一种两线制交流开关的寄生直流电源制造技术

一种两线制电子开关的寄生取电电路可使寄生的低压直流电在负载变动时的稳定性大幅提高且无断态半开现象。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术解决在两线制(或称单刀、单极等)开关的交流线路上实施电子控制升级时遇到的如何利用回路的交流电而获取电子线路所需直流电源以及相关交流负载和直流负载出现变动时的适应性问题和断态半开问题。实施主要针对墙壁开关，但原理适合其它应用。
技术介绍
一般意义上的开关(或称机械开关、理想开关)在接通时(通态)，两端电阻为零，电压也为零。因此人们有理由认为寄生直流电的获得关键在如何处理开关的通态机制。事实上，在上世纪80年代初已有文献记载两线制交流开关的寄生直流电源的电路，其取电方式不是像延时息灭开关那样来自断态而是来自通态。目前直流电的通态寄生主要是通过在交流电周期的特定低压区间截取部分或全部获得。部分截取时交流负载上会有断流，否则是全部截取，尽管这并不意味被截流的电能100％能被直流负载使用。截取时开关两端存在高于所需直流电压的交流平均电压，直流负载因此获得部分电流分配。而经过这种处理，负载是“感觉不到的”。也有寄生电路是截取若干个整半波的，这对加热器负载“没有感觉”但对灯具就“感觉明显”。且这种处理的电路成本高，本文不作考虑。在整个通态中电流直接流向交流负载的线路是主通路，实现寄生电源的通路是支路或称寄生通路。低压区间的截取机制有以晶体管做开关的后沿截取和以可控硅做开关的前沿截取。前者优点是电磁污染少，但线路略复杂，目前多数情况采用后者，以下讨论将针对后者。对开关元件的一项必要要求是它们能在交流半波的某一区间内关断。如电磁继电器是不具有这一性能的。其次在线路拓扑上，该开关元件必须位于与负载串联的主通路上，即必须承受截电以外所有的负载电流，因此以下它也被称为主开关或截电开关。主开关为晶体管或单向可控硅时，在大负载时存在整流电路热损耗大、成本高的缺点，以下讨论中将进一步以双向可控硅为主，图1是描绘这种电路主要特征的框图。图中降压电路可位于整流路之前，也可位于整流电路之后。为展开后面的讨论，在此定义包含负载两端的电路属负载端或负载侧(图中1)，而包含开关两端的电路属开关本身(图中2)。考虑交流电流向时，上端为正是正半周，正半周电流先到点为较前点。由于机械开关在断态时，两端的电压就是电源电压。因此，以电子开关替换机械开关在断态时获取直流电是容易的，就是一般的降压整流或整流降压7、8、稳压9和滤波10的工作。虽然这时交流负载3上也有电流流过，但只要所需的直流电流不大，电流流经交流负载3时是“感觉不到”的。为实现通态时的直流电截取，只要可控硅5通态时的导通角小于半波，两线制开关2两端就可以形成平均电压高于直流电压的交流电压，如果直流负载11充分地小，稳压电路9前的降压元件通态与断态还可以共用。这种方案是最简单的，但也是问题最多的——存在交流负载3和直流负载11的严重不适应。由于单一的降压元件阻抗值是固定的，为使在两线制开关2通态时驱动更大的直流负载11，增加直流供电电流，该降压元件的阻抗值必须很小。这样，换成断态时，交流负载3就很可能不再是“感觉不到”了，即容易引发负载的半开现象(灯具的微光、闪烁等)，且稳压电路9要承受很高的电压。在交流负载3方面，如果负载由大变小(阻抗由小变大)，为维持直流负载11的供电，在通态时只能将可控硅5的导通角减小，若交流负载3是灯具就会造成“暗者更暗”的局面。一般单阻抗降压电路只用于直流供电非常有限的开关(如延时熄灭开关)，且负载功率值有一定限制，通态功率因素低(导通角小)。作为改进，人们在稳压电路9前设计了双阻抗元件降压通态时电流自然流向比断态时更小甚至为零的电阻元件，部分地缓解了通态时要求有足够大的电流而断态时流经负载的电流要求足够小的矛盾。被截流的电流更有效(损耗小)地提供给了直流负载11。但另方面，两线制开关2就只有通断功能而没有调节的功能了。现在通态时影响给直流负载11供电多少的因素就剩下电流截取的时间长短了。截电时间过长会增加稳压电路9的输入电压，缩短两线制开关2的导通时间，减小线路的功率因素；截电时间过短则驱动不起直流负载11，达不到设计电压。在用可控硅截电的两线制开关2中稳压电路9的钳位功能对前级电路的反作用可以推迟可控硅触发电路6的触发时间，可见稳压电路9中使用稳压二极管以外的稳压电路(如先进的线性或开关型稳压器件)，对截电时间未必有帮助。直流电的取电过程从交流电位超过直流电位开始到交流电位挣脱稳压钳位至可控硅5打开时结束。以下的分析说明这些电路的截电时间是会随交流负载3的增大而减小从而影响它们的负载适应性的。首先给出它们通态时的简化等效电路，见附图2。12是交流负载3的等效电阻，13是降压整流电路7、8，稳压电路9，滤波电路10，直流负载11的等效电阻(略去直流电路中的钳位不影响定性分析的结论)。图3是可由实验在示波器看到或仿真工具得出的图2可控硅5两端在截电前后的电位随时间变化的三条曲线，曲线15、16、17分别对应的等效电阻12为2200欧、1200欧和200欧(限流电阻14取1K左右、稳压二极管约25V)。曲线表明，等效电阻12从2200欧降到200欧时，截电时间从1.2毫秒降至0.5毫秒。原因是等效电阻12的减小导致交流电源电压4在等效电阻12与等效电阻13的分压点A电位的绝对值的抬高，曲线的斜率增大，也意味着可控硅5触发电压的提前到来，从而导致截电过程提前结束，造成等效电阻13上供电不足。设想这种电路要维持低阻抗交流负载3(例如200欧)时通态对直流负载11的供电，并通过设定交流电过零后可控硅5推迟的触发电压，该电压已能为直流负载11取得足够的供电。换成高阻抗交流负载3后(例如2200欧)，触发电压不可按交流负载变化而调整，截电时间就要成倍增加。这时稳压二极管会遇到很大的反压，使功耗大增至1瓦以上，这会缩短元件寿命，增大影响控制线路的谐波(做成遥控开关时影响控制距离)，降低交流线路的功率因素，原来足够的截电量现在变成多余的甚至是有害的了。电路的另一缺点是，只有在两线制开关2两端电位升高到高于直流负载11电位(由稳压电路9、滤波电路10维持)时，才能给直流负载11供电，之前的截电区间时间里，包括交流负载3的整个回路都是断流的，因而属部分截电。前面提到对截电开关元件的要求时已说明，它就在电流主通路上，因此在通态时在主通路上用另一只开关元件串联截电开关并不合理。虽然该开关元件在双降压元件电路中起切换通态降压与断态降压的作用，使通态降压与断态降压的切换点位于主通路上。但由于它必须承受与截电开关元件同样甚至更大的负荷，会使材料成本增加。如使用的是继电器更会增加直流负载11的负荷。以上讨论的大部分设计中都只注意到开关的通态而忽略了断态可能存在的问题。断态时最突出的问题是交流负载3的半开问题。所谓半开问题就是交流负载3在断态时因维持两线制开关2供电的需要，流经它的电流已经到了超出人们对断态感觉的地步了，具体表现是灯具的暗光或闪烁。事实上，整流降压电路7、8，稳压电路9、滤波电路10和直流负11载构成了开关元件的旁路，只要该旁路存在，采用什么元件做开关元件都对半开现象无济于事(开关元件的换向关断能力属另外范畴)。不存在对所有类型负载都必然出现半开现象的特定电压值或电流值。一般电流越小，半开现象出现的概率就越小，所以减小或至少在断态时减小给直流负载11的供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两线制交流开关寄生直流电源电路由半导体主开关、降压元件、整流电路、稳压电路、滤波电路构成，其特征是：在通态控制信号下，交流电流半波过零后在半导体主开关打开前先通过支路开关从整流电路前的双降压元件中选择低阻抗的通态降压元件经过，且双降压元件均为电容器，再经整流电路、稳压电路、滤波电路等之后向直流负载供电。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：冯家宁，
申请(专利权)人：冯家宁，
类型：发明
国别省市：81[]