具备自动调光功能的红外线电开关的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具备自动调光功能的红外线电开关，此红外线电开关用于控制负载及电源之间的导通率，且此红外线电开关包括有可控半导体开关元件、红外光传感器以及微控制器。可控半导体开关元件电性连接于负载与电源之间。红外光传感器输出红外光感测信号。微控制器电性连接于可控半导体开关元件与红外光传感器之间，此微控制器依据此红外光感测信号，据以控制可控半导体开关元件的截止与导通。其中，于可控半导体开关元件导通时，微控制器依据红外光感测信号的时间长度，据以控制电源供应至负载的电功率大小。
【专利说明】具备自动调光功能的红外线电开关
【技术领域】
[0001]本发明有关于一种红外线电开关，且特别是有关于一种具备自动调光功能的红外线电开关。
【背景技术】
[0002]机械式电开关是基于两片导电金属的接合或分离，分别产生短路或开路。此种机械式电开关通常是以手动接触来进行操作，且于开关接合时，由于瞬间的大电流会产生火花或电弧，故不适用在有气爆疑虑的空间。
[0003]然而，可控半导体开关元件，例如，双向可控三极管(Triac)，在导通时，其两个输出电极的电压差接近零电压，而在截止时，流过该两个电极的电流接近零电流。因此，固态电子电开关利用上述双向可控三极管的电特性，并通过触发电路据以控制双向可控三极管的导通或断电。由于固态电子电开关的效能类似于机械式电开关，但是固态电子电开关的主要电流的通道由于没有机械式的接合，故可以避免火花或电弧的产生。
[0004]现有的固态电子电开关有多种的实施技术，例如专利US4，322，637中所揭示的一种以光耦合元件触发双向可控三极管导通的技术，或者是例如专利US6，285，140B1中所揭示的一种微控制器(microcontroller unit,MCU)结合过零点检测器的技术,并由微控制器产生与交流电源同步的触发信号，以控制双向可控三极管的导通，传输电功率到发光二极管。然而，上述的固态电子电开关基本上只作为负载及交流电源之间的短路或开路连接。
[0005]除此之外，无论是机械式电开关或固态电子电开关，通常设置有弹簧按键，并通过手按下上述的按键来变换导通或断电状态。然而，在很多的工作场合，例如，厨房或医院的工作台，因为手沾污而不适宜直接碰触电开关。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种红外线电开关，此红外线电开关以光学感应方式切换开/关及调变光源亮度，并至少包括一组红外光传感器，一组微控制器及一个可控半导体开关元件，其中可控半导体开关元件串联负载并且连接到电源。
[0007]本发明实施例提供一种红外线电开关，此红外线电开关连接于负载及电源之间，并用于控制负载及电源之间的导通率。此红外线电开关包括有可控半导体开关元件、红外光传感器以及微控制器。可控半导体开关元件电性连接于负载与电源之间。红外光传感器依据实体是否进入红外光传感器的感测范围，据以输出红外光感测信号。微控制器电性连接于可控半导体开关元件与红外光传感器之间，此微控制器依据此上述的红外光感测信号，据以控制可控半导体开关元件的截止与导通。其中，于可控半导体开关元件导通时，微控制器依据红外光感测信号的时间长度，据以控制电源供应至负载的电功率大小。
[0008]本发明实施例提供一种红外线电开关，此红外线电开关连接于负载及直流电源之间，并用于控制负载及直流电源之间的导通率。此红外线电开关包括有单向可控半导体开关元件、红外光传感器以及微控制器。单向可控半导体开关元件电性连接于负载与直流电源之间。红外光传感器依据实体是否进入红外光传感器的感测范围，据以输出红外光感测信号。微控制器电性连接于单向可控半导体开关元件与红外光传感器之间，此微控制器依据上述的红外光感测信号，产生脉冲宽度调变电压信号，据以控制单向可控半导体开关元件的截止或导通。其中，于单向可控半导体开关元件导通时，微控制器依据红外光感测信号于低电位时的时间长度，据以控制直流电源供应至负载的电功率大小。
[0009]本发明实施例提供一种红外线电开关，此红外线电开关连接于负载及交流电源之间，并用于控制负载及交流电源之间的导通率。此红外线电开关包括多个继电器元件、红外光传感器以及微控制器。所述多个继电器元件互相并联，使得所述多个继电器电性连接于负载与交流电源之间。红外光传感器依据实体是否进入红外光传感器的感测范围，据以输出红外光感测信号。微控制器电性连接红外光传感器与所述多个继电器元件之间，此微控制器依据上述的红外光感测信号，产生零电位电压或高电位电压，据以分别控制所述多个继电器元件的开路或短路。
[0010]本发明实施例提供一种红外线电开关，此红外线电开关连接于负载及交流电源之间，并用于控制负载及交流电源之间的导通率。此红外线电开关包括双向可控半导体开关元件、红外光传感器、过零点检测器以及微控制器。双向可控半导体开关元件电性连接于负载与交流电源之间。红外光传感器依据实体是否进入红外光传感器的感测范围，据以输出红外光感测信号。过零点检测器电性连接交流电源。微控制器电性连接于红外光传感器、过零点检测器与双向可控半导体开关元件之间。此微控制器依据上述的红外光感测信号，产生零电位电压或过零点延时电压脉冲，据以控制双向可控半导体开关元件的截止或导通。其中，于双向可控半导体开关元件导通时，微控制器依据红外光感测信号于低电位时的时间长度，据以控制交流电源供应至负载的电功率大小。简言之，本发明的特征在于，以微控制器的程序解读红外光感测信号，构成一个使用者与电开关之间无接触的操作界面，以据以实施至少两种电开关的操作方式。
[0011]为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的红外线电开关运用在交流电源的方块图。
[0013]图2为本发明的红外线电开关运用在交流电源的电路实施示意图。
[0014]图3A为本发明的红外线电开关中的红外光传感器于实际操作时的示意图。
[0015]图3B为本发明的红外光感测信号的波形示意图。
[0016]图4为本发明的红外线电开关中的微控制器的程序的步骤流程图。
[0017]图5为本发明的红外线电开关于切换开/关模式中的红外线电开关于截止时的电压波形图。
[0018]图6为本发明的红外线电开关于切换开/关模式中的红外线电开关于导通时的电压波形图。
[0019]图7为本发明的红外线电开关在调变电功率模式中的红外线电开关的电压波形图。[0020]图8A为本发明的红外线电开关运用在直流电源的方块图。
[0021]图SB为本发明的脉冲宽度调变电压信号的电压波形图。
[0022]图9为本发明的红外线电开关运用在交流电源的另一方块图。
[0023]图10为本发明的红外线电开关应用在一般电器装置的实施示意图。
[0024]其中，附图标记说明如下:
[0025]1、I’、I”:红外线电开关;
[0026]11、11’、11”:红外光传感器;
[0027]110:计时器；
[0028]112、114:放大器；
[0029]PD:光敏二极管；
[0030]IR_LED:红外发光二极管；
[0031]12、12’、12”:微控制器；
[0032]13:过零点检测器；
[0033]14:双向可控半导体开关元件；
[0034]Tl:双向可控三极管；
[0035]14’:单向可控半导体开关元件；
[0036]15a、15b、15c:继电器；
[0037]16b、16c:阻抗；
[0038]2、2，、2”:负载；
[0039]2a?2g:—般电器装置；
[0040]3、3”:交流电源；
[0041]3’:直流电源；
[0042]Cl?C4:电容；
[0043]Dl?D3、Dz:二极管 Ml、M2、Ql:晶体管；
[0044]Rl?R15:电阻；
[0045]pin_l、pin_3、pin_10:针脚；
[0046]VDD:电压源；
[0047]H、L:电位信号；
[0048]Ts、T2:时间长度；
[0049]Tl:周期；
[0050]To:预设时间；
[0051]tD:时间延迟；
[0052]ton:导通时间；
[0053]S1?S10:步骤流程。
【具体实施方式】
[0054]可控半导体开关元件参阅图1，图1为本发明的红外线电开关运用在交流电源的方块图。如图1所示，红外线电开关I与负载2串联，且连接到交流电源3，以控制交流电源3传输电功率到负载2。此红外线电开关I至少包括一组红外光传感器11、一组微控制器(MCU) 12、过零点检测器13及一个双向可控半导体开关元件14。在图1中，红外光传感器11电性连接微控制器12的一支针脚，其用以传送红外光感测信号到微控制器12。过零点检测器13电性连接微控制器12的另一支针脚及交流电源3的一条导线，以产生与交流电源3同步的信号，并将上述的同步信号输入到微控制器12。微控制器12以另一支针脚电性连接到双向可控半导体开关元件14的控制电极，藉以传送电压脉冲来控制双向可控半导体开关元件14的电性状态。
[0055]红外光传感器11输出红外光感测信号到微控制器12，并经由微控制器中的写入程序解读此红外光感测信号之后，据以使微控制器12执行至少两种工作模式。
[0056]其中一种工作模式是切换开/关模式，微控制器12根据红外光传感器11送出的感测信号，使得微控制器12以交替方式，依序切换双向可控半导体开关元件14的导通及截止。此外，在此工作模式时，微控制器12通过输出电压脉冲信号，来触发双向可控半导体开关元件14的导通，并且传输定值电功率到负载2，或者是，微控制器12输出零电位电压，造成双向可控半导体开关元件14截止，停止传输电功率到负载2。
[0057]另一种工作模式是调变电功率模式，微控制器12依据过零点检测器13所输出的同步信号，据以产生与交流电源3同步的相位延时电压脉冲，并在交流电源3的正半周及负半周的适当时间点触发双向可控半导体开关元件14的导通，并且依据红外光传感器11所输出的红外光感测信号，连续改变双向可控半导体开关元件14的导通相位的大小，以传输不同的电功率到负载2。另外，前述及的两种工作模式，可以通过一个实体(例如为手、脚或躯干)伸入红外光传感器11的感测范围所产生红外光感测信号，来选择执行切换开/关模式或是调变电功率的模式。
[0058]配合图1，参阅图2。图2为本发明的红外线电开关运用在交流电源的电路实施示意图。如图2所示，红外线电开关I与负载2及交流电源3串联。交流电源3，经过电容C2的降压与二极管D1、D2以及Dz的整流，产生使电路可正常运作的电压源VDD。红外光传感器11以晶体管M2作为输出级，晶体管M2的漏极电性连接微控制器12的针脚pin_3，以传送红外光感测信号到微控制器12。
[0059]过零点检测器13由晶体管Ql构成，其中晶体管Ql的集电极电性连接微控制器12的针脚Pin_10，晶体管Ql的基极经由一个电阻R3及一个二极管D3连接到交流电源3的一条导线。在交流电源3的正半周时，晶体管Ql饱和导通，晶体管Ql的集电极的电压接近零电位；在交流电源3的负半周时，晶体管Ql截止，晶体管Ql的集电极为高电位的电压源VDD0对照交流电源3的正弦波，过零点检测器13因此由晶体管Ql的集电极输出一低电位的方波及一高电位的方波，据以与交流电源3同步，并将上述的方波输入到微控制器12的针脚pin_10，其意义在后文进一步说明。于实务上，双向可控半导体开关元件14可以是一个双向可控三极管Tl，微控制器12以针脚pin_l电性连接到双向可控三极管Tl的栅极，控制双向可控三极管Tl的导通与否或是调整双向可控三极管Tl的导通程度，但不以此为限。
[0060]再参阅图2，红外光传感器11包括发射电路及接收电路。在发射电路部分，一个红外发光二极管IR_LED串接到一个晶体管Ml的漏极，此晶体管Ml的栅极与一个计时器110的输出端电性连接。于实务上，计时器110可以为555计时器，此555计时器输出约3kHz频率的方波电压，以调制晶体管Ml的漏极电流，使红外发光二极管IR_LED输出方波形式的红外光，以作为感测的光源。[0061]在接收电路部分，其包括一个光敏二极管ro、两级串联的放大器112与114以及一个晶体管M2。如前述及，晶体管M2的漏极电性连接到微控制器12的针脚pin_3。光敏二极管H)与放大器112构成红外光检测电路，放大器112输出端连接到放大器114。于实务上，放大器112及114可以为运算放大器LM324，而放大器114与电阻R7?10的组合为一种史密特(Schmitt)触发电路，其中此史密特触发电路具有一个临界电压，此临界电压是由电阻R8及R9组成的分压电路产生。
[0062]光敏二极管ro用以接收发射电路的红外光，若放大器112的电位信号值超过前述及的临界电压值，则放大器114产生一个高电位信号，此电压信号加在晶体管M2的栅极，而造成晶体管M2导通，因此，从晶体管M2的漏极输出一个接近零值的低电位信号，低电位信号的时间长度与感测到红外光的时间有关。
[0063]另外，若光敏二极管ro没有接收到红外光，此即放大器112的电位信号值低于临界电压值，放大器114恒输出接近零电压的信号到晶体管M2的栅极，而造成晶体管M2的截止，因此，从晶体管M2的漏极输出一个高电位信号，其电压电平为VDD。换句话说，图2的微控制器12的针脚pin_3依据红外光传感器11是否有感测动作，而分别接收到一低电位信号或一高电位信号，其中低电位信号的时间长度约为感测到红外光的时间。
[0064]换句话说，微控制器12在检测到红外光感测信号时，会通过判断此红外光感测信号于低电位时的时间长度，据以执行上述两种工作模式，其中一工作模式为控制双向可控半导体开关元件14的截止与导通，另一工作模式为于双向可控半导体开关元件14导通时调整此双向可控半导体开关元件14的导通程度。换句话说，于双向可控半导体开关元件14导通时，微控制器12可以依据红外光感测信号的时间长度，据以控制交流电源3供应至负载2的电功率大小。配合图2，请一并参阅图3A与图3B，图3A为本发明的红外线电开关中的红外光传感器于实际操作时的示意图；图3B为本发明的红外光感测信号的波形示意图。如图3A所示，图3A描绘红外光传感器11的基本构造，其中一个红外发光二极管IR_LED与一个光敏二极管H)平行排列。当以手靠近此排列，发光二极管IR_LED的红外光从手的皮肤表面散射出去并且可能进入光敏二极管H)的受光表面。
[0065]如图3B所不，图3B为红外光传感器11的输出电压信号。基本上，若光敏二极管PD没有接收到从手表面散射的红外光，或者是所接收到红外光的强度不足时，红外光传感器11的晶体管M2的漏极输出一个高电位信号H，其大小为VDD。在一个“适当的距离”，若光敏二极管H)接收到从手散射出来的红外光，其强度造成放大器112所输出的电位信号值超过放大器114的临界电压值，放大器114因而触发，产生高电位电压，并且驱动晶体管M2导通，则从M2的漏极输出一个约为零的低电位信号L。换句话说，当红外光传感器11感测到实体(例如为手、脚或躯干)进入该红外光传感器11的感测范围时，红外光传感器11输出属于低电位的红外光感测信号，当实体离开红外光传感器11的感测范围时，红外光传感器11输出属于高电位的红外光感测信号。
[0066]此“适当的距离”可以定义为红外光传感器11的“有效感测范围”。另外，图3B的低电位信号L的时间长度Ts约等于手停留在此“有效感测范围”的时间，其大小约为零点几至几秒。当移动手离开此“有效感测范围”，红外光传感器11的输出即从低电位变成高电位。红外光传感器11的输出电信号，如图3B描述，是二位元信号，可以经由微控制器12的程序判读，作为操作红外线电开关I的依据。[0067]配合图2及图3，图4为本发明的红外线电开关中的微控制器的程序的步骤流程图。如图4所示,在微控制器12,写入只读存储器(read only memory,ROM)的程序包含数个工作回圈，并且从切换开/关模式的回圈(步骤SI~步骤S6)位置启动。微控制器12的针脚pin_3接收从红外光传感器11传送的电压信号，其中低电位信号的时间长度Ts，是手停留在感测距离的时间。
[0068]微控制器12的程序从红外线电开关I截止的回圈(步骤SI~步骤S2)开始。微控制器12的程序扫瞄针脚pin_3的电位(步骤S2)，若是高电位，微控制器12的程序留在开关装置I截止的回圈(步骤SI~步骤S2)，若是低电位，程序跳入红外线电开关I导通的回圈(步骤S3~步骤S6)。在红外线电开关1导通的回圈(步骤S3~步骤S6)，微控制器12的程序扫瞄pin_3的电位，若检测到低电位，从步骤S4进入步骤S5，判读时间长度Ts的长度并且与一个预设时间To作比较。于实务上，预设时间To介于1至2秒之间，但不以此范围为限。
[0069]在步骤S5中，若时间长度Ts小于预设时间To，则进入步骤S6，检测针脚pin_3是否高电位，若是，程序跳回红外线电开关I截止的回圈(步骤Sf步骤S2)，若否，程序留在红外线电开关I导通的回圈(步骤S3~步骤S6)。
[0070]简言之，在切换开/关的大回圈(步骤SI~步骤S6)，以手来回短暂停留在感测红外光传感器11的感测范围，可以反复切换红外线电开关I截止或导通，这即是切换开/关的工作模式。
[0071]在步骤S5中，若时间长度Ts大于预设时间To，则进入步骤S7，并判读时间长度Ts是否大于η倍的预设时间To，其中η≥2，若否，则回到红外线电开关I导通的回圈(步骤S3~步骤S4)，若是，则从步骤S7跳入调变电功率模式的回圈(步骤Sf步骤S10)。图4没有显示在调变电功率(S8)流程的细节，简述之，微控制器12的程序扫瞄针脚pin_3的电位，若检测到多个低电位信号，其时间长度Ts及Ts’长短不一,并且时间长度Ts与Ts’小于预设时间nTo时，微控制器12以连续方式变大或者变小电功率的传输，若到达最大或者最小电功率之后，则不再对检测到的低电位作回应。在调变电功的回圈(步骤Sf步骤S10)，若检测到时间长度Ts大于nTo时，微控制器12的程序即从调变电功率模式(步骤S8~步骤S10)跳回红外线电开关I截止的回圈(步骤SI~步骤S2)。接着，重复上述的流程。
[0072]依据图2电路的实施例，可以将预设时间To设为2秒及将η设为2。因此，综合图4的微控制器12的步骤流程，若针脚pin_3检测到低电位的时间长度Ts小于2秒(亦即手停留在感测范围的时间小于2秒)时，微控制器12不改变工作模式；若针脚pin_3检测到低电位的时间长度Ts大于4秒(亦即手停留在感测范围的时间大于4秒)时，微控制器12变换工作模式。换句话说，若红外光感测信号于低电位时的时间长度Ts小于预设时间To时，则微控制器12不作工作模式的变换；若红外光感测信号于低电位时的时间长度Ts大于预设时间To时,则微控制器12以交替方式变换于上述两种工作模式之间。
[0073]配合图2及图4，请一并参阅图5至图7，图5为本发明的红外线电开关于切换开/关模式中的红外线电开关于截止时的电压波形图；图6为本发明的红外线电开关于切换开/关模式中的红外线电开关于导通时的电压波形图；图7为本发明的红外线电开关在调变电功率模式中的红外线电开关的电压波形图。图5至图7由上至下依序排列的电压波形分别为交流电源3的正弦波、过零点检测器13的输出的信号、从微控制器12的针脚pin_l输出的信号以及于负载2两个端点的电压波形，藉以说明微控制器12的程序与红外线电开关I在上述的两个工作模式互动。其中，过零点检测器13的输出，如前文已述及，是方波信号，送到微控制器12的针脚pin_10，作为微控制器12的外控中断的触发信号。另外，从微控制器12的针脚pin_l输出的信号，传送到双向可控三极管Tl的栅极，以控制双向可控三极管Tl的导通状态。
[0074]微控制器12的程序分别在切换开/关以及调变电功率模式的回圈，使用外控中断的技术，产生与交流电源3同步的电压脉冲，为此，微控制器12的程序预设针脚pin_10的电位变动为触发外控中断的信号。因为，过零点检测器13的方波信号，其高/低电位变动时间点即为正弦波3的过零点。因此，微控制器12的程序自动在交流电源3的过零点触发外控中断，其意义进一步在图6及图7说明。
[0075]配合图2及图4，参阅图5，微控制器12的程序从红外线电开关I截止的回圈(步骤SI?步骤S2)开始。微控制器的程序扫瞄针脚pin_3的电位，若针脚pin_3的为高电位，则微控制器12从针脚pin_l输出零电压。双向可控三极管Tl因为栅极为零电位而截止，使得在负载2两端的电压为零。
[0076]配合图2及图4，参阅图6，在红外线电开关I截止的回圈(步骤SI?步骤S2)，微控制器12的程序扫瞄针脚pin_3的电位。若检测到针脚pin_3的为低电位，则微控制器12的程序跳跃到红外线电开关I导通的回圈(步骤S3?步骤S4)。在此回圈(步骤S3?步骤S4)中，微控制器12的程序扫瞄针脚pin_10的电压信号，针脚pin_10的方波信号的电位变化时间点发生外控中断，在这个中断程序并没有执行其它程序，而是立即回到主程序。这样的程序设计，是利用中断程序发生的时间即为交流电压的过零点。微控制器的程序接着以中断程序发生的时间为基准，经过一个时间延迟tD，由程序产生过零点延时电压脉冲，并从针脚pin_l输出。由针脚pin_l输出的信号即为此电压脉冲，分别距离过零点一个时间延迟tD，并且各别在交流电源3的正及负半周产生脉冲，用来触发双向可控三极管Tl使之导通，传输交流电功率到负载2。对照图6的交流电源3以及针脚pin_l输出的信号，于负载2两个端点的电压波形图，其负载2的平均电功率正比于双向可控三极管Tl的导通时间ton。
[0077]在红外线电开关I导通的回圈(步骤S3?步骤S4)中，过零点延时电压脉冲的时间延迟tD是固定值，则负载2的平均电功率也是固定值。一般,设计一个最小的时间延迟tD，使双向可控三极管Tl的导通时间ton最大，以传输最大的平均电功率到负载2。若负载2是电光源，当交替切换红外线电开关I截止或导通时，光源则分别以最暗或最亮的亮度变动。于实务上，负载2可以是一种炽热型灯泡、荧光灯、交流发光二极管或是一个发光二极管的模块等电光源，其中若负载2为发光二极管的模块的话则需跨接在全波整流电桥的输出端口端。
[0078]配合图2及图4，参阅图7，在红外线电开关I导通的较大回圈(步骤S3?步骤S6)时，微控制器12的程序扫瞄针脚pin_3的电位。若检测到针脚pin_3的为低电位的时间长度Ts大于ηΤο，其中η大于等于I，微控制器12的程序跳跃到红外线电开关I调变电功率的回圈(步骤Sf步骤S10)。在此回圈(步骤Sf步骤S10)中，微控制器12的程序扫瞄针脚pin_10的电压信号，以触发外控中断的方式，产生类似于图6的具有时间延迟tD的过零点延时电压脉冲，从针脚pin_l输出。这同时，微控制器12的程序扫瞄针脚pin_3的电位，若检测到时间长度Ts之大小不等的低电位信号，则微控制器的程序以连续方式，并按照时间长度Ts的比例，增大电压脉冲的时间延迟tD。若时间延迟tD到达一个预设的最大值之后，则微控制器12的程序不再继续对检测到的低电位作回应。其中，增大时间延迟tD即是缩短双向可控三极管Tl的导通时间ton，以降低传输到负载2的平均电功率。因此，图7是以电压波形说明本发明的红外线电开关I在调变电功率模式时，微控制器12程序对应红外光感测，以渐进方式调动时间延迟tD。
[0079]一般，负载2若是发光二极管，尤其是交流发光二极管(AC-LED)，此交流发光二极管具有一个开始导通电流的切入电压Vt。当过零点延时电压脉冲在微控制器12的程序产生并且从针脚pin_l输出时，若交流电源3的电压值仍低于负载2的切入电压Vt，则双向可控半导体开关元件14可能不被被触发导通。因此，考虑负载2的切入电压Vt，在设计图6及图7的过零点延时电压脉冲时，必须把时间延迟tD限制在如下范围，以确定半导体元件14的稳定触发:
[0080]to<tD<l/(2f) -to,
[0081]其中to=(l/2 f) sin-1 (Vt/Vm), f是交流电源的频率，Vm是交流电源的电压振幅。
[0082]除此之外，本发明的概念亦可以应用到直流电源的系统，只须要在可控半导体开关元件及微控制器的程序作微小更动，并且移除过零点检测器即可实现。请参阅图8A，图8A为本发明的红外线电开关运用在直流电源的方块图。如图8所示，红外线电开关I’连接于负载2’与直流电源3’之间，即红外线电开关I’、负载2’及直流电源3’串联在一起，经由红外线电开关I’控制直流电源3’传输到电功率到负载2’。对照图1，在图8的红外线电开关I’包括红外光传感器11’，微控制器12’及单向可控半导体开关元件14’。于实务上，单向可控半导体开关元件14’可以是双极性结型晶体管(bipolar junction transistor,BJT)或是金属氧化物半导体场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor, M0SFET)，而负载2’可以是发光二极管或是炽热型灯泡，但不以此为限。
[0083]配合图3，参阅图8。红外光传感器11’传送检测到手移动的红外光感测信号，作为微控制器12’的程序选择工作模式及操作红外线电开关I’的依据。在切换开/关模式的红外线电开关I’截止的情况下，微控制器12’的程序送出零电位电压到单向可控半导体开关元件14’的栅极，用来截止单向可控半导体开关元件14’。在切换开/关模式的红外线电开关I导通的情况下，微控制器12’的程序送出脉冲宽度调变(pulse width modulation,PWM)电压信号到单向可控半导体开关元件14’的栅极，据以调整此单向可控半导体开关元件14’的导通电流，并传送定值电功率到负载2’。
[0084]参阅图8B，图8B为本发明的脉冲宽度调变电压信号的电压波形图。如图8B所示，脉冲宽度调变电压信号是方波，包含一个零电位电压(或低电位电压)以及一个高电位电压，其中脉冲宽度调变电压信号的周期是Tl。当脉冲宽度调变电压信号在高电位时，则单向可控半导体开关元件14’导通，若于高电位时的时间长度是T2，则经由单向可控半导体开关元件14’传输到负载2’的平均电功率正比于T2/T1，其中定义δ =Τ2/Τ1为脉冲宽度调变信号的占空比(duty cycle) 0 一般，在切换开/关模式，微控制器12’的程序产生脉冲宽度调变信号，此脉冲宽度调变信号具有最大的占空比，以使红外线电开关I’在导通时传输最大的平均电功率到负载2’。另外，在调变电功率模式，微控制器12’的程序扫瞄红外光传感器11’的信号，若检测到感测的低电位信号，其时间长度Ts长短不一，则微控制器12’的程序按时间长度Ts比例缩小脉冲宽度调变信号的占空比，以逐步降低传输到负载2’的电功率。
[0085]一般，以双向可控半导体开关元件14控制导通相角的大小，易发生高阶谐波，而干扰负载的效能。本发明的概念，亦可以应用到交流电源，但是排除双向可控三极管Tl及过零点检测器13的使用。
[0086]参阅图9，图9为本发明的红外线电开关运用在交流电源的另一方块图。如图9所示，其中红外线电开关I”连接于负载2”与交流电源3”之间，即红外线电开关I”、负载2”以及交流电源3”串联在一起。对照图1，在图9的实施例，其中红外线电开关I”包括红外光传感器11”，微控制器12”及三个继电器(relay) 15a、15b以及15c，其中所述三个继电器15a、15b以及15c分别连接不同的阻抗(electrical impedance),其阻抗分别是零、16b以及16c，据以形成三条不同的阻抗的分路。所述三个继电器15a、15b以及15c互相并联，并再连接到负载2”及交流电源3”，换句话说，所述三个继电器15a、15b以及15c串联于负载2”并电性连接交流电源3。于实务上，负载2”可以是电风扇、交流发光二极管、荧光灯或是炽热型灯泡。
[0087]微控制器12”以三支针脚分别电性连接到驱动各个继电器15a、15b以及15c的金属氧化物半导体场效晶体管的栅极。当微控制器12”的三支针脚同时输出零电位电压到金属氧化物半导体场效晶体管时，三个继电器15a、15b以及15c断电，则红外线电开关I”断电或开路。当微控制器12”的其中一支针脚输出高电位电压信号到金属氧化物半导体场效晶体管时，其余两支针脚是零电位，则所对应的唯一继电器吸合导通，其余两个继电器断电。因此，依据微控制器12”的程序运作，第一个继电器15a吸合时，交流电源3”直接传输第一阶段的交流电功率到负载2”;第二个继电器15b吸合时，交流电源3”经由一个串联阻抗16b传输第二阶段的交流电功率到负载2” ；第三个继电器15cl吸合时，交流电源3”经由一个串联阻抗16c传输第三阶段的交流电功率到负载2”。
[0088]配合图3，参阅图9。红外光传感器11”传送检测到手移动的信号，作为微控制器12”的程序选择工作模式及操作红外线电开关I”的依据。在切换开/关模式的红外线电开关I”截止的情况下，微控制器12”的三支针脚送出零电位电压到金属氧化物半导体场效晶体管的栅极，用来截止继电器15a、15b以及15c。在切换开/关模式的红外线电开关I”导通的情况下，微控制器12”的第一支针脚输出高电位电压，其余两支针脚输出零电位电压，继电器15a吸合，传输第一阶段的交流电功率到负载2”。在调变电功率模式，微控制器12”的程序扫瞄红外光传感器11”的信号，若检测到感测的低电位信号，则微控制器12”的程序依序分别从第二支针脚或第三支针脚输出高电位电压，其余两支针脚输出零电位电压，据以分别驱动继电器15b或继电器15c吸合，而变动传输到负载2”的电功率。换句话说，微控制器12”检测红外光感测信号，并依据此红外光感测信号，产生一个零电位电压或一个高电位电压，据以分别控制所述多个继电器15a、15b以及15c的开路或短路。
[0089]参阅图10，图10为本发明的红外线电开关应用在一般电器装置的实施示意图。如图10所示，本发明的红外线电开关可以应用在吊灯2a，电风扇2b、户外灯2c、厨房厨柜灯2d与2e、桌台灯2f以及立灯2g。此外，红外光传感器可以用独立的模块方式，放置在合适的位置，再连线到红外线电开关的微控制器。这样，可以更方便伸手到红外光传感器的感测范围，以操作电光源的开或关，以及必要时调光。
[0090]以上所述仅为本发明的实施例，但是其并非用以局限本发明的专利范围。
【权利要求】
1.一种红外线电开关，其特征在于，适用于控制一负载及一电源之间的导通率，该红外线电开关包括: 一可控半导体开关元件，电性连接于该负载与该电源之间； 一红外光传感器，依据一实体是否进入该红外光传感器的感测范围，据以输出一红外光感测信号；以及 一微控制器，电性连接于该可控半导体开关元件与该红外光传感器之间，该微控制器依据该红外光感测信号，据以控制该可控半导体开关元件的截止与导通； 其中，于该可控半导体开关元件导通时，该微控制器依据该红外光感测信号的时间长度，据以控制该电源供应至该负载的电功率大小。
2.如权利要求1所述的红外线电开关，其特征在于，该红外光传感器感测到该实体进入该红外光传感器的感测范围时，该红外光传感器输出属于低电位的该红外光感测信号，当该实体离开该红外光传感器的感测范围时，该红外光传感器输出属于高电位的该红外光感测信号。
3.如权利要求1所述的红外线电开关，其特征在于，于该微控制器于检测该红外光感测信号时，通过判断该红外光感测信号于低电位时的时间长度，据以执行至少二工作模式，所述至少二工作模式其中之一为控制该可控半导体开关元件的截止与导通，另一该工作模式为于该可控半导体开关元件导通时调整该可控半导体开关元件的导通程度。
4.如权利要求3所述的红外线电开关，其特征在于，若该红外光感测信号于低电位时的时间长度小于一预设时间时，该微控制器不作所述至少二工作模式的变换，若该红外光感测信号于低电位时的时间长度大于该预设时间时，该微控制器以交替方式变换于所述至少二工作模式。
5.如权利要求4所述的红外线电开关，其特征在于，该预设时间介于I至2秒之间。
6.如权利要求4所述的红外线电开关，其特征在于，于该微控制器检测该红外光感测信号时，该微控制器依据该红外光感测信号于低电位时的时间长度，依序地控制该可控半导体开关元件的截止至导通，再依据所述至少二工作模式的条件，据以调整该可控半导体开关元件的导通程度。
7.—种红外线电开关，其特征在于，适用于控制一负载及一直流电源之间的导通率，该红外线电开关包括: 一单向可控半导体开关元件，电性连接于该负载与该直流电源之间； 一红外光传感器，依据一实体是否进入该红外光传感器的感测范围，据以输出一红外光感测信号；以及 一微控制器，电性连接于该单向可控半导体开关元件与该红外光传感器之间，该微控制器依据该红外光感测信号，产生一脉冲宽度调变电压信号，据以控制该单向可控半导体开关元件的截止或导通； 其中，于该单向可控半导体开关元件导通时，该微控制器依据该红外光感测信号于低电位时的时间长度，据以控制该直流电源供应至该负载的电功率大小。
8.如权利要求7所述的红外线电开关，其特征在于，该单向可控半导体开关元件是双极性结型晶体管或金属氧化物半导体场效晶体管。
9.如权利要求7所述的红外线电开关，其特征在于，该负载是发光二极管或炽热型灯泡。
10.一种红外线电开关，其特征在于，适用于控制一负载及一交流电源之间的导通率，该红外线电开关包括: 多个继电器元件，该多个继电器元件互相并联，使得该多个继电器电性连接于该负载与该交流电源之间； 一红外光传感器，依据一实体是否进入该红外光传感器的感测范围，据以输出一红外光感测信号；以及 一微控制器，电性连接该红外光传感器与该多个继电器元件之间，该微控制器依据该红外光感测信号，产生一零电位电压或一高电位电压，据以分别控制该多个继电器元件的开路或短路。
11.如权利要求10所述的红外线电开关，其特征在于，该负载是电风扇、交流发光二极管、荧光灯或是炽热型灯泡。
12.—种红外线电开关，其特征在于，适用于控制一负载及一交流电源之间的导通率，该红外线电开关包括: 一双向可控半导体开关元件，电性连接于该负载与该交流电源之间； 一红外光传感器，依据一实体是否进入该红外光传感器的感测范围，据以输出一红外光感测信号； 一过零点检测器，电性连接该交流电源；以及 一微控制器，电性连接于该红外光传感器、该过零点检测器与该双向可控半导体开关元件之间，该微控制器依据该红外光感测信号，产生一零电位电压或一过零点延时电压脉冲，据以控制该双向可控半导体开关元件的截止或导通； 其中，于该双向可控半导体开关元件导通时，该微控制器依据该红外光感测信号于低电位时的时间长度，据以控制该交流电源供应至该负载的电功率大小。
13.如权利要求12所述的红外线电开关，其特征在于，该双向可控半导体开关元件是双向可控三极管。
14.如权利要求12所述的红外线电开关，其特征在于，该负载是炽热型灯泡、荧光灯、交流发光二极管或是发光二极管的模块，其中发光二极管的模块是跨接在全波整流电桥的输出端口端。
【文档编号】H03K17/945GK103780238SQ201210407352
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年10月23日 优先权日:2012年10月23日
【发明者】陈家德 申请人:陈家德