專利名稱：雙線可控開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電路，其有利于在只能接入帶電導體或導線(此處稱作帶電導體)的雙線電路中的開關器件的電控動作。本發明已經被應用于遠程可控的照明電路，例如，響應于從計時器或運動檢測器獲得的輸出而切換的照明電路，并且，在下文中將從這種角度來描述本發明。然而，將會理解，本發明具有更廣的應用。
背景技術：
大樓內的照明電路典型地是由雙芯(帶電的和中性的)電線供電的，該雙芯電線被置于大樓的天花板上。而且，雙芯電線通常用于在天花板上的帶電導體與裝于天花板上的照明配件的帶電側之間的電路中連接墻壁開關。也就是說，在典型的大樓情形中，在天花板水平下面，中性的導體通常不能被正常獲得，并且因此，不能從天花板水平下面的電路獲得電源供應。所以，不便于提供照明的電控開關，例如，使用繼電器，需要電源來激勵其線圈。
各種所謂的雙線開關電路被用于照明的控制開關，其僅使用一個帶電導體。在一個這種的電路中，例如，在1989年2月28號公開的澳大利亞專利No.608416中，一個三端雙向可控硅開關元件被用作控制開關，但是這種方法會產生在限定的空間內的散熱問題，尤其是在10安培量級的相當大的電流時。在解決該問題的實際方法中，一個電容與一個雙穩繼電器一起被使用在電路中，并且，當該繼電器斷開時，該電容被充電到其最大電平。然后，當繼電器被動作到關閉狀態時，電容電荷被用于激勵繼電器線圈“接通”，但是，該繼電器僅在這樣的時刻才被維持在關閉狀態，所述的時刻是認為電容的放電到一個低于激勵繼電器“斷開”線圈的電平。
另一種方法涉及到遞升變壓器和反向連接的二極管的使用，用于把鎖定電流提供至繼電器線圈，但是，這不適合在受限空間情形中使用。
然而，另一種方法涉及一種在1999年3月26日公開的澳大利亞專利申請No.22429/99中由本發明申請人提出的電路。然而，那種電路需要使用一種昂貴的肖特基二極管和用于耗散2至3瓦特的平均功率的散熱片。

發明內容
本發明提供一種解決上述問題的替代方法，其便于如繼電器等的控制開關器件的持續動作，并且，其以更好的方式提供用于在一個寬范圍的負載電流上電控開關器件的動作。
大體說來，本發明提供了一種開關電路，包括可電動的第一開關器件，其被安排成與單相交流電路中的負載串聯連接；固態第二開關器件，其與第一開關器件串聯連接；第一能量存儲器件，其跨第一和第二開關器件連接，并被安排于控制條件下，以便把動作電源傳送至第一開關器件；第二能量存儲器件，其跨第二開關器件連接，并被安排成用來存儲用于門控第二開關器件的電源；門控電路，與第二能量存儲器件相聯系，并被安排成在第一開關器件被動作為導通狀態期間，作用于第二開關器件的定期“斷開”-“接通”門控；以及電路連接，在第一和第二開關器件的連接點、與第一和第二能量存儲器件之間，該電路連接用于在第二開關器件的“斷開”門控期間提供第一能量存儲器件的充電，和第二能量存儲器件的充電。
在開關電路的操作中，第一能量存儲器件被用作動作和鎖定第一開關器件的電源。第一能量存儲器件被充電至其全容量超過一個初始時間間隔，該時間間隔是在到電源電壓的電路連接之后、但在第一開關器件動作到導通狀態之前。其后，當第一開關器件動作到導通狀態時，來自第一能量存儲器件的電荷損耗被第二開關器件的定期“斷開”-“接通”門控來補充。這種過程將在本說明書的稍后進行詳細描述。
第一開關器件可包括一個在相當低的功率應用中被采用的固態開關器件，但是其最好包括一個具有線圈的繼電器，該線圈由第一能量存儲器件輸出的動作信號來激勵。也就是說，提供給繼電器線圈的動作/鎖定電流，是在控制的條件下從第一能量存儲器件中輸出的。
為了將不能接收的熱損耗最小化和/或為了避免散熱器的需要，固態第二開關器件最好包括低阻抗器件，也就是說，在其導通狀態下，所呈現的阻抗對于平均10安培的電流，所引起的電壓降不大于平均約500毫伏。第二開關器件最好包括金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)器件。
在電源的每個正半周期的一個初始時間間隔期間，最好安排門控電路將第二開關器件門控到“斷開”狀態，并在其后，對于電源的剩下的正半周期和下一個后續負半周期，將第二開關器件門控為“接通”狀態。采用這種方法，就不再需要在前述的現有技術方法中的一個中所需要的肖特基(Shottky)二極管、和相聯系的散熱片。
在第二開關器件被門控到“斷開”的時間間隔期間，第二開關器件兩端的電壓上升被用于向第一和第二能量存儲器件輸出充電電流。然而，門控電路被有效地禁止，直到第一開關器件動作到導通狀態。
第二開關器件被門控到“斷開”狀態期間的時間間隔的選擇，最好能引起器件兩端的電壓上升為10伏到20伏的量級。
如上面所定義的開關電路最好包括一個處理器，使其能夠響應來自手動開關器件、鄰近探測器、光度等級傳感器、運動探測器、遙控(紅外線或射頻)信號傳感器或其它此類器件的輸入信號，而作用于第一開關器件的控制動作。
從開關電路的優選實施例的下列描述中，將更全面地理解本發明。將參考附圖來描述該電路。


在附圖中圖1示出了開關電路的部分細節和部分概略的圖；以及圖2示出了包括如圖1中所示的開關電路的組件以及附加的可選的處理電路的電路圖。
具體實施例方式
如圖1中所示，開關電路10用于控制被安裝到天花板12上的白熾燈11的激勵。該燈被裝到配件13上，該配件13包括環路終端14、切換帶電終端15和中性終端16。該開關電路被雙線導體17連接到燈配件13的帶電的和切換帶電終端。
雙線單相交流電源18以通常方式被提供至天花板12上。
開關電路10包括以電磁繼電器形式的電動的第一開關器件19，以及以金屬氧化物場效應晶體管形式的串聯連接的固態第二開關器件20。這兩種開關器件19和20與燈11串聯連接，并因此跨接在帶電-中性電源18。
包括兩個電容C2和C4的第一能量存儲器件21跨接于，即并聯在第一和第二開關器件19和20上，并被安排于控制條件下，如此后所描述的，以便把動作電源傳送至繼電器19的線圈22。同樣，包括電容C3的第二能量存儲器件23跨接于金屬氧化物場效應晶體管20上，并被安排成用來存儲門控金屬氧化物場效應晶體管20的電源。
與金屬氧化物場效應晶體管20相聯系的門控電路24，用于在繼電器19被動作到導通狀態的時間期間，作用于金屬氧化物場效應晶體管20的定期“斷開”-“接通”門控。
在繼電器-金屬氧化物場效應晶體管連結點27與第一能量存儲器件21之間存在電路連接25，以便在金屬氧化物場效應晶體管20的“斷開”門控期間、且在繼電器19的動作之后，經由電容C2提供第一能量存儲器件的充電。同樣，在金屬氧化物場效應晶體管20的“斷開”門控期間，電路連接26為第二能量存儲器件23提供定期的充電，即電容C3的充電，其中，通過所述的電路連接26，第二能量存儲器件23跨接于金屬氧化物場效應晶體管20上。
分離控制電路28用于開關開路10的初始化操作。在圖1中概略地示出了該控制電路28，其包括手動可操作的“接通”-“斷開”開關29。然而，該控制電路將正常地包括附圖2中所示的、僅作為示例的類型的某些處理電路。
現在，同時參考圖1和圖2描述開關電路10的操作。
作為初始狀態，假定繼電器19是斷開的，即，未激勵的，并且，沒有供給門控電路24的電源，金屬氧化物場效應晶體管20是非導通的。然后，在連續的正半周期期間，如所指示的，相對于能量存儲器件為零電壓，電流將流經燈11，以對電容C2充電，以及在連續的負半周期期間，電流將流經帶電的連接，以對電容C4充電。根據燈電阻，電容C2和C4通常被滿充電至48伏的總的、串聯電壓電平，由齊納二極管ZD2和ZD4決定，并將超過大約20個周期的時間期間。
在其后的任何時刻，隨著開關29的操作，繼電器19被動作到導通狀態。用于繼電器線圈的激勵電源從電容C2和C4中輸出。其后，隨著在電源的第一和每個隨后的正半周期中出現超過一個初始時間的電壓上升，在金屬氧化物場效應晶體管器件20上的漏級電壓將使電流流經二極管D4，以對電容C3充電，并流經二極管D5，以對電容C2充電。
當電容C3被充電到使齊納二極管ZD1和ZD3導通的電平時，來自鎖存器U1A的輸出被用于在電源的剩下的正半周期的持續期間和下一個后續負半周期中，將金屬氧化物場效應晶體管20門控到“接通”狀態。值得注意的是，只有在鎖存器U1A的初始設置和隨后的復位之后，才將金屬氧化物場效應晶體管20門控到“接通”狀態。在繼電器19的閉合之前，不對電容C3充電，這就確保金屬氧化物場效應晶體管20被初始鎖定為“斷開”。
此外，在電源的每個正半周期的開始，鎖存器復位U1A檢測到電壓上升，并將鎖存器U1A復位到“斷開”狀態，這樣反過來導致金屬氧化物場效應晶體管被門控為“斷開”一個由電容C3的充電時間決定的初始時間。在電源的每個正半周期的最小間隔，即0.5到1.5微秒的期間，可實現第一能量存儲器件21的充電和第二能量存儲器件23的充電。
熟悉傳統電路設計的人員將會理解圖2中所示的、但并未特別指出的各種電路組件的要求和功能。圖2中所示的電路也適用于滿足圖1中所示的方案在工作時的特定負載和其它要求。
然而，可以看出，通過選擇低值的鎖存器偏置電阻R4，如圖2中所示，該開關電路可以使用具有寬操作電源范圍的燈或其它負載。在相對大負載的情況下，電路將以上述的方式工作，并且，電流將同時流經繼電器19和金屬氧化物場效應晶體管20。然而，在電源的每個正半周期期間，在負載電流很小的情況下，電阻R4兩端將出現低的電壓降，將不能操作鎖存器U1A，而且負載電流將流經電阻R4，而不是流經金屬氧化物場效應晶體管。然后，在電源的每個負半周期期間，利用金屬氧化物場效應晶體管器件的固有反向二極管特性，電流將流經金屬氧化物場效應晶體管。取決于各種電路參數，可以采用器件，來容納范圍在20毫安到16安之間的負載電流，即超過將近3個數量級。
權利要求
1.一種開關電路，包括可電動的第一開關器件，其被安排成與單相交流電路中的負載串聯連接；固態第二開關器件，其與第一開關器件串聯連接；第一能量存儲器件，其跨第一和第二開關器件連接，并被安排于控制條件下，以便把動作電源傳送至第一開關器件；第二能量存儲器件，其跨第二開關器件連接，并被安排成用來存儲用于門控第二開關器件的電源；門控電路，與第二能量存儲器件相聯系，并被安排成在第一開關器件被動作為導通狀態期間，作用于第二開關器件的定期“斷開”-“接通”門控；以及電路連接，在第一和第二開關器件的連接點、與第一和第二能量存儲器件之間，該電路連接用于在第二開關器件的“斷開”門控期間，提供第一能量存儲器件的充電，和第二能量存儲器件的充電。
2.如權利要求1的開關電路，其中，第一能量存儲器件包括至少一個電容。
3.如權利要求1的開關電路，其中，第二能量存儲器件包括至少一個電容。
4.如權利要求1的開關電路，其中，第一開關器件包括具有一個動作線圈的電磁繼電器，所述的動作線圈在電路中與第一能量存儲器件連接。
5.如權利要求1的開關電路，其中，第二開關器件包括一個金屬氧化物場效應晶體管元件。
6.如權利要求1的開關電路，其中，在交流電源的每個正半周期的一個初始時間間隔期間，該門控電路被安排成將第二開關器件門控為“斷開”狀態，并在其后，對于交流電源的剩下的正半周期和下一個后續負半周期，將第二開關器件門控為“接通”狀態，并且其中，在第二開關器件被門控為“斷開”狀態的時間間隔期間，利用第二開關器件兩端的電壓上升，把充電電流輸出至第一和第二能量存儲器件。
7.如權利要求6的開關電路，其中，在第一開關器件動作到導通狀態之前，門控電路被有效地安排成停止狀態。
8.如權利要求7的開關電路，其中，門控電路包括鎖存器，所述的鎖存器初始被安排成鎖定金屬氧化物場效應晶體管為“斷開”狀態；和鎖存復位，其功能是在預定的正電壓上升之后，把所述的鎖存器復位到“接通”狀態，并以此門控第二開關器件。
9.如權利要求8的開關電路，其中，與鎖存器相聯系的電路包括低值偏置電阻，該電阻其被安排成去承載負載電流，否則，在交流電源的連續半周期內，當該電阻兩端的電壓降不足以設置鎖存器和門控第二開關器件為“接通”狀態時，該負載電流將流過第二開關器件。
全文摘要
開關電路，使接入導體的雙線電路中繼電器開關器件電控動作，包括電動開關件(19)，安排與單相交流電路(18)中燈(11)串接。固態第二開關件(20)與第一開關件(19)串接。第一能量存儲件(21)跨第一和第二開關件接，可控條件下，動作電源送至第一開關件(19)動作元件(22)。第二能量存儲件(23)跨第二開關件(20)接，供門控第二開關件電源。第一開關件(19)到導通狀態，第二能量存儲件(23)相關的門控電路(24)使第二開關件(20)定期“接通”－“斷開”。電路連接(25和26)從第一和第二開關件(19和20)的接點(27)到第一和第二能量存儲件(21和23)。在第二開關件(20)“斷開”期間，第一和第二能量存儲件(21和23)充電。
文檔編號H05B39/04GK1476671SQ01819331
公開日2004年2月18日 申請日期2001年11月9日 優先權日2000年11月23日
發明者彼得·比勒爾, 彼得 比勒爾 申請人:H·P·M·工業有限公司, H P M 工業有限公司