專利名稱：多路單線固態遙控開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種單線取電技術和無源電子開關技術、以及由大功率MOSFET場效應管、單片機、回路隔離以及遙控接收等組成的以模塊形式封裝的單線固態遙控開關。
目前的現有單線無線遙控開關與調光電路技術中，1、單線取電電路通常在開關斷開時，采用并聯阻容分壓方式取電，在開關閉合時，則通過串聯電流互感器方式取電。2、功率執行器件都是采用可控硅或繼電器。3、遙控接收部分采用無線射頻信號或紅外線。4、遙控信號的解碼與控制有的采用專用解碼集成電路，有的采用單片機實現。歸納目前產品存在的問題1、由于功率器件采用可控硅或繼電器，它需要較大的驅動電流，通常在十毫安至幾十個毫安之間，且負載功率越大，所需驅動電流亦越大，控制電路功耗增大，導致靜態守候電流很大。2、可控硅導通時有較大的電壓降，耗散功率帶來散熱問題比較嚴重。3、可控硅器件的溫度特性較差，在較高溫度下漏電流的增大往往能使開關控制失靈。4、開關使用繼電器，繼電器的觸點存在一定次數的開關壽命。5、現有控制電路取電方式都需要一個串聯電流電壓變換器，體積較大，在負載很輕時，串聯電流互感器很難保證控制電路正常取電。6、現有電路特別是在單線多路控制方面，由于電路上存在體積和功耗問題，無法在一個86型暗盒內實現，更無法采用以模塊形式封裝成固態方式使用。7、目前所有電子開關都不可能100％的可靠，與普通機械開關的可靠性相比，仍然還存在一定的故障概率。如何直接串聯普通機械開關，在電子開關故障時，機械開關照樣還能用，以解決售后維修服務在時間上存在的問題，至今還沒有成功的產品。8、目前單線遙控開關或調光器都必需有源工作，要一定的暗電流通過回路，對于那些采用電子鎮流器工作的負載如節能燈、含電子鎮流的日光燈都將會因回路有暗電流使內部電路慢速充電積累電壓到一定值后，產生閃爍性發光，導致負載類型有一定的限制，所以一般只能配接白熾燈負載。由于以上這些問題的存在，阻礙了家居電燈電器的智能化開關以及各種電子化遙控開關的發展和推廣。
本發明的目的是提供一種可封裝成固態模塊形式的多路單線遙控開關電路方案和實例，能直接安裝在原有的86型暗盒內，能與現有單線機械開關串聯使用，實現電燈電器開關與調光的遙控功能。并具有體積小，功耗低，過流自動保護，可靠性高，安裝簡單，使用安全等特點。多路單線遙控開關電路由單線固態遙控開關和單線固態開關兩種模塊組成。其中單線固態遙控開關模塊為有源工作方式，其靜態暗電流不大于4毫安；單線固態開關為無源工作方式，其靜態暗電流近似于零。一個單線固態遙控開關可配接多個無源單線固態開關組成多路單線遙控開關，實現多路電燈電器的單線遙控。
為實現本發明，第一、在功率開關器件上采用了二極管橋式整流加MOSFET大功率開關管。由于MOSFET管是電壓驅動器件，輸入電流只需幾個微安，且具有良好的溫度特性。尋通電阻非常小，一般在1Ω以內，本身耗散功率相當小。例如選MOSFET開關管為IRF740器件，導通電阻為0.55Ω，二極管壓降為0.7V，電網電壓220V，在負載功率為500W時，則該開關器件總耗散功率為(0.55*(500/220)+0.7*2)*(500/220)＝6W。在負載功率為200W時，則該開關器件總耗散功率為(0.55*(200/220)+0.7*2)*(200/220)＝1.7W。從上述分析可知，這樣的電路在中小功率負載下，安裝在墻壁的暗盒內沒有大的散熱問題。第二、在單線電路電源取電方面，發明了智能化的單線間斷式取電技術。其電路是由隔離二極管與儲能電容以及寬動態范圍穩壓濾波電路組成，在開關接通狀態下，儲能電容的瞬時充電控制，由微處理器按周波同步方式在某些時刻關閉一下MOSFET場效應開關管，使電流經負載完成對儲能電容進行充電完成儲能，為開關控制電路提供足夠的電壓維持正常工作。在開關關閉狀態下，儲能電容通常在每個周波都將處于充電狀態。在具體開關電路設計過程中，當靜態工作電流較大時，為減少靜態功耗，降低儲能電容電壓，可在隔離二極管與儲能電容之間增加一MOSFET開關，并加大儲能電容容量值，由微處理器實現與在開關接通狀態下類似的間斷式充電儲能控制，這樣做會增加電路的一些成本。微處理器處理取電控制方式可以是逐個周波取電或者間隔一定周波數后取一次電或者按一定的編碼規則進行取電以及每次取電在什么時刻和維持多長時間，這要取決于儲能電容的大小和整個控制電路的工作電流以及負載功率。第三、單線無源電子開關技術方案，其目的是解決單線控制那些采用電子鎮流方式工作的負載如節能燈、電子鎮流日光燈。所謂單線無源就是該電子開關部分不用直流工作電源，自身回路沒有靜態電流的存在，僅依靠控制信號就能實現回路的開關和功率調節的控制。其技術方案有二種，第一種是采用開關控制信號用高頻信號調制，通過高頻耦合器實現控制回路隔離及將耦合輸出的高頻信號經整流濾波后獲得電平信號來驅動MOSFET開關管，達到單線控制回路負載的目的。第二種是將開關控制信號電平當做自激式高頻振蕩器的電源，產生出相應的高頻信號可達到同樣的目的。另外，由于MOSFET管輸入電流不用1個微安，所以，高頻耦合器體積可以很小，控制驅動電流也很小。第四、為確保電子開關安全工作，對于超負荷工作情況下，進行強制性的電路保護。其保護工作原理是在開關回路中串聯一個檢測電阻，當過流發生時，檢測電阻上產生的電壓將通過光電耦合器，在其輸出產生一個低電平信號，觸發保護電路，立即迫使微處理器產生復位，關斷電子開關，直至單線有源電子開關被串聯的機械開關關斷后再重新上電。第五、過零檢測電路。對于交流信號通過橋式整流電路后已是單向的直流脈動信號，但從其諧波分量中可以恢復其過零信息。采用電平比較，通過軟件判別來確定過零點。第六、無線接收部分。對于內藏式單線固態遙控電子開關，需要使用無線電射頻遙控方式，其電路在綜合考慮接收距離、頻率穩定性、電路體積、成本、電壓范圍、靜態守候電流等因素，采用315MHZ頻率ASK調制，接收方式有三種方案可選，一種是采取陶瓷濾波器直接選頻放大檢波輸出方式，另一種是超再生電路檢波，再一種是超外差接收方式。采用第一種方式，電路靈敏度較低，但電路簡單，電路幾乎不需要調試。采用第二種超再生電路檢波方式，當多個電路在一起工作時會存在一定的相互干擾的問題。采用第三種超外差接收方式，在成本允許的情況下是較理想的選擇。對于外露型的單線固態遙控電子開關亦可以采用紅外線遙控方式，其接收電路僅是一片集成塊，體積和成本都很理想，但工作電流較高，一般需要2毫安以上。第七、微處理器控制部分。主要完成遙控信號的抗干擾解碼接收，電網同步檢測，單線瞬間取電的控制，電子開關的控制以及過負荷保護控制。要求單片機時鐘頻率不低于455KHZ，工作電流不大于2毫安。第八、該電路可與普通機械開關串聯使用。當普通開關閉合時，電子開關上電初始被置為接通狀態，之后，可以接受遙控指令進行關閉或打開或調光操作；當普通開關斷開時，單線回路整個斷路，負載自然沒電；當電子開關因某種特殊原因燒壞后，其開關結點的熔化通常是處于短路狀態，此時普通開關還能正常使用。這樣的設計，使遙控開關的可靠性更高、實用性更強。
下面結合說明書附圖
和具體的線路圖實例對本發明作進一步詳細說明。
說明書附圖一為單線多路固態遙控開關原理框圖。
說明書附圖二為單線固態遙控開關的遙控器部分的原理框圖。
說明書附圖三為四路單線固態遙控開關的電路圖(實例)。
說明書附圖四為無源單線固態開關的電路圖(實例)。
說明書附圖五為四路單線固態遙控開關的遙控器部分的電路圖(實例)。
單線多路固態遙控開關的工作原理如附圖一所示。其中大虛線框內的電路為單線固態遙控開關的電原理框圖，它是一個獨立的基本模塊，該模塊包括無線遙控接收電路(或紅外遙控接收電路)、單線取電電路、MOSFET場效應管開關電路、電網同步提取電路、微處理器電路、過電流檢測保護電路這六個部分組成。電路實例如附圖三所示，為一單線四路遙控開關實際電路圖，其中無線遙控接收電路由三極管Q3、非門U1A和U1B的限幅放大器、以及外圍電阻、電容、電感組成一頻率為315MHZ的超再生檢波電路。單線取電電路，由二極管D5、三極管Q2、微功耗穩壓源Q4、儲能電容C1等組成，D5為儲能充電隔離作用，Q3為恒流放大調整管，R2為負反饋電阻，R1為偏置電阻，Z1和C2為穩壓濾波電路。Q1與D1、D2、D3、D4組成功率開關電路。R7為過零檢測耦合電阻。O1與R12、R3組成過流檢測電路。P1、P2、P3為無源單線固態開關的控制連接口。
無源單線固態開關的電路原理圖見附圖一的數個小虛線框。該電路由高頻振蕩器、高頻耦合器、整流濾波器、MOSFET電子開關以及過流檢測電路五部分電路組成，實例如附圖四所示，其中C2為高頻耦合電容，T1為高頻耦合電感線圈同時起單線回路隔離作用，D5、D6、C1、R1組成高頻整流濾波并驅動MOSFET管，D1~D4、Q1組成單線回路電子開關，R2與O1光電耦合器組成過流保護檢測。
用于控制單線固態遙控開關的遙控器部分，其工作原理如附圖二所示，由按鍵、電池、發射電路與遙控信號編碼器四部分電路組成。電路實例如圖五所示，是一個8按鍵的用315MHZ無線電頻率發射的遙控器電路原理圖。其中，Q1為超短波振蕩管、Q2為ASK調制開關管、R1~R10與S1~S8組成按鍵電路、U1單片機與U2及XT組成的單片機電路。
該發明的優點是電路固態化體積小、功耗低、節能、安裝簡便、工作可靠、使用安全。其特點是1、多路特性，一個單線固態遙控開關能連接多個無源單線固態開關。2、遙控地址無線學習功能，輕松實現一個遙控器控制多個單線固態遙控開關。3、無源單線固態開關無靜態電流，配接負載種類無要求。4、固態開關過電流保護，使用更安全。5、所有固態開關均能遙控開關與調光，安裝隨意，使用更方便。6、能與機械開關同時使用，可靠性更高，實用性更強，用戶更放心。7、遙控開關固態化，易安裝，易暗藏，不動原裝修，不浪費原投資，電燈電器控制智能化升級更容易。
權利要求
1.一種用于遙控多路電燈與電器的多路單線固態遙控開關，它是單線遙控電子開關電路和單線無源電子開關電路以一個模塊方式封裝的固態形式，其技術特征是發明了單線間斷式取電和無源電子開關兩項技術；其電路特征是由單線間斷式取電電路、橋式整流硅與MOSFET場效應管組成的功率開關、過流保護電路、高頻耦合器、無線(或紅外線)接收電路以及微處理器等組成；其物理特征是一個具有絕緣和導熱特些的封裝外殼，外露多路單線回路開關的引線或接線柱以及控制擴展接口，可直接安裝在原有的86型暗盒內，在紅外線遙控方式下還有導光窗口，并能與現有單線機械開關串聯使用，實現無線遙控多路電燈與電器的調光和開關。
2.單線間斷式取電技術，其特征是由隔離二極管與儲能電容組成瞬時充電電路以及寬動態范圍穩壓濾波電路組成，在開關接通狀態下，儲能電容的瞬時充電控制，由微處理器按周波同步方式在某些時刻關閉一下MOSFET場效應開關管，使電流經負載完成對儲能電容進行間斷式充電儲能；在開關關閉狀態下，儲能電容一般情況下在每個周波都將處于充電狀態，但在靜態電流較大的情況下，為減少靜態功耗，也可在隔離二極管與儲能電容之間增加一MOSFET開關，由微處理器實現間斷式控制充電儲能。
3.單線無源固態開關是單線無源電子開關電路以模塊方式封裝的固態形式，其技術特征是將控制開關的電平信號直接驅動自激式高頻振蕩器的電源，產生出相應的高頻信號，再通過高頻耦合器實現控制回路的隔離，將高頻耦合器輸出的高頻信號經整流濾波后獲得的電平信號驅動橋式整流硅與MOSFET場效應管組成的功率開關，或者，要求控制器送出的控制信號通過高頻信號調制后直接送入單線固態開關的高頻耦合器的輸入端，實現回路的隔離和控制的驅動，使被控制回路在無靜態電流的情況下，達到控制負載的開關和功率調節的目的；其物理特征是一個具有絕緣和導熱特性的封裝外殼，外露二根開關引線或接線柱和二根控制信號引線或接線柱。
4.回路過流保護技術，其特征是在回路中串聯一只電阻，再在電阻上并接一光電耦合器，當過電流發生時，光電耦合器輸出一低電平信號，使微處理器立即產生復位，利用微處理器復位狀態時端口保持高阻態這一特性，在該端口接一下拉電阻，使MOSFET場效應管輸入為低電平，管子處于斷開狀態，在微處理器復位后將判斷是否為回路過流而產生的復位，若被確認則該端口輸出始終為低電平，直至整個單線回路被斷開后重新上電。否則，電路將一直處于保護狀態不變。
5.與普通機械開關串聯共用的方式，其技術特征是其體積和功耗適合內藏于86型暗盒內，當普通開關閉合時，電子開關上電初始被置為接通狀態，之后，可以接受遙控指令進行關閉或打開或調光操作；當普通開關斷開時，單線回路整個斷路，負載自然沒電；當電子開關因某種特殊原因燒壞后，其開關結點的熔化通常是處于短路狀態，此時普通開關還能正常使用。
6.橋式整流硅與MOSFET場效應管組成的功率開關，其技術特正是由四個二極管組成橋式整流電路，整流橋的正極輸出接MOSFET場效應管的漏極，整流橋的負極接MOSFET場效應管的源極或經過一過流檢測電阻接MOSFET場效應管的源極，場效應管的柵極與源極之間接控制信號。
全文摘要
多路單線固態遙控開關發明了在燈和電器使用單線開關控制時的單線取電技術和無源電子開關技術,實現了一種可直接安裝在原有的86型暗盒內,可與普通機械開關串聯連接,通過無線電或紅外線信號遙控多個單線回路的電燈與電器。一個單線遙控有源電子開關電路和多個單線無源電子開關電路以一個模塊封裝的構成多路單線固態遙控開關。僅以單線無源電子開關電路以一個模塊封裝的構成單線無源固態開關。這些固態電子開關除了實現正常的開關控制外還有功率調節控制能力。它們具有體積小、功耗低、負載適應性廣、安裝十分簡便、工作可靠、使用安全等特點,是家居照明開關走向電子化和智能化較理想的單線電子開關模塊。
文檔編號H03K17/94GK1383266SQ0111673
公開日2002年12月4日 申請日期2001年4月21日 優先權日2001年4月21日
發明者王文熙 申請人:王文熙, 陳鴻賢