專利名稱：電力開關的制作方法
技術領域：
本發明涉電力開關裝置，尤其是涉及帶有從開關線路取得開關控制裝置所需電源的雙端電力開關裝置。更具體地說，本發明涉及一種帶有從開關線路取得開關控制裝置所需電源的可遙控的雙端交流電力開關裝置。更具體而言，但當然并不限于此，本發明還涉及帶有從開關線路取得電源以遙控開關裝置的改進型雙端可安裝在墻上的電力開關裝置。本發明還涉及用從開關線路中取得電源以自動化控制開關裝置以接通和斷開電力負載的電路布置及系統。
普通的雙端電力開關一般帶有一個具有導電觸點的開關組件，該組件可在“接通”(即(ON”或“導電”)或“關閉”(即斷開)位置之間移動以進行開關切換。一般雙端電力開關的“接通”與“關閉”通常與所述金屬導電觸點組件的接觸與斷開狀態分別相對應。
電子開關裝置，例如大功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)、晶體管或閘流晶體管等，由于不須如傳統機械式開關那樣必須通過導電金屬開關組件的移動就能完成開關轉換，現已廣泛用于電控電力開關。不過，這種電力開關裝置在導通狀態下的大電流及電壓降所產生的廢熱往往引起散熱問題，尤其是當開關裝置被放置于狹小的封閉空間，例如是墻式插座內時。
電動機械電力開關裝置，例如是帶有可移動開關導電組件的繼電器，亦常見于自動電力開關中。不過，常見繼電器的開關導電組件通常耦接到帶有磁心的螺線管，當電流通過螺線管時，磁心的磁力就會令導電開關接通。此類開關的體積一般較大且需要有連續電流的狀態以保持切換或開關狀態。這種連續電流的供應一般會產生熱擴散問題以及電力供應問題。電子或電動機械式電力開關裝置尤其適用于輕觸式或自動式的開關線路設計，例如遙控開關、移動傳感或其它感應探測方式的電力開關系統。同時，由于遙控式的電力開關裝置提供給公眾極大的方便，輕觸式或自動式開關電路具有相當實用優勢，它們的應用亦日益廣泛。
然而，這種形式的開關電路或裝置一般都需要配合自動控制或開關切換控制電路系統以完成實際的開關切換，而自動式或可遙控式的開關裝置或電路一般都要求有穩定電源(通常是直流(DC)電源，但當不限于此)來操作該自動控制和自動開關電路系統以及遙控信號接收器。
對于三線式交流布線系統來說，即布線系統可提供包括帶電端、中性端和接地端的電源線，操作或控制開關電路系統的電力可通過在“帶電端”和中性端或接地端之間連接一個電源線路來取得到。對于單線交流布線系統(即開關裝置連通單一帶電線或相線)來說，布線系統中并無提供額外的或預定的中性端或接地端以供使用。由于布線系統并不提供現成的中性端或接地端，控制裝置的操作電源雖然可從外部電源或直接從該交流電源以附加布線方法取得中性端或接地端，然而，額外布線涉及較大花費，亦欠美觀。
因此，假若適用于單線布線系統的相線電力開關裝置的控制電路系統所需電源能夠直接從開關裝置所連接的帶電相線取得到而并不需要外加電源或額外布線顯然提供不少益處。
當電力開關裝置在單線布線環境下作固定位置的設備使用時，例如將電力開關裝置安裝在墻上已預先布線的墻式插座作為電源開關時，提供額外的布線來供應操作開關的電力可能既不經濟又不實際。在這種用途情況下，除非控制和開關電路系統的電源可由開關線路本身提供，附加電源將要求將不可避免。不過，外部附加電源通常意味著額外的運行成本，同樣也意味著笨重且不美觀的開關裝置編排。
因此，能夠提供一種可從該開關所連接的電源帶電線直接取得運行所需電能以控制該開關或其它外圍操作電路系統的開關裝置或電路布置就會極為有用。然而，由于電力開關裝置通常與負載串聯并在交流電源的兩極之間，從單一帶電線取得到電能線路來控制開關的困難之處是眾所周知的。一般而言，當開關裝置處于“關閉”(即“斷開”)狀態時，其特點通常是在開關兩端有很高的斷路電壓而祗有很低的斷路漏泄電流流過開關的導電體。另一方面，當開關處于“接通”(即“導電”)狀態時，其特點通常是在開關的兩端有很低的閉合電路電壓降和很高的閉合電路電流穿過開關的導電體。由于這些已知的固有特點，同時在開關裝置處于“接通”(“導通”)和“關閉”(“斷開”)狀態期間都能向控制和開關電路系統供應運作所需電能并不容易。因此，如果能夠以緊湊、有效而并不復雜的形式提供帶有線路動力開關和控制電路系統(包括遙控電路系統)的雙端電力開關或電路布置將裨益大眾。
在提供這樣的線路動力電路系統或電路布置時，如果能夠將開關裝置由于向控制電路系統和開關裝置供應電力而產生的在導電狀態下開關兩端的電壓降及在斷開狀態下的漏泄電流都保持到最小就會更加理想。現今各地的安全標準各有不同，但斷開狀態下的漏泄電流通常必須小于20mA。同時，因為漏泄電流和導通狀態電壓降與電力開關裝置本身的電能消耗及散熱問題直接相關，打開狀態下的電壓降應盡量降低。
常見電路系統中的自動電力開關常常采用三端雙向可控硅(Triacs)開關組件或閘流晶體管以形成電子或非改變接觸式電能開關。由于三端雙向可控硅開關組件或閘流晶體管這類組件固有的前向電壓降，這種開關組件的無功電能消耗一般較大，令到散熱的要求也變得更迫切。當采用三端雙向可控硅開關組件或閘流晶體管這類的開關裝置用于較大電流系統，尤其在正常使用時置于封閉且狹窄的空間時，這種電力開關可能由于需要強制通風而并不適用。
因此，假若能夠提供一種適用于前述線路動力開關控制電路系統以便用于電控電力開關，而又不必一定采用三端雙向可控硅開關組件或閘流晶體管這類組件的開關裝置就會非常有用。同時，此一改良裝置時亦應可降低因采用三端雙向可控硅開關組件或閘流晶體管的開關裝置而引至的電能消耗及散熱問題。
進一步來說，盡管具有線圈和一對電觸點通常斷開的電動機械繼電器在自動電力開關中亦可能作為開關裝置，但是這樣的繼電器開關由于需要恒定的直流電流供應以保持機械式導電接觸在閉合位置。這對直流電流的要求通常意味著需要一個大的變流器線圈以提供足夠的能量來保持開關件處于閉合位置，故在單線式的電力開關中并未廣泛使用。同時，這類繼電器式開關亦會產生開關體積龐大和電能消耗較高的問題。因此，能夠設計出一種適用于自動電力開關系統而又可以減少對恒定直流電流供應需求的改進式開關裝置將裨益大眾。
為了令到自動電力開關的應用或用途更加廣泛并使用戶更方便，這類開關可以同時在開關所在地或其附近對這種線路動力自動電力開關進行直接控制，又可以進行遙控就非常有利。當然，遙控或非觸式控制可以籍包括如射頻或紅外線控制、運動傳感、溫度、光或其它傳感器觸發的開關電路以達至。同時，對這種電力開關在安裝所在位置進行控制通常都是通過輕觸型撥動或選擇式的開關，而這類輕觸式電力開關的接通和關閉通常僅需極小的物理力。由于輕觸式開關幾乎不需用力來觸發，如果持續按下輕觸按鈕，開關就會連續反復地接通和關閉，做成不想要的、無意的、滋擾性的、甚至或有害的開和關。例如，當小孩過長時間地按著輕觸按鈕，開關就會由于無意的錯誤的而反復地開關操作。因此，假若這類輕觸按鈕控制能裝有可以區別，辨別或忽略或這類意外的、有害的或無意的過長時間地按著輕觸按鈕的裝置就會很有用。發明目的考慮到前面所述，如果能夠提供一種能夠減少或克服現有線路動力控制和/或開關控制電路系統的電力開關有關缺陷的改進開關裝置就會對公眾有益。鑒于一般現有電力開關線路在斷路和閉合時電路電壓和電流的特點及有關的已知問題，如果能夠提供一種帶有能從單線開關線路取得電源以進行開關控制或開關電路系統提供電力而無需考慮開關的開關狀態的電力開關就非常有利。
相應地，本發明的目的之一是提供一種帶有籍線路動力控制電路系統開關或電路布置的交流電力開關裝置。這種線路動力開關控制電路系統或電路布置的開關裝置最好可以不必一定采用三端雙向可控硅開關組件或閘流晶體管之類組件。本發明的另一個目的是提供一種線路動力控制的自動電力的開關，該線路動力控制的自動電力開關在其接通或關閉狀態或改變開關狀態時最好都不需要大的直流電流。本發明的再一個目的是提供一種非常緊湊且能提供足夠的開關性能并易于操作的電力開關裝置。
本發明的另一個目的是提供一種電力開關，這種開關帶有線路動力控制電路系統和“輕觸式”開關裝置以及能對有害的或無意的開關行為，例如在開關觸動位置長期按下輕觸式按鈕作出區別及忽略的裝置。當然，如果前述目的能夠實現而不影響電力開關的優點、安全和緊湊性將為大眾渴求。
為了使用更加方便，本發明的另一個目的是提供一種帶有線路動力控制和開關系統電路而能遙控的電力開關。這種可遙控的電力開關最好提供可在開關所在位置進行可選擇性開關操作的裝置。
本發明還有一個目的就是為線路動力可控制開關裝置提供多種可供選擇的電路布置或拓撲結構，這選擇可單獨地也可結合地使用以減少與普通線路動力可控制開關有關的問題或用來改進現有開關。
本發明的至少目的之一是為公眾提供一種電力開關的選擇，這種開關帶有線路動力控制和/或開關電路系統或電路布置來加強電力開關控制的應用性。
雖然本發明的開關裝置設計主要涉及用于單線開關布線系統，但當然亦可用于其它布線系統。單線布線系統大意是指開關裝置連接在單一相線的缺口之間，而開關大體上連接在相線缺口間的一來電(輸入)端及一去電端(輸出端)。由于此開關兩端及可連接至相線的缺口兩端，行業內亦稱為“兩端”或“兩線”式開關或布線開關。
根據本發明，提供一種電力開關，它包括連接在所述端子之間的第一和第二分流電路，所述第一分流電路中的開關裝置，在導電的“接通”狀態和基本上不導電的“關閉”狀態之間轉換所述開關裝置的控制裝置，當所述開關裝置在“接通”或“關閉”狀態時分別為所述控制裝置供電的第一和第二電源電路，所述第一電源電路包括一個雙端電路組件，這個雙端電路組件與所述開關裝置串聯以使相同的電流都流過所述開關裝置和所述第一電源電路的雙端電路組件，所述第二電源電路連接在所述第二分流電路中，所述控制裝置包括產生電信號的裝置，該電信號用于將所述開關裝置轉換到“接通”或“關閉”狀態。
根據本發明的總體范圍，提供一種電力開關，該電力開關包括第一端子、第二端子、連接所述第一和第二端子的開關裝置、用來運行和控制所述開關裝置的開關控制裝置和連接到所述第一和第二端子的、用來向所述開關控制裝置供電的電源電路系統，其中所述開關裝置包括一個螺線管操作的、可在電路閉合位置(“接通”位置)和電路斷開位置(“關閉”位置)之間移動的觸點開關組件，該觸點開關組件要幺保持在所述電路閉合位置要幺保持在所述電路斷開位置，除非和直到通過所述螺線管輸送合閘電流來將所述觸點開關組件從所述電路閉合位置(“接通”位置)轉換到所述電路斷開位置(“關閉”位置)或從所述電路斷開位置(“關閉”位置)轉換到所述電路閉合位置(“接通”位置)。
從總體來講，將所述觸點開關組件從所述電路“關閉”位置轉換到所述電路“接通”位置的所述合閘電流是有方向或極性的，該方向或極性與將所述觸點開關組件從所述電路“接通”位置轉換到所述電路“關閉”位置的所述合閘電流的方向或極性相反。
優選地，在通過所述螺線管輸送第一方向或極性的合閘電流使一磁心具有磁性之后，所述觸點開關組件由所述磁心保持在所述“接通”位置。
優選地，將所述觸點開關組件從所述“接通”位置轉換到所述“關閉”位置所需的能量小于將所述觸點開關組件從所述“關閉”位置轉換到所述“接通”位置所需的能量。
優選地，所述螺線管通過閂鎖電路系統連接到所述開關控制裝置，所述閂鎖電路系統包括連接到第一電壓源的、用來將所述開關裝置轉換到“接通”位置的第一開關分流電路和連接到第二電壓源的、用來將所述開關裝置轉換到“關閉”位置的第二開關分流電路，所述第一電壓源的電壓高于所述第二電壓源的電壓。
優選地，所述觸點開關組件在從所述“關閉”位置到所述“接通”位置的轉換時是倚靠彈性推動力，而所述觸點開關組件在從所述“接通”位置到所述“關閉”位置的轉換時是借助彈性推動力。
優選地，所述開關控制裝置通過所述螺線管輸送相反方向或極性的電流來接通或關閉所述開關裝置。
優選地，所述開關控制裝置連接到一個信號接收器來接收遙控信號，所述信號接收器由來自所述電源電路系統的電能來運行。
優選地，所述開關控制裝置連接到一個現場和遙控接收器，所述開關控制裝置在探測到來自所述現場控制或所述遙控的開關要求信號后，發出信號來操作所述開關裝置。
優選地，所述開關控制裝置連接到至少第一和第二開關信號傳感器，所述第一和第二開關信號傳感器已經連接在一起，所述開關控制裝置在探測到來自所述任何傳感器的開關命令信號后，發出開關信號來操作所述開關裝置。
優選地，通過使一磁心具有磁性來將所述觸點開關組件帶入“接通”位置，該磁心在磁化電流消失之后用剩余的磁力將所述觸點開關組件保持在其“接通”位置。
優選地，在通過所述螺線管輸送了方向或極性與所述第一方向或極性相反的合閘電流之后，觸點開關組件從所述“接通”位置轉換到所述“關閉”位置，該合閘電流的方向是以消去所述起始磁化的磁心的磁力為方向。
優選地，所述閂鎖電路系統的第一開關分流電路包括連接到所述螺線管的兩個端子的一個帶有普通集電極接頭的晶體管和一個帶有普通射極接頭的晶體管。
優選地，所述開關命令信號包括在預定的時間段內具有強度變化的信號。
圖6是表示圖2電力開關從“接通”狀態轉到“斷開”狀態的電路系統的瞬間混合電路和方塊圖，圖7是表示圖2中用于接通電力開關裝置的控制器和閂鎖電路運行的混合電路和方塊圖，圖8是表示圖2中用于斷開電力開關裝置的控制器和閂鎖電路運行的混合電路和方塊圖，圖9是表示適用于圖2中實施例的電動機械開關裝置的一個結構例子。
從總體上來看這些附圖(尤其附
圖1至8)，所述電力開關1包括用于與外部線路連接的第一電源端子11和第二電源端子12。總體上，交流電力開關的端子接頭可以反向接駁而無需任何改變。所述電力開關還包括連接在所述電源端子11、12之間的第一和第二分流電路。
第一分流電路(參看圖2及3的11-21-22-12)包括一個開關裝置20，該開關裝置可在低阻抗的“接通”(即導電或閉合)狀態與高阻抗的“斷開”狀態之間轉換。當開關裝置20在“接通”狀態時，開關20兩個端子21、22之間的導電組件作導電接通，故開關1總體上是一個高電流低阻抗裝置。當開關裝置20在“斷開”狀態時，開關裝置20的兩端子21、22之間不再導通，故開關1總體上及實際上是一個阻止電流通過的高阻抗斷開電路。
第一分流電路(11-21-22-12)，或總體上與此分流電路串聯的線路，配有第一電源電路60。該第一電源電路60總體來說為開關控制裝置40和其它外圍組件供應運行所需電力，尤其是當所述開關裝置20處于高電流、低降壓的“接通”狀態時。第一電源電路60一般通過從流入開關裝置20(即第一分流電路)的主電流得到電力源。一般可與所述開關裝置串聯的變流器或其它變流裝置大致上適用于第一電源電路60作為從主電流中分離出可用電力的適當組件的例子。變流器的輸出端(63，64)可與整流電路配合后可再與穩壓器(51，52，53)連接。由于第一電源電路的變流器大體上與開關裝置20串聯連接，為了減少對外部負載的影響，理想的第一電源電路須具有低輸入阻抗的特點，使開關1在接通狀態下的附加電壓降不會太明顯。
更具體而言，附圖所示第一電源電路60包括與開關裝置20大致串聯連接的雙端電路組件61、62。串聯連接的雙端電路組件61、62使流經開關裝置20的主電流也同時供應電源予第一電源電路60的輸入。因此，第一電源電路60的輸入電流受流經所述開關裝置電流變化影響并與之相互關聯。本具體實施例子所述的雙端電路組件61，62為變流器的低阻抗性初級線圈。
第二分流電路(11、70、12)，配有可供應運行電能的第二電源電路70并與穩壓器電路系統50連接。第二電源電路70主要在開關裝置處于“斷開”狀態時為開關控制裝置40以及外圍電路系統(41，42，43)供應運行所需電能。
由于第二電源電路70與包含所述開關裝置20的電路分流并聯，低的漏泄電流通常是必要的，以符合有關電力安全標準及確保產品安全。故此，所述第二電源電路優選地包括一個高阻抗輸入電路以確保開關處于“斷開”狀態時的漏泄電流非常低。當然第二電源電路的高輸入阻抗性亦確保電源端子11、12在開關“斷開”時的高阻抗性。變壓器，例如是降壓變壓器，是適合作為第二電源電路前端組件的例子。
總電源包含第一電源電路及第二電源電路以克服如前所述在“接通”和“斷開”狀態同時可向開關控制電路系統供電的困難。其中，第一電路電源大致與所述開關裝置串聯連接并有低輸入阻抗特性，第二電源電路大致與開關裝置并聯且有高輸入阻抗的特性。因此，本電源布置具有不管電力開關處于“接通”還是“斷開”狀態都能夠向電力開關的控制、開關和其它外圍電路系統供應電力的優勢。
本發明包括的電源電路的運行將首先通過引用所述開關裝置在“斷開”狀態的運作來進一步說明。當開關1的兩個電源端子11、12在開關裝置處于“斷開”狀態下連接到交流電源時，電源端子11、12的電壓差通常較高且相當于斷開電路的電源電壓。此斷開電路的電源電壓差在美國通常是110V，在中國及歐洲則通常是220V。在此斷開狀態下，可用的漏泄功率可通過將第二電源70的輸入端與電源耦合得到。由于在所述開關端子11、12之間的電壓差較高，即使漏泄電流相對較小(例如，20mA或更小)，第二電源(即，降壓變壓器)的輸出端子亦可從所述交流電源得到相對較大和有效的可用漏泄電能為總電控或開關電路系統提供足夠的電能輸出，而又不超過可接受的漏泄電流限度。另一方面，由于當開關裝置處于“斷開”狀態時沒有或僅僅有極小的電流流過該開關裝置20，同時也因為第一電源電路系統(即，變流器60)的輸入與開關裝置20的兩個端子相聯，在“斷開”狀態期間可從第一電源分離出來的電能極少。
當開關裝置20處于“接通”狀態時，由于開關裝置的導電體在此狀態時固有的低阻抗特性，在開關端子兩端的電勢差就會很低。同時，由于第二電源包括一個高阻抗輸入電路系統，故當開關1在“接通”狀態時，第二電源電路輸入端的瞬間電壓降不會大。故在此“接通”狀態期間第二電源可取得到的電能會極少或甚至可以忽略不計。
為了使開關裝置20的開關控制裝置或其它外圍電路系統在處于“接通”狀態時都能取得運行電能，本發明提供的第一電源電路60大體上從流經開關裝置20開關導體的電流籍藕合取得電能。這第一電源電路60大體上包括一個與開關裝置20串聯的低輸入阻抗電路系統。雖然當開關1處于“接通”狀態時，由于開關裝置20導體特有的低接通阻抗，通過所述開關裝置的電勢降可以忽略不計。但是，通過開關的主電流通常會較大，故可從流經所述開關裝置的主電流籍藕合取出電能。
開關裝置20大致由一閂鎖電路30控制和驅動，而該閂鎖電路30又由一控制器單元40，如微處理器，所控制。在用戶界面最好亦包括一個目視指示器以使用者可以得知電力開關1的瞬時開關或轉換狀態。由于運行所述開關裝置20(例如操作所述控制電路系統(在本優選實施例中，該控制電路系統包括閂鎖電路30)以接通或斷開開關)，以及運作所述控制器單元40和指示器，一般都需要電能，尤其是直流電源，所以總電源還包括共享的電壓調整及穩定電路系統50。電壓調整電路系統50同時連接到第一和第二電源電路60、70以保持一個恒定的直流電壓水平使不受所述開關裝置20的開關狀態太大影響。
進一步而言，因為電路系統中不同的組件可能要求不同的電壓水平，所以電壓調整電路系統50可包括一些額外調壓器或調壓器的組合(51-53)，這些調壓器或調壓器的組合帶有分壓器以提供不同的直流電壓水平。
為了控制電子或電動機械開關裝置實際上的或物理上的轉換，控制器單元40在探測到開關信號后就向控制電路系統40發出開關信號來觸發或開動所述開關裝置20的實質性的電接通或斷開。
為了使開關可在一定距離外的地方能夠被遙控接通或斷開負載以增加使用者的方便，本開關1的控制器也連接到一個遙控信號接收器42。遙控信號接收器42在探測到遙控器發送的開關信號后，便通知所述控制器單元40向控制電路系統發出開關指令，從而改變或維持所述開關裝置20的開關狀態。
另一方面，為了提供可在開關所在位置現場的開關選擇，控制器40還提供輕觸式按鈕41給用者選擇。該輕觸式按鈕可以安裝在開關的壁板表面或其它合適位置。適合的輕觸式開關可以包括例如是當其端觸頭被按下導電接觸時會向所述控制器單元40發送電信號的金屬膜片或彈簧偏動開關裝置。
當輕觸式開關被啟動時，控制器單元40通會常都在探測到輕觸按鈕式41開關指令時便發出開關信號。為了避免錯誤的開關命令探測或解釋，優先選擇作為開關指令的信號最好能顯示狀態改變或轉變或與狀態改變或轉變相一致，以使時間過長的、長期的或無間斷地按下輕觸按鈕的動作不會被所述控制器解釋為重復的或連續的開關要求。這些開關指令的探測可以通過例如對所述輕觸式按鈕41作恒定的或有規律的監控來獲得。這種監控優選由所述控制器單元40籍探測輕觸按紐開關狀態的實際改變或轉變或物理上的改變或轉變以作決定。舉一個例說，輕觸式按鈕在完成經過按下和放開的輕觸動作時都會發出一個過渡性邊緣開關信號，控制器可根據這一過渡信號發出一個開關指令。
由于利用過渡信號的探測以決定開關與否，本設計可避免不想要的或重復性的連續開關觸發，尤其可避免例如是小孩將手指連續地按在所述輕觸式按鈕上時，或當物件長時間壓在輕觸式按鈕所引致的反復啟動。
通常，當輕觸式按鈕被使用為開關觸動的前置裝置時，它并不實際上進行主電流轉換而僅僅是一個向所述微控制器單元40傳送開關信號的傳感器或探測器。所述微控制器40或所述微處理器單元在探測到開關信號后便向開關致動器或開關控制發送開關信號。
在某些情況下，當遙控器向微控制器傳送真正的開關信號時，輕觸式按鈕也可能同時被持續按下。為了避免真正的開關信號被虛假的信號所遮蔽或掩蓋，來自不同探測器或傳感器的信號最好能被組合在一起，以使所述控制單元在探測到真正的開關信號時能引發開關狀態的改變。為了適應不同的開關信號來源，可在所述控制器單元的輸入端口和所述開關信號源之間安裝一個例如“或”閘的邏輯判斷電路系統來引發開關。
參看圖2至9，在這些圖中將以混合電路和組件圖顯示本發明中電力開關的具體電路系統實施例。在本實施例中，所述第二電源包括一個橋式整流器72與一個包括高阻抗電容器73和電阻器74的并聯的串聯線路。此串聯線路與所述開關端子11、12并聯，當所述開關1與所述負載2和交流電源串聯時，所述電源的斷開電路電壓差會在開關端子11、12兩端出現。由于第二電源有較高的輸入阻抗，一般可以接受水平的漏泄電流會流入所述高阻抗線路，通過所述整流電路72并被輸送到所述調壓裝置50。
第一電源60包括一個帶有初級線圈61、62和次級線圈63、64的變流器。初級線圈61、62與所述開關裝置20串聯。在操作過程中，全部或大部分流過開關裝置的電流也會流過所述初級線圈。由于變流器初級線圈固有的低阻抗，穿過初級線圈的電壓降極小，其對負載帶來的總體影響將可忽略不計。變流器的次級線圈63、64連接到橋式整流電路65的輸入端。同樣地，橋式整流電路的輸出端連接到調壓電路系統的輸入端。
在第一分流電路11-20-12中的開關裝置20包括一個電動機械繼電器開關35。該繼電器開關35包括一個電動磁力發生裝置及一個導電觸點式的開關組件。該導電觸點式開關組件籍磁力耦合到或連接到一個配有螺線管的電動磁力發生裝置的電路系統。該磁性耦合開關組件包括一個極化的或磁化的磁性組件，該磁性組件根據所述螺線管所產生的磁力方向(即磁吸力或磁彈力)使導電觸電進入或脫離導電接觸。本發明的螺線管可連接到一個如圖7和圖8所顯示的繼電器閂鎖電路以產生相反極性的磁通量。本實施例采用一個如圖2至4中虛框內所包括四個開關組件31-34的四端繼電器閂鎖電路以達至以上目的。
為了提供一種能夠安裝在狹小而封閉空間，例如標準的墻上電力開關安裝孔的緊湊型電力開關，開關裝置從“接通”到“斷開”狀態或從“斷開”到“接通”狀態的改變只應需要極小的開動電流就能進行。同時，在保持開關裝置在其非轉變運行狀態亦應只需極小或不需電流，因為轉換和保持所述開關狀態所需的電流通常會決定變流器的大小和開關本身的總體尺寸，小的電流要求就意味著較小的變流器線圈，因此也意味著一個較小的物理體積及散熱要求。
圖9所示的優選電動機械開關35為一個實現了前述要求的例子。繼電器開關35包括用導電材料制成的第一和第二開關接觸端點21、22、機械起動杠桿23和帶有螺線管25線圈的磁心24，該線圈繞在該磁心上。本發明優選設計得一個繼電器35在轉換及非轉變運行狀態中僅需極小或不需電流，也即是說，開關不管在“接通”還是“斷開”狀態所需的電流能夠保持在很小。通過選擇適當的磁心材料，磁心在磁化之后可以保持較高的剩余磁力，而小量通過螺線管的反向電流便可以用來將所述磁心消磁。其中，線圈，磁心及電流的設計及關系在于剩余磁力足以抵抗彈性觸板23的回彈力。
參看圖9，當第一極性電流通到所述螺線管25時，磁心24就會被磁化且在所述磁心24和起動杠桿23之間會產生磁吸引力。該磁吸引力會使起動桿23向下移并驅動所述彈性接觸板21或所述觸點開關組件向左移動并兩個接觸端點21，22連接，繼電器開關35便從“斷開”狀態轉換到“接通”。
當開關處于“接通”狀態時，由于所述磁心24的設計已考慮到有足夠大的剩余磁力以抵抗接觸板的彈性回彈壓力，故并不需要提供額外電流與螺線管以保持兩端之間的閉合接觸。因此，開關在“接通”狀態不需要持續的電流供應就可以保持。當反向極性的電流接通螺線管，所述磁心的磁化度就會被減少至不足以保持兩個接觸端點之間維持電接觸。結果，彈性接觸板就會因其本身的彈性偏壓力作用下偏轉并與固定的接觸板22分離，從而使繼電器開關35從“接通”轉換到“斷開”狀態。同樣地，因為分離狀態為所述接觸板22的靜止或平衡位置，螺線管不用電流也能夠保持開關在“斷開”狀態。由于“接通”和“斷開”的開關操作都僅需脈沖或短時的螺線管電流，所以要求的平均電流可以保持到最小。
參看附圖并詳細參看在虛框內顯示的閂鎖電路當開關組件31和32閉合時，第一極性的直流電流會從所述電壓調整源51流向所述開關組件31和32并產生第一極性的磁力。另一方面，當開關組件33和34閉合時，相反極性的直流電流會從所述調壓器52流入所述開關組件34，并通過螺線管流入開關組件33，使磁心大致消磁。
在本例子中，所述閂鎖開關組件31、32、33和34和螺線管的安排使當第一極性電流從所述開關組件31通過螺線管25流向開關組件32時，會產生足夠大的磁力以吸引開關裝置上的磁性組件，從而產生閉合電路的設置。當短暫的磁化電流消失之后，所述磁心尚有剩余的磁力。
再一方面，當電流從所述調壓器52流向所述開關組件34，然后穿過螺線管流入開關組件33到地面時，磁心便會被大致消磁。結果，由于使磁心24和起動杠桿23保持在一起的吸引力會被變小或會消失。這樣的話，所述彈性偏壓接觸板21(或所述觸點開關組件)會由于其本身的彈性偏壓而與固定的接觸板22斷開接觸或與之分離。圖9中顯示了一個作為例子的電路系統，該電路系統起著閂鎖繼電器的作用，而且該閂鎖繼電器適于與螺線管電路一起使用，有關的電路系統將會在以后的本說明書中加以詳細解釋。
本實施例采用一種優選繼電器開關結構，該結構可通過將所述螺線管磁心磁化及消磁以使繼電器分別被轉換到“接通”或“斷開”狀態。當然，相反而言，繼電器也可通過對所述螺線管的磁心磁化及消磁化的適當改變來分別達到“斷開”和“接通”的轉換。總體來說，本發明使用的繼電器具有籍通過螺線管的反向電流所產生的相反極性的磁通量以引發“接通”或“斷開”。再者，本繼電器開關提供一個開關裝置或結構的具體例子，這種裝置或結構具有要求不同的能量以轉換“接通”和“斷開”狀態的特點。在本實施例中，因為繼電器的接觸端點需克服彈性偏壓才可連接一起，故需要較多能量，而電觸端點的分開可借用彈性偏壓的推動，故所需能量較少。因此，大體而言使繼電器接通的能量要求高于使繼電器斷開的能量要求。
由于開關在“接通”狀態期間所能蓄積的電能(其后可用于斷開開關)的速度，會比開關在“斷開”狀態時蓄積的電能(用于接通開關)的速度慢得多，同時因為當開關“接通”時，開關端子21、22兩端在接通狀態下附加電壓必須低，而且也為了保證開關的緊湊性而要求有緊湊的或體積小的變流器，所以在開關接通時的電能蓄積速度肯定慢。為了實際的便利及使主開關接通之后能夠被隨時斷開，故在本應用中優選的繼電器為非對稱式開關結構。
另一方面，當開關“斷開”時，所述第二電源處于在100-250V之間的相對較高的電壓之下，因此電能蓄積速度就較快。通過采用上述類型的非對稱開關結構，保證緊湊性和易感應的轉換就成為可能。當然，對于不受體積影響或無感應時間限制的開關來說，也可采用其它開關結構。
圖7和圖8表示了一個可以用來為啟動(即，閂鎖和接通)本發明電力開關結構的極性提供轉換或可逆電流的示范性電路，該啟動是通過將磁心的磁化和消磁來實現的。參看圖7，當連接到晶體管組件Q1、Q2和Q3的CPU埠端口處于高電壓水平，且連接到晶體管組件Q4、Q5和Q6的CPU端口的電壓被降低時，晶體管Q2和Q3將會通過螺線管25來進行導電，從而產生可以磁化所述磁心的第一方向的磁通量和磁力。另一方面，如圖8所示，當連接到晶體管Q4、Q5和Q6的CPU端口的電壓被升高時，晶體管Q4和Q6就會進行導電，從而提供了反向極性的電流以抵消(至少到某些程度)由流通于Q1，Q2及Q3的反向極性電流所產生的磁效果。該閂鎖電路系統提供一種簡單而有效的接通和斷開開關裝置的方法，它既可以IC卡制成也可使用獨立的組件。
如前所述，為使繼電器更加容易地使主開關裝置20斷開，該繼電器在斷開該開關時所需能量應小于接通開關時所需的能量。為了提供斷開所需電源予這種非對稱性開關，開關在有關的電源就提供了一個低電壓水平的加偏電壓，例如2.5V。
現在轉向描述被包括用來向主開關裝置20在處于“接通”狀態時提供運行電能的第一電源60。該電源包括一個整流橋，該整流橋的兩個輸入端連接到一個變流器的次級線圈63，64。該變流器的初級線圈的端子與主開關裝置20串連，故當主開關裝置處于“接通”狀態時，相同的電流會流經主開關裝置20和變流器的初級線圈(61，62)。
整流橋的輸出端連接到所述電壓調整電路系統(50)的輸入端，該電壓調整電路系統可包括具有不同電壓水平的調壓器，例如12伏特、5伏特和2.5伏特，以滿足不同的電路要求。
在本優選實施例中的繼電器閂鎖電路，用于使所述主開關裝置所用繼電器的電觸點連接的螺線管上兩端的電壓遠遠高于使所述開關裝置斷開的電壓。如前所述，選擇該非對稱性閂鎖開關結構是為了可用較少的能量使開關裝置斷開。優選這樣做的原因是，一般來講，為確保電壓調整電路系統能取得連續電源供應，蓄電裝置充電時僅可取得到少量涓流。為了保證螺線管在所述開關裝置導通了很短時間便有足夠的能量供應，在優選的開關裝置僅需極少能量便可斷開。
本實施例的電壓調整電路系統連接到一個蓄電裝置，該蓄電裝置包括并聯的電容器和電壓限制裝置，如圖中所示的穩壓二極管(Zener diodeZ1)。該穩壓二極管將最大電壓限制在例如18伏特以內以保護該調壓器。所述的大電容器串聯有一個小電容器以抑制高頻干擾。
所述第二電源電路包括在電源兩端串聯的整流橋和阻抗支路。該整流橋的輸出端連接到相同的蓄電裝置(C1，R1)和電壓限制裝置以及所述電壓調整電路系統，從而向控制和開關電路系統提供直流電能。
現在更詳細說明電力開關轉換的操作。參看圖3，主開關裝置20處于“斷開”狀態且要將其接通。當主開關裝置20處于“斷開”狀態時，基本上相當于電源電壓的大電壓差會在所述第二電源的輸入端出現。在開關20兩端的交流電源電壓會經過整流被轉換成直流電源來供給所述調壓器，而這個調壓器會反過來滿足控制器單元、所述控制電路系統和開關裝置20的電能要求。為了使開關20接通，遙控器或經連接到所述控制器單元的“輕觸式”按鈕可傳送開關信號給所述接收器。在探測到開關信號后，例如，通過探測到過渡或邊緣式開關信號時，所述控制器單元會引發所述閂鎖開關組件31和32的導通。此時，直流電會從調壓器50通過螺線管25流入閂鎖電路31，32。由此穿過螺線管的直流電流產生的磁力導致主開關裝置20被接通。
現在來看圖5，圖標的開關裝置已處于“接通”狀態并將要被“斷開”。在此瞬間，由于開關裝置在其“接通”狀態時一般是一個低阻抗裝置，穿過所述第二電源的電壓差會非常低，故從第二電源電路可取的電能將很微小。
另一方面，當開關裝置20處于“接通”狀態時，大的電流通常會流過開關裝置和所述變流器的初級線圈。因為第一電源電路的整流橋連接到變流器的次級線圈，電能可從在初級線圈流動的電流耦合到整流橋然后到電能限制和蓄積電路系統。
參看圖1，當控制器從遙控探測到開關信號時，控制器會發出開關信號來導通開關閂鎖組件33和34，并構成了一個包括調壓器52、開關組件34、螺線管25和開關組件33的電流回路。因為流過開關組件33，34的直流電流與流過閂鎖開關組件31和32的電流的極性相反，磁心會被消磁，這樣會導致開關裝置20從“接通”位置彈離。主開關裝置一旦斷開，電力開關就變得不導電，第二電源電流就會重新進行支配性的運作并向電能蓄積和電源限制單元供電。
除了遙控開關之外，在開關現場還可配有現場開關傳感器按鈕，它也連接到所述控制器單元。這個現場開關傳感按鈕，例如，是一按下就會向控制器單元發送信號的導電膜片或彈性偏壓開關。在探測到這樣的信號之后，控制器就會向閂鎖繼電器電路發送控制信號以便為接通或斷開開關裝置建立相關的電流通路。
在通過參考上述優選實施例對本發明作來說明之后，就會理解到本發明的電路系統或電路組件可采用等同功能及不同參數值的組件實施而并不背離本發明的精神和宗旨。此處所描述的具體電路實施例僅僅是用來提供幫助理解本發明的范圍和本質的例子，而并非用來作為任可限制。例如，實施例中有兩個分別用作第一和第二電源電路的整流橋在本發明優選實施例中，然而本領域的技術人員就會很容易地可理解為也可采用配有適當電感應能與電源耦合的單獨整流橋。進一步來講，實施例中雖然對特定設計的繼電器作了說明，但應當理解到其它類似的或相當的繼電器在并不喪失一般性的前提下也可使用。再進一步來說，在通過參考具體的閂鎖繼電器和其它電路系統對本閂鎖繼電器電路作了說明之后，就會理解到在并不喪失一般性的前提下也可采用其它實現閂鎖繼電器的方法或其它電路。總之，本發明公開了一種帶有線路動力控制和開關電路系統的有廣泛用途的電力開關。雖然，本發明的開關裝置設計主要涉及用于單線開關布線系統，但當然亦可用于其它布線系統。
權利要求
1.一種電力開關，包括第一端子、第二端子、連接所述第一和第二端子的開關裝置、用來操作和控制所述開關裝置的開關控制裝置和為所述開關控制裝置供電的、連接到所述第一和第二端子的電源電路系統，所述電源電路系統包括變壓裝置和變流裝置，所述變壓裝置大體上與包含所述開關裝置的分流電路并聯，所述變流裝置包括與所述開關裝置串聯的、位于所述第一和第二端子之間的低阻抗輸入電路，所述開關裝置包括電動磁力發生裝置及受所述電動磁力發生裝置操作的觸點開關組件，所述觸點開關組件能夠在電路閉合位置(“接通”位置)和電路斷開位置(“關閉”位置)之間移動，所述觸點開關組件可保持在所述的電路的閉合位置或保持在所述電路的斷開位置，其特征在于，該磁力發生裝置在沒有即時電流通過的情況中的磁力能夠維持所述觸點開關組件在所述的閉合位置。
2.根據權利要求1所述的開關，其特征在于，用來從所述“關閉”位置將所述觸點開關組件轉換到所述“接通”位置的所述合閘電流有方向或極性，該方向或極性與將所述觸點開關組件從所述“接通”位置轉換到所述“關閉”位置的合閘電流的方向或極性相反。
3.根據權利要求1所述的開關，所述電動磁力發生裝置包括一個螺線管，所述觸點開關組件可保持在所述的電路的閉合位置，直到通過所述螺線管輸送合閘電流來將所述觸點開關組件從所述電路閉合位置(“接通”位置)轉換到所述電路斷開位置(“關閉”位置)或從所述電路斷開位置(“關閉”位置)轉換到所述電路閉合位置(“接通”位置)。
4.根據權利要求3所述的開關，其特征在于，在已經通過所述螺線管輸送了第一方向或極性的合閘電流來磁化磁心之后，所述觸點開關組件被所述磁心保持在“接通”位置。
5.根據權利要求4所述的開關，其特征在于，在通過所述螺線管輸送方向或極性與所述第一方向或極性相反的合閘電流之后，所述觸點開關組件從所述“接通”位置移到所述“關閉”位置，該合閘電流的發送方向是將所述最初磁化的磁心消磁的方向。
6.根據權利要求3所述的開關，其特征在于，所述螺線管通過閂鎖電路系統連接到所述開關控制裝置，所述閂鎖電路系統包括用來將所述開關裝置轉換到“接通”位置的、連接到第一電壓源的第一開關分流電路和連接到第二電壓源的、用來關閉所述開關裝置的第二開關分流電路，所述第一電壓源的電壓高于所述第二電壓源的電壓。
7.根據權利要求6所述的開關，其特征在于，所述閂鎖電路系統的第一開關分流電路包括連接到所述螺線管兩端的帶有普通集電極接頭的晶體管和帶有普通發射極接頭的晶體管。
8.根據權利要求1所述的開關，其特征在于，將所述觸點開關組件從所述“接通”位置轉換到所述“關閉”位置所需能量小于將所述觸點開關組件從所述“關閉”位置轉換到所述“接通”位置所需的能量。
9.根據權利要求1所述的開關，其特征在于，所述觸點開關組件在從所述“關閉”位置到所述“接通”位置的轉換時是倚靠彈性推動力，而所述觸點開關組件在從所述“接通”位置到所述“關閉”位置的轉換時是借助彈性推動力。
10.根據權利要求1所述的開關，其特征在于，所述開關控制裝置通過所述螺線管輸送方向和極性相反的電流來接通所述開關裝置。
11.根據權利要求1所述的開關，其特征在于，所述開關控制裝置連接到一個信號接收器來接收遙控信號，所述信號接收器由從所述電源電路系統得到的電能來運行。
12.根據權利要求1所述的開關，其特征在于，所述開關控制裝置連接到一個現場控制和遙控接收器，所述開關控制裝置在探測到來自所述現場控制或遙控接收器中的任何一個的開關命令信號后發出信號來操作所述開關裝置。
13.根據權利要求12所述的開關，其特征在于，所述開關命令信號包括在預定的時間段內具有強度變化的信號。
14.根據權利要求1所述的開關，其特征在于，所述開關控制裝置連接到至少第一和第二開關信號傳感器，所述第一和第二開關信號傳感器已經連接在一起，所述開關控制裝置在探測到來自所述任何傳感器的開關命令信號后，發出開關信號來操作所述開關裝置。
15.根據權利要求1所述的開關，其特征在于，通過將一個磁心磁化來將所述觸點開關組件帶入“接通”位置，在磁化電流消失之后，該磁心用剩余在該磁心的磁力將所述觸點開關組件保持在其“接通”位置。
全文摘要
本發明涉及一種電力開關，該開關是帶有線路動力開關控制結構的雙端電力開關。該電力開關在電源輸出端之間配有第一和第二分流電路。第一分流電路內包括有通過控制輸出端的電能的開關，該第一分流電路還包括在“接通”狀態下來自流經開關的電流的電源。該第一電源可給控制裝置供電以便在電流流過時控制開關的運行狀態。當開關處于“關閉”狀態時，包括在第二分流電路的第二電源為所述控制裝置提供電源。
文檔編號H01H47/32GK1441553SQ03106490
公開日2003年9月10日 申請日期2003年2月27日 優先權日2002年2月27日
發明者羅仲炳, 余暉, 史密斯·邁克爾·迪安 申請人:達倡有限公司