一种基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器的制作方法

1.本实用新型涉及智能开关技术领域，尤其涉及一种基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器。


背景技术：

2.单火取电是指在单火线上取出设备工作所需的用电；目前单火取电大部分是基于继电器、电子开关或者mosfet管来实现的。为了取出足够的电能来供应设备，必须分为开负载态和关负载态两种情况；开负载态属于低压取电，关负载态属于高压取电，因此电路器件多，成本高。
3.同时，目前单火取电的电压都在12v～15v左右，单线取电电压较高常引起严重的emi问题，造成电磁传导测试超标；特别地，如果采用可控硅，则传导干扰会更加的突出。为了解决这些emi问题，一种方案是在开关器件选型上，开关速率上做严格的要求，实现难度高；另一种方案是增加电感等传导干扰抑制电路，由于要求的电感值较高、载流大，会增加产品成本和体积。并且，由于单火取电开关器件的工作电流大，单火取电的电压越高则开关损耗越大，导致发热越大。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器，以解决现有为避免单线取电电压较高的emi问题、通过增加传导干扰抑制电路导致增加产品成本和体积的问题。
5.本实用新型实施例提供一种基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器，连接负载、火线和零线，其特征在于，包括开关电路、控制电路、自举电源电路和外围电路；所述开关电路连接火线的输入端、控制电路、自举电源电路和外围电路；控制电路连接自举电源电路，外围电路连接负载和零线的输入端；
6.所述自举电源电路采集开关电路中双向可控硅的控制极的电压并升压，输出电源电压给控制电路供电；控制电路根据开关操作控制开关电路的开关状态，外围电路根据开关电路开关时产生的开关控制信号控制负载的开关。
7.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述开关电路包括接线柱、第一双向可控硅、第一tvs管和第二tvs管；
8.所述接线柱的第2脚连接火线的输入端、第一tvs管的一端、第二tvs管的一端、第一双向可控硅的t1极和控制电路；接线柱的第1脚连接外围电路、第一tvs管的另一端、第二tvs管的另一端、第一双向可控硅的t2极和自举电源电路；第一双向可控硅的g极连接自举电源电路、控制电路和地。
9.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述控制电路包括高压控制单元、负波低压驱动单元、正波低压驱动单元和开关信号输入单元；所述负波低压驱动单元连接高压控制单元、开关信号输入单元和自举电源电路；正波低压驱动单元连
接高压控制单元、开关信号输入单元和自举电源电路；高压控制单元连接开关管电路；
10.所述开关信号输入单元根据开关操作输出对应的开关信号；
11.所述负波低压驱动单元检测到开关信号的下降沿时，控制高压控制单元截断交流电的负波部分并持续预设时间；
12.所述正波低压驱动单元检测到开关信号的上升沿时，控制高压控制单元截断交流电的正波部分并持续预设时间。
13.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述高压控制单元包括第二双向可控硅、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一光耦和第二光耦；
14.所述第二双向可控硅的t1极连接第一二极管的负极、第二二极管的正极和第一双向可控硅的t1极；第二双向可控硅的t2极连接第一双向可控硅的g极和地；第二双向可控硅的g极连接第三二极管的负极、第四二极管的负极、第二光耦的第4脚和第一光耦的第4脚；第一二极管的正极连接第三二极管的正极和第二光耦的第6脚，第二二极管的负极连接第四二极管的负极和第一光耦的第6脚，第二光耦的第1脚连接负波低压驱动单元，第二光耦的第3脚接地，第一光耦的第1脚和第3脚均连接正波低压驱动单元。
15.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述负波低压驱动单元包括第一开关管、第一电阻、第二电阻、第五二极管和第一电容；
16.所述第一开关管的漏极通过第一电阻连接第二光耦的第1脚；第一开关管的栅极连接第五二极管的正极、第二电阻的一端和第一电容的一端；第一开关管的源极连接第五二极管的负极、第二电阻的另一端和电源端；第一电容的另一端连接开关信号输入单元。
17.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述正波低压驱动单元包括第二开关管、第三电阻、第四电阻、第六二极管和第二电容；
18.所述第三电阻连接在电源端与第一光耦的第1脚之间，第二开关管的漏极连接第一光耦的第3脚；第二开关管的栅极连接第六二极管的负极、第四电阻的一端和第二电容的一端；第二开关管的源极、第六二极管的正极和第四电阻的另一端均接地；第二电容的另一端连接开关信号输入单元。
19.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述开关信号输入单元包括机械开关、第五电阻和第七二极管，所述第五电阻的一端连接第七二极管的负极、机械开关的一端、第一电容的另一端和第二电容的另一端；第五电阻的另一端连接电源端，第七二极管的正极接地，机械开关的另一端接地。
20.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述自举电源电路包括第八二极管、第九二极管、第十二极管、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、第七电容和第八电容；
21.所述第三电容的一端连接第八二极管的第1脚、第二双向可控硅的t2极、第一双向可控硅的g极和地；第三电容的另一端连接第八二极管的第2脚、第九二极管的第1脚和第四电容的一端；第四电容的另一端连接第九二极管的第2脚、第十二极管的第1脚和第五电容的一端；第五电容的另一端是电源端，连接第十二极管的第2脚；第六电容的一端连接第一双向可控硅的t2极，第六电容的另一端连接第八二极管的第3脚和第七电容的一端，第七电容的另一端连接第九二极管的第3脚和第八电容的一端，第八电容的另一端连接第十二极
管的第3脚。
22.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述自举电源电路还包括第十一二极管和第九电容，所述第十一二极管的负极连接第五电容的另一端和第九电容的一端，第十一二极管的正极和第九电容的另一端均接地。
23.可选地，所述的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器中，所述外围电路包括一智能继电器，所述智能继电器的一n脚连接零线的输入端，智能继电器的另一n脚连接负载的负极，智能继电器的l脚连接接线柱的第1脚，智能继电器的lout脚连接负载的正极。
24.本实用新型实施例提供的技术方案中，基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器包括开关电路、控制电路、自举电源电路和外围电路；所述开关电路连接火线的输入端、控制电路、自举电源电路和外围电路；控制电路连接自举电源电路，外围电路连接负载和零线的输入端；所述自举电源电路采集开关电路中双向可控硅的控制极的电压并升压，输出电源电压给控制电路供电；控制电路根据开关操作控制开关电路的开关状态，外围电路根据开关电路开关时产生的开关控制信号控制负载的开关。通过采集双向可控硅的控制极的电压，双向可控硅导通角几乎与双向可控硅的过零重合，这样可使电流突变降到最低，在不用emi抑制器件的情况下也可以满足emi的传导干扰限制要求，节省了现有的传导干扰抑制电路器件，节省成本，还缩减了产品体积。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例中基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器的结构框图。
26.图2为本实用新型实施例中开关信号发生器的一部分电路示意图。
27.图3为本实用新型实施例中开关信号发生器的另一部分电路示意图。
具体实施方式
28.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.请同时参阅图1、图2和图3，本实用新型实施例提供的基于可控硅超低压自举单火取电220v交流的开关信号发生器，外接负载(本实施例为灯具)、火线和零线，相当于串联在交流电路上，对流过开关信号发生器的交流电信号进行调制。所述开关信号发生器包括开关电路10、控制电路20、自举电源电路30和外围电路40；所述开关电路10连接火线的输入端l_in、控制电路20、自举电源电路30和外围电路40；控制电路20连接自举电源电路30，外围电路40连接负载和零线的输入端n_in。
30.所述自举电源电路30采集开关电路10中双向可控硅的控制极的电压并升压，输出电源电压vcc_3v3给控制电路20供电。控制电路20根据开关操作控制开关电路10的开关状态(打开状态时开关电路截断交流电的正波，关闭状态时开关电路截断交流电的负波)。外围电路40根据开关电路10开关时产生的开关控制信号lout控制负载的开关(即检测到交流电的负波被截掉一部分则控制负载关闭，检测到交流电的正波被截掉一部分则控制负载打
开)。
31.请一并参阅图2，所述开关电路10包括接线柱j1、第一双向可控硅dq1、第一tvs管z1和第二tvs管z2；所述接线柱j1的第2脚连接室内电力火线l的输入端l_in、第一tvs管z1的一端、第二tvs管z2的一端、第一双向可控硅dq1的t1极和控制电路20；接线柱j1的第1脚连接外围电路40、第一tvs管z1的另一端、第二tvs管z2的另一端、第一双向可控硅dq1的t2极和自举电源电路30；第一双向可控硅dq1的g极连接自举电源电路30、控制电路20和地。
32.其中，第一双向可控硅dq1是核心开关器件，为12a的双向可控硅，用于导通和断开火线电力传输，导通时火线l接入外围电路，断开时火线l与外围电路之间断开连接。第一tvs管z1和第二tvs管z2为400w的tvs管，用于保护第一双向可控硅dq1在开关过程中不会过压和误触发。
33.所述开关电路10除了具有开关功能，还是自举电源电路30的电源输入端。开关电路10在上电工作时会输出一个0.5v交流信号的电压，此电压取自开关电路10中第一双向可控硅dq1的g极(控制极)上。该电压通过自举电源电路30升压至2.4v～3.6v电压范围，这样即可给控制电路20中的负波低压驱动单元220、正波低压驱动单元230和开关信号输入单元240供电。当灯具功率较大，电流较大时流过，第一双向可控硅dq1会产生很高的发热；若要降低热量只有极可能的降低开启电压，因此，通过选取第一双向可控硅dq1的g极的电压来作为开启电压，0.5v的开启电压下可控硅的发热可明显降低。
34.请一并参阅图3，所述控制电路20包括高压控制单元210、负波低压驱动单元220、正波低压驱动单元230和开关信号输入单元240；所述负波低压驱动单元220连接高压控制单元210、开关信号输入单元240和自举电源电路30；正波低压驱动单元230连接高压控制单元210、开关信号输入单元240和自举电源电路30；高压控制单元210连接开关管电路10。所述开关信号输入单元240根据开关操作输出对应的开关信号k_in；负波低压驱动单元220检测到开关信号k_in的下降沿时，控制高压控制单元210截断交流电的负波部分并持续预设时间；正波低压驱动单元230检测到开关信号k_in的上升沿时，控制高压控制单元210截断交流电的正波部分并持续预设时间。截断负波和正波所持续的预设时间决定了正负波被截掉的一部分的多少。
35.所述高压控制单元210主要实现高压端的开关控制，其包括第二双向可控硅dq2、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第一光耦u1和第二光耦u2；所述第二双向可控硅dq2的t1极连接第一二极管d1的负极、第二二极管d2的正极和第一双向可控硅dq1的t1极；第二双向可控硅dq2的t2极连接第一双向可控硅dq1的g极和地；第二双向可控硅dq2的g极连接第三二极管d3的负极、第四二极管d4的负极、第二光耦u2的第4脚和第一光耦u1的第4脚；第一二极管d1的正极连接第三二极管d3的正极和第二光耦u2的第6脚，第二二极管d2的负极连接第四二极管d4的负极和第一光耦u1的第6脚，第二光耦u2的第1脚连接负波低压驱动单元220，第二光耦u2的第3脚接地，第一光耦u1的第1脚和第3脚均连接正波低压驱动单元230。
36.其中，第一光耦u1和第二光耦u2为440v的常闭型(被驱动时断开)的双向可控硅光耦，型号优选为tlp265j或tlp266j。第二双向可控硅dq2主要起到电流放大的作用，对第二光耦u2输出的电流进一步放大，这样才能驱动第一双向可控硅dq1；同时，由于第二双向可控硅dq2的瞬态过载能力较好，可保护第二光耦u2避免过流损坏。本实施例中，当机械开关
k1被按下闭合时，其产生的开关信号k_in的下降沿经过驱动单元后，可使第一双向可控硅dq1截断交流电的负波部分一段时间，从而产生负波。当机械开关k1再被按下则断开，产生的开关信号k_in的上升沿经过驱动单元后，可使第一双向可控硅dq1截断交流电的正波部分一段时间，从而产生正波。为此，第一二极管d1、第三二极管d3和第二光耦u2组成的单元用于控制正弦波的负波的开关，即只能对负波进行开关。第二二极管d2、第四二极管d4和第一光耦u1组成的单元用于控制正弦波的正波的开关，即只能对正波进行开关。第三二极管d3和第四二极管d4是330v的稳压管，用于对第一光耦u1和第二光耦u2进行过压保护。
37.所述负波低压驱动单元220主要是负波开关的低压端光耦驱动，其包括第一开关管q1、第一电阻r1、第二电阻r2、第五二极管d5和第一电容c1；所述第一开关管q1的漏极通过第一电阻r1连接第二光耦u2的第1脚；第一开关管q1的栅极连接第五二极管d5的正极、第二电阻r2的一端和第一电容c1的一端；第一开关管q1的源极连接第五二极管d5的负极、第二电阻r2的另一端和电源端(输入电源电压vcc_3v3)；第一电容c1的另一端连接开关信号输入单元240。
38.其中，第一开关管q1为pmos管，根据开关信号输入单元240输出的开关信号的高低电平来控制第一开关管q1的通断状态，从而驱动第二光耦u2，具体为：开关信号k_in为低电平(对应负波，在开关信号k_in的下降沿的电压低至导通所需的低压值时导通)时，q1导通，将电源端与第二光耦u2的第1脚连接，第二光耦u2被驱动而断开；开关信号k_in为高电平时，q1截止，第二光耦u2闭合。第一电阻r1用于限流来保护第二光耦u2。
39.所述正波低压驱动单元230主要是正波开关的低压端光耦驱动，其包括第二开关管q2、第三电阻r3、第四电阻r4、第六二极管d6和第二电容c2；所述第三电阻r3连接在电源端与第一光耦u1的第1脚之间，第二开关管q2的漏极连接第一光耦u1的第3脚；第二开关管q2的栅极连接第六二极管d6的负极、第四电阻r4的一端和第二电容c2的一端；第二开关管q2的源极、第六二极管d6的正极和第四电阻r4的另一端均接地；第二电容c2的另一端连接开关信号输入单元240。
40.其中，第二开关管q2为nmos管，根据开关信号k_in的高低电平来控制第二开关管q2的通断状态，从而驱动第一光耦u1，具体为：开关信号k_in为高电平(对应正波，在开关信号k_in的上升沿的电压高至导通所需的高压值时导通)时，q2导通，将第一光耦u1的第3脚接地，第一光耦u1导通从而被驱动；开关信号k_in为低电平时，q2截止，第一光耦u1闭合。第三电阻r3用于限流来保护第一光耦u1。
41.负波低压驱动单元220和正波低压驱动单元230不会同时工作，在负波时第二光耦u2工作，在正波时第一光耦u1工作。
42.所述开关信号输入单元240包括机械开关k1、第五电阻r5和第七二极管d7，所述第五电阻r5的一端连接第七二极管d7的负极、机械开关k1的一端、第一电容c1的另一端和第二电容c2的另一端；第五电阻r5的另一端连接电源端，第七二极管d7的正极接地，机械开关k1的另一端接地。
43.其中，机械开关k1的面板被按压时，输出对应的开关信号k_in，其为一脉冲信号，负波低压驱动单元220对开关信号k_in的下降沿进行响应，正波低压驱动单元230对开关信号k_in的上升沿进行响应。
44.请继续参阅图2，所述自举电源电路30包括第八二极管d8、第九二极管d9、第十二
极管d10、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第六电容c6、第七电容c7和第八电容c8；所述第三电容c3的一端连接第八二极管d8的第1脚、第二双向可控硅dq2的t2极、第一双向可控硅dq1的g极和地；第三电容c3的另一端连接第八二极管d8的第2脚、第九二极管d9的第1脚和第四电容c4的一端；第四电容c4的另一端连接第九二极管d9的第2脚、第十二极管d10的第1脚和第五电容c5的一端；第五电容c5的另一端是电源端，连接第十二极管d10的第2脚；第六电容c6的一端连接第一双向可控硅dq1的t2极，第六电容c6的另一端连接第八二极管d8的第3脚和第七电容c7的一端，第七电容c7的另一端连接第九二极管d9的第3脚和第八电容c8的一端，第八电容c8的另一端连接第十二极管d10的第3脚。
45.其中，d8、d9和d10是由两个二极管采用sot23封装得到的器件，c3、c6和d8组成第一级自举升压，c4、c7和d9组成第二级升压，c5、c8和d10组成第三级升压；则自举电源电路30是三级自举升压，升压倍数为6倍升压，可将第一双向可控硅dq1的g极的0.5v电压(图2中虽然接地，但接地是系统直流电压的地，电压参考点不同，dq1两端的输出级上有0.5v的正弦波电压)升压至2.4v～3.6v。由于第一双向可控硅dq1器件本身的差异性和温度影响，电源端输出的电源电压vcc_3v3为一范围值。由于本电路的取电电流(即0.5v对应的电流)较小，第八二极管d8、第九二极管d9和第十二极管d10为只需低电流的低压降二极管，需要将极低电压(0.5v)升压，因此低压降二极管本身的电压必须要小，如最低压降可以在0.1v-0.2v以内，以减少升压过程中的电压损耗，避免过多的电压损耗，以达到超低电压取电的要求。
46.优选地，所述自举电源电路30还包括第十一二极管d11和第九电容c9，所述第十一二极管d11的负极连接第五电容c5的另一端和第九电容c9的一端，第十一二极管d11的正极和第九电容c9的另一端均接地。
47.其中，第十一二极管d11是稳压管，用于稳压，以便保护自举电源电路30出现异常导致的过压，第九电容c9用于对电源电压vcc_3v3进行滤波。第三电容c3至第八电容c8是330uf 6.3v的电解电容，每个电解电容的容值需要配合第九电容c9(1000uf 6.3v)来调整，每个电解电容的容值与c9的比例约为1:3。比例过小则输出的电源电压不稳定，过大则自举电源电路30无法有效的升压。
48.所述外围电路40包括一智能继电器s，所述智能继电器s的一n脚连接零线n的输入端n_in，智能继电器s的另一n脚连接负载的负极，智能继电器s的l脚连接接线柱j1的第1脚，智能继电器s的lout脚连接负载的正极。
49.其中，所述智能继电器s的型号优选为srb01，其可以根据第一双向可控硅dq1输出的开关控制信号lout来响应执行负载(此处为灯具)的开关。
50.以负载为灯具为例，所述开关信号发生器的工作原理为：
51.上电后，自举电源电路30将第一双向可控硅dq1的g极(即控制极)上的交流电压自举升压至3.3v～3.6v的电源电压vcc_3v3。电源电压vcc_3v3稳定后，当机械开关k1被按下闭合时，开关信号k_in的低电平控制第一开关管q1导通、从而驱动第二光耦u2。第二光耦u2正常是常闭的，当被驱动时则会断开，则第二双向可控硅dq2也会断开，由于d1和d2是整流二极管，u2只能控制截断交流电的负波，进一步控制第一双向可控硅dq1截断交流电负波一段时间。智能继电器s检测到在交流电回路上的交流电的负波被截掉一部分则控制灯具关灯。
52.当机械开关k1再被按下断开时，开关信号k_in的高电平控制第二开关管q2导通、从而驱动第一光耦u1。第一光耦u1正常是常闭的，当被驱动时则会断开，则第二双向可控硅dq2也会断开，由于u1只能控制截断交流电的正波，进一步控制第一双向可控硅dq1截断交流电正波一段时间。智能继电器s1检测到在交流电回路上的交流电的正波被截掉一部分则控制灯具开灯。
53.综上所述，本实用新型提供的基于可控硅自举单火取电的开关信号发生器，通过采集第一双向可控硅的g极(即控制极)的电压(此电压极低)，双向可控硅导通角几乎与双向可控硅的过零重合，这样可使电流突变降到最低，在不用emi(电磁干扰)抑制器件的情况下也可以满足emi的传导干扰限制要求，节省了传导干扰抑制电路器件，节省成本，缩减了产品体积。
54.同时，由于第一双向可控硅的g极的取电电压极低，第一双向可控硅几乎是过零就导通，因此开关损耗很低，发热低，无需加很大的散热装置(现有技术的散热装置通常扣在可控硅芯片上)，可将产品尺寸做的极小。
55.另外，本实施例采用的都是通用器件，无特殊限制要求，方便生产。无论是开灯还是关灯都处于极低电压取电，无需高压取电的电子器件，电路器件用量少，成本低。
56.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。