专利名称：固态电开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电开关，尤其是涉及到一种单极固态电开关，该固态电开关能够直接接入交流电源线中。
一个基本的电路中，包含一个电源开关和一个负载，负载串联一个电源开关后接入电源的输出端(例如交流电源插座)。一般的电源开关是一种机械结构，能够使电接头连通或分断。该电接头是由人工或由电磁场产生的机械力来连通或分断的(如象继电器)。人工操作的传统机械开关，通常都有一个杠杆装置，由机械杆和弹簧的作用，使开关“开”(连通)和“关”(分断)。这种电源开关可靠性低，寿命短，尤其是工作在恶劣环境中(例如易燃、易爆、高温、高潮湿、灰尘重、腐蚀性气体和强烈震动等场合)，这样的电源开关，常因产生电弧、火花、机械磨损、腐蚀、潮湿、触点焊接或接触不良造成开关失灵或导致火灾和其它工业事故，危及财产和生命安全。为了改进这些传统的机械开关，常常需要作花费高的修改和贵金属的使用。这种改进了的开关，仍然存在容易磨损和需要频繁的维修的问题。机械开关的损坏，常会使负载损坏。
常规的机械开关在“开”状态时，如果电源中断，它也不会回到“关”的状态。在这种情况下，如果突然来电，常会发生事故。为了安全，在许多重型机械中，大都用电磁接触器来使其掉电复位。这种电磁接触器使用很不方便，既昂贵、又笨重而复杂，还消耗电能，且工作时会产生低频交流声。在电源含有杂波和不稳定的地方，瞬间的电源波动或跌落引起电磁开关频繁复位，使“电源间断”，工作很不正常。对于传统机械开关需要反复调整，很不方便。
传统的机械式断路器，所采用的电—磁跳闸或/和热跳闸过流保护装置，不能适应频繁操作(响应速度慢)。当在一个有很多支电路的干线中，使用机械断路器时，这样的断路器不能分别对支路和终端负载提供可靠的过流保护。通常，在大多数家庭或办公室里，一个主电路断路器只能提供一个大得多的总过电流跳闸值对很多开关支路提供总过电流保护，以致有任一支路发生过电流时，必需要产生大得多的过电流，断路器才会动作，且会切断该断路器以后的所有支路。
对于过电压保护，早先的固态装置(例如固态开关)，通常是需要过压保护元件来保护的。该保护元件既可以是一只压敏电阻，又可以是一只特殊的可控硅，它们都与固态开关并联。在固态开关处于“关”态，当一个很大的过电压产生时(例如当这个电压加在固态开关两端，超过可控硅的转折电压时)，该保护装置立即导通，将该电压限制在低于固态开关的电压，从而使固态开关不会因过电压而损坏。不过，如果过电压持续时间过长，保护装置中流过很大的电流，会产生过热，使保护装置永久损坏。这种过电压保护方案在保护装置本身的成本上和维修代换上都很昂贵。
另外，传统开关对于实现多点随机控制，超过三点控制就不实用(允许一台机器多个位置的任一点转换“开”或“关”)。因为需要复杂的开关逻辑和大量的连线。
由于传统开关成本高，又有上述缺点，人们长期以来，就盼望有一种固态电开关。然而，直到现在，一个根本的技术问题尚未得到解决一种固态电开关，必然是一个电子电路。作为电子电路，通常都需要一个直流电源。几乎所有的集成电路，都需要在电源VCC(或VDD)端对地(或VSS)端，加一个直流工作电压，例如2.7V、3.3V、5V或±5V、±12V、……、±35V、……。除非另外由电池供电，否则，必要用一个电源来提供工作电压。这个通常与负载串联的电源开关，就只能通过负载，以漏电流的形式吸收电流工作。这种漏电流，即使从几毫安到几十毫安，事实上，都是使负载在欠电压下工作。这种开关在象照明器具中的电子调光器类的装置中尚可接受，在象荧光灯、交流电动机、变压器或者其它电器中是不可接受的，尤其从安全角度出发。例如，在安全标准上，事实上所有国家和被承认的安全组织，如保险业主，都认为毫安级或更高的漏电流是不安全的。因此，事实上，电子调光器和电子延时开关，即使与照明器具相串联，都被认为是用电器或负载，而不是电源开关。在多数情况下，出于安全，对于电子调光器或电子延时开关，都还需要串联一只机械开关。
无一例外，早先的两端固态开关的电子电路，是并联在负载导电组件上(例如在三端双向可控硅开关的两个极之间)。我们能找到这些开关的例子，例如美国5,550,463专利和5,030,890专利。于是，这些开关在固态开关的“关”状态时，吸收大量的电流。从开关电流需求的角度看出，无一例外，两端固态开关，都通过第三端直接与电源耦合而吸收电流。
另外，早先的固态开关在处于“开”状态时，其两端的电压低于固态开关(如三端双向可控硅两端)，其开态饱和压降Von-sat通常为AC0.8V~1.8V之间。并联在开关两端的固态开关的电子电路，(即跨接到Von-sat)就得不到足够的电压幅值来正常工作。例如美国3,660,688号专利和4,289,980号专利，为了从固态开关两端获得工作电压，这固态开关的饱和电压降Von-sat就要维持在较高的范围，如2.4~4.0V和12~14V。不过，在那些固态开关中，会大量消耗电能。例如，美国专利3,660,688和4,289,980的固态开关与120V 5A的灯具串联，其在固态开关中消耗的功率一种情况下为12~20W，在另一种情况下，竟高达60~70W。为了解决这一严重的功耗，这种固态开关不仅需要笨重的散热器，而且，固态开关两端如此高的压降，使负载得不到足够的工作电压，降低了性能。反映出，这种固态开关是不实用的，也是不希望有的。
Brovelli的美国专利4,703,194中的
图1披露了一种2端网络的固态开关。不过，按照上述讨论的早先技术的固态开关，由整流桥(即二极管1~4)和单向可控硅(SCR)6构成主开关，在“开”态时提供一个2.4~4.0V的饱和压降Von-sat。这样，在上述固态开关中，6A的负载电流，在固态开关上就要消耗13~24W的功率。进一步，为了防止单向可控硅SCR6在交流电过零时关断，Brovelli的固态开关是用储存在电容器中的电荷来保持“开”状态的。电容器7保存的电压(例如0.7V)大于可控硅SCR6的触发电压。为了保持负载电流，Brovelli使用了一只1μF电解电容器5和一个低通滤波器。但是该电路只能适用于1A以下的负载电流，且固态开关处于“关”态时，电解电容器工作在高电压和高纹波电流状态或冲击电压时，其注入负载的泄漏电流会导致负载损坏，产生无法预料的恶果。
再者，为了确保固态开关有较高的灵敏度，单向可控硅SCR6也必须有高的灵敏度。为此，SCR6的电流定额就应选得较低，于是就只能带很小的负载(例如TIC106D SCR的定额为1A左右)。为了提供较大的电流，在固态开关中就应使用大功率的元件，如高功率三端双向可控硅。不过，这个三端双向可控硅并联在SCR6的阴—阳极之间，增加了连接在SCR6门极上的电容7的电荷排放量，使得SCR6在“开”态时，当电源过零时不能保持导通。这样，Brovelli的设计，不能用仅仅增加一只大功率元件来增加输出电流，所以该设计不能用于实际。
此外，Brovelli的固态开关，触摸两个电极15或14，通过串联电阻8和11产生微小的电流，触发高灵敏的单向可控硅SCR6和9，来转换开和关的状态。当前市上的高灵敏度可控硅(例如三菱公司的CRO2AM和CRO3AM，摩托罗拉公司的MCR100-8和TIC106D)都至少需要200μA的触发电流。不过，当人体接触触摸电极，例如触摸电极14时，触摸电极通过人体到地的接触阻抗，通常高达100兆欧姆。因此，只能提供比200μA小得多的电流，不足以触发SCR6或SCR9，来实现Brovelli的固态开关的“开”或“关”的转换。在其它时间，在地面与接触电极之间通过人体所产生的阻抗，就可能产生大于200μA的电流，从而引起触电或其它安全问题。因此，Brovelli的固态开关被认为是不实用的。
本发明提出一种完整的固态2端电开关(简称刘氏开关Liu’sswitch)，该开关能够用于单极工作(即负载与开关串联后接入交流电源)。刘氏开关(Liu’s switch)是一种不含任何机械的或活动部件的固态开关，因此不容易损坏。由于刘氏开关不含机械触点，所以不会产生火花、电弧、腐蚀或机械杂音。能够在恶劣环境中工作，例如易燃、易爆、高温、高潮湿、强腐蚀的、灰尘重或者强烈震动的环境。
本发明的一种具体结构，刘氏开关(Liu’s switch)能够直接与负载和交流电源串联。它包括(a)半导体开关元件，该元件被作用于其控制端的控制信号所控制，该信号确定该半导体开关是处于导通或关断状态；(b)包括一个整流器，该整流器是在半导体开关处于关断状态期间，从半导体开关的各端口接收交流信号；(c)包括一个含电容器的控制电路，(i)该控制电路在半导体开关处于关断期间接收整流器的整流信号。(ii)该控制电路根据与上述电容器相并联耦合的增益电路中的电子信号而放电。
在一个实施例中，在半导体开关关断期间，经整流的直流信号使电容器充满电。半导体开关保持关断状态，一直到接收到使电容器放电的信号。使电容器放电的电信号能够是，例如由一个正按着的按钮所产生的电信号。在电容器放电之后，整流的直流信号就提供直流充电电流，使电容器再被充电。然后，这种充电电流就以触发信号的形式提供控制信号，使半导体开关进入导通状态。该导通的半导体开关，就使电容器放电。不过，在交流信号的每一个过零点，半导体开关器件瞬间又变为关断。以便让整流的直流信号再给电容器充电。然后，该充电电流再次产生触发信号，使半导体开关元件回到导通状态。这样，一旦半导体开关器件处于导通状态，反馈一个控制信号(例如触发信号)，确保半导体开关元件一直保持在导通状态。
在一个实施例中，控制电路进一步包括与第二个电信号相关的第二个增益电路。第二个电信号在控制端与公共地端之间提供一个信号通路。这样，通过将控制信号和触发信号分路到地，中断上述的反馈程序。
控制电路还包括一个在控制端与公共地之间的并联电容器(第二个电容器)所构成的预置电路。第二个电容器的容量比控制电路的电容器(第一个电容器)的容量更大。一个正向偏置的二极管，就将控制端连接到第二个电容器上，有一个电阻与第二个电容器并联，与其它的控制电路一起，构成一个具有多种时间常数的电路(刘氏网络Liu’snetwork)。在一个具体实施例中，刘氏网络Liu’s network既可用作状态记忆，又可用作预置电路。在预置电路中(例如，首次供电时)，刘氏网络Liu’s network的第二个电容器提供一个很大的容量，该电容吸收第一个电容器最初的充电电流。这样，使半导体开关导通的触发信号就被截止。结果，在处于预置状态时，刘氏开关Liu’s switch仍然保持关断。
另外，当刘氏开关在处于导通状态时发生断电后又来电，这个断电间隔时间，如果比刘氏开关预定的时间短，则刘氏开关仍然处于导通状态。反之，如果断电时间间隔比刘氏开关预定时间长，则刘氏开关变为关断状态。即在预定时间的间隔内，刘氏网络Liu’s network具有状态记忆功能，即刘氏开关能够保持断电前的导通或关断状态。在一个实施例中，第二个电容器是由一个电解电容器和一个无极电容器并联而成。
在刘氏开关的一个实施例中，控制电路还包含一个接收外部信号的端口的第二增益电路。没有这个外部信号(例如，由一个正按着的按钮所产生的触发信号)，该第二增益电路就不吸收任何电流，即呈现高阻状态。
根据本专利的一个方面，刘氏开关还包括一个过零检测电路，接收整流信号并耦合到控制端。过零检测电路，能阻止控制信号起作用，除非在整流信号幅度瞬间低于设定电压时，才能控制信号输入。在一个实施例中，过零检测电路包含一个晶体管，这个晶体管在整流信号幅度高过预定值时，将控制端与公共地短路。在一个实施例中，过零检测电路是由一个晶体管实现，该晶体管被接在整流器的输出端与公共地之间的分压器上，被分压器的输出信号所控制。
另外，可以包括与分压器相串联的发光二极管(LED)和齐纳二极管。这个发光二极光可作为“夜灯”，让电子开关为了某种用途是看得见的。
根据本专利的另一个方面，刘氏开关包含一个与负载和半导体开关相串联耦合的电流检测器，来提供一个代表电流状况的信号。在一个具体实施例中，刘氏开关还包含一个过电流保护电路，该电路迫使半导体开关在电流检测器的指示电流超过预定值时，就转为断开状态。该电流检测器能由一个变压器来实现。在一个具体实施例中，过电流保护电路包括温度敏感元件，这样，过电流保护电路的门限就能自动跟踪，同时采样环境温度和刘氏开关自身的温度。
在一个具体实施例中，该过电流保护电路包括(a)一个整流器，来提供代表电流检测器中电流的电压信号。(b)阈元件，在电流探测器中的电流超过预定值时，它就变为导通。这种阈元件，能够由硅二级管，齐纳二极管或一个四层萧特基二极管来实现。过流保护电路的整流桥能够由齐纳二极管或二极管桥来实现。进一步，过流保护电路可以在整流器和阈元件之间，包括一个电阻网络，这种电阻网络能够包含温敏器件(例如，热敏电阻或其它热敏器件)，这些温敏器件补充或进一步微调该过流保护电路的温度特性。恰当地选择温敏器件的规格，过流保护电路的脱扣条件，就能够根据操作环境的温度和开关本身的温度作自动调整。
根据本发明，刘氏开关还包括一个光耦合器，该光耦合器能够将控制总线上的各个点所接收到的多种外部信号来控制一个刘氏开关，这就是刘氏开关的“多点随机控制”。
在一种电路中，刘氏开关有一个二极管桥和一个单向可控硅(SCR)。在第二种电路中，半导体开关是由三端双向可控硅TRIAC来实现。在第三种电路中，半导体开关是由反向关联的单向可控硅来实现。刘氏开关的这种整流电路，能够由一个单向可控硅(SCR)控制的整流桥控制。一个低通滤波器连接到半导体开关装置的信号端，以在控制输入信号中缓冲、减振、消噪音，来进一步保护半导体开关，这样就使系统稳定地工作。
触摸电极能够各含一个金属表面，或使用阻抗材料或绝缘材料包裹了的金属表面。触摸电极能够平行的或倾斜地安装在安装板上(例如触摸电极在安装板上可以稍微凹下去，也可以稍微凸出一点)。在一个电路中，有两个触摸电极，一个用作“开”，一个用作“关”。这两个触摸电极板可采用不同的颜色和不同的触感。
根据本发明的另一方面，刘氏开关包含一个蜂鸣电路，当有人接触到触摸电极板时，该蜂鸣电路就以“哔”响声应答。该蜂鸣器，能够是一个由齐纳二极管和一个压电扬声器串联后，再联接到刘氏开关的整流器输出端与公共地之间。这个蜂鸣电路能够产生听得见的可以辩别的蜂鸣声，来指明是哪一个接触板被联接上了。
在刘氏开关的控制电路中，各种不同功能的组件(例如增益电路、可控硅控制整流器、半导体开关或音频应答电路)各自都几乎没有漏电流。因此，刘氏开关在其“关”态时，所消耗的功率几近于零。
本发明的另一个优势是能够状态锁存，从而控制触摸电极保持“开”或“关”的状态。只有在有人再触摸电极时才发生变化。基于这种锁存功能，本发明的刘氏开关提供一个多点随机遥控系统，包括(a)一个两端的刘氏开关，串接在负载和交流电源输出的相线上。(b)一个光耦合器接到刘氏开关，该光耦合器对AC交流电源与外部遥控信号总线之间提供了很高的阻抗，由光耦合器从外部信号总线接收信号。(c)控制器(例如计算机)并联到信号总线上，各控制器易于定位在控制信号的信号总线上。刘氏开关提供一种“开/关”锁存特性，该特性能通过外部控制器和电子计算机的无穷数据来随机控制。在一个实施例中，信号总线包含一个独立的外部公共地，作为“开”信号和“关”信号的参考点。在另一个实施例中，分别独立的外部公共地参考点是被提供来为在一个4线外部信号总线上的“开”通道和“关”通道之间分配导通和关断。
本发明的一个方面，刘氏开关处于“关”状态时，没有漏电流注入负载。本发明的另一方面，刘氏开关在“开”状态期间，是以全动态模式工作。本发明的这种开关，仅仅用在交流输入信号的每半周的过零期间接收到的信号工作，因此就避免使用直流电源。这就不象以前技术制造的电子开关。刘氏开关是直接地连接在一根标准的交流电源线上。
本发明的另一个优点，刘氏开关具有一个静止的过电流脱扣电路和一个自动调节电路。这样，在每一个负载点，都有着价廉而独立的过流保护。这每一个负载点的独立过电流保护，为财产和生命提供了卓越的保护性能。
本发明的另一个优点是刘氏开关的通用性，刘氏开关可以直接接入120V、220V或更高电压的交流电源输出口。
从本发明的另外一个方面看，刘氏开关包含一个预置电路和一个电源恢复调节电路(刘氏网络Liu’s network)。包括一个在控制端与地之间由一个二极管与电容器相串联的电路，还包括一个与电容器并联的电阻。
本发明的又一个优点，刘氏开关中有任选功能。这些任选功能包括夜灯或者说是刘氏开关上看得见的指示灯。使用无源荧光材料，如象磷酸盐或硫磺的化学合成物，就可以获得夜灯或指示灯功能。
在一个具体实施例中，一个高效率的发光二极管被引入刘氏开关的过零保护电路。在该具体实施例中，该发光二极管的正向电压，就对过零电路提供了一个门限电平，同时，发光二极管对照亮这个开关起夜灯作用。在“关”状态，这个发光二极管吸取的电流低于200μA。
本发明的又一个优点，刘氏开关为过流脱扣保护提供了一个可编程动态门限值。门限值适应温度、负载和环境状况，以及开关本身的配置。刘氏触摸信号，能够用于在电子网络中建立灵活的终端设备。
本发明的触摸电极是基于一个与人体相关的阻抗效应的发现，称之为“刘氏触摸信号互补效应”(以下简称“LTS”)。这LTS效应产生于人体的阻抗性质，即，在极宽范围的环境条件下，总是能利用到对地阻抗和等效感生信号源这两个因素。实际上LTS效应都可以由人接触触摸电极而使刘氏开关可靠地切换“开”和“关”。在其具体实施例中，触摸电极是电耦合到刘氏开关的控制电路上，当触摸电极被一种外来因素接触(例如一个人正操作该开关)，就提供了电的通路，由于LTS效应而触发刘氏开关的控制电路。
根据本发明的一个方面，刘氏开关的“开”或“关”的触摸电极板，能够以不同的位置、颜色、形状和结构构成，以确保安全和而准确地操作。这种触摸电极板，可用金属、非金属电阻材料，或者包裹了绝缘材料的导体制作。对于本发明的刘氏开关，在其接触板上要求不同的接触时间响应来触发刘氏开关的“开”或“关”的功能，亦可以具有一个浅的凹陷接触表面都是必要的，在一些具体实施例中，这些触摸电极的设计可防止由于疏忽触碰而造成的误触发。又例如所提供的每个触摸电极，都可以在接触表面轻轻触摸。
本发明的另一个方面是，操作者可以戴着手套触摸电极板。该特性在某些时候是很重要的，譬如当遇到紧急情况，需要警急关掉开关而又一时来不及脱掉手套时。根据本发明的另一方面，当同时接触到第一与第二触摸电极时，刘氏开关会还原到“关”状态，这样就预防了对负载的误操作。
刘氏开关既能够控制阻性负载，又能够控制感性负载和一些特殊负载，如荧光灯，也能够用于控制混合负载。发明详细说明根据以下详细说明和附图，你就更容易理解本发明。
图1是本发明的电路100的系统方框图，包括固态开关(刘氏开关)300中的控制电路200。
图2a示出了等效电路250和250′，各代表一个与触摸电极相接触的人体(即触摸电极17或19)。
图2b示出了Sa、Sb、Sc、Sd的性能曲线，分别代表电阻(泄漏)分量，分布电容分量、等效感生信号源分量和由于刘氏触摸信号互补效应而形成的人体接触互补合成触发信号。
图3表示波形1-4，代表(i)当固态开关300处“开”状态时，负载2上的电压；(ii)当固态开关300处于“关”状态时，加到控制电路200中的83端和触发器的公共地间的电压；(iii)当固态开关300处于“关”状态时，负载2上之电压；(iv)当刘氏开关300处于“开”状态时，加到开关01和02端上之电压310和310’。
图4表示本发明的电路400的具体实施例，在电路400中，用可控硅(SCR)控制的桥式整流器8作为主半导体开关1的一个组合可控二极管桥式电路(1，8)和由晶体管T1构成的第1增益电路11。
图5代表本发明的电路500的一个具体实施例。在电路500中，可控硅控制的桥式整流器8作为主半导体开关1的一个组合可控二极管桥式电路(1，8)和由晶体管T11构成的第1增益电路11。
图6a代表本发明电路600中的具体实施例。在电路600中，三端双向可控硅TRIAC 601提供作主半导体开关1。
图6b代表本发明电路620中的一个实施例。在电路620中，反向并联的单向可控硅(SCRs)602(SCR2和SCR3)作为主半导体开关1。
图7a代表本发明电路700中的一个实施例。在电路700中，有着一个初始化电路，包括刘氏网络Liu’s network 13，15。
图7b-7d代表本发明电路720、740、760的具体实施例，每个电路都是图7a的电路700的变更。
图8a-8c分别代表一个限流器的实施例(各电路中的限流器800、810和820即是图1中的限流器18或20)。
图9a代表过流保护电路900，包括本发明过流信号处理电路16的系统方框图。
图9b-9d分别代表刘氏开关300的910、920和940电路，表示了电流保护器5和过流保护器16的实施例。
图10a和10b分别描述了微电流过零电路1000和1050，适合于充当图1中的过零保护电路10。
图10c表示波形1和2，由于晶体管T4的作用，波形1和2分别是可控硅SCR1的门极G1的门限电压Vthres和阻抗。
图11a和11b代表耦合到刘氏开关300的图1中的光耦合电路22和23的实现方案1100和1150，以上是关于图1的讨论。
图12a和12b，分别代表一个三线控制总线400和4线控制总线410，它们被用来以外部设备通过固态开关1200和1201提供负载2a和2b的多点随机控制，并在控制总线、刘氏开关和电源线之间提供高隔离。
图13代表本发明的一个具体化实施例的电路原理图1300。
本发明提供一个固态开关(“刘氏开关Liu’s switch”)，该开关以图1的电子电路100中的举例说明。如图1所示的电路，电路100包括主半导体开关1、负载2、触发和控制电路200、电磁干扰(EMI)抑制器3和3′、熔丝4(为短路电流保护)、电流检测元件5、端口6和7用于连接到交流电源输出端、触摸电极17和19，用来传递外部输入信号，去触发和控制电路200。在一个实施例中，刘氏开关(“刘氏开关300”)结合主半导体开关1、电流检测器5以及触发和控制电路200、刘氏开关300与负载2一起，形成电路100。
触发和控制电路200，包括一个可控硅(SCR)控制的整流桥8，一个衰减器9，第一增益电路11，第二增益电路14，限流器18和20，初始化与电源复位电路15，二极管门13，状态记忆和触发电路12，滤波电路28和29。在触发和控制电路200的一个实施例中，如图7a所示，状态记忆和触发电路12，包括一个电容器C1，启动初始化和电源复位电路15包括电容器C4。耦合到控制端113和121、122端的增益电路11，被设计为当控制端113没有输入信号时，在121和122端之间呈高阻抗时，这样，就没有电流流进放大电路11。相反，当在113端提供一个输入信号时，121和122之间就呈低阻抗，在控制端143接收信号，在执行端141和142之间控制阻抗的增益电路14，可以是同样情况。不过在该具体实施例中，增益电路14包括另外的控制端口144和145。144和145各自也能触发，在141端和公共地142端之间提供低阻态。控制端144在过电流状态触发增益电路14，一个或一个以上的控制端145，来响应其它条件，为此刘氏开关就被转到“关”状态。
触发和控制电路200还包括以下“可选择件”过零检测器10、耦合二极管50(当选择过零检测器10时，取代跳线60)、“蜂鸣”电路21、电流检测器装置5(为过电流保护)、过流保护电路16和一个带有外部控制总线400的光耦合器22，或者一个带有外部控制总线410的光耦合器23。这些可选择组件，让刘氏开关被用作多点随机遥控高隔离继电器(“刘氏开关继电器”)。
初始化和电源复位电路15和二极管门13一起，提供了一个“刘氏网络(Liu’s network)”(以下会详细阐述)。在该刘氏网络中，包含一个二极管(D3)，一个电容器(C4)和一个电阻R8。一个无极电容器C4′与C4并联，以提高响应速度。按如下解释，初始化和电源复位电路15确保刘氏开关300在首次接入电源时，处于“关”状态，即迫使刘氏开关300从“开”状态转换到“关”状态。
可控硅控制的桥式整流器8包含一个可被触发的电路，例如一个单向可控硅SCR(“SCR1”)，当单向可控硅SCR1由端口84的控制信号触发时，SCR1导通。当SCR1导通时，主半导体开关1也导通，这就使刘氏开关300被触发进入一个导通模式。照以下解释，刘氏开关一旦被触发进入导通模式，它自己就产生连续的触发信号加在端口84上，使刘氏开关300维持导通模式。主半导体开关能够由一个三端双向可控硅TRIAC或几个单向可控硅SCRS实现。
可控硅控制的桥式整流器8，包括交流端81和82、直流DC输出端口83、触发端口84、执行端口87和端口85，端口85是耦合到触发控制电路200的公共“地”。电阻器86与AC端口81和82串联。当主半导体开关1处于断开状态，端口81和82就从主半导体开关1的电源端口01和02接收输入AC信号。可控硅SCR控制的桥式整流器8提供一个整流信号(见图3中的波形2所示)加到端口83和85之间。照图3所示，接收到83和85之间的整流信号，就是输入电源交流信号频率两倍的双半波信号。
刘氏开关300，利用本发明的阻抗效应，以下称之为“刘氏触摸信号互补效应”(或者称“LTS”效应)。以下将进一步阐述该效应。在图1中，刘氏开关300包括触摸电极17，该触摸电极电耦合到触发控制电路200。当人接触到触摸电极17时(例如一个人正操作该开关)，LTS效应就提供了触发信号使触发控制电路200导通。LTS效应由图2a和图2b阐述。
图2a代表等效电路250和250′，这两个等效电路各代表一个人体接触触摸电极(即触摸电极17或19)的情况。在某些环境条件下，等效电路250受控于等效电阻(即电阻器R23)，代表到地面的泄漏路径，该电阻约为100Ω~30MΩ不等。产生于电阻分量的LTS效应的电信号强度，以图2b由曲线Sa示意。类似地，在其它环境条件下，人体提供一个中、高阻抗(即约为30MΩ~300MΩ或者更高)。在这个范围，等效电路250主要呈现分布的电容的电抗(即等效电容器C24的容抗分量)Xc。该电信号的强度，产生于这种电抗分量的LTS效应。这种情况在图2b中的Sb曲线表示。为了恰当利用LTS效应，触发器和控制电路200提供了反并联二极管，该二极管接在公共地与增益电路11的输入晶体管的发射结之间。
在更高的阻抗条件下，人体阻抗能超过300MΩ或更高。在这样高的阻抗下，等效电路250主要受控于一种感生信号源AT26，该感生信号源提供的电信号来自于环境的杂散电磁场，杂散电磁场具有多种信号源，具有极宽的频谱，从低频交流信号(例如交流50(100)赫兹或60(120)赫兹)到甚高频信号VHF或超高频信号UHF段，在某些情况下，或许也可从静电产生。感生信号源AT26提供的电信号，由各种电磁场叠加产生，可被触发控制电路200的增益电路11检出。产生于LTS效应的等效感生信号源分量在图2b以曲线Sc表示。
图2b的曲线Sd，表示了图2b中电阻器R23、电容器C24和感生信号源AT26的合成LTS效应。在图2b中，位于曲线的“迟钝”区域，代表该区域在电极17的电信号强度不能可靠地触发触发和控制电路200。照曲线Sd所示，等效电路250的合成LTS效应的电信号强度在“迟钝”区域之上，实际上在所有的阻抗之上。重要的如果是在阻性分量(即Sa)低于迟钝区域的情况下，电抗分量(即Sb)就使曲线Sd较大地保持在迟钝区域之上。同样倘若在阻性分量和电抗分量(即曲线Sa和Sb)都落进迟钝区域中，感生信号源分量(即Sc)就使曲线Sd高于迟钝区域。这样，利用LTS效应的合成信号将导致刘氏开关300在人体全部的阻抗条件下都可能可靠地得以转换。等效电路250′的工作情况完全与所描述的等效电路250相同，于是在此省略。刘氏开关300的工作情况稍后再讨论。首先，即，刘氏开关首次加电时，其状态记忆和电容触发电路12中的电容器C1与初始化和电源复位电路15的电容器C4(和电容器C4′)都是处在放空状态。
当交流电源信号跨接到主半导体开关1和负载2之间(即“加电”)，端口81和82就接收到该交流信号。可控硅控制的桥式整流器8输出整流后的双半波直流信号，该双半波直流信号是交流电源周期的2倍，跨接在121和122端口之间。状态记忆和电容触发电路12中的电容器C1几乎立即被充满电。加电之后，交流电源信号的初期，充电脉冲即通过正向二极管门13被吸入到初始化和电源复位电路15中的电容器C4和C4′而旁路，在控制端122的电压不会明显上升，因此没有足够的信号通过衰减器9到可控硅SCR控制的桥式整流器8的触发端84，从而不能触发半导体开关1。于是这个双半波直流电压使状态记忆和电容触发电路12的电容器C1维持在完全充满电的状态。在这“关”态时，没有电流进入触发和控制电路200。
在“关”态，有一个“关”态反馈效应发生。当人触摸触摸电极19时，增益电路14在端口141和142之间提供了一个低阻抗通路，使初始化和电源复位电路15的电容器C4和C4′保持放电。放了电的电容器C4和C4′继续短路端口122，阻止触发主半导体开关1，于是主半导体开关1一直保持阻断，一个关态反馈电压从开关两端继续维持电容器C1满荷而不能放电。当状态记忆和电容触发电路12中的电容器C1保持充满状态时，没有触发信号被传输到可控硅SCR控制的桥式整流器8的触发端口84，从而也不能触发主半导体开关1。主半导体开关1一直稳定在“关”状态。
当触发和控制电路200处于“关”状态时，由于没有信号输入，第一和第二增益电路11和14都处于截止状态。(只要电极17和19不被接触，它们就不会提供电信号。)另外，可控硅控制的桥式整流器8，在当其不被触发时，也处于电流阻断模式。于是刘氏开关300在其“关”态中，没有漏电电流进入负载2。
在“关”态中，当有人(例如手)触摸到触摸电极17时，根据上述LTS效应，对刘氏开关300的第一增益电路11的输入端113提供一个电信号。这种电信号使增益电路11在状态记忆和电容触发电路12的121和122端之间呈现低阻抗通路。结果，状态记忆和电容触发电路12中的电容器C1迅速放电。在端口121上的直流信号被耦合到122端口。此信号分两路，通过增益电路11和二极管门13，一路迅速完全地使初始化和电源复位电路15中的电容器C4和C4′充满电荷。另一路直接触发SCR1来使主半导体开关1成为导通，而导通的SCR1和主半导体开关1又反过来使电容器C1放电。然后照以下所阐述，在接下来下一个半周，交流信号刚一过零点，电容器C1短暂的被充电，产生一个触发脉冲，因为根据上述电容器C4已被在先前充满，不会使触发脉冲旁路，所以有足够的能量的触发脉冲继续触发在主半导体开关1的触发端口82上的可控硅SCR1控制的桥式整流器8，来使主半导体开关1成为导通，这样就使刘氏开关300进入“开”状态，将电源加到负载2上。这引发了一系列“开”状态反馈效应。该“开”态反馈效应依靠(a)在可控硅SCR1和主半导体开关1联琐导通的同时，为端口121和122之间提供了一个放电通路，于是维持着电容器C1处于放电状态；(b)主半导体开关1维持在导通状态，除非在输入交流信号的过零点。在过零点上，主半导体开关1阻断，这就允许双半波直流信号的下一个半波在121和122端口瞬间出现，几乎立即使电容器C1充电。这个充电电流脉冲耦合到端口122，通过衰减器91，到可控硅SCR控制的桥式整流器8的触发端口84。这样，充电电流脉冲就使主半导开关1再次导通，直到输入交流信号的下一个过零点。
在处于“开”状态期间，有人(如用手)接触到触摸电极19时，一个电信号就被提供到第二个增益电路14，这就与上述LTS效应相一致。在初始化和电源复位电路15中的“刘氏网络Liu’s network”两端提供了一个低阻通道。结果电容器C4就迅速地通过低阻通道放电。通过二极管门13，该低阻通道也通过将控制端口122中的触发脉冲分路到公共地，来中断“开”态反馈效应。这样，在下一个过零点，当主半导体开关1阻断时，因为得不到下一个触发脉冲，刘氏开关300就处于“关”状态。当双半波直流信号出现在端口121和122端的同时，电容器C1再次充满电荷。一个充满了电的电容器C1，就没有触发脉冲在控制端122产生，从而使主半导体开关1保持在关断状态，直到下一次接触到触摸电极17。
由于刘氏开关300在“关”态时没有电流通过，“开”态时又被短路(在交流信号的过零点例外)，所以刘氏开头300不需要提供电源供给电路来工作。从而实现了与传统单极机械接触开关同样操作的一个两端网络的固态开关。
根据该发明，刘氏网络(Liu’s network)的特点是具有多时间常数。例如，在图7a所表示的实施例中(a)电容器C4是通过电阻R8的一个被称为预置时间常数的慢速率放电；(b)电容器C4是在电流从控制端口122经二极管门13充电时(相对于上述的预置时间常数)以一个短时间常数的快速率充电；(c)电容器C4是在被增益电路14的低阻通路放电时，以一个短时间常数(相对于上述的预置时间常数)的快速率放电。
在通过二极管门13(即上面的(b)部分中)充电的短时间常数，让刘氏网络作为动态能源吸收器，来吸收浪涌、尖峰噪波和出现在控制端口122的冲击脉冲。因为该性能，刘氏开关300的“开”和“关”状态，具有极高的稳定性。刘氏网络通过由第二增益电路14提供的低阻通路放电，有一个短时间常数，以致于让刘氏开关300能极快速地转换到“关”来响应触摸电极19的接触。另外，刘氏网络能够得到想要的安全功能。例如，在一个传统的机械式电源开关中，当开关导通(转到“开”时)，一个负载在运行，例如加热器、电动工具、机器等等。不过在当电源突然被中断时，该负载就可能停留在工作模式当中。这样，当电源在意想不到的时间又恢复供电，该负载会继续作中断前的工作。对于停留在操作模式中的负载，这种电源的恢复往往造成事故、火灾、人体伤亡和财产损坏。
刘氏网络(Liu’s network)的电阻器(R8)提供预置放电时间常数，当刘氏开关处于“开”状态时，如果交流电源被中断，电容器C4就通过电阻器R8放电。预置时间常数使电容器C4上的电荷维持一个预置时间阶段。在这一预置时间阶段(例如从几秒到几十秒)，如果交流电源恢复，电容器C4就不足以吸收电容器C1的充电电流，因此让触发脉冲到达端口84(图1)来触发可控硅SCR1，从而让刘氏开关300保持早先的“开”状态。不过，如果交流电源在预置时间阶段已经消逝后恢复，刘氏网络的电容器C4通过电阻R8已充分放电，这样，电容器C1的充电脉冲就分路通过二极管门13，至电容器C4。结果，刘氏开关300自动复位到“关”状态。并无限期地维持在“关”状态不变。于是刘氏网络(Liu’s network)就避免当电源恢复时负载2无法预料地恢复工作，避免了事故和危害。
当包含触发和控制电路200时(图1)，蜂鸣电路21以声音指示刘氏开关300的转换成功。
当包含触发和控制电路200时，过电流保护电路16监视电流检测器5中的电流，当其超过预定门限值时，过流保护电路16为增益电路14的输入端口144提供一个输出信号，如上所述，此控制信号，中断了刘氏开关的“开”状态。
当包含触发和控制电路200时，光耦合电路22或23让刘氏开关300用在一个多点随机遥控系统中。如图1所示，光耦合电路22，包括输入端口223、224和225，并提供输出端口221、222、226和228。端口225被耦合到外部的地参考点。端口221和226被分别通过端口121和122耦合到第一增益电路11。端口222和228分别通过端口141和142(也是公共地)耦合到第二增益电路14。当信号(交流或直流)出现在端口223和225之间时，光隔离低阻信号通路就提供在端口221和226之间，从而以上述方式触发刘氏开关300的“开”状态。同样，当一个信号出现在端口224和225之间时，一个光隔离低阻通路出现在端口222和228之间，从而触发刘氏开关300的“关”状态。用光隔离器件，输出端口221、222、226和228各自由很高阻抗与输入端口223~225隔离。
光耦合电路23类似于光耦合电路22，仅另加外部地信号237除外，以致在端口223和235、234和237、231和236以及232和238之间提供各自隔离的高隔离电通道。当信号(交流或直流)出现在端口233和235之间，一个光隔离低阻信号通路就提供在端口231和236之间，从而以上述方式触发刘氏开关300的“开”状态。同样，当在端口234和237之间出现一个信号时，光隔离低阻通路就出现在端口232和238之间，从而触发刘氏开关300的“关”状态。
以下阐述刘氏开关300的几个实施例。为了便于图与图之间互相参考，图4-13中使用的参考数字与图1相同，在一些实施例中所表示的元件和端口也与图1相同。
图4代表本发明电路400的具体装置，其中可控硅SCR控制的桥式整流器8和主半导体开关1，就在组合的可控硅SCR——二极管桥电路(1，8)中实现。照图4所示，一个二极管桥BZ1和一个可控硅开关SCR1实现可控硅SCR控制的桥式整流器8和图1的主半导体开关1的功能。状态记忆和触发电路12由串联的电阻器R3和电容器C1实现。限流器18和20由电阻器R1和R2实现。第一增益电路11和第二增益电路14分别由NPN型双极晶体管T1和T2实现。衰减器9由电阻器R4实现。
在“关”状态期间，整流信号出现在端口83和85之间，同时电容器C1被充电。当人接触触摸电极17时，由LTS效应而产生一个接触信号，使NPN晶体管T1导通。导通的晶体管T1就使电容器C1放电，将端口87的双半波直流信号耦合到端口92，通过电阻器R4，双半波直流信号被提供到SCR1的门极G1，这样就使SCR1导通。导通的SCR1使端口01和02(即主半导体开关1)之间短路。这样，交流信号就加到负载2上，并维持电容器C1处于放电状态，使电压降(Vsat-on)等于二极管桥BZ1与SCR1的正向压降之和(即2.4~4.0V)。当交流信号过零时，SCR1关断，这样电容器C1由交流信号的下一个双半波充电，这就又提供一个充电电流。此充电电流使SCR1重新导通。导通的SCR1又一次在负载2上提供交流信号。这种再生的反馈过程，使刘氏开关维持在“开”状态。当人接触到触摸电极19时，一个产生于LTS效应的接触信号就使NPN晶体管T2导通，这就使端口92与地短路。中断了上述反馈过程，将刘氏开关300置于“关”状态。
图5代表本发明的另一个装置电路500，电路500实质上与电路400相同，仅仅是电路500中的PNP晶体管T11取代了电路400中的晶体管T1。电路500的其它的工作，实际上相同于上述的电路400。
电路400和500有几个缺点，第一，在刘氏开关300中，较大的“开”态压降(2.4V~4.0V)既导致较大的功耗，要在大电流时正常工作，就需要配置大的散热器，又由于大的压降，也降低了负载2上的工作电压。第二，电路400和500提供了一个刘氏开关在交流信号源最初耦合的时刻就到导通状态。
要将“开”态电压降(Vsat-on)降到尽可能低的程度，半导体开关1可由三端双向可控硅或者反并联单向可控硅实现，照图6a和6b所示。图6a代表本发明的电路600的具体装置，在电路600中，主半导体开关1由一个三端交流开关(三端双向可控硅TRIAC)601实现。按图6a所示，二极管桥BZ1的端口B13和B14(即图1的端口81和82)被分别耦合到门极G和第二阳极MT2。限流电阻86能够被串联插入二极管桥BZ1的端口B13或B14与三端双向可控硅601之间，来保护三端双向可控硅的门极。在“开”态期间，“开”态电压降(Vsat-on)在0.8~1.6V之间。当端口G和MT2之间突然变为高阻(单向可控硅SCR1关断)时，三端双向可控硅601在交流信号过零点转为“关”态。
图6b代表本发明电路620的具体装置。在电路620中，主半导体开关1由电路602实现，电路602由反并联的单向可控硅(即SCR2和SCR3)实现。电路602中的每个单向可控硅的带电流能力均高于可控硅控制的桥式整流器8的SCR1。按图6a所示，二极管桥BZ1的端口B13和B14(即图1的端口81和82)被分别接到门极G3和G2。按图6a的电路600所示，限流电阻86能够串联插入二极管桥BZ1的端口B13或B14与反并联单向可控硅SCR2和SCR3之间，来保护门极G2和G3。在“开”态期间，触发电流分别产生在SCR3和SCR2的阴极K3和K2之间，流过由SCR3的门极G3、桥式整流器BZ1、SCR1和SCR2的门极G2所形成的回路。触发电流交替触发SCR2和SCR3使其进入导通模式。在“开”态期间，“开”态电压降(Vsat-on)近似为1V。当端口G2和G3之间突然变为高阻(单向可控硅SCR1关断)时，主半导体开关1在交流信号过零点变为“关”态，从而将SCR2和SCR3定在阻断状态。在电路600和620中，使用电源组件(例如三端双向可控硅601和开关器件602的SCR2、SCR3)，能够将图4和图5的电路400和500提供给负载2的电流，容易地扩大到相当可观的电流。另外，与上述电路400和500相比较，在同样的负载电流时，刘氏开关300中的“开”态电压降很低，功耗也减少了。
图7a代表本发明电路700的另一个具体装置，在电路700中，有一个实用的初始化和电源复位电路15以及二极管门13，初始化和电源复位电路15和二极管门13，由电阻R8、电容器C4和C4′和二极管D3来实现，以下称为刘氏网络(Liu’s network)。另外，电路700通过由电阻R4和R6形成的分压器实现衰减器9。在电路700中，增益电路14用一个互补级联放大器充当，包括电阻器R15、PNP晶体管T3和NPN晶体管T2。可控硅SCR控制的桥式整流器8和主半导体开关1由与电路600相同的电路实现。仅仅是在三端双向可控硅601的门极上增加了由电容器C6和电阻器R7形成的旁路滤波器。增益电路11、状态记忆和触发电路12，按照上述电路400中提供。滤波电路28和29各由一个电容器(C2或C3)实现，该电容器是与二极管(D1或D2)相并联。分别在滤波电路28和29中，二极管(例如D1)反向并联在放大晶体管(例如晶体管T1)的发射结上。在这一结构中，该二极管至少完成三个功能(a)提供一个反向通路，来增加LTS效应中分布的电抗分量(Sb)；(b)保护放大晶体管的发射结；(c)用作LTS效应等效感生信号源分量(Sc)的峰值检波器。
在电路700中，刘氏网络(Liu’s network)中的电容器C4的容量比状态记忆和触发电路12的电容器C1的容量大得多。在这一具体装置中，电容器C4可以由一个有极的电解电容器来实现。由于一个大的电解电容器具有一个附加的电感，一个无极电容器C4’就提供在刘氏网络(Liu’snetwork)中，对刘氏网络(Liu’s network)提供一个很快的响应时间。
最初，即当一个交流电源信号第一次加到刘氏开关300时，电容器C4和C1都处于未充电状态。如上所述，电容器C1是由端口83和85之间的整流信号，在很短的时间内，被充满电。不过，由于电容器C4保持未充电状态，电容器C1的充电电流通过正向偏置二极管D3向C4充电，所以在衰减器9的输入端口92上，不会出现足够的触发电流脉冲，因而阻断了对刘氏开关的触发导通。在刘氏开关300处于“关”态期间，如上所述，没有电流流进触发和控制电路200。(增益电路11和14中的漏电流在纳安培(nA)范围，因此是微不足道的。)在刘氏开关300处于“关”状态期间，电阻器R8使电容器C4处于完全放电状态。这样，初始化电路15在“关”态中提供更强的稳定作用，使衰减器9的输入端口122对地正电位不高于一个二极管的压降(即0.7V左右)，从而阻止刘氏开关300被触发，即使是交流信号中的瞬间波动，或者对触摸电极17的瞬间误触发。
如上所述，当人接触到触摸电极17，电容器C1放电，整流信号通过端口121和122之间的晶体管T1呈现的低阻通路来传送。这一信号即使被衰减器9衰减，也足够触发可控硅SCR控制的桥式整流器8的SCR1，依次地将主半导体开关1触发变为导通状态，如上所述的“开”态反馈过程，来使刘氏开关300锁定在“开”状态，借此，电容器C4维持在一个特定电压上。这时，如果线路6和7之间的交流电信号突然中断，电容器C4通过电阻器R8放电，其放电的时间常数由电容器C4的容量和电阻器R8的阻值决定。通过对C4和R8值的恰当选择，如果电源在预置时间内恢复，刘氏开关300就能够回到“开”状态(即获得“开”态记忆)。不过，如果电源在预置时间之后恢复，电容器C4放电。由于放电的电容器C4能够吸收电容器C1的充电脉冲，如上所述，就产生了特定的“关”状态条件。这样，刘氏开关300就维持在“关”状态，直到触摸电极17又被人接触。
将“开”状态保持一定时间后，再转换到“关”状态，此后就能够被利用来提供重要的安全优势(如下面提及的“刘氏功能(Liu’sfunction)”)。灾难性的事故，经常因电器或机器，在停电后，开关一直保持通电模式所导致。当恢复供电时，这些电器或者机器，就在无人看管的条件下恢复工作，经常导致电器具的损坏、事故、火灾或者人体伤害。不过，有了刘氏网络(Liu’s network)，刘氏功能(Liu’s function)能够让用电器具或机器在电源中断后又来电时恢复工作(即“开”态锁定)，但这只有在特定的时期内恢复电源，继续工作才是安全的，如果超过这个时期，刘氏开关就会自动转换到“关”状态。这样，刘氏功能就在电源的短时间或频繁掉电的情况下维持开关稳定在原来的“开”状态。
滤波电路28的电容器C2或C2′与电阻器R1和操作者的等效阻抗，形成一个低通滤波器，为触摸电极17消除高频干扰，为增益电路11消除噪音和整流信号中的浪涌冲击。二极管D1有三个功能(a)提供一个射频(RF)峰值检波器，该检波器增强LTS效应的有效感生信号源分量(Sc)作用；(b)整流负半周信号电流，这样就改进了触摸电极的LTS效应电抗分量的触摸灵敏度；(c)保护放大电路的输入端。滤波电路29的电容器C3完成与上述电容C2或C2′所完成的相同的功能。电阻器R5、R7和电容器C6联接在三端双向可控硅601的门极G上，以提供冲击保护，消除三端双向可控硅601门极G上出现的高频噪声。进一步，电磁干扰和噪声过滤能够由串联的EMI抑制器3和3′提供(见图1)，EMI抑制器3和3′能够由低通滤波器的许多形式提供，包括由具有铁氧体磁芯的螺丝管和电容器构成的LC电路或者使用商品化的EMI单片滤波器。
图7b-7d代表本发明电路720、740和760的具体装置，各电路代表一个图7a电路700的改型电路。电路720包括通过电容器C2’和二极管D1’实现了滤波电路28，并通过PNP晶体管T11实现了增益电路11。图7c的电路740，实际上与图7a的电路700相同，仅仅是用反并联单向可控硅SCR2和SCR3来实现主半导体开关1，如图6b的电路620。图7d的电路760实际上与图7b的电路720相同，仅仅是用反并联的SCR2和SCR3来实现主半导体开关1。如图6b的电路620。
图8a-8c分别代表限制器(例如限制器20)的电路800、810和820，电路800中，有一个电阻器R40。电路810中，电容器C42用作一个限制器。电容器C42与C45能够通过在触摸电极的金属或者导体表面，覆盖一层绝缘的或电阻性材料的方法获取。
图9a代表电路900的系统方框图，表示本发明的过流保护处理电路16。电路900包含一个从电流到电压的转换装置(AVC)5、一个AC-DC转换器或者一个整流器904、一个用一个稳压器作为限幅器905、一个平滑滤波器906、一个随温度能自动补偿和自动调节的过流脱扣电路907、一个过电流脱扣预置电路908、一个门限电路和一个或门电路903。AVC5能够由一个电流互感器或者一个分路元件或者另外一种电流——电压转换装置所构成。AVC5的电流端口与刘氏开关300、负载2和熔丝4串联后跨接在交流电源线6和7之间。代表负载2的电流(“主电流”)的AVC5的输出信号，被耦合到AC-DC转换器或者整流器904(例如一个半波整流器、一个全波整流器、或者一个全波桥式整流器)。然后整流信号经稳压限幅器905，由平滑滤波器906滤波。所产生的代表主电流的直流信号加到温度自动补偿电路907，根据跟随温度敏感—电流脱扣特性曲线(iout-T曲线)所设定的温敏电流脱扣值来调节，然后，带温度补偿的直流信号通过分压器908衰减，再耦合到作为预置过电流脱扣值而设定的阈元件上。当过电流情况出现时，在端口144到或门903提供一个过流信号来触发第二增益电路14，迫使刘氏开关300进入“关”态作为保护状态。备用输入端口145接收一个或更多的操纵信号，来关断刘氏开关300。如果在附加保护功能中，需要完成自动关断，附加的备用信号就可以从“或”门903的附加输入端口输入。
图9b-9d分别代表三个特定过电流脱扣电路910、920和940，这些电路可以用在刘氏开关300中，通过以电路910、920和940所描述的形式，在刘氏开关300上提供过电流保护。这样，刘氏开关300可以以极低的成本，将过电流保护扩大到每个支路中的每个单极开关上。比起早先技术在总路上设置过电流保护，在多个支路中有一个产生过流就会影响其它支路，刘氏开关300克服了早先技术的不便，而且大大增加了安全性。
在电路910中一个小电流互感器TF被用作电流检测器5，它是作为电流检测的电流互感器，一个分流元件或者其它电流—电压转换元件也可以被使用。在电流互感器TF中，初级线圈TF1中流过主半导体开关1的电流，这时在次级线圈TF2中按照线圈TF1中的电流比例提供一个交流电流信号。齐纳二极管Z4、电容器C7和电阻器R12形成一个半波倍压整流器。齐纳二极管Z4限制半波整流信号的幅度，该整流信号由整流二极管D10在端口902上提供一个直流电压信号，代表通过主半导体开关1的电流。这一直流电压信号是由电容器C8和电阻器网络907作平滑滤波及衰减(包括电阻器R9和R11，以及温敏电阻器R10和R10′)，经电阻网络907衰减的直流电压信号，经硅二极管D5，提供作为对刘氏开关300的增益电路14的输入信号。适当选择电阻网络907中阻值，就能够为刘氏开关300选择一个恰当的过电流脱扣值。
当达到过流门限时，电阻器R14和二极管D4(见图13)提供一个正反馈，该正反馈让增益电路14迅速地将刘氏开关300锁定在“关”状态。重要的是硅二极管D5的正向偏压具有一个负的温度系数(即在二极管D5两端的正向偏压电压降随温度的上升而下降)。这样，二极管D5在较高温度时，提供一个较低的脱扣门限。温度敏感器件(例如热敏电阻R10和/或R10′)提供依赖于温度的过电流脱扣点的动态特性，这样就能够用来跟随相对于温度变化作进一步补偿和微调脱扣门限，获得一个合适的温度补偿的过流保护。当环境温度和开关温度变化，刘氏开关300能够自动采用一种新的脱扣值。这样，刘氏开关300提供了更为先进的保护功能来保护人的生命，电网和用电器具的安全。
当然其它热元件或温度敏感元件也可能用于刘氏开关300中，以获得上述相同结果。
图9c代表电路920，电路920是图9a的电路910的变形。在图9c中，电路920在电流检测器5中，使用一个中心抽头的次级线圈TF2，并由二极管D6和D7提供全波整流。在电路920中，阈元件由反向偏置的齐纳二极管D5和一个负载电阻器R13提供。
图9d代表电路940，电路940是图9a电路910的变形。在图9d中，电路940使用二极管桥式整流器BZ2来在电流检测器5的次级线圈TF2中提供全波整流的电压信号。在电路940中阈元件由元件TE充当。元件TE能够是，例如PNPN四层肖特基二极管和负载电阻器R13。
图10a和10b分别描述附加的过零电路1000和1050。如图10a所示，电路1000包含一个由电阻器R16和R15形成的分压器。电阻器R16和R15串联后，接在可控硅SCR控制的桥式整流器8的端口83和85之间，由分压器的输出信号Vb4接到NPN晶体管T4的基极控制T4。在刘氏开关300的“关”状态期间，NPN晶体管T4在导通时，提供一个低阻通路，将SCR1的门极G1上的触发信号短路到地。电压Vthres是最小电压，在这个电压之上，NPN晶体管T4导通，电压Vthres就是一个门限电压，在该电压之上，G1就不导通。图10a也代表状态记忆和触发电路12、衰减器9、可控硅SCR控制的桥式整流器8和主半导体开关1，即图7a所示的实施例。耦合二极管D50将可控硅SCR控制的桥式整流器8的端口83耦合到触发和控制电路12的端口121。图10c代表波形1和2，波形1和2分别是晶体管T4在SCR1的门极G1上的门限电压Vthres和输出阻抗。
图10b的电路1050中，电路1000的电阻器R15和R16的分压器，由串联的齐纳二极管Z1、发光二极管LED1(任选的)、电阻器R18和R17形成的分压器取代。由于齐纳二极管Z1两端的电压降是恒定的，从9V~19V的电压范围中，就可以选择一个更准确的过零门限电压Vthres。用LED1来使刘氏开关300在黑暗中可见。这种“夜灯”功能，需要的电流低于200μA(还远不足以触发三端双向可控硅或反并联的单向可控硅构成的主半导体开关1)。当刘氏开关300用作灯开关时，这一“夜灯”功能尤其有用。
图10a和10b代表一个简单、小巧、价廉和在稳定状态中没有电流泄漏的蜂鸣电路21，它由一个齐纳二极管Z2与一个压电扬声器元件PE串联后接到结点A与公共地之间。当结点A的电位从地电位(即刘氏开关300的“开”状态)升高到一个高的直流电压(即刘氏开关300的“关”状态)，一个击穿电流穿过Z2，迅速地给容性压电元件PE充电，从而产生能听见的声音，这种听得见的应答声，也能够由齐纳二极管Z2与压电元件PE串联后，接到能产生电压突变的任意两个结点上。这样，当刘氏开关300转换时，一个听得见的“哔”声，就由压电元件PE发出，在刘氏开关转换时，蜂鸣电路21就能够用来为操作者提供一个声应答。
图11a和11b代表光耦合电路22和23的实施例1100和1150，光耦合电路22和23耦合到刘氏开关300，与上述图1相关的方式，用作多点随机遥控固态开关/继电器。使用光隔离，电路1100的端口223和224上的输入控制信号(相对于公共外部地端口225)与从跨接在端口221和226的输出信号(“开”通道)，和跨接在端口222和228(“关”通道)隔离，隔离电压可达数千伏。同样，电路1150的端口233和234上的输入控制信号(相对于两个分别被阻隔的外部地端口235和237)与端口231和236之间的输出信号(“开”通道)，和跨接在端口232和238的输出信号(“关”通道)之间隔离，隔离电压达到数千伏。这样在端口223和224以及外部公共地端口225上的信号就能够从三线总线400上获得。在总线400上，任何型号的设备各自能够提供被连接的控制信号。图12a代表三线控制总线400，控制总线400被用来由外部设备对负载2a通过固态开关1200提供多点随机遥控。同样在端口233、234和外部地端口235和237的控制信号，就从四线总线410提供，四线总线410上任何型号的设备各自能够提供被连接的控制信号。图12b代表四线控制总线410，四线控制总线410被用来通过固态开关1201对负载2b提供多点随机遥控。
图13代表本发明电路1300的一个具体实施例，将图1的多种功能电路的各种部件组合起来。
刘氏开关300的内部具有一个内装过电压保护功能，于是它不需要外加保护元件来保护。这一内装过电压保护的描述可参考图7a。在“关”态期间，如果出现过电压情况(例如，在交流信号中一个大的电压脉冲)，晶体管T1的集电极和发射极端口之间的整流双半波直流信号就超过晶体管T1的击穿电压，晶体管T1导通。导通的晶体管T1的电流，提供一个触发脉冲，通过衰减器9触发SCR1。导通的SCR1使二极管桥BZ1短路，依次触发三端双向可控硅601进入导通状态。于是刘氏开关300就转换到“开”状态，以致刘氏开关300两端的电压就下降到导通的三端双向可控硅601两端的电压。从这一点看，上述再生反馈过程使刘氏开关300维持在“开”状态，直到刘氏开关300被转换到“关”状态，尤如由一个外界原因触及触摸电极19。由于晶体管T1的击穿和三端双向可控硅601的导通，仅在数微秒内发生，三端双向可控硅601的导通又反过来短路了开关两端的过电压，且因为晶体管T1的击穿电流也被衰减器9中的电阻限制，出现在刘氏开关300中的过电压非常短暂，即使在交流信号中一直有超电压状态，也不会使刘氏开关300损坏。这样刘氏开关300就不需要保护装置来保护，避免了维护损坏了的保护装置的费用，与早先技术的固态开关相比，刘氏开关300大大地节约了成本。
因此，本发明提供的开关是在“关”态期间实质上是不吸收电流的，并不需要电源来供开关本身使用。另外，它也不需要外加保护元件来为其作过压保护。
在本发明范围内的众多的不同和变更是可能的。例如刘氏开关300的增益电路(例如增益电路11和14)可能由其它器件，如象某些结型场效应晶体管J-FET、或场效应晶体管MOS-FET、达林顿双极晶体管或另外的集成电路或运算放大器来实现。主半导体开关器件1也可能由下列器件实现，如IGBTs、GTOs、MCTs、V-MOSs、D-MOSs、功率双极器件，或其它晶闸管。
基于上面的详细描述，被提供来说明上述本发明的具体装置，仅仅是本发明的一些实施例，不确定是本发明的限制。
权利要求
1.一种固态电开关，用作控制电负载，其特征是包括第一端口；第二端口；至少一个半导体开关耦合到所述的第一端口和所述的第二端口与所述的电负载形成串联电路跨接在所述的交流电源之间，响应控制端口接收的控制信号，所述的半导体开关成为导通，所述的固态电开关在所述的半导体开关导通时，就是处于“开”状态，在所述的半导体开关没有导通时，就是处于“关”状态；并至少一个控制电路提供所述的控制信号，所述的控制电路是耦合到所述的第一和第二端口，与所述的半导体开关呈并联结构。
2.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是在固态电开关处于“关”状态期间，实际上是没有电流流进所述的控制电路的。
3.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是所述的控制电路是由所述的第一和第二端口供给电源。
4.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是所述的控制电路包含一个动态反馈电路，所述的动态反馈电路在所述的“开”状态通过所述的控制信号触发所述的半导体开关，在所述的交流电源的交流信号的每半周开始时进入导通。
5.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是所述的控制电路只包含固态静止元件。
6.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是具有接收电信号的控制电路，包括一个整流器在所述的“关”状态期间，从所述的交流电源接收交流信号并整流所述的交流信号，来提供整流信号；并至少有一个电容器是(a)在所述的“关”状态被耦合去接收所述的整流信号；(b)响应所述的电信号而放电，产生所述的控制信号从而使所述的半导体开关成为导通。
7.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是进一步包括一个过流保护电路，该电路在所述的负载装置中的电流超过预定值时导致所述的半导体开关成为关断。
8.根据权利要求7所述的固态电开关，其特征是所述的过流保护电路包含一个电流检测器，提供一个代表所述的负载电流的电信号。
9.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是包括至少一个触摸电极，该触摸电极电耦合到所述的控制电路，由一个外部动因接触到所述的触摸电极时，提供所述的电信号。
10.根据权利要求9所述的固态电开关，其特征是所述的电信号由所述的外部动因和地参考点之间的阻抗所提供。
11.根据权利要求10所述的固态电开关，其特征是所述的电信号是由互补效应的合成所产生，该互补效应产生于空间电磁场与所述的阻抗的协同作用。
12.根据权利要求10所述的固态电开关，其特征是所述的阻抗主要是电阻性的。
13.根据权利要求10所述的固态电开关，其特征是所述的阻抗主要是电容性的。
14.根据权利要求10所述的固态电开关，其特征是通过所述的外部动因收集空间电磁场提供所述的电信号。
15.根据权利要求6所述的固态电开关，其特征是所述的控制电路进一步包括一个增益电路响应所述的电信号，所述的增益电路根据所述的电信号将所述的整流信号耦合到所述的控制端口。
16.根据权利要求15所述的固态电开关，其特征是所述的增益电路包括至少一个双极晶体管。
17.根据权利要求16所述的固态电开关，其特征是所述的双极晶体管包括一个NPN晶体管，所述的增益电路进一步包括至少一个二极管，该二极管以反并联的形式偶合在所述的双极晶体管的基极和发射极之间，所述的双极晶体管的集电极被用来接收所述的整流信号。
18.根据权利要求16所述的固态电开关，其特征是所述的双极晶体管包括一个PNP晶体管，所述的增益电路进一步包括至少一个二极管，该二极管以反并联的形式接在所述的双极晶体管的基极和发射极之间，所述的双极晶体管的发射极被用来接收所述的整流信号。
19.根据权利要求6所述的固态电开关，其特征是所述的半导体开关当所述的交流信号过零时成为断开状态，因此所述的整流信号给所述的电容器充电，产生一个充电电流提供所述的控制信号。
20.根据权利要求15所述的固态电开关，其特征是所述的控制电路进一步包括一个第二增益电路，响应第二电信号，所述的第二增益电路在所述的控制端口和公共地之间提供一个旁路信号通路，从而阻止所述的控制信号达到所述的半导体开关。
21.根据权利要求20所述的固态电开关，其特征是所述的第二增益电路包括至少一个双极晶体管。
22.根据权利要求21所述的固态电开关，其特征是所述的第二增益电路进一步包括至少一个二极管，该二极管以反并联的形式接在所述的双极晶体管的基极和发射极之间。
23.根据权利要求20所述的固态电开关，其特征是进一步包括一个过电流保护电路，当所述的半导体开关的电流超过预定值时，提供所述的第二电信号。
24.根据权利要求20所述的固态电开关，其特征是进一步包括一个初始化电路，该初始化电路包含至少一个第二电容器，所述的第二电容器接在所述的控制端口和公共地之间，所述的第二电容器具有的容量比所述的控制电路的电容器的容量更大。
25.根据权利要求24所述的固态电开关，其特征是所述的第二电容器由至少一个二极管接到所述的控制端口。
26.根据权利要求24所述的固态电开关，其特征是所述的初始化电路进一步包括至少一个电阻器，所述的电阻器并联在所述的第二电容器上，使所述的第二电容器对公共地放电。
27.根据权利要求6所述的固态电开关，其特征是进一步包括一个过零电路，该过零电路被耦合来接收所述的整流信号，并耦合到所述的控制端口，所述的过零电路阻止所述的控制信号达到所述的半导体开关，除非在所述的交流信号的过零期间。
28.根据权利要求6所述的固态电开关，其特征是所述的整流器包括至少一个二极管，所述的半导体开关包括至少一个单向可控硅(SCR)。
29.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是所述的半导体开关包括至少一个耦合来接收所述的控制信号的三端交流开关(三端双向可控硅TRIAC)。
30.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是所述的半导体开关包括由至少一个所述的控制信号触发的反向并联的单向可控硅(SCRs)。
31.根据权利要求6所述的固态电开关，其特征是所述的整流器包括至少一个单向可控硅(SCR)控制的桥式整流器。
32.根据权利要求6所述的固态电开关，其特征是所述的控制电路进一步包括至少一个电阻器，该电阻器与所述的电容器串联，连接在所述的整流器的输出端口和所述的控制端口之间。
33.根据权利要求6所述的固态电开关，其特征是所述的控制电路进一步包括至少一个衰减电路，该衰减电路接在所述的电容器和所述的控制端口之间。
34.根据权利要求33所述的固态电开关，其特征是所述的衰减电路包括至少一个分压电路。
35.根据权利要求24所述的固态电开关，其特征是所述的初始化电路进一步包括至少一个电阻器，该电阻器与所述的第二电容器并联，这时，相对于所述的电阻的阻值和所述的第二电容器的容量的时间常数超过所述的控制电路的电容器的充电时间常数。
36.根据权利要求24所述的固态电开关，其特征是所述的初始化电路工作在确保所述的半导体开关当电源初次合闸时处于关断状态。
37.根据权利要求24所述的固态电开关，其特征是所述的初始化电路工作是确保当所述的半导体开关导通而电源出现中断后，如果电源在所述的预置时间间隔之内恢复，所述的半导体开关就保持导通，电源在所述的预置时间间隔之后恢复，所述的半导体开关就成为关断状态。
38.根据权利要求20所述的固态电开关，其特征是所述的第二增益电路包括至少一个互补级联放大器。
39.根据权利要求9所述的固态电开关，其特征是所述的触摸电极通过至少一个限流电阻接到所述的控制电路。
40.根据权利要求9所述的固态电开关，其特征是所述的触摸电极通过至少一个电容器接到所述的控制电路。
41.根据权利要求9所述的固态电开关，其特征是进一步包括至少一个低通滤波器，该低通滤波器接到所述的控制电路的输入端口。
42.根据权利要求9所述的固态电开关，其特征是所述的触摸电极包括至少一个金属表面。
43.根据权利要求42所述的固态电开关，其特征是所述的金属表面包裹了至少一层电阻性材料或一种绝缘材料。
44.根据权利要求8所述的固态电开关，其特征是所述的电流检测器包括至少一个变压器。
45.根据权利要求44所述的固态电开关，其特征是所述的变压器在所述的负载装置中提供了一个代表所述的负载电流的电压输出信号。
46.根据权利要求7所述的固态电开关，其特征是所述的过流保护电路包括至少一个温度敏感电阻元件，根据环境温度而提供多种所述的过流保护电路的所述的预定值。
47.根据权利要求46所述的固态电开关，其特征是所述的过流保护电路根据所述的固态开关本身的温度而提供多种所述的过流保护电路的所述的预定值。
48.根据权利要求47所述的固态电开关，其特征是所述的过流保护电路包括至少一个接收所述的负载装置中代表所述的负载电流的信号整流器；并至少一个耦合的阈元件接收所述的负载装置中代表所述的负载电流的信号，当代表所述的负载电流的信号超过预定值时，所述的阈元件成为导通。
49.根据权利要求48所述的固态电开关，其特征是所述的阈元件包括至少一个正向偏置的硅二极管。
50.根据权利要求48所述的固态电开关，其特征是所述的阈元件包括至少一个齐纳二极管。
51.根据权利要求48所述的固态电开关，其特征是阈元件包括至少一个四层肖特基二极管。
52.根据权利要求48所述的固态电开关，其特征是所述的整流器包括至少一个齐纳二极管。
53.根据权利要求48所述的固态电开关，其特征是所述的整流器包括至少一个二极管桥。
54.根据权利要求48所述的固态电开关，其特征是在所述的整流器和所述的阈元件之间，进一步包括至少一个电阻器网络，所述的电阻器网络中包括至少一个热敏电阻。
55.根据权利要求27所述的固态电开关，其特征是所述的过零电路包括至少一个晶体管，该晶体管在当所述的整流信号的瞬间电平高于所述的预定值时将所述的控制端口耦合到公共地。
56.根据权利要求55所述的固态电开关，其特征是所述的晶体管被接在所述的整流器的输出端口和公共地之间的分压器的输出信号所控制。
57.根据权利要求56所述的固态电开关，其特征是所述的过零电路进一步包括至少一个发光二极光和至少一个与所述的分压器串联的齐纳二极管。
58.根据权利要求9所述的固态电开关，其特征是进一步包括至少一个有声响应电路来对接触到触摸电极的外部动因提供听得见的声音。
59.根据权利要求58所述的固态电开关，其特征是所述的有声响应电路包括至少一个齐纳二极管和至少一个压电扬声器元件，所述的齐纳二极管与所述的压电扬声器串联后接到整流器的输出端口与地之间。
60.根据权利要求24所述的固态电开关，其特征是所述的第二电容器是由至少一个电解电容器和至少一个无极电容器并联而成。
61.根据权利要求9所述的固态电开关，其特征是所述的触摸电极可以以平面、斜面安装在安装板上。
62.根据权利要求9所述的固态电开关，其特征是所述的触摸电极是第一种颜色，并触摸电极被安装在具有第二种颜色的安装板上，第二种颜色不同于第一种颜色。
63.根据权利要求20所述的固态电开关，其特征是进一步包括至少一个第二触摸电极，电耦合到所述的控制电路，所述的外部动因与触摸电极接触，触摸电极就提供第二电信号。
64.根据权利要求63所述的固态电开关，其特征是所述的第一和第二触摸电极具有不同的触摸感觉或颜色来区别。
65.根据权利要求63所述的固态电开关，其特征是进一步包括至少一个有声响应电路，产生出不同的声音来指示哪一个是第一触摸电极，哪一个是第二触摸电极，触摸电极是由所述的外部动因来接触。
66.根据权利要求63所述的固态电开关，其特征是所述的第一和第二电极都同时被所述的外部动因接触时，所述的半导体开关就关断。
67.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是所述的半导体开关具有初始启动保持关断的模式。
68.根据权利要求1所述的固态电开关，其特征是进一步包括至少一个耦合到所述的控制电路的光耦合电路，当其接收一个输入信号时，所述的光耦合电路提供给所述的控制电路一个相当于所述的输入信号的光隔离输出信号，在接收所述的光隔离输出信号时，所述的控制电路提供所述的控制信号，从而使所述的半导体开关导通。
69.一种多点随机控制系统，其特征是一个二端固态电开关与至少一个负载电路串联耦合在一个交流电源输出的第一线和所述的交流电源输出的第二线之间，所述的固态电开关响应所述的第一和第二控制信号，当所述的第一控制信号被接收到，所述的固态电开关成为导通，当所述的第二控制信号被接收到时，所述的固态电开关就成为关断；至少一个光耦合器耦合到所述的固态电开关，提供所述的第一和第二控制信号，所述的光耦合器从信号总线接收第一和第二电信号，并提供所述的第一和第二控制信号，光隔离输出信号代表所述的第一和第二电信号；并许多装置都接到所述的控制总线上，每一个装置都能够是所述的第一和第二电信号的输出信号。
70.根据权利要求69所述的多点随机控制系统，其特征是所述的信号总线包括至少一个相应于所述的第一和第二电信号的公共地。
71.根据权利要求69所述的多点随机控制系统，其特征是所述的信号总线提供分别的公共地，相应于所述的第一或第二电信号。
72.一种初始化电路，其特征是具有至少一个电容器，所述的初始化电路有一个充电时间常数和一个放电时间常数，所述的充电时间常数短于所述的放电时间常数，所述的初始化电路是一个电子电路，如象当所述的电子电路是在第一工作模式时，所述的电容器按照所述的充电时间常数充电，又如当所述的工作模式被中断，所述的电容器就按放电时间常数放电，从而保存所述的工作模式的记忆。
73.根据权利要求72所述的初始化电路，其特征是所述的初始化电路进一步包括一个第二放电时间常数，该第二放电时间常数比所述的第一放电时间常数短，所述的第二放电时间常数提供所述的电容器的放电，以使所述的初始化电路复位到所述的工作模式。
74.根据权利要求72所述的初始化电路，其特征是包括至少一个二极管；至少一个并联在所述的二极管的阴极与地端口之间的电容器；并至少一个并联在所述的二极管阴极与其地端口之间的电阻器。
75.根据权利要求74所述的初始化电路，所述的电容器是由至少一个电解电容器和至少一个无极性电容器并联。
76.一种为控制电负载提供一个固态电开关的方法，其特征是将一个半导体开关通过所述的第一端口和第二端口与所述的电负载相串联后跨接到所述的交流电源之上；提供控制信号在所述的半导体开关的一个控制端口，使所述的半导体开关成为导通，来响应所述的控制信号，所述的固态电开关在所述的半导体开关导通时处于“开”态，在所述的半导体开关断开时处于“关”态；并在控制电路中产生所述的控制信号，所述的控制电路被耦合到所述的半导体开关的所述的第一和第二端口，所述的控制电路与所述的半导体开关呈并联结构。
77.根据权利要求76所述的方法，其特征是所提供的所述的控制电路在“关”态期间，实际上不吸收电流。
78.根据权利要求76所述的方法，其特征是进一步包含通过所述的第一和第二端口提供所述的控制电路。
79.根据权利要求76所述的方法，其特征是在所述的控制电路中提供一个动态反馈电路，所述的动态反馈电路，通过在交流电源的每半个周期开始时，形成所述的控制信号触发所述的半导体开关使之进入导通状态。
80.根据权利要求76所述的方法，其特征是在所述的控制电路中只包含固态静止元件。
81.根据权利要求76所述的方法，其特征是进一步包括产生所述的控制信号的步骤将所述的交流输出口接收到的交流信号整流为整流信号；当所述的开关装置不导通时，所述的整流信号给电容器充电；来提供所述的控制信号，使所述的开关装置导通；和为响应一个电信号产生一个低阻通路跨接在所述的电容器上，所述的低阻通路使所述的电容器放电，允许所述的整流信号提供所述的控制信号。
82.根据权利要求76所述的方法，其特征是由所述的外部动因接触触摸电极来提供电信号，即，通过所述的外部动因的阻抗产生其电信号。
83.根据权利要求82所述的方法，其特征是其电信号由产生于空间电磁场和其阻抗的相互作用的互补合成效应。
84.根据权利要求82所述的方法，其特征是所述的阻抗主要是电阻性。
85.根据权利要求82所述的方法，其特征是所述的阻抗主要是电容性。
86.根据权利要求82所述的方法，其特征是所述的电信号由所述的外部动因从环境接收的空间电磁场而产生。
87.一种提供一个将交流电源传送到负载的固态电开关的方法，其特征是提供一个与所述的负载串联耦合的半导体开关电路，所述的半导体电路当由在控制端口接收到的触发信号触发时，进入导通状态，当遇到预定状态的条件，就进入关断状态；并提供一个反馈电路，所述的反馈电路提供所述的触发信号，以响应所述的半导体开关的断开状态。
88.根据权利要求87所述的方法，其特征是当所述的交流电源的交流电压信号过零时，预置电路产生动作。
89.根据权利要求87所述的方法，其特征是在所述的反馈电路中，一个电容器耦合在所述的半导体开关的输入端口和所述的控制端口之间，当所述的半导体开关进入关断状态时，所述的交流电源对所述的电容器提供充电电流，于是对所述的半导体开关提供所述的触发信号。
90.根据权利要求87所述的方法，其特征是进一步包括提供一个触发电路，该触发电路提供触发信号以响应外部的触摸操作；并提供一个初始化电路，来响应其触发信号，耦合在控制端和地参考点之间，所述的初始化电路具有第一和第二状态，所述的初始化电路阻止所述的触发信号在所述的第一状态时接到所述的控制端口，让所述的触发信号在所述的第二状态时达到所述的控制端口，所述的初始化电路在接收所述的触发信号时从所述的第一状态转换到所述的第二状态。
91.根据权利要求90所述的方法，其特征是所述的初始化电路响应一个迟钝信号，导致所述的初始化电路，从所述的第二状态转换到所述的第一状态，所述的方法进一步包括提供一个钝化电路，响应第二外部刺激来提供所述的迟钝信号。
92.根据权利要求90所述的方法，其特征是提供所述的反馈电路，这样当所述的初始化电路处于所述的第一状态时，所述的反馈电路实际上不导电。
93.根据权利要求90所述的方法，其特征是提供所述的触发电路，这样当其没有外部触摸时，所述的触发电路实际上不导电，使所述的固态开关不响应。
94.根据权利要求91所述的方法，其特征是提供一种钝化电路，这样当有不足够的外部刺激时，所述的触发电路实际上不导电，使所述的固态开关不响应。
95.根据权利要求90所述的方法，其特征是进一步包括提供至少一个单向可控硅SCR控制的桥式整流器电路，该电路跨接在所述的半导体开关上，所述的SCR控制的整流器在所述的初始化电路处于所述的第一状态时根本不导电。
96.根据权利要求90所述的方法，其特征是进一步包括至少一个蜂鸣电路，响应所述的触发信号，来提供一个听得见的声音。
97.根据权利要求96所述的方法，其特征是提供所述的蜂鸣电路，当没有所述的触发信号时，其蜂鸣电路根本不导电。
98.一种固态开关检测出当外部动因接触触摸电极时所产生触发信号的方法，其特征是包括检测出在触摸电极与地之间的所述的外部动因的阻性触发信号分量；检测出在触摸电极与地之间的所述的外部动因的电抗触发信号分量；检测出由杂散电磁场加于所述的外部动因的感生信号源触发信号分量；并提供至少一个增益电路，包括一个耦合到所述的触摸电极的控制端口，所述的增益电路在一个或更多个所述的阻性触发信号分量、电抗触发信号分量或所述的感生信号源触发信号分量或它们的合成信号超过一定值时，就提供一个输出信号。
99.根据权利要求98所述的方法，其特征是其触发信号是由以下方式提供至少一个与所述的触摸电极串联的电阻器；至少一个耦合在所述的电阻器和一个参考地之间的电容器，和至少一个以反向偏置反并联结构耦合在所述的增益电路的信号输入端的二极管。
100.一种过流触发电路，其特征是包括一个与负载串联的半导体开关，所述的半导体开关具有一个导通状态和一个断开状态；一个耦合到所述的半导体开关上的控制电路，所述的控制电路接收所述的控制信号，所述的控制信号使所述的控制电路进入断开状态；一个与所述的半导体开关耦合的电流检测器，提供一个指示信号，指示所述的半导体开关中的电流；一个为整流所述的指示信号的整流器；一个接收所述的整流电流信号的门限电路当所述的整流指示器信号超过预定值时，提供所述的控制信号。
101.根据权利要求100所述的过流触发电路，其特征是所述的电流检测器，包括至少一个电流互感器。
102.根据权利要求100所述的过流触发电路，其特征是所述的整流器包括至少一个半波整流器。
103.根据权利要求100所述的过流触发电路，其特征是所述的整流器包括至少一个全波整流器。
104.根据权利要求100所述的过流触发电路，其特征是所述的整流器进一步包括至少一个限制所述的整流信号的稳定器。
105.根据权利要求104所述的过流触发电路，其特征是所述的稳定器包括至少一个齐纳二极管。
106.根据权利要求100所述的过流触发电路，其特征是进一步包括至少一个为所述的指示信号的倍压电路。
107.根据权利要求100所述的过流触发电路，其特征是进一步包括至少一个对所述的半导体开关的温度敏感的自动补偿电路。
108.根据权利要求107所述的过流触发电路，其特征是所述的温度自动补偿电路也对稳定半导体开关的环境敏感。
109.根据权利要求107所述的过流触发电路，其特征是所述的温度自动补偿电路包括至少一个热敏电阻。
110.根据权利要求107所述的过流触发电路，其特征是所述的温度自动补偿电路包括至少一个硅二极管，该硅二极管具有一个负温度系数，这样，当温度较高时，所述的预定值就更低。
111.一种提供一个与负载串联后与交流电源输出相连的固态开关的方法，其特征是包括提供一个与所述的负载串联的半导体开关，所述的半导体开关在所述的控制端口接收触发信号时成为导通，在所述的交流电源的交流信号过零时，成为关断；提供一个为整流所述的交流信号的整流器；提供接收所述的整流信号的第一电容器，所述的第一电容器连接在所述的整流器和所述的控制信号之间；提供包含至少一个二极管和第二电容器的初始化电路，所述的第二电容器是接在所述的控制端口与地参考点之间，所述的第二电容器的容量大于所述的第一电容器；并所述的第二电容器在初始时刻提供放空状态，当所述的整流信号通过所述的二极管和所述的第二电容器旁路到地参考点，而所述的整流信号使所述的第一电容器充电到充满状态，从而不产生所述的触发信号。
112.根据权利要求111所述的方法，其特征是进一步提供至少一个敏感电路，当至少一个外部动因接触到所述的固态开关的至少一个输入端口时，这个敏感电路就提供至少一个电信号；提供至少一个放电通路，在所述的半导体开关导通时，使所述的第一电容器放电；并在接收所述的电信号时，通过所述的二极管使所述的第二电容器充电到充了电的状态，这样当所述的整流信号使所述的第一电容器充电时，其充电产生在所述的控制端口，所述的触发信号到达所述的半导体开关；所述的半导体开关成为导通，提供所述的放电通路来使所述的第一电容器放电，这样产生反馈过程，再次产生所述的触发信号。
113.一种提供一个具有内部过电压保护的固态电开关的方法，其特征是包括提供一个与负载串联的半导体开关，所述的半导体开关当被在控制端口接收到的控制信号触发时进入导通，当遇到至少一个预置电路情况时，进入关断状态，在导通后在开关两端上的电压降落远远低于负载两端的电压降落；并提供一个反馈电路，该所述的反馈电路当跨接在所述的半导开关电路的电压超过预置值时，提供所述的触发信号，所述的反馈电路由内装锁定电路提供，这样，一旦提供所述的触发信号，所述的反馈电路继续对维持所述的导通状态中的所述的半导体开关电路提供所述的触发信号。
114.一种触摸敏感电路，其特征是包括至少一个具有提供给外部动因接触的触摸电极板；和至少一个敏感电路，包括(a)至少一个以串联形式与触摸电极板耦合的电阻器；(b)至少一个耦合在所述的电阻器和参考点之间的电容器；(c)至少一个具有基极接头的双极晶体管，耦合在至少一个所述的电容器上；(d)以及至少一个以反并联形式耦合在所述的基极和发射极之间的二极管。
全文摘要
一种两端固态电开关,如传统机械接触开关与负载串联。它“关”态不漏电,“开”态以动态脉冲模式运作,无需电源维持。无机械和触点,无火花电弧或机械噪声,可直接取代机械接触开关,控制多种装置,构成静态开关。特别用于防火防爆、防水防潮、防腐防锈、防尘防震、频繁操作等场合。另,一种初始化电路,当电源中断时,具有状态记忆与自动重设功能,防止危及生命财产的事故。一种多点随机遥控开关/继电器,广泛用于工业等场合。
文档编号H03K17/00GK1272001SQ0010569
公开日2000年11月1日 申请日期2000年4月18日 优先权日1999年4月22日
发明者刘忠笃 申请人:刘忠笃