处于稳态时,Q7截止,U2的6、7脚电压为零,U2的3脚 输出低电平,Ql的沟道关断;当Ql的漏极电压为正时,漏极电压经Dl向电源VPP充电;当 Ql的漏极电压超过规定电压值时,Q7导通,U2的2脚输入变为低电平,U2的3脚输出高电 平,电源VDD经RT向CT充电,单稳触发定时电路进入暂稳态;Ql的沟道导通,Ql的 漏极电压下降至零,停止向电源VPP充电,Q7截止,U2的2脚输入变为高电平;U2的6、7脚 电压随着CT充电不断上升,如果U2的6、7脚电压仍低于2/3VDD,则U2的3脚仍输出高电 平,Ql维持导通;当CT的充电使U2的6、7脚电压高于2/3VDD时,U2的3脚输出变为低电 平,Ql的沟道关断,U2的6、7脚电压被放电至零,单稳触发定时电路恢复到稳态。从 稳态到暂稳态,再到稳态,单稳触发定时电路如此周而复始地工作。U2的3脚输出高 电平的持续时间,就是单稳触发定时电路的暂稳态维持时间,由CT和RT决定,约等于 1. 1XCTXRT。图6是图2中开态取电电路的第四种实施案例。如图6所示,开态取电电路 (4)由功率场效应管Q1、瞬态抑制二极管Z1、保护电容Cl、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉 电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路(M)、单稳触发定时电路组成。过压检测电路 (24)由整流二极管D6、稳压二极管Z3、电阻R11、R12、R13、电容Cl2、三极管Q7组成,Q7为 NPN型通用小功率晶体管。单稳触发定时电路03)由集成电路U2、电阻RT、电容CT构成。 U2为双单稳态触发器。参照电路(23),采用其它的单稳态触发器也可以构成单稳触发定时 电路。为了降低功耗,U2应选用低功耗的CMOS集成电路。Z3的稳压值加上0. 6伏特等于 规定电压值。图6中,除过压检测电路04)和单稳触发定时电路之外的部分,已经在 图2的开态取电电路0)中出现和陈述,因此不再重述。按照时序分析,电路工作原理如 下当单稳触发定时电路处于稳态时,Q7截止,U2的2脚电压为高电平,U2的6脚输 出低电平,Ql的沟道关断;当Ql的漏极电压为正时,漏极电压经Dl向电源VPP充电;当Ql 的漏极电压超过规定电压值时,Q7导通,U2的5脚输入变为低电平,U2的2脚电压被迅速 放电,U2的6脚输出高电平,单稳触发定时电路进入暂稳态;Ql的沟道导通,Ql的漏 极电压下降至零,停止向电源VPP充电,Q7截止,U2的5脚输入变为高电平;电源VDD经RT 向CT充电,U2的2脚电压随之逐渐上升;如果U2的2脚电压仍为低电平,则U2的6脚仍 输出高电平,Ql维持导通;当CT的充电使U2的2脚变为高电平时,U2的6脚输出变为低 电平,Ql的沟道关断,单稳触发定时电路恢复到稳态。从稳态到暂稳态,再到稳态,单 稳触发定时电路如此周而复始地工作。U2的6脚输出高电平的持续时间,就是单稳触 发定时电路03)的暂稳态维持时间,由CT和RT决定,约等于CTXRT。图7是图2中开态取电电路(4)的第五种实施案例。如图7所示,开态取电电路(4)由功率场效应管Q1、瞬态抑制二极管Z1、保护电容Cl、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉 电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路( )、单稳触发定时电路0 组成。过压检测电路
(26)由整流二极管D6、稳压二极管Z3、电阻R11、R12、R13、R14、电容Cl2、三极管Q7、场效应 管Q8组成。Q7为NPN型通用小功率晶体管。Q8为低电压、小功率的N沟道增强型MOS管。 单稳触发定时电路0 由D触发器集成电路U2、电阻RT、电容CT、整流二极管D8构成。U2 为双D型触发器。参照电路(25),采用其它的D型触发器也可以构成单稳触发定时电路。 为了降低功耗,U2应选用低功耗的CMOS集成电路。的稳压值加上0. 6伏特等于规定电 压值。图7中,除过压检测电路06)和单稳触发定时电路05)之外的部分,已经在图2的 开态取电电路⑷中出现和陈述,因此不再重述。按照时序分析,电路工作原理如下当单 稳触发定时电路0 处于稳态时,Q7截止,Q8导通,U2的1脚输出低电平,U2的4脚输入 为低电平,Ql的沟道关断;当Ql的漏极电压为正时,漏极电压经Dl向电源VPP充电;当Ql 的漏极电压超过规定电压值时,Q7导通,Q8截止,U2的3脚输入电压由低变高,U2的1脚 输出高电平,单稳触发定时电路0 进入暂稳态;Ql的沟道导通,Ql的漏极电压下降至零, 停止向电源VPP充电,Q7截止,Q8导通,U2的3脚输入电压由高变低;U2的1脚输出的高 电平经RT向CT充电,U2的4脚电压逐渐上升;如果U2的4脚电压仍为低电平,则U2的1 脚仍输出高电平,Ql维持导通;当CT的充电使U2的4脚变为高电平时,U2的1脚输出变为 低电平,Ql的沟道关断,U2的4脚经D8拉至低电平,单稳触发定时电路(2 恢复到稳态。 从稳态到暂稳态,再到稳态,单稳触发定时电路0 如此周而复始地工作。U2的1脚输出 高电平的持续时间,就是单稳触发定时电路0 的暂稳态维持时间,由CT和RT决定,约等 于 0. 65XCTXRT。 图8是图2中开态取电电路(4)的第六种实施案例。如图8所示,开态取电电路 (4)由功率场效应管Q1、瞬态抑制二极管Z1、保护电容Cl、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉 电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路( )、单稳触发定时电路、2Τ)组成。过压检测电路 (28)由整流二极管D6、稳压二极管Ζ3、电阻R11、R12、R13、电容Cl2、三极管Q7组成,Q7为 NPN型通用小功率晶体管。单稳触发定时电路07)由比较器似、电阻肌、1 14、1 15、电容 CT、整流二极管D8构成。为了降低功耗,U2应选用低功耗的CMOS比较器。Z3的稳压值加 上0.6伏特等于规定电压值。图8中,除过压检测电路08)和单稳触发定时电路(XT)之 外的部分,已经在图2的开态取电电路中出现和陈述,因此不再重述。按照时序分析, 电路工作原理如下当单稳触发定时电路(XT)处于稳态时,Q7截止,U2的负极输入端电压 高于正极输入端电压,U2输出低电平,Ql的沟道关断;当Ql的漏极电压为正时,漏极电压 经Dl向电源VPP充电;当Ql的漏极电压超过规定电压值时,Q7导通,Q7的集电极电压由高 变低,D8导通,U2的负极输入端电压被迅速拉低,U2的输出变为高电平,单稳触发定时电路
(27)进入暂稳态;Ql的沟道导通,Ql的漏极电压下降至零,停止向电源VPP充电,Q7截止, Q7集电极电压由低变高,D8截止;当D8截止时,电源VDD经RT向CT充电,U2的负极输入 端电压逐渐上升;如果U2的负极输入端电压仍低于正极输入端电压,则U2仍输出高电平, Ql维持导通;当U2的负极输入端电压高于正极输入端电压时,U2的输出变为低电平,Ql的 沟道关断,单稳触发定时电路、2Τ)恢复到稳态。从稳态到暂稳态,再到稳态,单稳触发定时 电路07)如此周而复始地工作。U2输出高电平的持续时间,就是单稳触发定时电路07) 的暂稳态维持时间,由CT和RT决定,约等于CTXRT。
图9是图2中开态取电电路(4)的第七种实施案例。如图9所示,开态取电电路 (4)由功率场效应管Q1、瞬态抑制二极管Z1、保护电容Cl、保护电阻R1、驱动电阻R2、下拉 电阻R3、整流二极管D1、过压检测电路( )、单稳触发定时电路(17)组成。过压检测电路 (29)由稳压二极管Z3、电阻R11、R12、R13、电容Cl2、三极管Q7组成,Q7为NPN型通用小功 率晶体管。单稳触发定时电路(17)由与非门集成电路U2、电阻RT、电容CT构成。图9中, 除过压检测电路09)之外的部分,在前面已经出现和陈述,因此不再重述。D的稳压值等 于规定电压值。当电源VPP超过规定电压值时,Q7导通,Q7的集电极为低电平;当电源VPP 低于规定电压值时,Q7截止,Q7的集电极为高电平。
权利要求
1.一种二线制电子开关的工作电源和功率解决方案,主要由关态取电电路、稳压电路、 开关控制电路、开关执行电路、开态取电电路构成;稳压电路包含一个三端稳压器;开关控 制电路包含一个微处理器;开关执行电路包含一个磁保持继电器,磁保持继电器有一组常 开触头和一个线圈;开态取电电路包含一个功率场效应管;VPP、VDD和VCC是电子开关的工 作直流电源,均为正电压,并且共用直流电源地;在稳压电路中,VPP经过大约1伏电压降后 连接到VDD,VDD连接到三端稳压器的输入端,三端稳压器的输出端连接到VCC,VPP, VDD和 VCC分别接有储能和滤波电容;VPP为开关执行电路提供直流电源,它的最大值等于磁保持 继电器的线圈最大工作电压;VDD为开关控制电路和开态取电电路提供直流电源;VCC为开 关控制电路提供直流电源,其电压值与微处理器的工作电压一致;一种二线制电子开关的 工作电源和功率解决方案,其特征是当磁保持继电器的常开触头断开时,负载关闭,负载 漏电流从关态取电电路流过,关态取电电路为电子开关提取工作电能;当磁保持继电器的 常开触头闭合时,负载开启,负载电流从磁保持继电器的常开触头和开态取电电路流过,开 态取电电路为电子开关提取工作电能。
2.根据权利要求1所述的一种二线制电子开关的工作电源和功率解决方案,其特征 是关态取电电路由降压限流电容和开关电源电路组成;开关电源电路由全波整流桥堆、 偏置电阻、压敏电阻、三极管、变压器、反馈电阻、反馈电容、二个整流二级管组成;三极管 为NPN型高压开关晶体管;变压器有初级、次级和反馈三个绕组;市电零线经过负载连接到 降压限流电容的一端,降压限流电容的另一端连接到整流桥堆的一个交流输入端,整流桥 堆的另一个交流输入端连接到火线,火线也连接到直流电源地;整流桥堆的正极连接到变 压器的初级绕组同名端,整流桥堆的负极连接到变压器的反馈绕组异名端;偏置电阻的一 端连接到整流桥堆的正极,另一端连接到压敏电阻的一端,压敏电阻的另一端连接到三极 管的基极;反馈电容的一端连接到三极管的基极,另一端连接到变压器的反馈绕组同名端; 反馈电阻的一端连接到三极管的发射极,另一端连接到整流桥堆的负极;三极管的集电极 连接到变压器的初级绕组异名端;变压器的次级绕组异名端连接到二个整流二级管的阳 极,变压器的次级绕组同名端连接到直流电源地;一个整流二极管的阴极连接到直流电源 VPP,另一个整流二极管的阴极连接到直流电源VDD。
3.根据权利要求1所述的一种二线制电子开关的工作电源和功率解决方案,其特征 是开关执行电路由放电场效应管、充电场效应管、中继场效应管、分压电阻、限流电阻、发 光二极管、电解电容、磁保持继电器组成;磁保持继电器有一组常开触头和一个线圈,按照 吸合动作区分,线圈有正极和负极两个接线端;三个场效应管均为低电压、小功率的N沟道 增强型MOS管;放电场效应管的栅极和中继场效应管的栅极都连接到开关控制电路中微处 理器的一个输出端口,该输出端口向开关执行电路提供负载开关信号;放电场效应管的源 极和中继场效应管的源极都连接到直流电源地;中继场效应管的漏极和充电场效应管的栅 极都连接到限流电阻的一端;限流电阻的另一端和发光二极管的阴极都连接到分压电阻的 一端;分压电阻的另一端和发光二极管的阳极都连接到电源VPP ;充电场效应管的漏极也 连接到电源VPP ;放电场效应管的漏极和充电场效应管的源极都连接到电解电容的正极; 电解电容的负极连接到磁保持继电器的线圈正极接线端;线圈的负极接线端连接到直流电 源地;磁保持继电器的常开触头一端连接到负载的一端,负载的另一端连接到零线,常开触 头的另一端连接到开态取电电路中功率场效应管的漏极;当微处理器输出至中继场效应管的栅极电压由高变低时,磁保持继电器的常开触头闭合,负载因此开启;当微处理器输出至 中继场效应管的栅极电压由低变高时,磁保持继电器的常开触头断开,负载因此关闭。
4.根据权利要求1所述的一种二线制电子开关的工作电源和功率解决方案,其特征 是开态取电电路由功率场效应管、瞬态抑制二极管、保护电容、保护电阻、驱动电阻、下拉 电阻、整流二极管、过压检测电路、单稳触发定时电路组成;功率场效应管采用低电压、大电 流、超低导通电阻的N沟道增强型功率MOS管,其内置大功率单向稳压二极管,稳压二极管 的阳极、阴极分别连接到功率场效应管的源极、漏极;瞬态抑制二极管的阳极、阴极分别连 接到功率场效应管的源极、漏极;功率场效应管的源极连接到火线,火线也连接到直流电源 地;功率场效应管的漏极连接到开关执行电路中磁保持继电器的常开触头一端,常开触头 的另一端连接到负载的一端,负载的另一端连接到零线;功率场效应管的栅极连接到保护 电容和驱动电阻的一端,保护电容的另一端连接到保护电阻的一端,保护电阻的另一端连 接到功率场效应管的漏极;驱动电阻的另一端连接到下拉电阻的一端,同时连接到单稳触 发定时电路的输出端,下拉电阻的另一端连接到直流电源地;整流二极管的阳极连接到功 率场效应管的漏极,整流二极管的阴极连接到直流电源VPP ;直流电源VDD为过压检测电路 和单稳触发定时电路提供工作电源;过压检测电路对电源VPP或者功率场效应管的漏极进 行电压检测,当电源VPP或者功率场效应管的漏极电压超过某一规定电压值(该值略低于 磁保持继电器的线圈最大工作电压)时,该电路就会向单稳触发定时电路输出一个触发信 号;当单稳触发定时电路收到过压检测电路发送来的触发信号时,立即输出一个正脉冲,此 正脉冲经过驱动电阻传递到功率场效应管的栅极,使功率场效应管导通;正脉冲的电压幅 度与电源VDD —致;正脉冲的宽度大于市电交流周期的五分之四,但小于市电交流周期;当 功率场效应管导通时,电源VPP和功率场效应管的漏极电压均低于规定电压值,过压检测 电路输出的触发信号因此消失。
全文摘要
本发明涉及照明电子开关领域,它包含关态取电电路、开关执行电路、开态取电电路等。在负载关闭时,关态取电电路为电子开关提供工作电能,同时消除负载灯的闪光现象。开关执行电路用于执行开启或关闭负载,不但功耗低,而且提供开关状态指示。在负载开启时,开态取电电路为负载提供大电流通路,同时为电子开关提供工作电能。本发明不但能够解决二线制电子开关的工作电源问题,而且能够提高二线制电子开关的带负载能力。
文档编号H02M3/335GK102076144SQ20101052679
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月17日 优先权日2010年10月17日
发明者尹文庭 申请人:尹文庭
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