利用改变交流电电压导通角作为控制命令而对负载进行操作控制的方法与其调控装置与流程

本发明涉及一种电器的控制方法与控制装置，尤指一种利用调变交流电压导通角产生控制命令来控制负载操作的方法与调控装置。

背景技术：

随着科技的演进，各式各样的电子产品逐渐地普及于日常生活中。以照明设备为例，随着发光二极管技术的日趋成熟，各种以发光二极管做为光源的灯具也日趋普及。由于发光二极管为利用电子电洞对复合发光，相较之下，传统灯泡需要把灯丝加温到很高的温度才能发光，因此发光二极管不会有太多的能源消耗，而可达到节能的目的。

作为一种光源，调光是很重要的。不仅是为了在家居中得到一个更舒适的环境，在今天来说，减少不必要的光线，以进一步实现节能减排的目的是更加重要的一件事。然而，以现有技术而言，发光二极管的调光最好是采用脉冲宽度调变(Pulse Width Modulation，以下简称PWM)调光。而采用PWM调光时，可以在墙上开关内安装一个简单的PWM发生器，然后利用电位器来控制PWM的责任周期(duty)从而实现调光。但这需要额外再加一对控制线。

另一种方式，也可采用可控硅开关调光器，其无须增加额外的控制线，只需原来的电力线，既可调光又可充当开关。然而，可控硅开关调光器仍具有许多缺点，包括：(1)可控硅会破坏交流电之正弦波的波形，从而降低了功率因素值，而且当导通角越小时，功率因素越差；(2)因可控硅会破坏交流电的正弦波的波形，而非正弦的波形将加大了谐波系数；(3)同样地，经破坏后的非正弦的波形会在线路上产生严重的干扰信号(EMI)。

再且，以目前现有技术而言，还有采用遥控器对发光二极管实现调光。这当然是理想的解决方案，可以实现开启或关闭灯光，并且可用PWM来连续调光。但是，遥控器来调光仍有其缺点，那就是成本高昂，且没有统一规格，大多用于高档住宅的照明调光。

除了照明设备之外，其它被动性的电器装置，例如风扇、冷气等，同样也会设计有调控装置，其通常分为遥控及壁控(线控)。但如同前述的调光技术，其它一般的壁控也需要修改原有的配线，造成产品安装或维修的困难与复杂度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种利用调变交流电源导通角以产生控制命令来对负载进行操作控制之调控方法与装置，其装配简单、成本低廉，且完全不需变动原有配线，仅利用现有的电力线便可对负载操作或状态进行调控。

然而，有别于公知技术采用调光器来改变电源导通角以控制能量传送的方式，本发明乃仅利用交流电导通角做为控制的信号，而且只在要做命令控制时才改变导通角。并且，作为控制命令而控制导通角改变时，导通角亦可控制在135度以上，故而可以避免导通角低下的情况发生，不会有功率因素低下的问题。而且，通过对导通角作有效的规划，可以作为一遥控器，也可作多任务的控制。

为实现上述目的，本发明的调控装置主要包括在控制端的导通角调变电路、以及在负载端的导通角检测电路与控制单元。其中，导通角调变电路电性连接至交流电源以接收交流电压，并用于调变交流电源的导通角。另外，负载端内部则包含有导通角检测电路、以及控制单元；其中导通角检测电路电性连接至导通角调变电路，并用于检测经调变后的导通角而输出一导通角信号。另外，控制单元电性连接至导通角检测电路及负载驱动电路。其中，在稳定工作时导通角恒定；当欲改变负载的工作状态时，导通角调变电路调变交流电源的导通角，并经导通角检测电路检测后输出导通角信号予控制单元，控制单元译码导通角信号后对应产生控制命令，并根据控制命令控制负载的操作。

较佳的是，本发明负载端可更包括一整流电路，而且若导通角调变电路采用三极交流开关调光时则可加设一泄放电路；其中，整流电路为用于对调变后的交流电源进行整流；另外，泄放电路用于提供维持三极交流开关导通的导通电流。

再者，关于本发明的导通角调变电路，以下提供大概分为两大类的信号调控方式，第一大类为未经微处理器的导通角调变方式，其主要以导通角的大小作为控制命令；第二大类为采用微处理器来进行导通角调变的方式，其除了涵盖第一大类以导通角的大小作为控制命令外，亦可产生串行的导通角信号串。其中，信号串的编码可包含控制操作的编码、及受控负载的编码，若有需要亦可包含检验码等，以实现多功能、且精准的多任务遥控的目的。

其中，本发明之第一大类信号调控方式的导通角调变电路可包括：一三极交流开关(TRIAC)，其包含有第一端子、第二端子及栅极，第一端子电性连接至交流电源，第二端子电性连接至负载；一二级交流开关(DIAC)，其包含有第一阳极端、及第二阳极端，第一阳极端连接至三极交流开关之栅极；一电阻，其电性连接至三极交流开关的第二端子；一电容，其包含有第一端、及第二端，第一端电性连接至电阻、及二级交流开关的第二阳极端，第二端电性连接至三极交流开关的第一端子；至少一切换电容，其分别与至少一切换开关串联，至少一切换电容与至少一切换开关串联后再与电容并联。据此，切换至少一切换开关以对应切换导通角调变电路来调整交流电导通角。

较佳地，前述至少一切换电容包含第一切换电容及第二切换电容，至少一切换开关包含第一切换开关及第二切换开关；第一切换电容与第一切换开关串联，第一切换电容与第一切换开关串联后再并联至电容，第二切换电容与第二切换开关串联，第二切换电容与第二切换开关串联后再并联至电容。而且，本发明的切换开关可为薄膜开关、弹跳开关、或其它等效组件。

承上，上述导通角调变电路以切换电容的方式，直接对导通角进行改变。然而，此种导通角的调变方式所呈现的控制形式，将随着切换电容与切换开关的设置数量而变化。亦即，切换电容与切换开关的设置数量越多，则控制形式也相对增多。另一种切换形式，亦可将切换电容替换成切换电阻，其同样可随着切换电阻与切换开关的设置数量而变化。

另外，本发明所提供的第二大类信号调控方式在此提出两种采用三极交流开关的导通角调变电路的实现方式。第一种导通角调变电路，其整流电路的来源乃自交流电源的二个端点输入，而电路可主要包括三极交流开关、三极交流开关驱动电路、整流/直流电源电路、过零点检测电路、微控制器电路及调变模块。

其中，三极交流开关包含有第一端子、第二端子及栅极，第二端子电性连接至负载端；三极交流开关驱动电路，其电性连接至三极交流开关之栅极；整流/直流电源电路电性连接至交流电源的二电源端，并提供各电路直流电源；过零点检测电路电性连接于整流/直流电源电路，过零点检测电路检测交流电的过零点信号；微控制器电路其电性连接于过零点检测电路及三极交流开关驱动电路，微控制器电路依据过零点检测电路所提供之交流电的过零点信号，经由控制三极交流开关驱动电路以驱动三极交流开关来调变交流电的导通角；调变模块电性连接至微控制器电路，借由调变调变模块致使微控制器电路控制产生不同导通角组合的交流电信号。

据此，本发明可借由调变调变模块致使微控制器控制导通角调变电路产生对应的导通角信号串的交流电信号。然而，上述的调变模块可以是切换开关、按键、或其它等效的切换组件，亦可以是可变电阻，当然也可以混用。如果采用切换开关、按键、或其它等效的切换组件时，微处理器可依据被按下的切换开关、或按键预先定义的控制形式，来控制导通角调变电路产生对应的导通角信号串的交流电信号。另一方面，如果采用可变电阻，则依据电压设定变化来控制导通角调变电路产生对应的导通角信号串的交流电信号。

第二大类的第二种导通角调变电路与前述第一种电路的差异主要在于，本电路的整流电路的二交流电源分别从三极交流开关的第一端子与第二端子输入，故当三极交流开关不导通时，可对直流电源电路供电，如此只要一条电力线接到此导通角调变电路就可对负载端进行控制。简言之，第一种导通角调变电路需要连接交流电源的火线与地线，第二种作法只须连接火线或地线即可，如此将可彻底解决了配线的问题。

第二种导通角调变电路主要包括三极交流开关、三极交流开关驱动电路、整流电路、过零点检测电路、微控制器电路、直流电源电路及调变模块。其中，三极交流开关包含有第一端子、第二端子及栅极，第二端子电性连接至负载端；三极交流开关驱动电路电性连接至三极交流开关的栅极；整流电路包含有交流端及直流端，交流端的两端点分别电性连接至三极交流开关的第一端子及第二端子；过零点检测电路电性连接于整流电路，过零点检测电路检测交流电的过零点信号；微控制器电路电性连接于过零点检测电路及三极交流开关驱动电路，微控制器电路依据过零点检测电路所提供交流电的过零点信号，经由控制三极交流开关驱动电路以驱动三极交流开关来调变交流电的导通角；直流电源电路提供各电路直流电源；调变模块电性连接至微控制器电路，借由调变调变模块致使微控制器电路控制产生不同导通角组合的交流电信号。

据此，前述形式可借由调变调变模块致使微控制器控制导通角调变电路产生对应的导通角信号串的交流电信号。同样地，上述的调变模块可以是切换开关、按键、或其它等效的切换组件，亦可以是可变电阻，当然也可以混用。

较佳的是，前述形式可于整流电路与直流电源电路间加设一直流电源电路充电开关电路，用以控制直流电源电路输入侧的导通时间，以免造成负载端的过零点信号失真而造成导通角检测误差。换言之，直流电源电路充电开关电路可以控制直流电源电路取电的时间，来避免因为导通角调变电路利用三极交流开关关断时取电，而使负载端的过零点信号失真而导致无法正确检测到导通角。

另外，前述形式的泄放电路可为一主动式泄放电路，当三极交流开关不导通状态时，主动式泄放电路短暂开启，以使导通角调变电路的直流电源电路储存电流，以供各电路使用。换言之，主动式泄放电路可搭配导通角调变电路的开关电路来作为开关，而可使导通角调变电路的直流电源电路在三极交流开关关断时的极短导通时间内能流过足够大的电流以储存足够多的能量，以供各电路使用，并且不使负载端的过零点失真而影响到导通角检测电路的工作。

再且，本发明的负载端可包括一发光二极管光源及其驱动电路，而控制命令控制发光二极管光源的亮度、颜色或色温。亦或，本发明的负载端亦可包括一风扇及其驱动电路，而控制命令控制风扇的转速或转向。换言之，本发明可适用于任何可受控的电器负载，如发光二极管光源、电动机、风扇等，而且该等负载都可同时或单独接受控制。

此外，本发明一种利用改变交流电电压导通角作为控制命令而对负载进行操作控制的调控方法，其在稳定工作时交流电的导通角恒定且接近180度，而当欲改变负载的状态时才对导通角进行调变。其中，本发明的方法包括以下步骤：首先，导通角调变电路调变交流电的导通角；接着，导通角检测电路检测交流电的导通角，并产生导通角信号；以及控制单元根据导通角信号对负载进行控制。

较佳的是，上述导通角调变电路可调变交流电的多个周期的导通角而构成一信号串，并重复发送信号串数次；而导通角检测电路可检测信号串，并产生该导通角信号。另外，控制单元可对导通角信号译码，并对应产生一控制命令，并根据控制命令对负载进行控制。

经由本发明所提供的利用交流电导通角控制命令的调控装置及其调控方法，无须加装额外的配线，即通过原始线路便可有效利用交流电信号本身，进行负载的功能性调控，且不会有功率因素低下的问题。

附图说明

图1为本发明的第一实施例系统方块图。

图2为本发明的第一实施例电路图。

图3为本发明的第一实施例操作示意图。

图4为本发明的第二实施例系统方块图。

图5为本发明的第二实施例电路图。

图6为本发明的第三实施例系统方块图。

图7为本发明的第三实施例电路图。

具体实施方式

请先参阅图1，图1为本发明利用改变交流电电压导通角作为控制命令而对负载进行操作控制之调控装置的系统方块图。如图中所示，本实施例所提供的调控装置主要分设于控制端Cd及负载端Ld。其中，控制端Cd主要包括导通角调变电路11，且控制端Cd可为壁控装置或遥控装置。另外，负载端Ld主要包括整流电路12、泄放电路13、导通角检测电路14、控制单元15以及负载驱动电路2。

再如图所示，导通角调变电路11电性连接至交流电源10以接收交流电，并于要改变负载状态时才调变导通角，平时导通角保持原状态。另外，负载端Ld的整流电路12电性连接至导通角调变电路11以对调变后的交流电信号进行整流。导通角检测电路14电性连接至整流电路12，而导通角检测电路14用于检测经导通角调变电路11调变后的导通角，并输出一导通角信号。泄放电路13电性连接整流电路12，而泄放电路13用以提供三极交流开关足够的闭锁电流(latching current)和维持电流(holding current)，以避免三极交流开关误触发。

再者，控制单元15电性连接至导通角检测电路14及负载驱动电路2。另外，当采用主动式泄放电路时，控制单元15亦可连接至泄放电路13。控制单元15主要用于对导通角信号译码并作为一控制命令。其中，在稳定工作时导通角恒定，即接近180度；而当欲改变负载的状态时，导通角调变电路11调变交流电源10的导通角，并经导通角检测电路14检测后输出导通角信号予控制单元15，控制单元13译码导通角信号而对应产生控制命令，并控制负载驱动电路2的操作。以下为方便说明，本实施例所适用的负载是以发光二极管光源为例。

另外，关于导通角调变电路11，以下提供两大类的信号调控方式，第一大类为未经微处理器的导通角调变方式，其主要以导通角的大小作为控制命令；第二大类为采用微处理器来进行导通角的调变方式，除了涵盖第一大类以导通角的大小做为控制命令外，亦可产生串行的导通角信号串，以实现精准多任务遥控的目的。

首先，以第一大类的信号调控方式进行说明，请再参阅图2，图2为本发明的第一实施例电路图。如图所示，本实施例的导通角调变电路11包括：三极交流开关111、二级交流开关112、电阻114、电容115、第切换电容116、第二切换电容117、第一切换单元118及第二切换单元119。其中，三极交流开关包含有第一端子111a、第二端子111b及栅极111c，而第二端子111b电性连接至负载驱动电路2。其中，第一切换电容116与第一切换开关118串联，且第一切换电容116与第一切换开关118串联后再并联至电容115。第二切换电容117与第二切换单元119串联，第二切换电容117与第二切换单元119串联后再并联至电容115。较佳地，第一切换开关118、及第二切换开关119为弹跳开关。

至于，本实施例详细操作及运作的方式如下所述：正常运作时，导通角为170度，当按下第一切换开关118时，导通角变为155度，放掉第一切换开关118导通角变回170度。当按下第二切换开关119时，导通角变为140度，放掉第二切换开关导通角变回170度。据此，控制单元15根据导通角检测电路14所检测的调变后的导通角信号加以译码。在本实施例中，当导通角为140度时，对负载的发光二极管灯具做亮度的改变，当导通角为155度时，对负载的发光二极管灯具做颜色的改变，当导通角为170度时，发光二极管灯具维持原状态。

换言之，本实施例的主要特色在于，第一切换电容116与第二切换电容117具有不同的电容值，切换第一切换开关118或第二切换开关119对应导通第一切换电容116或第二切换电容117。如此，将使得导通角调变电路11产生不同导通角的交流电压。导通角检测电路14检测调变后的交流电压的导通角大小，以提供微处理器15根据不同导通角的交流电压对应产生不同的控制来驱动负载操作。该等不同的控制命令可用于控制发光二极管光源亮度、或色温，例如按压第一切换开关118使得发光二极管光源亮度做循环改变，按压第二切换开关119使得发光二极管光源色温作切换。

请一并参考图2及图3，图3为本发明一较佳实施例的操作示意图。如图所示，两个按压开关91、92分别对应第一切换开关118及第二切换开关119，借由按压开关91、92，其可切换不同电容以对应产生不同的导通角控制命令。于本实施例中，导通角调变电路11设计于墙壁控制端，以使使用者按压开关91、92即可切换第一切换开关118及第二切换开关119。当然，本实现方式并不以两个切换电容、两个切换开关为限，亦可采用三个切换电容分别并联三个切换开关，或是四个切换电容分别并联四个切换开关，借由不同电容值的切换电容的切换，以产生不同导通角的交流电信号，进而进行多任务控制。

当然，本发明所提供的第一大类的切换方式并不以前述切换电容方式为限，亦可采用切换电阻的方式。然而，二者的差异仅在将切换电容替换成切换电阻，且切换电阻与切换开关再与电阻并联。同样地，此种导通角的调变方式所呈现的控制形式，将随着切换电阻与切换开关的设置数量而变化。

此外，本发明所提供之第二大类的信号调控方式共举出二个实施例，即本发明之第二实施例、及第三实施例。请参考图4，图4为本发明之第二实施例的系统方块图。如图所示，导通角调变电路11主要包括三极交流开关50、三极交流开关驱动电路51、整流/直流电源电路52、过零点检测电路53、微控制器电路54及调变模块Sc。其中，三极交流开关50包含有第一端子501、第二端子502及栅极503，第二端子502电性连接至负载端Ld。

另外，三极交流开关驱动电路51电性连接至三极交流开关50的栅极503。整流/直流电源电路52电性连接至交流电源10的二电源端，并提供各电路直流电源。过零点检测电路53电性连接于整流/直流电源电路52，且过零点检测电路53检测交流电10的过零点信号。

此外，微控制器电路54电性连接于过零点检测电路53、及三极交流开关驱动电路51，微控制器电路54依据过零点检测电路53所提供的交流电的过零点信号，经由控制三极交流开关驱动电路51以驱动三极交流开关5来调变交流电的该导通角。

又，调变模块Sc电性连接至微控制器电路54，借由调变调变模块Sc致使微控制器电路54控制产生不同导通角组合的交流电信号。在本实施例中，调变模块Sc包括二个切换开关S1,S2、及一可变电阻VR，借由开启或关闭切换开关S1,S2以及调整可变电阻VR，致使不同电压输入微控制器电路54，进而致使微控制器电路54控制导通角调变电路11产生不同导通角组合的交流电信号。当然本发明调变模块Sc并不以切换开关及可变电阻为限，其它可与微控制器电路54搭配之调变手段均可适用于本发明。

请参阅图5，图5为本发明第二实施例电路图。然而，图5仅是列举第二实施例的可实施形式之一，其中包括三极交流开关驱动电路51、整流/直流电源电路52、过零点检测电路53、及微控制器电路54等详细电路布局皆属公知技术，于此不再详述。惟，本发明的第二实施例并不局限于此图的电路布局，举凡所有可实现相同功能的等效电路均应可适用于本实施例。此外，特别值得一提的是，本实施例之三极交流开关50亦可由硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)、或其它等效组件取代。

至于，本实施例详细操作及运作的方式如下所述：正常运作时，导通角为170度，当按下任一切换开关S1,S2、及/或调整可变电阻VR时，会产生三组包含四个周期的导通角信号串，而信号串中的导通角可以为170度，155度及140度，四个周期的第一个导通角为信号起始码，其为140度导通角，第二个导通角及第三个导通角为切换开关S1,S2对应到的控制命令，它们可以是三个导通角的不同组合，第四周期导通角为检查码(CHECKSUM)。接着，控制电路15针对导通角检测电路14所检测调变后之导通角信号加以译码，并对应产生一控制命令，且根据该控制命令来控制负载驱动电路2的操作，如同一般遥控器的操作。

接着，请参阅图6，图6为本发明的第三实施例电路图。第三实施例与第二实施例主要差异在于直流电源产生电路不同。其中，第二实施例需利用交流电源10的两端电源，即须拉交流电的二条电源线进行配置；而本第三实施例则仅需交流电源10之一端进行配置即可，亦即仅需拉交流电的一条电源线即可，对于安装或维修更为简单、且便利。

如图中所示，本发明第三实施例之导通角调变电路11主要包括三极交流开关60、三极交流开关驱动电路61、整流电路62、过零点检测电路63、微控制器电路64、直流电源电路65、流电源电路充电开关电路66、以及调变模块Sc。其中，三极交流开关60包含有第一端子601、第二端子602、及栅极603，而第二端子602电性连接至负载端Ld。

另外，三极交流开关驱动电路61电性连接至三极交流开关60之栅极603。整流电路62包含有交流端621及直流端622，而交流端621的两端点分别电性连接至三极交流开关60的第一端子601、及第二端子602。过零点检测电路63电性连接于整流电路61，过零点检测电路62检测交流电的过零点信号。

此外，微控制器电路64电性连接于过零点检测电路63、及三极交流开关驱动电路61，微控制器电路64依据过零点检测电路63所提供交流电的过零点信号，经由控制三极交流开关驱动电路61以驱动三极交流开关60来调变交流电的导通角。

又，直流电源电路65提供各电路直流电源，而直流电源电路充电开关电路66介于整流电路62与直流电源电路65间，且直流电源电路充电开关电路66为用以控制直流电源电路65输入侧的导通时间，以免造成负载端Ld的过零点信号失真而造成导通角检测误差。

至于，调变模块Sc电性连接至微控制器电路64，故可借由调变调变模块Sc致使微控制器电路64控制产生不同导通角组合的交流电信号。在本实施例中，调变模块Sc包括两个切换开关S1,S2及可变电阻VR，借由开启或关闭切换开关S1,S2以及调整可变电阻VR，致使不同电压输入微控制器电路54，进而致使微控制器电路54控制导通角调变电路11产生不同导通角组合的交流电信号。当然本发明的调变模块Sc并不以切换开关及可变电阻为限，其它可与微控制器电路54搭配之调变手段均可适用于本发明。

再且，在本实施例中，负载端Ld的泄放电路13为一主动式泄放电路。当三极交流开关60不导通状态时，主动式泄放电路将短暂开启，以使导通角调变电路11的直流电源电路65储存电流，以供各电路使用。换言之，本实施例之主动式泄放电路可搭配导通角调变电路11的开关电路而连操作开关，可使导通角调变电路11的直流电源电路65在三极交流开关60关断时之极短的导通时间内能流过足够大的电流以储存足够多的能量，以供各电路使用，进而避免负载端Ld的过零点失真而影响到导通角检测电路14的工作。

请参阅图7，图7为本发明的第三实施例电路图。然而，图7仅是列举第三实施例的可实施形式之一，其中包括三极交流开关驱动电路61、整流电路62、过零点检测电路63、微控制器电路64、直流电源电路65、及直流电源电路充电开关电路66等详细电路布局皆属公知技术，于此不再详述。惟，本发明的第三实施例并不局限于此图之电路布局，举凡所有可实现相同功能的等效电路均应可适用于本实施例。此外，特别值得一提的是，本实施例的三极交流开关60亦可由硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR)、或其它等效组件取代。同样地，本实施例的详细操作及运作的方式可参考前述第二实施例。

经由本发明所提供的利用交流电导通角产生控制命令的调控装置1，无须对负载驱动电路2加装复杂的控制电路，亦不需增加配线，利用原始配线即可有效利用交流电信号本身，进行负载的调控。因此，本发明具有制作成本低、易维护、使用方便等功效。

符号说明

1 利用交流电导通角产生控制命令之调控装置

10 交流电源

11 导通角调变电路

12 整流电路

13 泄放电路

14 导通角检测电路

15 控制单元

111,50,60 三极交流开关

112 二级交流开关

114 电阻

115 电容

116 第一切换电容

117 第二切换电容

118 第一切换开关

119 第二切换开关

111a,501,601 第一端子

111b,502,602 第二端子

111c,503,603 栅极

2 负载驱动电路

51,61 三极交流开关驱动电路

52 整流/直流电源电路

521 整流电路

522 直流电源电路

53,63 过零点检测电路

54,64 微控制器电路

62 整流电路

621 交流端

622 直流端

65 直流电源电路

66 直流电源电路充电开关电路

91,92 按压开关

Cd 控制端

Ld 负载端

R1 电阻

Sc 调变模块

S1,S2 切换开关

VR 可变电阻。