一种KA型单火线墙壁智能开关的制作方法

本发明涉及智能开关技术领域，尤其涉及一种ka型单火线墙壁智能开关。

背景技术：

随着科学技术的高速发展，智能家居逐渐走进各家各户，给用户极大的方便和乐趣。尤其是，近期出现的蓝牙、zigbee、wifi单火线智能墙壁开关，不仅能用语音或通断器进行本地控制，还能用手机app进行远程控制，深受广大年轻人的青睐。

但是，目前市场上墙壁开关普通存在许多不足之处，其不足之处在于：1)小功率led灯出现闪烁和鬼火现象；2)小功率led灯不能配网、不能驱动普通继电器；3)与继电器触点串联的取电功率moseft易发热、易损坏；4)无负载空开时，边路灯会发亮，甚至死机；因此，有必要提出一种ka型单火线墙壁智能开关，用于解决上述存在的问题。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种ka型单火线墙壁智能开关，不仅有效防止小功率led灯出现闪烁和鬼火现象，还能有效克服小功率led灯不能配网、不能驱动普通继电器的技术壁垒，同时能显著降低与继电器开关触点串联的取电功率moseft发热量和空开带来不良的后果。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种ka型单火线墙壁智能开关，设置于火线和供电负载之间，包括ka主开关、高压隔离电源、功率自适应电路、直流定时充电控制电路、升阻抗电路、空开封锁电路和智能模块输入输出电路；其中，

所述ka主开关由继电器ka常开触点与串联的取电mos管组成，串接在火线与充电负载之间，其上设有用于分别连接火线与供电负载的四个接线端、三路继电器开关和取电功率mos管；三路继电器开关的常开触头的一端分别与三路用于连接供电负载的接线端相连，三路继电器开关的常开触点的另一端并接在一起后与所述取电功率mos管的漏极、所述直流定时充电控制电路的输入端相连；所述取电功率mos管的源极与火线相连，栅极与所述功率自适应电路的输出端相连；其中，所述ka主开关，用于在所述取电功率mos管以及所述三路继电器开关某一路或多路均为导通状态时，火线与供电负载之间的电连接；或所述三路继电器开关全为截止状态时，关断火线与供电负载之间的电连接；

所述高压隔离电源接入所述ka主开关和供电负载之间的连线上，用于在所述ka主开关关断时，给供电负载提供直流电；

所述直流定时充电控制电路的输出端分别与所述功率自适应电路的输入端及所述升阻抗电路的输入端相连，用于在所述ka主开关导通时，火线与供电负载之间的电连接，以确保供电负载导通的同时，进行直流定时充电以降低取电mos管的发热；

所述功率自适应电路，用于在所述ka主开关导通时，火线与供电负载之间的电连接以确保供电负载导通的同时，对小功率进行全桥整流，输出电压低于上限电压时使所述取电功率mos管截止；或对应为大功率供电负载时进行半波整流，输出达到上限电压时以使所述取电功率mos管导通；以停止充电来稳定输出电压；

所述升阻抗电路的输出端与所述ka主开关中三路继电器开关的线圈供电电压端相连，用于升流，以确保继电器开关正常工作；

所述空开封锁电路的输入端与所述智能模块输入输出电路的输出端和供电负载接线端相连，输出端与所述ka主开关中三路继电器开关的线圈控制端相连，用于空开保护，确保无供电负载熄灭时相应的一路继电器线圈为断电状态；

所述智能模块输入输出电路的输入端与外部信号源相连，用于接收外部信号，并在接收到外部信号时，对所述ka主开关中三路继电器开关进行直接或远程控制。

其中，所述高压隔离电源包括整流桥ur、隔离变压器tr1、开关功率管v1和光电耦器op1；其中，

所述开关功率管v1为高压功率mos管，并在源极串接有限流电阻r0；

所述整流桥ur的输出端并接有过压保护压敏电阻rv，并经电阻r2、电容c2、电阻r3和电容c3组成的滤波电路与所述隔离变压器tr1的输入端相连；

所述隔离变压器tr1的输出端与直流供电电源连接；

所述光电耦器op1中的发光管侧连接有电阻r1形成的直流稳压反馈电路，还连接有二极管vd1形成的脉冲反馈电路。

其中，所述直流电压充电控制电路包括前沿检测电路、微分及射极跟随电路和定时控制电路；其中，

所述前沿检测电路的输入端与所述ka主开关中桥式整流输出的正电压端相连，输出端与所述微分及射极跟随电路的输入端相连；其中，所述前沿检测电路包括串接的电阻r9和电阻r10，其中点为前沿检测电路的输出端；

所述微分及射极跟随电路的输出端为所述定时控制电路，输出端与电源专用芯片uo的输入控制端相连；其中，所述微分及射极跟随电路包括由微分电容c9、电阻r11以及由三极管t4形成的射极跟随电路；

其中，所述定时控制电路由电容c12和电阻r12并接而成。

其中，所述功率自适应电路包括依序连接的桥式整流取电电路、上限电压检测及输出电路、模拟负载电路、功率转换电路和电压保持电路；其中，

所述桥式整流取电电路输入端与所述ka主开关中三路继电开关的共同的常开触点及火线均相连；其中，所述桥式整流取电电路由所述取电功率mos管的寄生二极管vd4和vd5，以及所述取电功率mos管的外部二极管vd2和vd3组成，其输出为高直流供电电压vcc1；所述取电功率mos管包括串接在一起的功率mos管v2和v3；

所述上限电压检测及输出电路由稳压二极管vz1、电阻r4、电阻r5、开关三极管t2、电阻r6和电容c6形成；其中，电阻r4和电阻r5形成取样电路；电阻r6和电容c6形成延时电路；

所述模拟负载电路由功率mos管v4和电阻r7形成；

所述功率转换电路与所述ka主开关中所述取电功率mos管的栅极相连；其中，所述功率转换电路由电源专用芯片u0形成；

所述电压保持电路由电阻r8和电容c8并接而成。

其中，所述升阻抗电路包括窄脉冲形成及封锁电路和降压斩波电路；其中，

所述窄脉冲形成及封锁电路的输入端与智能模块uo输出端相连，输出端与所述降压斩波电路的输入端相连；其中，所述窄脉冲形成电路由单片机u4内部产生，受智能模块u6输出电压控制；

所述降压斩波电路的输出端与所述ka主开关中三路继电器开关的线圈供电电压端相连；其中，所述降压斩波电路包括由功率mos管v5、电感ls和续流二极管vd6形成。

其中，所述空开封锁电路由串接在一起的斯密特集成反相器u5-1b、反相器u5-1a和检测滤波电路形成；其中，所述r17、r18、r19为电压检测电阻，电容c11为滤波电容。

其中，所述智能模块输入输出电路所接的外部信号源包括按钮控制电路、433接收模块输出电路、触摸集成输出电路和app网络信号。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明通过高压隔离电源接入ka主开关和供电负载之间的连线和火线上，当ka主开关关断，火线与供电负载之间的电连接时，给控制电路提供直流电，使得供电负载待机电流<50μa，从而能有效防止小功率供电负载出现闪烁和鬼火现象；

2、本发明在功率自适应电路中，能对小功率供电负载进行全桥整流或对大功率供电负载进行半波整流的转换，能将电压开关功率范围从1w扩展到1000w；

3、本发明中直流定时充电电路中，采用了定时控制，减小了取电mos管的开关频率和mos管内部二极管导通时间，从而能显著降低与继电器开关触点串联的取电功率moseft发热量；

4、本发明在ka主开关导通，火线与供电负载之间的电连接时，通过升阻抗电路的输出端与ka主开关中三路继电器开关的线圈电压端相连，用以升流来确保继电器开关正常工作，从而能有效克服小功率供电负载不能配网、不能驱动普通继电器的技术壁垒；

5、本发明通过空开封锁，避免因继电器开关吸合而负载不能产生充电电流的现象，从而有效防止电源电压大大跌落，影响正常工作，甚至出现死机的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的ka型单火线墙壁智能开关的逻辑连接结构示意图；

图2为图1中高压隔离电源的电路连接原理图；

图3为图1中ka主开关、功率自适应电路及直流定时充电控制电路三者的电路连接原理图；

图4为图1中升阻抗电路的电路连接原理图；

图5为图1中空开封锁电路的电路连接原理图；

图6为图1中智能模块输入输出电路的电路连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1至图6所示，为本发明实施例中，提供的一种ka型单火线墙壁智能开关，设置于火线l和供电负载s之间，包括ka主开关1、高压隔离电源2、功率自适应电路3、直流定时充电控制电路4、升阻抗电路5、空开封锁电路6和智能模块输入输出电路7；其中，

ka主开关1串接在火线l和供电负载s之间，其上设有用于分别连接火线l和供电负载s的四个接线端(l、l1、l2、l3)、三路继电器开关(如ka1～ka3)和取电功率mos管(如包括串联在一起的功率mos管v2和v3)；三路继电器开关的常开触头的一端分别与供电负载s的接入端子l1、l2、l3相连，且三路继电器开关(ka1～ka3)的常开触点的另一端并接在一起后与取电功率mos管的漏极以及直流定时充电控制电路4的输入端均相连；取电功率mos管的源极与火线l相连，栅极与功率自适应电路3的输出端相连；其中，ka主开关1，用于在取电功率mos管以及三路继电器开关(如ka1～ka3)某一路或多路均为导通状态时，导通火线l和led灯s之间的电连接；或三路继电器开关(如ka1～ka3)为截止状态时，关断火线l和供电负载s之间的电连接；

高压隔离电源2接入ka主开关1和供电负载s之间的连线上，用于在ka主开关1关断时，火线l和供电负载s之间的电连接时，给控制电路的静态提供直流电；即ka主开关1处于off状态时，串联负载的微小漏电作为智能开关供电直源电源，通过高压隔离电源2来完成，并确保待机电流<50μa，从而能有效防止小功率供电负载出现闪烁和鬼火现象；

直流定时充电控制电路4的输出端分别与功率自适应电路3的输入端及升阻抗电路5的输入端相连，用于在ka主开关1导通时，火线l和供电负载s之间的电连接以确保供电负载s导通的同时，进行定时充电；

功率自适应电路3，用于在ka主开关1导通火线l和供电负载s之间的电连接以确保供电负载s导通的同时，对于供电负载s为小功率负载(主要是小功率led灯)时进行全桥整流，由于输出电压低于上限电压以使取电功率mos管截止；或对供电负载s为大功率负载时进行半波整流，输出电压达上限电压以使取电功率mos管导通，以短路方式停止充电，确保输出直流电压稳定；应当说明的是，小功率供电负载全桥整流，取电功率mos管截止，大功率时自主转为半波充电，使得开关频率下降一倍来减小开关损耗，最重要的是，小功率、大功率均能满足继电器线圈的供电要求；

升阻抗电路5的输出端与ka主开关1中三路继电器开关(如ka1～ka3)的线圈电压端相连，具有升流功能，以确保三路继电器线圈(如ka1～ka3)正常工作，能使电子开关功率适用范围扩大到1～1000w；

空开封锁电路6的输入端与智能模块输入输出电路7的输出端和供电负载s端相连，输出端与ka主开关1中三路继电器开关(如ka1～ka3)的线圈控制端相连，用于空开保护，确保无负载无灯时相应的一路继电器线圈为断电状态；

智能模块输入输出电路7的输入端与外部信号源相连，用于接收外部信号，并在接收到外部信号时，对ka主开关1中三路继电器开关(如ka1～ka3)进行远程控制。其中，智能模块输入输出电路7所接的外部信号源包括但不限于按钮控制电路、433接收模块输出电路、触摸集成输出电路和app网络信号。

在本发明实施例中，如图2所示，高压隔离电源2包括整流桥ur、隔离变压器tr1、开关功率管v1和光电耦器op1；其中，

开关功率管v1为高压功率mos管，并在源极串接有限流电阻r0；

整流桥ur的输出端并接有过压保护压敏电阻rv，并经电阻r2、电容c2、电阻r3和电容c3组成的滤波电路与隔离变压器tr1的输入端相连；

隔离变压器tr1的输出端经整流二极管与直流供电电源vcc1、vcc2连接；

光电耦器op1中的发光管侧连接有电阻r1形成的直流稳压反馈电路，还连接有二极管vd1形成的脉冲反馈电路。

应当说明的是，高压隔离电源2中开关功率管v1采用mos管损耗小效率高，空载电流只有10μa，使得小功率led灯不会闪烁、不微亮，串联电阻r0有限制最大电流作用，开关功率管v1不容易损坏；低频滤波(r2、c2)和过压保护压敏电阻rv使抗浪涌能力增强，高频小电容滤波(r3、c3)虽储能小，但足够使用，且开关功率管v1不易损坏；脉冲反馈电路具有响应快、电压波动小空载电流小等优点，直流反馈能稳定直流电压，二者结合性能更加稳定可靠。

在本发明实施例中，如图3所示，直流定时充电控制电路4包括前沿检测电路41、微分及射极跟随电路42和定时控制电路43；其中，

前沿检测电路41的输入端与ka主开关1桥式整流输出的正电压端相连，输出端与微分及射极跟随电路42的输入端相连；其中，前沿检测电路41包括串接的电阻r9和电阻r10，其中点为前沿检测电路的输出端；

微分及射极跟随电路42的输出端与定时电路43的输出端相连；其中，微分及射极跟随电路42包括由电容c9和电阻r11串接而成的微分电路以及由三极管t4形成的射极跟随电路；

定时控制电路43的输入端与功率自适应电路3的输入端相连；其中，定时控制电路43由电容c12和电阻r12并接而成，频率50hz时，时间设定19.5ms。

应当说明的是，前沿检测电路41中前沿的位置与功率大小无关，能确保功率mos管v2内部二极管额定导通时间＜1ms，发热小；微分及射极跟随电路42中微分时间设计为0.1ms，大小功率时间近似不变，对功率mos管v2中内部寄生二极管vd4导通时间影响小；定时控制电路43在供电负载s一旦导通时封锁解除，19.5ms后又进入封锁状态，功率mos管v2内部寄生二极管vd4只导通0.5ms，发热小。例如，5a时寄生二极管vd4压降0.8v，功率mos管v2的门限电压vds＝0.02v(4mω*5a)，发热小40倍。由于设定在350°时开始充电，因半波必然在零电压开始导通充电，充电冲击电流小，更安全。

此时，功率自适应电路3包括依序连接的桥式整流取电电路31、电压检测及输出电路32、模拟负载电路33、功率转换电路34和电压保持电路35；其中，

桥式整流取电电路31输入端与ka主开关1中三路继电开关共同的常开触点及火线相连；其中，桥式整流取电电路31由取电功率mos管的寄生二极管vd4和vd5，以及取电功率mos管的外部二极管vd2和vd3形成；

电压检测及输出电路32由稳压二极管vz1、电阻r4、电阻r5、开关三极管t2、电阻r6和电容c6形成；其中，电阻r4和电阻r5形成取样电路；电阻r6和电容c6形成延时电路，时间设定为40ms，远大于20ms；

模拟负载电路33由功率mos管v4和电阻r7形成；

功率转换电路34与ka主开关1中取电功率mos管的栅极相连；其中，功率转换电路由电源专用芯片u0形成；

电压保持电路35由电阻r8和电容c8并接而成。

应当说明的是，模拟负载电路33主要用于模拟负载，电阻r7需5w功率的led灯来维持，确保小led不会转换，一旦达到，则功率mos管v4关断，模拟负载功耗为零，能确保转换后即使功率较小也能维持功率mos管v2导通。此时，电阻r7阻值越小转换所需功率越大，相对损耗也较大，若电阻r7阻值过大，则转换后不能维持稳定工作状态，导致全桥、半波在跳动；电压检测及输出电路32主要是保证1kw或10w负载时输出电压vcc2近似不变，对于1-3w负载电压检测不起作用，无损耗，确保vcc2有足够的电压；电压保持电路35中保持时间约30ms，大于20ms(50hz)，每周有一次脉冲就能维持v3导通(vg2＝vcc3)，将桥式自动变为半波。桥式和半波转换电压设定为20v，小功率负载充电最高电压为19.5v，不能翻转，功率＞10w达到了设定电压将全波变为半波，功率越大达到设定时间越短，即充电脉冲越窄，这样能始终保持输出直流电压vcc2近似不变，其原因一旦充电的电压达到20v，取电mos管导通，输入被短接，充电立即结束，电压不会上升。

在本发明实施例中，如图4所示，升阻抗电路5包括窄脉冲形成及封锁电路51和降压斩波电路52；其中，

窄脉冲形成及封锁电路51的输入端与直流定时充电控制电路3的输出端相连，输出端与降压斩波电路52的输入端相连；其中，窄脉冲形成及封锁电路51由单片机u4、电阻r15、电容c10和功率mos管v6形成；

降压斩波电路52的输出端与ka主开关1中三路继电器开关的线圈电压端相连；其中，降压斩波电路52包括功率mos管v5、电感ls和续流二极管vd6形成。

应当说明的是，窄脉冲形成及封锁电路51中采用单片机产生窄脉冲，外围元件少，占空比准确；降压斩波电路52中是从恒流负载取得更多的能量，其方法是提高等效电阻，其目的是保证小功率供电负载有足够直流供电能量。如降压比为4：1，负载电阻100ω，相当于输入端等效电阻1600ω，相当于吸收功率大了16倍。其中，功率mos管v6控制功率mos管v5的通断，即占空比；电阻r15和电容c10形成微分电路，主要是加速功率mos管v5的通或断，能有效减小高频降压斩波电路52中功率mos管v5的开关损耗。

在本发明实施例中，如图5所示，空开封锁电路6由串接在一起的斯密特集成反相器u5-1b、反相器u5-1a和电压检测滤波电路形成；其中，所述r17、r18、r19为电压检测电阻，电容c11为滤波电容。

应当说明的是，空开封锁电路6能保证无负载时对应的继电器开关的线圈不得电，无损耗。若无空开封锁电路6，则因继电器线圈吸合但无法产生充电电流的现象，导致电源电压大大跌落，不能正常工作，甚至出现死机。空开封锁电路不影响有负载时的正常工作，其原理是利用斯密特集成反相器v5的回差特性。

在本发明实施例中，如图6所示，智能开关输入输出电路7的输入端分别接按钮控制电路、433接收模块输出电路、触摸集成输出电路和app网络信号，输出端接空开封锁电路6的输入端。其中，该智能开关输入输出电路7由智能模块u6及其外围电路形成。

应当说明的是，智能开关输入输出电路7接收到触摸信号、按钮信号、433mhz遥控信号或手机app信号，智能模块u6输出对应uo1、uo2、uo3的电平控制对应三路继电器的触点通断，取电功率mos管v2和v3构成供电负载s的通路，使得供电负载s得电。

本发明实施例中的一种ka型单火线墙壁智能开关的工作原理为，单火线是指开关中无零线只有火线，这与传统机械开关完全一致，但对电源要求高，开关关断状态(off)，待机电流要＜50μa，否则小led会闪烁或出现鬼火(微亮)。

因此，ka主开关1处于off状态(即继电器开关ka1～ka3均断开)，串联负载的微小漏电作为智能开关供电直源电源，通过高压隔离电源2来完成；ka主开关1处于on状态(即继电器开关ka1～ka3均吸合)，供电负载s导通，且利用与负载串联的取电功率mos管v2、v3瞬时断开，将负载电流作为智能开关的工作电源，通过直流定时充电控制电路4进行充电，降低与继电器开关触点串联的取电功率moseft发热量，并在充电过程中利用功率自适应电路3进行全桥或半波整流，以及通过升阻抗电路5保证小功率供电负载有足够直流供电能量，使得ka主开关1中继电器开关能正常工作。

同时，还可以通过智能模块输入输出电路7接收触摸信号、按钮信号、433mhz遥控信号或手机app信号对ka主开关1进行通断控制，空开封锁电路6保证无灯时对应的继电器开关的线圈不得电，无损耗。

实验证明：采用本开关电路灯不闪，1～3w供电负载能配网，1～3w供电负载能驱动普通的继电器，负载功率为2kw时，取电用功率moseft温升小于20℃。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明通过高压隔离电源接入ka主开关和供电负载之间的连线和火线上，当ka主开关关断，火线与供电负载之间的电连接时，给控制电路提供直流电，使得供电负载待机电流<50μa，从而能有效防止小功率led灯出现闪烁和鬼火现象；

2、本发明在功率自适应电路中对小功率供电负载进行全桥整流或对大功率供电负载进行半波整流和转换，能将电压开关功率范围从1w扩展到1000w；

3、本发明中直流定时充电电路中，采用了定时控制，减小了取电mos管的开关频率和mos管内部二极管导通时间，从而能显著降低与继电器开关触点串联的取电功率moseft发热量；

4、本发明在ka主开关导通，火线与供电负载之间的电连接时，通过升阻抗电路的输出端与ka主开关中三路继电器开关的线圈电压端相连，用以升流来确保继电器开关正常工作，从而能有效克服小功率供电负载不能配网、不能驱动普通继电器的技术壁垒；

5、本发明通过空开封锁，避免因继电器开关吸合而负载不能产生充电电流的现象，从而有效防止电源电压大大跌落，影响正常工作，甚至出现死机的问题。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。