專利名稱：固態(tài)電開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電開關(guān)，尤其是涉及到一種單極固態(tài)電開關(guān)，該固態(tài)電開關(guān)能夠直接接入交流電源線中。
一個基本的電路中，包含一個電源開關(guān)和一個負載，負載串聯(lián)一個電源開關(guān)后接入電源的輸出端(例如交流電源插座)。一般的電源開關(guān)是一種機械結(jié)構(gòu)，能夠使電接頭連通或分斷。該電接頭是由人工或由電磁場產(chǎn)生的機械力來連通或分斷的(如象繼電器)。人工操作的傳統(tǒng)機械開關(guān)，通常都有一個杠桿裝置，由機械桿和彈簧的作用，使開關(guān)“開”(連通)和“關(guān)”(分斷)。這種電源開關(guān)可靠性低，壽命短，尤其是工作在惡劣環(huán)境中(例如易燃、易爆、高溫、高潮濕、灰塵重、腐蝕性氣體和強烈震動等場合)，這樣的電源開關(guān)，常因產(chǎn)生電弧、火花、機械磨損、腐蝕、潮濕、觸點焊接或接觸不良造成開關(guān)失靈或?qū)е禄馂?zāi)和其它工業(yè)事故，危及財產(chǎn)和生命安全。為了改進這些傳統(tǒng)的機械開關(guān)，常常需要作花費高的修改和貴金屬的使用。這種改進了的開關(guān)，仍然存在容易磨損和需要頻繁的維修的問題。機械開關(guān)的損壞，常會使負載損壞。
常規(guī)的機械開關(guān)在“開”狀態(tài)時，如果電源中斷，它也不會回到“關(guān)”的狀態(tài)。在這種情況下，如果突然來電，常會發(fā)生事故。為了安全，在許多重型機械中，大都用電磁接觸器來使其掉電復(fù)位。這種電磁接觸器使用很不方便，既昂貴、又笨重而復(fù)雜，還消耗電能，且工作時會產(chǎn)生低頻交流聲。在電源含有雜波和不穩(wěn)定的地方，瞬間的電源波動或跌落引起電磁開關(guān)頻繁復(fù)位，使“電源間斷”，工作很不正常。對于傳統(tǒng)機械開關(guān)需要反復(fù)調(diào)整，很不方便。
傳統(tǒng)的機械式斷路器，所采用的電—磁跳閘或/和熱跳閘過流保護裝置，不能適應(yīng)頻繁操作(響應(yīng)速度慢)。當(dāng)在一個有很多支電路的干線中，使用機械斷路器時，這樣的斷路器不能分別對支路和終端負載提供可靠的過流保護。通常，在大多數(shù)家庭或辦公室里，一個主電路斷路器只能提供一個大得多的總過電流跳閘值對很多開關(guān)支路提供總過電流保護，以致有任一支路發(fā)生過電流時，必需要產(chǎn)生大得多的過電流，斷路器才會動作，且會切斷該斷路器以后的所有支路。
對于過電壓保護，早先的固態(tài)裝置(例如固態(tài)開關(guān))，通常是需要過壓保護元件來保護的。該保護元件既可以是一只壓敏電阻，又可以是一只特殊的可控硅，它們都與固態(tài)開關(guān)并聯(lián)。在固態(tài)開關(guān)處于“關(guān)”態(tài)，當(dāng)一個很大的過電壓產(chǎn)生時(例如當(dāng)這個電壓加在固態(tài)開關(guān)兩端，超過可控硅的轉(zhuǎn)折電壓時)，該保護裝置立即導(dǎo)通，將該電壓限制在低于固態(tài)開關(guān)的電壓，從而使固態(tài)開關(guān)不會因過電壓而損壞。不過，如果過電壓持續(xù)時間過長，保護裝置中流過很大的電流，會產(chǎn)生過熱，使保護裝置永久損壞。這種過電壓保護方案在保護裝置本身的成本上和維修代換上都很昂貴。
另外，傳統(tǒng)開關(guān)對于實現(xiàn)多點隨機控制，超過三點控制就不實用(允許一臺機器多個位置的任一點轉(zhuǎn)換“開”或“關(guān)”)。因為需要復(fù)雜的開關(guān)邏輯和大量的連線。
由于傳統(tǒng)開關(guān)成本高，又有上述缺點，人們長期以來，就盼望有一種固態(tài)電開關(guān)。然而，直到現(xiàn)在，一個根本的技術(shù)問題尚未得到解決一種固態(tài)電開關(guān)，必然是一個電子電路。作為電子電路，通常都需要一個直流電源。幾乎所有的集成電路，都需要在電源VCC(或VDD)端對地(或VSS)端，加一個直流工作電壓，例如2.7V、3.3V、5V或±5V、±12V、……、±35V、……。除非另外由電池供電，否則，必要用一個電源來提供工作電壓。這個通常與負載串聯(lián)的電源開關(guān)，就只能通過負載，以漏電流的形式吸收電流工作。這種漏電流，即使從幾毫安到幾十毫安，事實上，都是使負載在欠電壓下工作。這種開關(guān)在象照明器具中的電子調(diào)光器類的裝置中尚可接受，在象熒光燈、交流電動機、變壓器或者其它電器中是不可接受的，尤其從安全角度出發(fā)。例如，在安全標準上，事實上所有國家和被承認的安全組織，如保險業(yè)主，都認為毫安級或更高的漏電流是不安全的。因此，事實上，電子調(diào)光器和電子延時開關(guān)，即使與照明器具相串聯(lián)，都被認為是用電器或負載，而不是電源開關(guān)。在多數(shù)情況下，出于安全，對于電子調(diào)光器或電子延時開關(guān)，都還需要串聯(lián)一只機械開關(guān)。
無一例外，早先的兩端固態(tài)開關(guān)的電子電路，是并聯(lián)在負載導(dǎo)電組件上(例如在三端雙向可控硅開關(guān)的兩個極之間)。我們能找到這些開關(guān)的例子，例如美國5,550,463專利和5,030,890專利。于是，這些開關(guān)在固態(tài)開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)時，吸收大量的電流。從開關(guān)電流需求的角度看出，無一例外，兩端固態(tài)開關(guān)，都通過第三端直接與電源耦合而吸收電流。
另外，早先的固態(tài)開關(guān)在處于“開”狀態(tài)時，其兩端的電壓低于固態(tài)開關(guān)(如三端雙向可控硅兩端)，其開態(tài)飽和壓降Von-sat通常為AC0.8V~1.8V之間。并聯(lián)在開關(guān)兩端的固態(tài)開關(guān)的電子電路，(即跨接到Von-sat)就得不到足夠的電壓幅值來正常工作。例如美國3,660,688號專利和4,289,980號專利，為了從固態(tài)開關(guān)兩端獲得工作電壓，這固態(tài)開關(guān)的飽和電壓降Von-sat就要維持在較高的范圍，如2.4~4.0V和12~14V。不過，在那些固態(tài)開關(guān)中，會大量消耗電能。例如，美國專利3,660,688和4,289,980的固態(tài)開關(guān)與120V 5A的燈具串聯(lián)，其在固態(tài)開關(guān)中消耗的功率一種情況下為12~20W，在另一種情況下，竟高達60~70W。為了解決這一嚴重的功耗，這種固態(tài)開關(guān)不僅需要笨重的散熱器，而且，固態(tài)開關(guān)兩端如此高的壓降，使負載得不到足夠的工作電壓，降低了性能。反映出，這種固態(tài)開關(guān)是不實用的，也是不希望有的。
Brovelli的美國專利4,703,194中的

圖1披露了一種2端網(wǎng)絡(luò)的固態(tài)開關(guān)。不過，按照上述討論的早先技術(shù)的固態(tài)開關(guān)，由整流橋(即二極管1~4)和單向可控硅(SCR)6構(gòu)成主開關(guān)，在“開”態(tài)時提供一個2.4~4.0V的飽和壓降Von-sat。這樣，在上述固態(tài)開關(guān)中，6A的負載電流，在固態(tài)開關(guān)上就要消耗13~24W的功率。進一步，為了防止單向可控硅SCR6在交流電過零時關(guān)斷，Brovelli的固態(tài)開關(guān)是用儲存在電容器中的電荷來保持“開”狀態(tài)的。電容器7保存的電壓(例如0.7V)大于可控硅SCR6的觸發(fā)電壓。為了保持負載電流，Brovelli使用了一只1μF電解電容器5和一個低通濾波器。但是該電路只能適用于1A以下的負載電流，且固態(tài)開關(guān)處于“關(guān)”態(tài)時，電解電容器工作在高電壓和高紋波電流狀態(tài)或沖擊電壓時，其注入負載的泄漏電流會導(dǎo)致負載損壞，產(chǎn)生無法預(yù)料的惡果。
再者，為了確保固態(tài)開關(guān)有較高的靈敏度，單向可控硅SCR6也必須有高的靈敏度。為此，SCR6的電流定額就應(yīng)選得較低，于是就只能帶很小的負載(例如TIC106D SCR的定額為1A左右)。為了提供較大的電流，在固態(tài)開關(guān)中就應(yīng)使用大功率的元件，如高功率三端雙向可控硅。不過，這個三端雙向可控硅并聯(lián)在SCR6的陰—陽極之間，增加了連接在SCR6門極上的電容7的電荷排放量，使得SCR6在“開”態(tài)時，當(dāng)電源過零時不能保持導(dǎo)通。這樣，Brovelli的設(shè)計，不能用僅僅增加一只大功率元件來增加輸出電流，所以該設(shè)計不能用于實際。
此外，Brovelli的固態(tài)開關(guān)，觸摸兩個電極15或14，通過串聯(lián)電阻8和11產(chǎn)生微小的電流，觸發(fā)高靈敏的單向可控硅SCR6和9，來轉(zhuǎn)換開和關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)前市上的高靈敏度可控硅(例如三菱公司的CRO2AM和CRO3AM，摩托羅拉公司的MCR100-8和TIC106D)都至少需要200μA的觸發(fā)電流。不過，當(dāng)人體接觸觸摸電極，例如觸摸電極14時，觸摸電極通過人體到地的接觸阻抗，通常高達100兆歐姆。因此，只能提供比200μA小得多的電流，不足以觸發(fā)SCR6或SCR9，來實現(xiàn)Brovelli的固態(tài)開關(guān)的“開”或“關(guān)”的轉(zhuǎn)換。在其它時間，在地面與接觸電極之間通過人體所產(chǎn)生的阻抗，就可能產(chǎn)生大于200μA的電流，從而引起觸電或其它安全問題。因此，Brovelli的固態(tài)開關(guān)被認為是不實用的。
本發(fā)明提出一種完整的固態(tài)2端電開關(guān)(簡稱劉氏開關(guān)Liu’sswitch)，該開關(guān)能夠用于單極工作(即負載與開關(guān)串聯(lián)后接入交流電源)。劉氏開關(guān)(Liu’s switch)是一種不含任何機械的或活動部件的固態(tài)開關(guān)，因此不容易損壞。由于劉氏開關(guān)不含機械觸點，所以不會產(chǎn)生火花、電弧、腐蝕或機械雜音。能夠在惡劣環(huán)境中工作，例如易燃、易爆、高溫、高潮濕、強腐蝕的、灰塵重或者強烈震動的環(huán)境。
本發(fā)明的一種具體結(jié)構(gòu)，劉氏開關(guān)(Liu’s switch)能夠直接與負載和交流電源串聯(lián)。它包括(a)半導(dǎo)體開關(guān)元件，該元件被作用于其控制端的控制信號所控制，該信號確定該半導(dǎo)體開關(guān)是處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)；(b)包括一個整流器，該整流器是在半導(dǎo)體開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)期間，從半導(dǎo)體開關(guān)的各端口接收交流信號；(c)包括一個含電容器的控制電路，(i)該控制電路在半導(dǎo)體開關(guān)處于關(guān)斷期間接收整流器的整流信號。(ii)該控制電路根據(jù)與上述電容器相并聯(lián)耦合的增益電路中的電子信號而放電。
在一個實施例中，在半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷期間，經(jīng)整流的直流信號使電容器充滿電。半導(dǎo)體開關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)，一直到接收到使電容器放電的信號。使電容器放電的電信號能夠是，例如由一個正按著的按鈕所產(chǎn)生的電信號。在電容器放電之后，整流的直流信號就提供直流充電電流，使電容器再被充電。然后，這種充電電流就以觸發(fā)信號的形式提供控制信號，使半導(dǎo)體開關(guān)進入導(dǎo)通狀態(tài)。該導(dǎo)通的半導(dǎo)體開關(guān)，就使電容器放電。不過，在交流信號的每一個過零點，半導(dǎo)體開關(guān)器件瞬間又變?yōu)殛P(guān)斷。以便讓整流的直流信號再給電容器充電。然后，該充電電流再次產(chǎn)生觸發(fā)信號，使半導(dǎo)體開關(guān)元件回到導(dǎo)通狀態(tài)。這樣，一旦半導(dǎo)體開關(guān)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，反饋一個控制信號(例如觸發(fā)信號)，確保半導(dǎo)體開關(guān)元件一直保持在導(dǎo)通狀態(tài)。
在一個實施例中，控制電路進一步包括與第二個電信號相關(guān)的第二個增益電路。第二個電信號在控制端與公共地端之間提供一個信號通路。這樣，通過將控制信號和觸發(fā)信號分路到地，中斷上述的反饋程序。
控制電路還包括一個在控制端與公共地之間的并聯(lián)電容器(第二個電容器)所構(gòu)成的預(yù)置電路。第二個電容器的容量比控制電路的電容器(第一個電容器)的容量更大。一個正向偏置的二極管，就將控制端連接到第二個電容器上，有一個電阻與第二個電容器并聯(lián)，與其它的控制電路一起，構(gòu)成一個具有多種時間常數(shù)的電路(劉氏網(wǎng)絡(luò)Liu’snetwork)。在一個具體實施例中，劉氏網(wǎng)絡(luò)Liu’s network既可用作狀態(tài)記憶，又可用作預(yù)置電路。在預(yù)置電路中(例如，首次供電時)，劉氏網(wǎng)絡(luò)Liu’s network的第二個電容器提供一個很大的容量，該電容吸收第一個電容器最初的充電電流。這樣，使半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通的觸發(fā)信號就被截止。結(jié)果，在處于預(yù)置狀態(tài)時，劉氏開關(guān)Liu’s switch仍然保持關(guān)斷。
另外，當(dāng)劉氏開關(guān)在處于導(dǎo)通狀態(tài)時發(fā)生斷電后又來電，這個斷電間隔時間，如果比劉氏開關(guān)預(yù)定的時間短，則劉氏開關(guān)仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)。反之，如果斷電時間間隔比劉氏開關(guān)預(yù)定時間長，則劉氏開關(guān)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。即在預(yù)定時間的間隔內(nèi)，劉氏網(wǎng)絡(luò)Liu’s network具有狀態(tài)記憶功能，即劉氏開關(guān)能夠保持斷電前的導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)。在一個實施例中，第二個電容器是由一個電解電容器和一個無極電容器并聯(lián)而成。
在劉氏開關(guān)的一個實施例中，控制電路還包含一個接收外部信號的端口的第二增益電路。沒有這個外部信號(例如，由一個正按著的按鈕所產(chǎn)生的觸發(fā)信號)，該第二增益電路就不吸收任何電流，即呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。
根據(jù)本專利的一個方面，劉氏開關(guān)還包括一個過零檢測電路，接收整流信號并耦合到控制端。過零檢測電路，能阻止控制信號起作用，除非在整流信號幅度瞬間低于設(shè)定電壓時，才能控制信號輸入。在一個實施例中，過零檢測電路包含一個晶體管，這個晶體管在整流信號幅度高過預(yù)定值時，將控制端與公共地短路。在一個實施例中，過零檢測電路是由一個晶體管實現(xiàn)，該晶體管被接在整流器的輸出端與公共地之間的分壓器上，被分壓器的輸出信號所控制。
另外，可以包括與分壓器相串聯(lián)的發(fā)光二極管(LED)和齊納二極管。這個發(fā)光二極光可作為“夜燈”，讓電子開關(guān)為了某種用途是看得見的。
根據(jù)本專利的另一個方面，劉氏開關(guān)包含一個與負載和半導(dǎo)體開關(guān)相串聯(lián)耦合的電流檢測器，來提供一個代表電流狀況的信號。在一個具體實施例中，劉氏開關(guān)還包含一個過電流保護電路，該電路迫使半導(dǎo)體開關(guān)在電流檢測器的指示電流超過預(yù)定值時，就轉(zhuǎn)為斷開狀態(tài)。該電流檢測器能由一個變壓器來實現(xiàn)。在一個具體實施例中，過電流保護電路包括溫度敏感元件，這樣，過電流保護電路的門限就能自動跟蹤，同時采樣環(huán)境溫度和劉氏開關(guān)自身的溫度。
在一個具體實施例中，該過電流保護電路包括(a)一個整流器，來提供代表電流檢測器中電流的電壓信號。(b)閾元件，在電流探測器中的電流超過預(yù)定值時，它就變?yōu)閷?dǎo)通。這種閾元件，能夠由硅二級管，齊納二極管或一個四層蕭特基二極管來實現(xiàn)。過流保護電路的整流橋能夠由齊納二極管或二極管橋來實現(xiàn)。進一步，過流保護電路可以在整流器和閾元件之間，包括一個電阻網(wǎng)絡(luò)，這種電阻網(wǎng)絡(luò)能夠包含溫敏器件(例如，熱敏電阻或其它熱敏器件)，這些溫敏器件補充或進一步微調(diào)該過流保護電路的溫度特性。恰當(dāng)?shù)剡x擇溫敏器件的規(guī)格，過流保護電路的脫扣條件，就能夠根據(jù)操作環(huán)境的溫度和開關(guān)本身的溫度作自動調(diào)整。
根據(jù)本發(fā)明，劉氏開關(guān)還包括一個光耦合器，該光耦合器能夠?qū)⒖刂瓶偩€上的各個點所接收到的多種外部信號來控制一個劉氏開關(guān)，這就是劉氏開關(guān)的“多點隨機控制”。
在一種電路中，劉氏開關(guān)有一個二極管橋和一個單向可控硅(SCR)。在第二種電路中，半導(dǎo)體開關(guān)是由三端雙向可控硅TRIAC來實現(xiàn)。在第三種電路中，半導(dǎo)體開關(guān)是由反向關(guān)聯(lián)的單向可控硅來實現(xiàn)。劉氏開關(guān)的這種整流電路，能夠由一個單向可控硅(SCR)控制的整流橋控制。一個低通濾波器連接到半導(dǎo)體開關(guān)裝置的信號端，以在控制輸入信號中緩沖、減振、消噪音，來進一步保護半導(dǎo)體開關(guān)，這樣就使系統(tǒng)穩(wěn)定地工作。
觸摸電極能夠各含一個金屬表面，或使用阻抗材料或絕緣材料包裹了的金屬表面。觸摸電極能夠平行的或傾斜地安裝在安裝板上(例如觸摸電極在安裝板上可以稍微凹下去，也可以稍微凸出一點)。在一個電路中，有兩個觸摸電極，一個用作“開”，一個用作“關(guān)”。這兩個觸摸電極板可采用不同的顏色和不同的觸感。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，劉氏開關(guān)包含一個蜂鳴電路，當(dāng)有人接觸到觸摸電極板時，該蜂鳴電路就以“嗶”響聲應(yīng)答。該蜂鳴器，能夠是一個由齊納二極管和一個壓電揚聲器串聯(lián)后，再聯(lián)接到劉氏開關(guān)的整流器輸出端與公共地之間。這個蜂鳴電路能夠產(chǎn)生聽得見的可以辯別的蜂鳴聲，來指明是哪一個接觸板被聯(lián)接上了。
在劉氏開關(guān)的控制電路中，各種不同功能的組件(例如增益電路、可控硅控制整流器、半導(dǎo)體開關(guān)或音頻應(yīng)答電路)各自都幾乎沒有漏電流。因此，劉氏開關(guān)在其“關(guān)”態(tài)時，所消耗的功率幾近于零。
本發(fā)明的另一個優(yōu)勢是能夠狀態(tài)鎖存，從而控制觸摸電極保持“開”或“關(guān)”的狀態(tài)。只有在有人再觸摸電極時才發(fā)生變化。基于這種鎖存功能，本發(fā)明的劉氏開關(guān)提供一個多點隨機遙控系統(tǒng)，包括(a)一個兩端的劉氏開關(guān)，串接在負載和交流電源輸出的相線上。(b)一個光耦合器接到劉氏開關(guān)，該光耦合器對AC交流電源與外部遙控信號總線之間提供了很高的阻抗，由光耦合器從外部信號總線接收信號。(c)控制器(例如計算機)并聯(lián)到信號總線上，各控制器易于定位在控制信號的信號總線上。劉氏開關(guān)提供一種“開/關(guān)”鎖存特性，該特性能通過外部控制器和電子計算機的無窮數(shù)據(jù)來隨機控制。在一個實施例中，信號總線包含一個獨立的外部公共地，作為“開”信號和“關(guān)”信號的參考點。在另一個實施例中，分別獨立的外部公共地參考點是被提供來為在一個4線外部信號總線上的“開”通道和“關(guān)”通道之間分配導(dǎo)通和關(guān)斷。
本發(fā)明的一個方面，劉氏開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)時，沒有漏電流注入負載。本發(fā)明的另一方面，劉氏開關(guān)在“開”狀態(tài)期間，是以全動態(tài)模式工作。本發(fā)明的這種開關(guān)，僅僅用在交流輸入信號的每半周的過零期間接收到的信號工作，因此就避免使用直流電源。這就不象以前技術(shù)制造的電子開關(guān)。劉氏開關(guān)是直接地連接在一根標準的交流電源線上。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點，劉氏開關(guān)具有一個靜止的過電流脫扣電路和一個自動調(diào)節(jié)電路。這樣，在每一個負載點，都有著價廉而獨立的過流保護。這每一個負載點的獨立過電流保護，為財產(chǎn)和生命提供了卓越的保護性能。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是劉氏開關(guān)的通用性，劉氏開關(guān)可以直接接入120V、220V或更高電壓的交流電源輸出口。
從本發(fā)明的另外一個方面看，劉氏開關(guān)包含一個預(yù)置電路和一個電源恢復(fù)調(diào)節(jié)電路(劉氏網(wǎng)絡(luò)Liu’s network)。包括一個在控制端與地之間由一個二極管與電容器相串聯(lián)的電路，還包括一個與電容器并聯(lián)的電阻。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點，劉氏開關(guān)中有任選功能。這些任選功能包括夜燈或者說是劉氏開關(guān)上看得見的指示燈。使用無源熒光材料，如象磷酸鹽或硫磺的化學(xué)合成物，就可以獲得夜燈或指示燈功能。
在一個具體實施例中，一個高效率的發(fā)光二極管被引入劉氏開關(guān)的過零保護電路。在該具體實施例中，該發(fā)光二極管的正向電壓，就對過零電路提供了一個門限電平，同時，發(fā)光二極管對照亮這個開關(guān)起夜燈作用。在“關(guān)”狀態(tài)，這個發(fā)光二極管吸取的電流低于200μA。
本發(fā)明的又一個優(yōu)點，劉氏開關(guān)為過流脫扣保護提供了一個可編程動態(tài)門限值。門限值適應(yīng)溫度、負載和環(huán)境狀況，以及開關(guān)本身的配置。劉氏觸摸信號，能夠用于在電子網(wǎng)絡(luò)中建立靈活的終端設(shè)備。
本發(fā)明的觸摸電極是基于一個與人體相關(guān)的阻抗效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，稱之為“劉氏觸摸信號互補效應(yīng)”(以下簡稱“LTS”)。這LTS效應(yīng)產(chǎn)生于人體的阻抗性質(zhì)，即，在極寬范圍的環(huán)境條件下，總是能利用到對地阻抗和等效感生信號源這兩個因素。實際上LTS效應(yīng)都可以由人接觸觸摸電極而使劉氏開關(guān)可靠地切換“開”和“關(guān)”。在其具體實施例中，觸摸電極是電耦合到劉氏開關(guān)的控制電路上，當(dāng)觸摸電極被一種外來因素接觸(例如一個人正操作該開關(guān))，就提供了電的通路，由于LTS效應(yīng)而觸發(fā)劉氏開關(guān)的控制電路。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，劉氏開關(guān)的“開”或“關(guān)”的觸摸電極板，能夠以不同的位置、顏色、形狀和結(jié)構(gòu)構(gòu)成，以確保安全和而準確地操作。這種觸摸電極板，可用金屬、非金屬電阻材料，或者包裹了絕緣材料的導(dǎo)體制作。對于本發(fā)明的劉氏開關(guān)，在其接觸板上要求不同的接觸時間響應(yīng)來觸發(fā)劉氏開關(guān)的“開”或“關(guān)”的功能，亦可以具有一個淺的凹陷接觸表面都是必要的，在一些具體實施例中，這些觸摸電極的設(shè)計可防止由于疏忽觸碰而造成的誤觸發(fā)。又例如所提供的每個觸摸電極，都可以在接觸表面輕輕觸摸。
本發(fā)明的另一個方面是，操作者可以戴著手套觸摸電極板。該特性在某些時候是很重要的，譬如當(dāng)遇到緊急情況，需要警急關(guān)掉開關(guān)而又一時來不及脫掉手套時。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，當(dāng)同時接觸到第一與第二觸摸電極時，劉氏開關(guān)會還原到“關(guān)”狀態(tài)，這樣就預(yù)防了對負載的誤操作。
劉氏開關(guān)既能夠控制阻性負載，又能夠控制感性負載和一些特殊負載，如熒光燈，也能夠用于控制混合負載。發(fā)明詳細說明根據(jù)以下詳細說明和附圖，你就更容易理解本發(fā)明。
圖1是本發(fā)明的電路100的系統(tǒng)方框圖，包括固態(tài)開關(guān)(劉氏開關(guān))300中的控制電路200。
圖2a示出了等效電路250和250′，各代表一個與觸摸電極相接觸的人體(即觸摸電極17或19)。
圖2b示出了Sa、Sb、Sc、Sd的性能曲線，分別代表電阻(泄漏)分量，分布電容分量、等效感生信號源分量和由于劉氏觸摸信號互補效應(yīng)而形成的人體接觸互補合成觸發(fā)信號。
圖3表示波形1-4，代表(i)當(dāng)固態(tài)開關(guān)300處“開”狀態(tài)時，負載2上的電壓；(ii)當(dāng)固態(tài)開關(guān)300處于“關(guān)”狀態(tài)時，加到控制電路200中的83端和觸發(fā)器的公共地間的電壓；(iii)當(dāng)固態(tài)開關(guān)300處于“關(guān)”狀態(tài)時，負載2上之電壓；(iv)當(dāng)劉氏開關(guān)300處于“開”狀態(tài)時，加到開關(guān)01和02端上之電壓310和310’。
圖4表示本發(fā)明的電路400的具體實施例，在電路400中，用可控硅(SCR)控制的橋式整流器8作為主半導(dǎo)體開關(guān)1的一個組合可控二極管橋式電路(1，8)和由晶體管T1構(gòu)成的第1增益電路11。
圖5代表本發(fā)明的電路500的一個具體實施例。在電路500中，可控硅控制的橋式整流器8作為主半導(dǎo)體開關(guān)1的一個組合可控二極管橋式電路(1，8)和由晶體管T11構(gòu)成的第1增益電路11。
圖6a代表本發(fā)明電路600中的具體實施例。在電路600中，三端雙向可控硅TRIAC 601提供作主半導(dǎo)體開關(guān)1。
圖6b代表本發(fā)明電路620中的一個實施例。在電路620中，反向并聯(lián)的單向可控硅(SCRs)602(SCR2和SCR3)作為主半導(dǎo)體開關(guān)1。
圖7a代表本發(fā)明電路700中的一個實施例。在電路700中，有著一個初始化電路，包括劉氏網(wǎng)絡(luò)Liu’s network 13，15。
圖7b-7d代表本發(fā)明電路720、740、760的具體實施例，每個電路都是圖7a的電路700的變更。
圖8a-8c分別代表一個限流器的實施例(各電路中的限流器800、810和820即是圖1中的限流器18或20)。
圖9a代表過流保護電路900，包括本發(fā)明過流信號處理電路16的系統(tǒng)方框圖。
圖9b-9d分別代表劉氏開關(guān)300的910、920和940電路，表示了電流保護器5和過流保護器16的實施例。
圖10a和10b分別描述了微電流過零電路1000和1050，適合于充當(dāng)圖1中的過零保護電路10。
圖10c表示波形1和2，由于晶體管T4的作用，波形1和2分別是可控硅SCR1的門極G1的門限電壓Vthres和阻抗。
圖11a和11b代表耦合到劉氏開關(guān)300的圖1中的光耦合電路22和23的實現(xiàn)方案1100和1150，以上是關(guān)于圖1的討論。
圖12a和12b，分別代表一個三線控制總線400和4線控制總線410，它們被用來以外部設(shè)備通過固態(tài)開關(guān)1200和1201提供負載2a和2b的多點隨機控制，并在控制總線、劉氏開關(guān)和電源線之間提供高隔離。
圖13代表本發(fā)明的一個具體化實施例的電路原理圖1300。
本發(fā)明提供一個固態(tài)開關(guān)(“劉氏開關(guān)Liu’s switch”)，該開關(guān)以圖1的電子電路100中的舉例說明。如圖1所示的電路，電路100包括主半導(dǎo)體開關(guān)1、負載2、觸發(fā)和控制電路200、電磁干擾(EMI)抑制器3和3′、熔絲4(為短路電流保護)、電流檢測元件5、端口6和7用于連接到交流電源輸出端、觸摸電極17和19，用來傳遞外部輸入信號，去觸發(fā)和控制電路200。在一個實施例中，劉氏開關(guān)(“劉氏開關(guān)300”)結(jié)合主半導(dǎo)體開關(guān)1、電流檢測器5以及觸發(fā)和控制電路200、劉氏開關(guān)300與負載2一起，形成電路100。
觸發(fā)和控制電路200，包括一個可控硅(SCR)控制的整流橋8，一個衰減器9，第一增益電路11，第二增益電路14，限流器18和20，初始化與電源復(fù)位電路15，二極管門13，狀態(tài)記憶和觸發(fā)電路12，濾波電路28和29。在觸發(fā)和控制電路200的一個實施例中，如圖7a所示，狀態(tài)記憶和觸發(fā)電路12，包括一個電容器C1，啟動初始化和電源復(fù)位電路15包括電容器C4。耦合到控制端113和121、122端的增益電路11，被設(shè)計為當(dāng)控制端113沒有輸入信號時，在121和122端之間呈高阻抗時，這樣，就沒有電流流進放大電路11。相反，當(dāng)在113端提供一個輸入信號時，121和122之間就呈低阻抗，在控制端143接收信號，在執(zhí)行端141和142之間控制阻抗的增益電路14，可以是同樣情況。不過在該具體實施例中，增益電路14包括另外的控制端口144和145。144和145各自也能觸發(fā)，在141端和公共地142端之間提供低阻態(tài)。控制端144在過電流狀態(tài)觸發(fā)增益電路14，一個或一個以上的控制端145，來響應(yīng)其它條件，為此劉氏開關(guān)就被轉(zhuǎn)到“關(guān)”狀態(tài)。
觸發(fā)和控制電路200還包括以下“可選擇件”過零檢測器10、耦合二極管50(當(dāng)選擇過零檢測器10時，取代跳線60)、“蜂鳴”電路21、電流檢測器裝置5(為過電流保護)、過流保護電路16和一個帶有外部控制總線400的光耦合器22，或者一個帶有外部控制總線410的光耦合器23。這些可選擇組件，讓劉氏開關(guān)被用作多點隨機遙控高隔離繼電器(“劉氏開關(guān)繼電器”)。
初始化和電源復(fù)位電路15和二極管門13一起，提供了一個“劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’s network)”(以下會詳細闡述)。在該劉氏網(wǎng)絡(luò)中，包含一個二極管(D3)，一個電容器(C4)和一個電阻R8。一個無極電容器C4′與C4并聯(lián)，以提高響應(yīng)速度。按如下解釋，初始化和電源復(fù)位電路15確保劉氏開關(guān)300在首次接入電源時，處于“關(guān)”狀態(tài)，即迫使劉氏開關(guān)300從“開”狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“關(guān)”狀態(tài)。
可控硅控制的橋式整流器8包含一個可被觸發(fā)的電路，例如一個單向可控硅SCR(“SCR1”)，當(dāng)單向可控硅SCR1由端口84的控制信號觸發(fā)時，SCR1導(dǎo)通。當(dāng)SCR1導(dǎo)通時，主半導(dǎo)體開關(guān)1也導(dǎo)通，這就使劉氏開關(guān)300被觸發(fā)進入一個導(dǎo)通模式。照以下解釋，劉氏開關(guān)一旦被觸發(fā)進入導(dǎo)通模式，它自己就產(chǎn)生連續(xù)的觸發(fā)信號加在端口84上，使劉氏開關(guān)300維持導(dǎo)通模式。主半導(dǎo)體開關(guān)能夠由一個三端雙向可控硅TRIAC或幾個單向可控硅SCRS實現(xiàn)。
可控硅控制的橋式整流器8，包括交流端81和82、直流DC輸出端口83、觸發(fā)端口84、執(zhí)行端口87和端口85，端口85是耦合到觸發(fā)控制電路200的公共“地”。電阻器86與AC端口81和82串聯(lián)。當(dāng)主半導(dǎo)體開關(guān)1處于斷開狀態(tài)，端口81和82就從主半導(dǎo)體開關(guān)1的電源端口01和02接收輸入AC信號?？煽毓鑃CR控制的橋式整流器8提供一個整流信號(見圖3中的波形2所示)加到端口83和85之間。照圖3所示，接收到83和85之間的整流信號，就是輸入電源交流信號頻率兩倍的雙半波信號。
劉氏開關(guān)300，利用本發(fā)明的阻抗效應(yīng)，以下稱之為“劉氏觸摸信號互補效應(yīng)”(或者稱“LTS”效應(yīng))。以下將進一步闡述該效應(yīng)。在圖1中，劉氏開關(guān)300包括觸摸電極17，該觸摸電極電耦合到觸發(fā)控制電路200。當(dāng)人接觸到觸摸電極17時(例如一個人正操作該開關(guān))，LTS效應(yīng)就提供了觸發(fā)信號使觸發(fā)控制電路200導(dǎo)通。LTS效應(yīng)由圖2a和圖2b闡述。
圖2a代表等效電路250和250′，這兩個等效電路各代表一個人體接觸觸摸電極(即觸摸電極17或19)的情況。在某些環(huán)境條件下，等效電路250受控于等效電阻(即電阻器R23)，代表到地面的泄漏路徑，該電阻約為100Ω~30MΩ不等。產(chǎn)生于電阻分量的LTS效應(yīng)的電信號強度，以圖2b由曲線Sa示意。類似地，在其它環(huán)境條件下，人體提供一個中、高阻抗(即約為30MΩ~300MΩ或者更高)。在這個范圍，等效電路250主要呈現(xiàn)分布的電容的電抗(即等效電容器C24的容抗分量)Xc。該電信號的強度，產(chǎn)生于這種電抗分量的LTS效應(yīng)。這種情況在圖2b中的Sb曲線表示。為了恰當(dāng)利用LTS效應(yīng)，觸發(fā)器和控制電路200提供了反并聯(lián)二極管，該二極管接在公共地與增益電路11的輸入晶體管的發(fā)射結(jié)之間。
在更高的阻抗條件下，人體阻抗能超過300MΩ或更高。在這樣高的阻抗下，等效電路250主要受控于一種感生信號源AT26，該感生信號源提供的電信號來自于環(huán)境的雜散電磁場，雜散電磁場具有多種信號源，具有極寬的頻譜，從低頻交流信號(例如交流50(100)赫茲或60(120)赫茲)到甚高頻信號VHF或超高頻信號UHF段，在某些情況下，或許也可從靜電產(chǎn)生。感生信號源AT26提供的電信號，由各種電磁場疊加產(chǎn)生，可被觸發(fā)控制電路200的增益電路11檢出。產(chǎn)生于LTS效應(yīng)的等效感生信號源分量在圖2b以曲線Sc表示。
圖2b的曲線Sd，表示了圖2b中電阻器R23、電容器C24和感生信號源AT26的合成LTS效應(yīng)。在圖2b中，位于曲線的“遲鈍”區(qū)域，代表該區(qū)域在電極17的電信號強度不能可靠地觸發(fā)觸發(fā)和控制電路200。照曲線Sd所示，等效電路250的合成LTS效應(yīng)的電信號強度在“遲鈍”區(qū)域之上，實際上在所有的阻抗之上。重要的如果是在阻性分量(即Sa)低于遲鈍區(qū)域的情況下，電抗分量(即Sb)就使曲線Sd較大地保持在遲鈍區(qū)域之上。同樣倘若在阻性分量和電抗分量(即曲線Sa和Sb)都落進遲鈍區(qū)域中，感生信號源分量(即Sc)就使曲線Sd高于遲鈍區(qū)域。這樣，利用LTS效應(yīng)的合成信號將導(dǎo)致劉氏開關(guān)300在人體全部的阻抗條件下都可能可靠地得以轉(zhuǎn)換。等效電路250′的工作情況完全與所描述的等效電路250相同，于是在此省略。劉氏開關(guān)300的工作情況稍后再討論。首先，即，劉氏開關(guān)首次加電時，其狀態(tài)記憶和電容觸發(fā)電路12中的電容器C1與初始化和電源復(fù)位電路15的電容器C4(和電容器C4′)都是處在放空狀態(tài)。
當(dāng)交流電源信號跨接到主半導(dǎo)體開關(guān)1和負載2之間(即“加電”)，端口81和82就接收到該交流信號。可控硅控制的橋式整流器8輸出整流后的雙半波直流信號，該雙半波直流信號是交流電源周期的2倍，跨接在121和122端口之間。狀態(tài)記憶和電容觸發(fā)電路12中的電容器C1幾乎立即被充滿電。加電之后，交流電源信號的初期，充電脈沖即通過正向二極管門13被吸入到初始化和電源復(fù)位電路15中的電容器C4和C4′而旁路，在控制端122的電壓不會明顯上升，因此沒有足夠的信號通過衰減器9到可控硅SCR控制的橋式整流器8的觸發(fā)端84，從而不能觸發(fā)半導(dǎo)體開關(guān)1。于是這個雙半波直流電壓使狀態(tài)記憶和電容觸發(fā)電路12的電容器C1維持在完全充滿電的狀態(tài)。在這“關(guān)”態(tài)時，沒有電流進入觸發(fā)和控制電路200。
在“關(guān)”態(tài)，有一個“關(guān)”態(tài)反饋效應(yīng)發(fā)生。當(dāng)人觸摸觸摸電極19時，增益電路14在端口141和142之間提供了一個低阻抗通路，使初始化和電源復(fù)位電路15的電容器C4和C4′保持放電。放了電的電容器C4和C4′繼續(xù)短路端口122，阻止觸發(fā)主半導(dǎo)體開關(guān)1，于是主半導(dǎo)體開關(guān)1一直保持阻斷，一個關(guān)態(tài)反饋電壓從開關(guān)兩端繼續(xù)維持電容器C1滿荷而不能放電。當(dāng)狀態(tài)記憶和電容觸發(fā)電路12中的電容器C1保持充滿狀態(tài)時，沒有觸發(fā)信號被傳輸?shù)娇煽毓鑃CR控制的橋式整流器8的觸發(fā)端口84，從而也不能觸發(fā)主半導(dǎo)體開關(guān)1。主半導(dǎo)體開關(guān)1一直穩(wěn)定在“關(guān)”狀態(tài)。
當(dāng)觸發(fā)和控制電路200處于“關(guān)”狀態(tài)時，由于沒有信號輸入，第一和第二增益電路11和14都處于截止狀態(tài)。(只要電極17和19不被接觸，它們就不會提供電信號。)另外，可控硅控制的橋式整流器8，在當(dāng)其不被觸發(fā)時，也處于電流阻斷模式。于是劉氏開關(guān)300在其“關(guān)”態(tài)中，沒有漏電電流進入負載2。
在“關(guān)”態(tài)中，當(dāng)有人(例如手)觸摸到觸摸電極17時，根據(jù)上述LTS效應(yīng)，對劉氏開關(guān)300的第一增益電路11的輸入端113提供一個電信號。這種電信號使增益電路11在狀態(tài)記憶和電容觸發(fā)電路12的121和122端之間呈現(xiàn)低阻抗通路。結(jié)果，狀態(tài)記憶和電容觸發(fā)電路12中的電容器C1迅速放電。在端口121上的直流信號被耦合到122端口。此信號分兩路，通過增益電路11和二極管門13，一路迅速完全地使初始化和電源復(fù)位電路15中的電容器C4和C4′充滿電荷。另一路直接觸發(fā)SCR1來使主半導(dǎo)體開關(guān)1成為導(dǎo)通，而導(dǎo)通的SCR1和主半導(dǎo)體開關(guān)1又反過來使電容器C1放電。然后照以下所闡述，在接下來下一個半周，交流信號剛一過零點，電容器C1短暫的被充電，產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖，因為根據(jù)上述電容器C4已被在先前充滿，不會使觸發(fā)脈沖旁路，所以有足夠的能量的觸發(fā)脈沖繼續(xù)觸發(fā)在主半導(dǎo)體開關(guān)1的觸發(fā)端口82上的可控硅SCR1控制的橋式整流器8，來使主半導(dǎo)體開關(guān)1成為導(dǎo)通，這樣就使劉氏開關(guān)300進入“開”狀態(tài)，將電源加到負載2上。這引發(fā)了一系列“開”狀態(tài)反饋效應(yīng)。該“開”態(tài)反饋效應(yīng)依靠(a)在可控硅SCR1和主半導(dǎo)體開關(guān)1聯(lián)瑣導(dǎo)通的同時，為端口121和122之間提供了一個放電通路，于是維持著電容器C1處于放電狀態(tài)；(b)主半導(dǎo)體開關(guān)1維持在導(dǎo)通狀態(tài)，除非在輸入交流信號的過零點。在過零點上，主半導(dǎo)體開關(guān)1阻斷，這就允許雙半波直流信號的下一個半波在121和122端口瞬間出現(xiàn)，幾乎立即使電容器C1充電。這個充電電流脈沖耦合到端口122，通過衰減器91，到可控硅SCR控制的橋式整流器8的觸發(fā)端口84。這樣，充電電流脈沖就使主半導(dǎo)開關(guān)1再次導(dǎo)通，直到輸入交流信號的下一個過零點。
在處于“開”狀態(tài)期間，有人(如用手)接觸到觸摸電極19時，一個電信號就被提供到第二個增益電路14，這就與上述LTS效應(yīng)相一致。在初始化和電源復(fù)位電路15中的“劉氏網(wǎng)絡(luò)Liu’s network”兩端提供了一個低阻通道。結(jié)果電容器C4就迅速地通過低阻通道放電。通過二極管門13，該低阻通道也通過將控制端口122中的觸發(fā)脈沖分路到公共地，來中斷“開”態(tài)反饋效應(yīng)。這樣，在下一個過零點，當(dāng)主半導(dǎo)體開關(guān)1阻斷時，因為得不到下一個觸發(fā)脈沖，劉氏開關(guān)300就處于“關(guān)”狀態(tài)。當(dāng)雙半波直流信號出現(xiàn)在端口121和122端的同時，電容器C1再次充滿電荷。一個充滿了電的電容器C1，就沒有觸發(fā)脈沖在控制端122產(chǎn)生，從而使主半導(dǎo)體開關(guān)1保持在關(guān)斷狀態(tài)，直到下一次接觸到觸摸電極17。
由于劉氏開關(guān)300在“關(guān)”態(tài)時沒有電流通過，“開”態(tài)時又被短路(在交流信號的過零點例外)，所以劉氏開頭300不需要提供電源供給電路來工作。從而實現(xiàn)了與傳統(tǒng)單極機械接觸開關(guān)同樣操作的一個兩端網(wǎng)絡(luò)的固態(tài)開關(guān)。
根據(jù)該發(fā)明，劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’s network)的特點是具有多時間常數(shù)。例如，在圖7a所表示的實施例中(a)電容器C4是通過電阻R8的一個被稱為預(yù)置時間常數(shù)的慢速率放電；(b)電容器C4是在電流從控制端口122經(jīng)二極管門13充電時(相對于上述的預(yù)置時間常數(shù))以一個短時間常數(shù)的快速率充電；(c)電容器C4是在被增益電路14的低阻通路放電時，以一個短時間常數(shù)(相對于上述的預(yù)置時間常數(shù))的快速率放電。
在通過二極管門13(即上面的(b)部分中)充電的短時間常數(shù)，讓劉氏網(wǎng)絡(luò)作為動態(tài)能源吸收器，來吸收浪涌、尖峰噪波和出現(xiàn)在控制端口122的沖擊脈沖。因為該性能，劉氏開關(guān)300的“開”和“關(guān)”狀態(tài)，具有極高的穩(wěn)定性。劉氏網(wǎng)絡(luò)通過由第二增益電路14提供的低阻通路放電，有一個短時間常數(shù)，以致于讓劉氏開關(guān)300能極快速地轉(zhuǎn)換到“關(guān)”來響應(yīng)觸摸電極19的接觸。另外，劉氏網(wǎng)絡(luò)能夠得到想要的安全功能。例如，在一個傳統(tǒng)的機械式電源開關(guān)中，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通(轉(zhuǎn)到“開”時)，一個負載在運行，例如加熱器、電動工具、機器等等。不過在當(dāng)電源突然被中斷時，該負載就可能停留在工作模式當(dāng)中。這樣，當(dāng)電源在意想不到的時間又恢復(fù)供電，該負載會繼續(xù)作中斷前的工作。對于停留在操作模式中的負載，這種電源的恢復(fù)往往造成事故、火災(zāi)、人體傷亡和財產(chǎn)損壞。
劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’s network)的電阻器(R8)提供預(yù)置放電時間常數(shù)，當(dāng)劉氏開關(guān)處于“開”狀態(tài)時，如果交流電源被中斷，電容器C4就通過電阻器R8放電。預(yù)置時間常數(shù)使電容器C4上的電荷維持一個預(yù)置時間階段。在這一預(yù)置時間階段(例如從幾秒到幾十秒)，如果交流電源恢復(fù)，電容器C4就不足以吸收電容器C1的充電電流，因此讓觸發(fā)脈沖到達端口84(圖1)來觸發(fā)可控硅SCR1，從而讓劉氏開關(guān)300保持早先的“開”狀態(tài)。不過，如果交流電源在預(yù)置時間階段已經(jīng)消逝后恢復(fù)，劉氏網(wǎng)絡(luò)的電容器C4通過電阻R8已充分放電，這樣，電容器C1的充電脈沖就分路通過二極管門13，至電容器C4。結(jié)果，劉氏開關(guān)300自動復(fù)位到“關(guān)”狀態(tài)。并無限期地維持在“關(guān)”狀態(tài)不變。于是劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’s network)就避免當(dāng)電源恢復(fù)時負載2無法預(yù)料地恢復(fù)工作，避免了事故和危害。
當(dāng)包含觸發(fā)和控制電路200時(圖1)，蜂鳴電路21以聲音指示劉氏開關(guān)300的轉(zhuǎn)換成功。
當(dāng)包含觸發(fā)和控制電路200時，過電流保護電路16監(jiān)視電流檢測器5中的電流，當(dāng)其超過預(yù)定門限值時，過流保護電路16為增益電路14的輸入端口144提供一個輸出信號，如上所述，此控制信號，中斷了劉氏開關(guān)的“開”狀態(tài)。
當(dāng)包含觸發(fā)和控制電路200時，光耦合電路22或23讓劉氏開關(guān)300用在一個多點隨機遙控系統(tǒng)中。如圖1所示，光耦合電路22，包括輸入端口223、224和225，并提供輸出端口221、222、226和228。端口225被耦合到外部的地參考點。端口221和226被分別通過端口121和122耦合到第一增益電路11。端口222和228分別通過端口141和142(也是公共地)耦合到第二增益電路14。當(dāng)信號(交流或直流)出現(xiàn)在端口223和225之間時，光隔離低阻信號通路就提供在端口221和226之間，從而以上述方式觸發(fā)劉氏開關(guān)300的“開”狀態(tài)。同樣，當(dāng)一個信號出現(xiàn)在端口224和225之間時，一個光隔離低阻通路出現(xiàn)在端口222和228之間，從而觸發(fā)劉氏開關(guān)300的“關(guān)”狀態(tài)。用光隔離器件，輸出端口221、222、226和228各自由很高阻抗與輸入端口223~225隔離。
光耦合電路23類似于光耦合電路22，僅另加外部地信號237除外，以致在端口223和235、234和237、231和236以及232和238之間提供各自隔離的高隔離電通道。當(dāng)信號(交流或直流)出現(xiàn)在端口233和235之間，一個光隔離低阻信號通路就提供在端口231和236之間，從而以上述方式觸發(fā)劉氏開關(guān)300的“開”狀態(tài)。同樣，當(dāng)在端口234和237之間出現(xiàn)一個信號時，光隔離低阻通路就出現(xiàn)在端口232和238之間，從而觸發(fā)劉氏開關(guān)300的“關(guān)”狀態(tài)。
以下闡述劉氏開關(guān)300的幾個實施例。為了便于圖與圖之間互相參考，圖4-13中使用的參考數(shù)字與圖1相同，在一些實施例中所表示的元件和端口也與圖1相同。
圖4代表本發(fā)明電路400的具體裝置，其中可控硅SCR控制的橋式整流器8和主半導(dǎo)體開關(guān)1，就在組合的可控硅SCR——二極管橋電路(1，8)中實現(xiàn)。照圖4所示，一個二極管橋BZ1和一個可控硅開關(guān)SCR1實現(xiàn)可控硅SCR控制的橋式整流器8和圖1的主半導(dǎo)體開關(guān)1的功能。狀態(tài)記憶和觸發(fā)電路12由串聯(lián)的電阻器R3和電容器C1實現(xiàn)。限流器18和20由電阻器R1和R2實現(xiàn)。第一增益電路11和第二增益電路14分別由NPN型雙極晶體管T1和T2實現(xiàn)。衰減器9由電阻器R4實現(xiàn)。
在“關(guān)”狀態(tài)期間，整流信號出現(xiàn)在端口83和85之間，同時電容器C1被充電。當(dāng)人接觸觸摸電極17時，由LTS效應(yīng)而產(chǎn)生一個接觸信號，使NPN晶體管T1導(dǎo)通。導(dǎo)通的晶體管T1就使電容器C1放電，將端口87的雙半波直流信號耦合到端口92，通過電阻器R4，雙半波直流信號被提供到SCR1的門極G1，這樣就使SCR1導(dǎo)通。導(dǎo)通的SCR1使端口01和02(即主半導(dǎo)體開關(guān)1)之間短路。這樣，交流信號就加到負載2上，并維持電容器C1處于放電狀態(tài)，使電壓降(Vsat-on)等于二極管橋BZ1與SCR1的正向壓降之和(即2.4~4.0V)。當(dāng)交流信號過零時，SCR1關(guān)斷，這樣電容器C1由交流信號的下一個雙半波充電，這就又提供一個充電電流。此充電電流使SCR1重新導(dǎo)通。導(dǎo)通的SCR1又一次在負載2上提供交流信號。這種再生的反饋過程，使劉氏開關(guān)維持在“開”狀態(tài)。當(dāng)人接觸到觸摸電極19時，一個產(chǎn)生于LTS效應(yīng)的接觸信號就使NPN晶體管T2導(dǎo)通，這就使端口92與地短路。中斷了上述反饋過程，將劉氏開關(guān)300置于“關(guān)”狀態(tài)。
圖5代表本發(fā)明的另一個裝置電路500，電路500實質(zhì)上與電路400相同，僅僅是電路500中的PNP晶體管T11取代了電路400中的晶體管T1。電路500的其它的工作，實際上相同于上述的電路400。
電路400和500有幾個缺點，第一，在劉氏開關(guān)300中，較大的“開”態(tài)壓降(2.4V~4.0V)既導(dǎo)致較大的功耗，要在大電流時正常工作，就需要配置大的散熱器，又由于大的壓降，也降低了負載2上的工作電壓。第二，電路400和500提供了一個劉氏開關(guān)在交流信號源最初耦合的時刻就到導(dǎo)通狀態(tài)。
要將“開”態(tài)電壓降(Vsat-on)降到盡可能低的程度，半導(dǎo)體開關(guān)1可由三端雙向可控硅或者反并聯(lián)單向可控硅實現(xiàn)，照圖6a和6b所示。圖6a代表本發(fā)明的電路600的具體裝置，在電路600中，主半導(dǎo)體開關(guān)1由一個三端交流開關(guān)(三端雙向可控硅TRIAC)601實現(xiàn)。按圖6a所示，二極管橋BZ1的端口B13和B14(即圖1的端口81和82)被分別耦合到門極G和第二陽極MT2。限流電阻86能夠被串聯(lián)插入二極管橋BZ1的端口B13或B14與三端雙向可控硅601之間，來保護三端雙向可控硅的門極。在“開”態(tài)期間，“開”態(tài)電壓降(Vsat-on)在0.8~1.6V之間。當(dāng)端口G和MT2之間突然變?yōu)楦咦?單向可控硅SCR1關(guān)斷)時，三端雙向可控硅601在交流信號過零點轉(zhuǎn)為“關(guān)”態(tài)。
圖6b代表本發(fā)明電路620的具體裝置。在電路620中，主半導(dǎo)體開關(guān)1由電路602實現(xiàn)，電路602由反并聯(lián)的單向可控硅(即SCR2和SCR3)實現(xiàn)。電路602中的每個單向可控硅的帶電流能力均高于可控硅控制的橋式整流器8的SCR1。按圖6a所示，二極管橋BZ1的端口B13和B14(即圖1的端口81和82)被分別接到門極G3和G2。按圖6a的電路600所示，限流電阻86能夠串聯(lián)插入二極管橋BZ1的端口B13或B14與反并聯(lián)單向可控硅SCR2和SCR3之間，來保護門極G2和G3。在“開”態(tài)期間，觸發(fā)電流分別產(chǎn)生在SCR3和SCR2的陰極K3和K2之間，流過由SCR3的門極G3、橋式整流器BZ1、SCR1和SCR2的門極G2所形成的回路。觸發(fā)電流交替觸發(fā)SCR2和SCR3使其進入導(dǎo)通模式。在“開”態(tài)期間，“開”態(tài)電壓降(Vsat-on)近似為1V。當(dāng)端口G2和G3之間突然變?yōu)楦咦?單向可控硅SCR1關(guān)斷)時，主半導(dǎo)體開關(guān)1在交流信號過零點變?yōu)椤瓣P(guān)”態(tài)，從而將SCR2和SCR3定在阻斷狀態(tài)。在電路600和620中，使用電源組件(例如三端雙向可控硅601和開關(guān)器件602的SCR2、SCR3)，能夠?qū)D4和圖5的電路400和500提供給負載2的電流，容易地擴大到相當(dāng)可觀的電流。另外，與上述電路400和500相比較，在同樣的負載電流時，劉氏開關(guān)300中的“開”態(tài)電壓降很低，功耗也減少了。
圖7a代表本發(fā)明電路700的另一個具體裝置，在電路700中，有一個實用的初始化和電源復(fù)位電路15以及二極管門13，初始化和電源復(fù)位電路15和二極管門13，由電阻R8、電容器C4和C4′和二極管D3來實現(xiàn)，以下稱為劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’s network)。另外，電路700通過由電阻R4和R6形成的分壓器實現(xiàn)衰減器9。在電路700中，增益電路14用一個互補級聯(lián)放大器充當(dāng)，包括電阻器R15、PNP晶體管T3和NPN晶體管T2?？煽毓鑃CR控制的橋式整流器8和主半導(dǎo)體開關(guān)1由與電路600相同的電路實現(xiàn)。僅僅是在三端雙向可控硅601的門極上增加了由電容器C6和電阻器R7形成的旁路濾波器。增益電路11、狀態(tài)記憶和觸發(fā)電路12，按照上述電路400中提供。濾波電路28和29各由一個電容器(C2或C3)實現(xiàn)，該電容器是與二極管(D1或D2)相并聯(lián)。分別在濾波電路28和29中，二極管(例如D1)反向并聯(lián)在放大晶體管(例如晶體管T1)的發(fā)射結(jié)上。在這一結(jié)構(gòu)中，該二極管至少完成三個功能(a)提供一個反向通路，來增加LTS效應(yīng)中分布的電抗分量(Sb)；(b)保護放大晶體管的發(fā)射結(jié)；(c)用作LTS效應(yīng)等效感生信號源分量(Sc)的峰值檢波器。
在電路700中，劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’s network)中的電容器C4的容量比狀態(tài)記憶和觸發(fā)電路12的電容器C1的容量大得多。在這一具體裝置中，電容器C4可以由一個有極的電解電容器來實現(xiàn)。由于一個大的電解電容器具有一個附加的電感，一個無極電容器C4’就提供在劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’snetwork)中，對劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’s network)提供一個很快的響應(yīng)時間。
最初，即當(dāng)一個交流電源信號第一次加到劉氏開關(guān)300時，電容器C4和C1都處于未充電狀態(tài)。如上所述，電容器C1是由端口83和85之間的整流信號，在很短的時間內(nèi)，被充滿電。不過，由于電容器C4保持未充電狀態(tài)，電容器C1的充電電流通過正向偏置二極管D3向C4充電，所以在衰減器9的輸入端口92上，不會出現(xiàn)足夠的觸發(fā)電流脈沖，因而阻斷了對劉氏開關(guān)的觸發(fā)導(dǎo)通。在劉氏開關(guān)300處于“關(guān)”態(tài)期間，如上所述，沒有電流流進觸發(fā)和控制電路200。(增益電路11和14中的漏電流在納安培(nA)范圍，因此是微不足道的。)在劉氏開關(guān)300處于“關(guān)”狀態(tài)期間，電阻器R8使電容器C4處于完全放電狀態(tài)。這樣，初始化電路15在“關(guān)”態(tài)中提供更強的穩(wěn)定作用，使衰減器9的輸入端口122對地正電位不高于一個二極管的壓降(即0.7V左右)，從而阻止劉氏開關(guān)300被觸發(fā)，即使是交流信號中的瞬間波動，或者對觸摸電極17的瞬間誤觸發(fā)。
如上所述，當(dāng)人接觸到觸摸電極17，電容器C1放電，整流信號通過端口121和122之間的晶體管T1呈現(xiàn)的低阻通路來傳送。這一信號即使被衰減器9衰減，也足夠觸發(fā)可控硅SCR控制的橋式整流器8的SCR1，依次地將主半導(dǎo)體開關(guān)1觸發(fā)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，如上所述的“開”態(tài)反饋過程，來使劉氏開關(guān)300鎖定在“開”狀態(tài)，借此，電容器C4維持在一個特定電壓上。這時，如果線路6和7之間的交流電信號突然中斷，電容器C4通過電阻器R8放電，其放電的時間常數(shù)由電容器C4的容量和電阻器R8的阻值決定。通過對C4和R8值的恰當(dāng)選擇，如果電源在預(yù)置時間內(nèi)恢復(fù)，劉氏開關(guān)300就能夠回到“開”狀態(tài)(即獲得“開”態(tài)記憶)。不過，如果電源在預(yù)置時間之后恢復(fù)，電容器C4放電。由于放電的電容器C4能夠吸收電容器C1的充電脈沖，如上所述，就產(chǎn)生了特定的“關(guān)”狀態(tài)條件。這樣，劉氏開關(guān)300就維持在“關(guān)”狀態(tài)，直到觸摸電極17又被人接觸。
將“開”狀態(tài)保持一定時間后，再轉(zhuǎn)換到“關(guān)”狀態(tài)，此后就能夠被利用來提供重要的安全優(yōu)勢(如下面提及的“劉氏功能(Liu’sfunction)”)。災(zāi)難性的事故，經(jīng)常因電器或機器，在停電后，開關(guān)一直保持通電模式所導(dǎo)致。當(dāng)恢復(fù)供電時，這些電器或者機器，就在無人看管的條件下恢復(fù)工作，經(jīng)常導(dǎo)致電器具的損壞、事故、火災(zāi)或者人體傷害。不過，有了劉氏網(wǎng)絡(luò)(Liu’s network)，劉氏功能(Liu’s function)能夠讓用電器具或機器在電源中斷后又來電時恢復(fù)工作(即“開”態(tài)鎖定)，但這只有在特定的時期內(nèi)恢復(fù)電源，繼續(xù)工作才是安全的，如果超過這個時期，劉氏開關(guān)就會自動轉(zhuǎn)換到“關(guān)”狀態(tài)。這樣，劉氏功能就在電源的短時間或頻繁掉電的情況下維持開關(guān)穩(wěn)定在原來的“開”狀態(tài)。
濾波電路28的電容器C2或C2′與電阻器R1和操作者的等效阻抗，形成一個低通濾波器，為觸摸電極17消除高頻干擾，為增益電路11消除噪音和整流信號中的浪涌沖擊。二極管D1有三個功能(a)提供一個射頻(RF)峰值檢波器，該檢波器增強LTS效應(yīng)的有效感生信號源分量(Sc)作用；(b)整流負半周信號電流，這樣就改進了觸摸電極的LTS效應(yīng)電抗分量的觸摸靈敏度；(c)保護放大電路的輸入端。濾波電路29的電容器C3完成與上述電容C2或C2′所完成的相同的功能。電阻器R5、R7和電容器C6聯(lián)接在三端雙向可控硅601的門極G上，以提供沖擊保護，消除三端雙向可控硅601門極G上出現(xiàn)的高頻噪聲。進一步，電磁干擾和噪聲過濾能夠由串聯(lián)的EMI抑制器3和3′提供(見圖1)，EMI抑制器3和3′能夠由低通濾波器的許多形式提供，包括由具有鐵氧體磁芯的螺絲管和電容器構(gòu)成的LC電路或者使用商品化的EMI單片濾波器。
圖7b-7d代表本發(fā)明電路720、740和760的具體裝置，各電路代表一個圖7a電路700的改型電路。電路720包括通過電容器C2’和二極管D1’實現(xiàn)了濾波電路28，并通過PNP晶體管T11實現(xiàn)了增益電路11。圖7c的電路740，實際上與圖7a的電路700相同，僅僅是用反并聯(lián)單向可控硅SCR2和SCR3來實現(xiàn)主半導(dǎo)體開關(guān)1，如圖6b的電路620。圖7d的電路760實際上與圖7b的電路720相同，僅僅是用反并聯(lián)的SCR2和SCR3來實現(xiàn)主半導(dǎo)體開關(guān)1。如圖6b的電路620。
圖8a-8c分別代表限制器(例如限制器20)的電路800、810和820，電路800中，有一個電阻器R40。電路810中，電容器C42用作一個限制器。電容器C42與C45能夠通過在觸摸電極的金屬或者導(dǎo)體表面，覆蓋一層絕緣的或電阻性材料的方法獲取。
圖9a代表電路900的系統(tǒng)方框圖，表示本發(fā)明的過流保護處理電路16。電路900包含一個從電流到電壓的轉(zhuǎn)換裝置(AVC)5、一個AC-DC轉(zhuǎn)換器或者一個整流器904、一個用一個穩(wěn)壓器作為限幅器905、一個平滑濾波器906、一個隨溫度能自動補償和自動調(diào)節(jié)的過流脫扣電路907、一個過電流脫扣預(yù)置電路908、一個門限電路和一個或門電路903。AVC5能夠由一個電流互感器或者一個分路元件或者另外一種電流——電壓轉(zhuǎn)換裝置所構(gòu)成。AVC5的電流端口與劉氏開關(guān)300、負載2和熔絲4串聯(lián)后跨接在交流電源線6和7之間。代表負載2的電流(“主電流”)的AVC5的輸出信號，被耦合到AC-DC轉(zhuǎn)換器或者整流器904(例如一個半波整流器、一個全波整流器、或者一個全波橋式整流器)。然后整流信號經(jīng)穩(wěn)壓限幅器905，由平滑濾波器906濾波。所產(chǎn)生的代表主電流的直流信號加到溫度自動補償電路907，根據(jù)跟隨溫度敏感—電流脫扣特性曲線(iout-T曲線)所設(shè)定的溫敏電流脫扣值來調(diào)節(jié)，然后，帶溫度補償?shù)闹绷餍盘柾ㄟ^分壓器908衰減，再耦合到作為預(yù)置過電流脫扣值而設(shè)定的閾元件上。當(dāng)過電流情況出現(xiàn)時，在端口144到或門903提供一個過流信號來觸發(fā)第二增益電路14，迫使劉氏開關(guān)300進入“關(guān)”態(tài)作為保護狀態(tài)。備用輸入端口145接收一個或更多的操縱信號，來關(guān)斷劉氏開關(guān)300。如果在附加保護功能中，需要完成自動關(guān)斷，附加的備用信號就可以從“或”門903的附加輸入端口輸入。
圖9b-9d分別代表三個特定過電流脫扣電路910、920和940，這些電路可以用在劉氏開關(guān)300中，通過以電路910、920和940所描述的形式，在劉氏開關(guān)300上提供過電流保護。這樣，劉氏開關(guān)300可以以極低的成本，將過電流保護擴大到每個支路中的每個單極開關(guān)上。比起早先技術(shù)在總路上設(shè)置過電流保護，在多個支路中有一個產(chǎn)生過流就會影響其它支路，劉氏開關(guān)300克服了早先技術(shù)的不便，而且大大增加了安全性。
在電路910中一個小電流互感器TF被用作電流檢測器5，它是作為電流檢測的電流互感器，一個分流元件或者其它電流—電壓轉(zhuǎn)換元件也可以被使用。在電流互感器TF中，初級線圈TF1中流過主半導(dǎo)體開關(guān)1的電流，這時在次級線圈TF2中按照線圈TF1中的電流比例提供一個交流電流信號。齊納二極管Z4、電容器C7和電阻器R12形成一個半波倍壓整流器。齊納二極管Z4限制半波整流信號的幅度，該整流信號由整流二極管D10在端口902上提供一個直流電壓信號，代表通過主半導(dǎo)體開關(guān)1的電流。這一直流電壓信號是由電容器C8和電阻器網(wǎng)絡(luò)907作平滑濾波及衰減(包括電阻器R9和R11，以及溫敏電阻器R10和R10′)，經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)907衰減的直流電壓信號，經(jīng)硅二極管D5，提供作為對劉氏開關(guān)300的增益電路14的輸入信號。適當(dāng)選擇電阻網(wǎng)絡(luò)907中阻值，就能夠為劉氏開關(guān)300選擇一個恰當(dāng)?shù)倪^電流脫扣值。
當(dāng)達到過流門限時，電阻器R14和二極管D4(見圖13)提供一個正反饋，該正反饋讓增益電路14迅速地將劉氏開關(guān)300鎖定在“關(guān)”狀態(tài)。重要的是硅二極管D5的正向偏壓具有一個負的溫度系數(shù)(即在二極管D5兩端的正向偏壓電壓降隨溫度的上升而下降)。這樣，二極管D5在較高溫度時，提供一個較低的脫扣門限。溫度敏感器件(例如熱敏電阻R10和/或R10′)提供依賴于溫度的過電流脫扣點的動態(tài)特性，這樣就能夠用來跟隨相對于溫度變化作進一步補償和微調(diào)脫扣門限，獲得一個合適的溫度補償?shù)倪^流保護。當(dāng)環(huán)境溫度和開關(guān)溫度變化，劉氏開關(guān)300能夠自動采用一種新的脫扣值。這樣，劉氏開關(guān)300提供了更為先進的保護功能來保護人的生命，電網(wǎng)和用電器具的安全。
當(dāng)然其它熱元件或溫度敏感元件也可能用于劉氏開關(guān)300中，以獲得上述相同結(jié)果。
圖9c代表電路920，電路920是圖9a的電路910的變形。在圖9c中，電路920在電流檢測器5中，使用一個中心抽頭的次級線圈TF2，并由二極管D6和D7提供全波整流。在電路920中，閾元件由反向偏置的齊納二極管D5和一個負載電阻器R13提供。
圖9d代表電路940，電路940是圖9a電路910的變形。在圖9d中，電路940使用二極管橋式整流器BZ2來在電流檢測器5的次級線圈TF2中提供全波整流的電壓信號。在電路940中閾元件由元件TE充當(dāng)。元件TE能夠是，例如PNPN四層肖特基二極管和負載電阻器R13。
圖10a和10b分別描述附加的過零電路1000和1050。如圖10a所示，電路1000包含一個由電阻器R16和R15形成的分壓器。電阻器R16和R15串聯(lián)后，接在可控硅SCR控制的橋式整流器8的端口83和85之間，由分壓器的輸出信號Vb4接到NPN晶體管T4的基極控制T4。在劉氏開關(guān)300的“關(guān)”狀態(tài)期間，NPN晶體管T4在導(dǎo)通時，提供一個低阻通路，將SCR1的門極G1上的觸發(fā)信號短路到地。電壓Vthres是最小電壓，在這個電壓之上，NPN晶體管T4導(dǎo)通，電壓Vthres就是一個門限電壓，在該電壓之上，G1就不導(dǎo)通。圖10a也代表狀態(tài)記憶和觸發(fā)電路12、衰減器9、可控硅SCR控制的橋式整流器8和主半導(dǎo)體開關(guān)1，即圖7a所示的實施例。耦合二極管D50將可控硅SCR控制的橋式整流器8的端口83耦合到觸發(fā)和控制電路12的端口121。圖10c代表波形1和2，波形1和2分別是晶體管T4在SCR1的門極G1上的門限電壓Vthres和輸出阻抗。
圖10b的電路1050中，電路1000的電阻器R15和R16的分壓器，由串聯(lián)的齊納二極管Z1、發(fā)光二極管LED1(任選的)、電阻器R18和R17形成的分壓器取代。由于齊納二極管Z1兩端的電壓降是恒定的，從9V~19V的電壓范圍中，就可以選擇一個更準確的過零門限電壓Vthres。用LED1來使劉氏開關(guān)300在黑暗中可見。這種“夜燈”功能，需要的電流低于200μA(還遠不足以觸發(fā)三端雙向可控硅或反并聯(lián)的單向可控硅構(gòu)成的主半導(dǎo)體開關(guān)1)。當(dāng)劉氏開關(guān)300用作燈開關(guān)時，這一“夜燈”功能尤其有用。
圖10a和10b代表一個簡單、小巧、價廉和在穩(wěn)定狀態(tài)中沒有電流泄漏的蜂鳴電路21，它由一個齊納二極管Z2與一個壓電揚聲器元件PE串聯(lián)后接到結(jié)點A與公共地之間。當(dāng)結(jié)點A的電位從地電位(即劉氏開關(guān)300的“開”狀態(tài))升高到一個高的直流電壓(即劉氏開關(guān)300的“關(guān)”狀態(tài))，一個擊穿電流穿過Z2，迅速地給容性壓電元件PE充電，從而產(chǎn)生能聽見的聲音，這種聽得見的應(yīng)答聲，也能夠由齊納二極管Z2與壓電元件PE串聯(lián)后，接到能產(chǎn)生電壓突變的任意兩個結(jié)點上。這樣，當(dāng)劉氏開關(guān)300轉(zhuǎn)換時，一個聽得見的“嗶”聲，就由壓電元件PE發(fā)出，在劉氏開關(guān)轉(zhuǎn)換時，蜂鳴電路21就能夠用來為操作者提供一個聲應(yīng)答。
圖11a和11b代表光耦合電路22和23的實施例1100和1150，光耦合電路22和23耦合到劉氏開關(guān)300，與上述圖1相關(guān)的方式，用作多點隨機遙控固態(tài)開關(guān)/繼電器。使用光隔離，電路1100的端口223和224上的輸入控制信號(相對于公共外部地端口225)與從跨接在端口221和226的輸出信號(“開”通道)，和跨接在端口222和228(“關(guān)”通道)隔離，隔離電壓可達數(shù)千伏。同樣，電路1150的端口233和234上的輸入控制信號(相對于兩個分別被阻隔的外部地端口235和237)與端口231和236之間的輸出信號(“開”通道)，和跨接在端口232和238的輸出信號(“關(guān)”通道)之間隔離，隔離電壓達到數(shù)千伏。這樣在端口223和224以及外部公共地端口225上的信號就能夠從三線總線400上獲得。在總線400上，任何型號的設(shè)備各自能夠提供被連接的控制信號。圖12a代表三線控制總線400，控制總線400被用來由外部設(shè)備對負載2a通過固態(tài)開關(guān)1200提供多點隨機遙控。同樣在端口233、234和外部地端口235和237的控制信號，就從四線總線410提供，四線總線410上任何型號的設(shè)備各自能夠提供被連接的控制信號。圖12b代表四線控制總線410，四線控制總線410被用來通過固態(tài)開關(guān)1201對負載2b提供多點隨機遙控。
圖13代表本發(fā)明電路1300的一個具體實施例，將圖1的多種功能電路的各種部件組合起來。
劉氏開關(guān)300的內(nèi)部具有一個內(nèi)裝過電壓保護功能，于是它不需要外加保護元件來保護。這一內(nèi)裝過電壓保護的描述可參考圖7a。在“關(guān)”態(tài)期間，如果出現(xiàn)過電壓情況(例如，在交流信號中一個大的電壓脈沖)，晶體管T1的集電極和發(fā)射極端口之間的整流雙半波直流信號就超過晶體管T1的擊穿電壓，晶體管T1導(dǎo)通。導(dǎo)通的晶體管T1的電流，提供一個觸發(fā)脈沖，通過衰減器9觸發(fā)SCR1。導(dǎo)通的SCR1使二極管橋BZ1短路，依次觸發(fā)三端雙向可控硅601進入導(dǎo)通狀態(tài)。于是劉氏開關(guān)300就轉(zhuǎn)換到“開”狀態(tài)，以致劉氏開關(guān)300兩端的電壓就下降到導(dǎo)通的三端雙向可控硅601兩端的電壓。從這一點看，上述再生反饋過程使劉氏開關(guān)300維持在“開”狀態(tài)，直到劉氏開關(guān)300被轉(zhuǎn)換到“關(guān)”狀態(tài)，尤如由一個外界原因觸及觸摸電極19。由于晶體管T1的擊穿和三端雙向可控硅601的導(dǎo)通，僅在數(shù)微秒內(nèi)發(fā)生，三端雙向可控硅601的導(dǎo)通又反過來短路了開關(guān)兩端的過電壓，且因為晶體管T1的擊穿電流也被衰減器9中的電阻限制，出現(xiàn)在劉氏開關(guān)300中的過電壓非常短暫，即使在交流信號中一直有超電壓狀態(tài)，也不會使劉氏開關(guān)300損壞。這樣劉氏開關(guān)300就不需要保護裝置來保護，避免了維護損壞了的保護裝置的費用，與早先技術(shù)的固態(tài)開關(guān)相比，劉氏開關(guān)300大大地節(jié)約了成本。
因此，本發(fā)明提供的開關(guān)是在“關(guān)”態(tài)期間實質(zhì)上是不吸收電流的，并不需要電源來供開關(guān)本身使用。另外，它也不需要外加保護元件來為其作過壓保護。
在本發(fā)明范圍內(nèi)的眾多的不同和變更是可能的。例如劉氏開關(guān)300的增益電路(例如增益電路11和14)可能由其它器件，如象某些結(jié)型場效應(yīng)晶體管J-FET、或場效應(yīng)晶體管MOS-FET、達林頓雙極晶體管或另外的集成電路或運算放大器來實現(xiàn)。主半導(dǎo)體開關(guān)器件1也可能由下列器件實現(xiàn)，如IGBTs、GTOs、MCTs、V-MOSs、D-MOSs、功率雙極器件，或其它晶閘管。
基于上面的詳細描述，被提供來說明上述本發(fā)明的具體裝置，僅僅是本發(fā)明的一些實施例，不確定是本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)電開關(guān)，用作控制電負載，其特征是包括第一端口；第二端口；至少一個半導(dǎo)體開關(guān)耦合到所述的第一端口和所述的第二端口與所述的電負載形成串聯(lián)電路跨接在所述的交流電源之間，響應(yīng)控制端口接收的控制信號，所述的半導(dǎo)體開關(guān)成為導(dǎo)通，所述的固態(tài)電開關(guān)在所述的半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通時，就是處于“開”狀態(tài)，在所述的半導(dǎo)體開關(guān)沒有導(dǎo)通時，就是處于“關(guān)”狀態(tài)；并至少一個控制電路提供所述的控制信號，所述的控制電路是耦合到所述的第一和第二端口，與所述的半導(dǎo)體開關(guān)呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是在固態(tài)電開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)期間，實際上是沒有電流流進所述的控制電路的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的控制電路是由所述的第一和第二端口供給電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的控制電路包含一個動態(tài)反饋電路，所述的動態(tài)反饋電路在所述的“開”狀態(tài)通過所述的控制信號觸發(fā)所述的半導(dǎo)體開關(guān)，在所述的交流電源的交流信號的每半周開始時進入導(dǎo)通。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的控制電路只包含固態(tài)靜止元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是具有接收電信號的控制電路，包括一個整流器在所述的“關(guān)”狀態(tài)期間，從所述的交流電源接收交流信號并整流所述的交流信號，來提供整流信號；并至少有一個電容器是(a)在所述的“關(guān)”狀態(tài)被耦合去接收所述的整流信號；(b)響應(yīng)所述的電信號而放電，產(chǎn)生所述的控制信號從而使所述的半導(dǎo)體開關(guān)成為導(dǎo)通。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括一個過流保護電路，該電路在所述的負載裝置中的電流超過預(yù)定值時導(dǎo)致所述的半導(dǎo)體開關(guān)成為關(guān)斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的過流保護電路包含一個電流檢測器，提供一個代表所述的負載電流的電信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是包括至少一個觸摸電極，該觸摸電極電耦合到所述的控制電路，由一個外部動因接觸到所述的觸摸電極時，提供所述的電信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的電信號由所述的外部動因和地參考點之間的阻抗所提供。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的電信號是由互補效應(yīng)的合成所產(chǎn)生，該互補效應(yīng)產(chǎn)生于空間電磁場與所述的阻抗的協(xié)同作用。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的阻抗主要是電阻性的。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的阻抗主要是電容性的。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是通過所述的外部動因收集空間電磁場提供所述的電信號。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的控制電路進一步包括一個增益電路響應(yīng)所述的電信號，所述的增益電路根據(jù)所述的電信號將所述的整流信號耦合到所述的控制端口。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的增益電路包括至少一個雙極晶體管。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的雙極晶體管包括一個NPN晶體管，所述的增益電路進一步包括至少一個二極管，該二極管以反并聯(lián)的形式偶合在所述的雙極晶體管的基極和發(fā)射極之間，所述的雙極晶體管的集電極被用來接收所述的整流信號。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的雙極晶體管包括一個PNP晶體管，所述的增益電路進一步包括至少一個二極管，該二極管以反并聯(lián)的形式接在所述的雙極晶體管的基極和發(fā)射極之間，所述的雙極晶體管的發(fā)射極被用來接收所述的整流信號。
19.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的半導(dǎo)體開關(guān)當(dāng)所述的交流信號過零時成為斷開狀態(tài)，因此所述的整流信號給所述的電容器充電，產(chǎn)生一個充電電流提供所述的控制信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的控制電路進一步包括一個第二增益電路，響應(yīng)第二電信號，所述的第二增益電路在所述的控制端口和公共地之間提供一個旁路信號通路，從而阻止所述的控制信號達到所述的半導(dǎo)體開關(guān)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的第二增益電路包括至少一個雙極晶體管。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的第二增益電路進一步包括至少一個二極管，該二極管以反并聯(lián)的形式接在所述的雙極晶體管的基極和發(fā)射極之間。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括一個過電流保護電路，當(dāng)所述的半導(dǎo)體開關(guān)的電流超過預(yù)定值時，提供所述的第二電信號。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括一個初始化電路，該初始化電路包含至少一個第二電容器，所述的第二電容器接在所述的控制端口和公共地之間，所述的第二電容器具有的容量比所述的控制電路的電容器的容量更大。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的第二電容器由至少一個二極管接到所述的控制端口。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的初始化電路進一步包括至少一個電阻器，所述的電阻器并聯(lián)在所述的第二電容器上，使所述的第二電容器對公共地放電。
27.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括一個過零電路，該過零電路被耦合來接收所述的整流信號，并耦合到所述的控制端口，所述的過零電路阻止所述的控制信號達到所述的半導(dǎo)體開關(guān)，除非在所述的交流信號的過零期間。
28.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的整流器包括至少一個二極管，所述的半導(dǎo)體開關(guān)包括至少一個單向可控硅(SCR)。
29.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的半導(dǎo)體開關(guān)包括至少一個耦合來接收所述的控制信號的三端交流開關(guān)(三端雙向可控硅TRIAC)。
30.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的半導(dǎo)體開關(guān)包括由至少一個所述的控制信號觸發(fā)的反向并聯(lián)的單向可控硅(SCRs)。
31.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的整流器包括至少一個單向可控硅(SCR)控制的橋式整流器。
32.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的控制電路進一步包括至少一個電阻器，該電阻器與所述的電容器串聯(lián)，連接在所述的整流器的輸出端口和所述的控制端口之間。
33.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的控制電路進一步包括至少一個衰減電路，該衰減電路接在所述的電容器和所述的控制端口之間。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的衰減電路包括至少一個分壓電路。
35.根據(jù)權(quán)利要求24所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的初始化電路進一步包括至少一個電阻器，該電阻器與所述的第二電容器并聯(lián)，這時，相對于所述的電阻的阻值和所述的第二電容器的容量的時間常數(shù)超過所述的控制電路的電容器的充電時間常數(shù)。
36.根據(jù)權(quán)利要求24所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的初始化電路工作在確保所述的半導(dǎo)體開關(guān)當(dāng)電源初次合閘時處于關(guān)斷狀態(tài)。
37.根據(jù)權(quán)利要求24所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的初始化電路工作是確保當(dāng)所述的半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通而電源出現(xiàn)中斷后，如果電源在所述的預(yù)置時間間隔之內(nèi)恢復(fù)，所述的半導(dǎo)體開關(guān)就保持導(dǎo)通，電源在所述的預(yù)置時間間隔之后恢復(fù)，所述的半導(dǎo)體開關(guān)就成為關(guān)斷狀態(tài)。
38.根據(jù)權(quán)利要求20所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的第二增益電路包括至少一個互補級聯(lián)放大器。
39.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的觸摸電極通過至少一個限流電阻接到所述的控制電路。
40.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的觸摸電極通過至少一個電容器接到所述的控制電路。
41.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括至少一個低通濾波器，該低通濾波器接到所述的控制電路的輸入端口。
42.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的觸摸電極包括至少一個金屬表面。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的金屬表面包裹了至少一層電阻性材料或一種絕緣材料。
44.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的電流檢測器包括至少一個變壓器。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的變壓器在所述的負載裝置中提供了一個代表所述的負載電流的電壓輸出信號。
46.根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的過流保護電路包括至少一個溫度敏感電阻元件，根據(jù)環(huán)境溫度而提供多種所述的過流保護電路的所述的預(yù)定值。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的過流保護電路根據(jù)所述的固態(tài)開關(guān)本身的溫度而提供多種所述的過流保護電路的所述的預(yù)定值。
48.根據(jù)權(quán)利要求47所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的過流保護電路包括至少一個接收所述的負載裝置中代表所述的負載電流的信號整流器；并至少一個耦合的閾元件接收所述的負載裝置中代表所述的負載電流的信號，當(dāng)代表所述的負載電流的信號超過預(yù)定值時，所述的閾元件成為導(dǎo)通。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的閾元件包括至少一個正向偏置的硅二極管。
50.根據(jù)權(quán)利要求48所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的閾元件包括至少一個齊納二極管。
51.根據(jù)權(quán)利要求48所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是閾元件包括至少一個四層肖特基二極管。
52.根據(jù)權(quán)利要求48所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的整流器包括至少一個齊納二極管。
53.根據(jù)權(quán)利要求48所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的整流器包括至少一個二極管橋。
54.根據(jù)權(quán)利要求48所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是在所述的整流器和所述的閾元件之間，進一步包括至少一個電阻器網(wǎng)絡(luò)，所述的電阻器網(wǎng)絡(luò)中包括至少一個熱敏電阻。
55.根據(jù)權(quán)利要求27所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的過零電路包括至少一個晶體管，該晶體管在當(dāng)所述的整流信號的瞬間電平高于所述的預(yù)定值時將所述的控制端口耦合到公共地。
56.根據(jù)權(quán)利要求55所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的晶體管被接在所述的整流器的輸出端口和公共地之間的分壓器的輸出信號所控制。
57.根據(jù)權(quán)利要求56所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的過零電路進一步包括至少一個發(fā)光二極光和至少一個與所述的分壓器串聯(lián)的齊納二極管。
58.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括至少一個有聲響應(yīng)電路來對接觸到觸摸電極的外部動因提供聽得見的聲音。
59.根據(jù)權(quán)利要求58所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的有聲響應(yīng)電路包括至少一個齊納二極管和至少一個壓電揚聲器元件，所述的齊納二極管與所述的壓電揚聲器串聯(lián)后接到整流器的輸出端口與地之間。
60.根據(jù)權(quán)利要求24所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的第二電容器是由至少一個電解電容器和至少一個無極電容器并聯(lián)而成。
61.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的觸摸電極可以以平面、斜面安裝在安裝板上。
62.根據(jù)權(quán)利要求9所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的觸摸電極是第一種顏色，并觸摸電極被安裝在具有第二種顏色的安裝板上，第二種顏色不同于第一種顏色。
63.根據(jù)權(quán)利要求20所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括至少一個第二觸摸電極，電耦合到所述的控制電路，所述的外部動因與觸摸電極接觸，觸摸電極就提供第二電信號。
64.根據(jù)權(quán)利要求63所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的第一和第二觸摸電極具有不同的觸摸感覺或顏色來區(qū)別。
65.根據(jù)權(quán)利要求63所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括至少一個有聲響應(yīng)電路，產(chǎn)生出不同的聲音來指示哪一個是第一觸摸電極，哪一個是第二觸摸電極，觸摸電極是由所述的外部動因來接觸。
66.根據(jù)權(quán)利要求63所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的第一和第二電極都同時被所述的外部動因接觸時，所述的半導(dǎo)體開關(guān)就關(guān)斷。
67.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是所述的半導(dǎo)體開關(guān)具有初始啟動保持關(guān)斷的模式。
68.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)電開關(guān)，其特征是進一步包括至少一個耦合到所述的控制電路的光耦合電路，當(dāng)其接收一個輸入信號時，所述的光耦合電路提供給所述的控制電路一個相當(dāng)于所述的輸入信號的光隔離輸出信號，在接收所述的光隔離輸出信號時，所述的控制電路提供所述的控制信號，從而使所述的半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通。
69.一種多點隨機控制系統(tǒng)，其特征是一個二端固態(tài)電開關(guān)與至少一個負載電路串聯(lián)耦合在一個交流電源輸出的第一線和所述的交流電源輸出的第二線之間，所述的固態(tài)電開關(guān)響應(yīng)所述的第一和第二控制信號，當(dāng)所述的第一控制信號被接收到，所述的固態(tài)電開關(guān)成為導(dǎo)通，當(dāng)所述的第二控制信號被接收到時，所述的固態(tài)電開關(guān)就成為關(guān)斷；至少一個光耦合器耦合到所述的固態(tài)電開關(guān)，提供所述的第一和第二控制信號，所述的光耦合器從信號總線接收第一和第二電信號，并提供所述的第一和第二控制信號，光隔離輸出信號代表所述的第一和第二電信號；并許多裝置都接到所述的控制總線上，每一個裝置都能夠是所述的第一和第二電信號的輸出信號。
70.根據(jù)權(quán)利要求69所述的多點隨機控制系統(tǒng)，其特征是所述的信號總線包括至少一個相應(yīng)于所述的第一和第二電信號的公共地。
71.根據(jù)權(quán)利要求69所述的多點隨機控制系統(tǒng)，其特征是所述的信號總線提供分別的公共地，相應(yīng)于所述的第一或第二電信號。
72.一種初始化電路，其特征是具有至少一個電容器，所述的初始化電路有一個充電時間常數(shù)和一個放電時間常數(shù)，所述的充電時間常數(shù)短于所述的放電時間常數(shù)，所述的初始化電路是一個電子電路，如象當(dāng)所述的電子電路是在第一工作模式時，所述的電容器按照所述的充電時間常數(shù)充電，又如當(dāng)所述的工作模式被中斷，所述的電容器就按放電時間常數(shù)放電，從而保存所述的工作模式的記憶。
73.根據(jù)權(quán)利要求72所述的初始化電路，其特征是所述的初始化電路進一步包括一個第二放電時間常數(shù)，該第二放電時間常數(shù)比所述的第一放電時間常數(shù)短，所述的第二放電時間常數(shù)提供所述的電容器的放電，以使所述的初始化電路復(fù)位到所述的工作模式。
74.根據(jù)權(quán)利要求72所述的初始化電路，其特征是包括至少一個二極管；至少一個并聯(lián)在所述的二極管的陰極與地端口之間的電容器；并至少一個并聯(lián)在所述的二極管陰極與其地端口之間的電阻器。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的初始化電路，所述的電容器是由至少一個電解電容器和至少一個無極性電容器并聯(lián)。
76.一種為控制電負載提供一個固態(tài)電開關(guān)的方法，其特征是將一個半導(dǎo)體開關(guān)通過所述的第一端口和第二端口與所述的電負載相串聯(lián)后跨接到所述的交流電源之上；提供控制信號在所述的半導(dǎo)體開關(guān)的一個控制端口，使所述的半導(dǎo)體開關(guān)成為導(dǎo)通，來響應(yīng)所述的控制信號，所述的固態(tài)電開關(guān)在所述的半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通時處于“開”態(tài)，在所述的半導(dǎo)體開關(guān)斷開時處于“關(guān)”態(tài)；并在控制電路中產(chǎn)生所述的控制信號，所述的控制電路被耦合到所述的半導(dǎo)體開關(guān)的所述的第一和第二端口，所述的控制電路與所述的半導(dǎo)體開關(guān)呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
77.根據(jù)權(quán)利要求76所述的方法，其特征是所提供的所述的控制電路在“關(guān)”態(tài)期間，實際上不吸收電流。
78.根據(jù)權(quán)利要求76所述的方法，其特征是進一步包含通過所述的第一和第二端口提供所述的控制電路。
79.根據(jù)權(quán)利要求76所述的方法，其特征是在所述的控制電路中提供一個動態(tài)反饋電路，所述的動態(tài)反饋電路，通過在交流電源的每半個周期開始時，形成所述的控制信號觸發(fā)所述的半導(dǎo)體開關(guān)使之進入導(dǎo)通狀態(tài)。
80.根據(jù)權(quán)利要求76所述的方法，其特征是在所述的控制電路中只包含固態(tài)靜止元件。
81.根據(jù)權(quán)利要求76所述的方法，其特征是進一步包括產(chǎn)生所述的控制信號的步驟將所述的交流輸出口接收到的交流信號整流為整流信號；當(dāng)所述的開關(guān)裝置不導(dǎo)通時，所述的整流信號給電容器充電；來提供所述的控制信號，使所述的開關(guān)裝置導(dǎo)通；和為響應(yīng)一個電信號產(chǎn)生一個低阻通路跨接在所述的電容器上，所述的低阻通路使所述的電容器放電，允許所述的整流信號提供所述的控制信號。
82.根據(jù)權(quán)利要求76所述的方法，其特征是由所述的外部動因接觸觸摸電極來提供電信號，即，通過所述的外部動因的阻抗產(chǎn)生其電信號。
83.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其特征是其電信號由產(chǎn)生于空間電磁場和其阻抗的相互作用的互補合成效應(yīng)。
84.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其特征是所述的阻抗主要是電阻性。
85.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其特征是所述的阻抗主要是電容性。
86.根據(jù)權(quán)利要求82所述的方法，其特征是所述的電信號由所述的外部動因從環(huán)境接收的空間電磁場而產(chǎn)生。
87.一種提供一個將交流電源傳送到負載的固態(tài)電開關(guān)的方法，其特征是提供一個與所述的負載串聯(lián)耦合的半導(dǎo)體開關(guān)電路，所述的半導(dǎo)體電路當(dāng)由在控制端口接收到的觸發(fā)信號觸發(fā)時，進入導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)遇到預(yù)定狀態(tài)的條件，就進入關(guān)斷狀態(tài)；并提供一個反饋電路，所述的反饋電路提供所述的觸發(fā)信號，以響應(yīng)所述的半導(dǎo)體開關(guān)的斷開狀態(tài)。
88.根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其特征是當(dāng)所述的交流電源的交流電壓信號過零時，預(yù)置電路產(chǎn)生動作。
89.根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其特征是在所述的反饋電路中，一個電容器耦合在所述的半導(dǎo)體開關(guān)的輸入端口和所述的控制端口之間，當(dāng)所述的半導(dǎo)體開關(guān)進入關(guān)斷狀態(tài)時，所述的交流電源對所述的電容器提供充電電流，于是對所述的半導(dǎo)體開關(guān)提供所述的觸發(fā)信號。
90.根據(jù)權(quán)利要求87所述的方法，其特征是進一步包括提供一個觸發(fā)電路，該觸發(fā)電路提供觸發(fā)信號以響應(yīng)外部的觸摸操作；并提供一個初始化電路，來響應(yīng)其觸發(fā)信號，耦合在控制端和地參考點之間，所述的初始化電路具有第一和第二狀態(tài)，所述的初始化電路阻止所述的觸發(fā)信號在所述的第一狀態(tài)時接到所述的控制端口，讓所述的觸發(fā)信號在所述的第二狀態(tài)時達到所述的控制端口，所述的初始化電路在接收所述的觸發(fā)信號時從所述的第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換到所述的第二狀態(tài)。
91.根據(jù)權(quán)利要求90所述的方法，其特征是所述的初始化電路響應(yīng)一個遲鈍信號，導(dǎo)致所述的初始化電路，從所述的第二狀態(tài)轉(zhuǎn)換到所述的第一狀態(tài)，所述的方法進一步包括提供一個鈍化電路，響應(yīng)第二外部刺激來提供所述的遲鈍信號。
92.根據(jù)權(quán)利要求90所述的方法，其特征是提供所述的反饋電路，這樣當(dāng)所述的初始化電路處于所述的第一狀態(tài)時，所述的反饋電路實際上不導(dǎo)電。
93.根據(jù)權(quán)利要求90所述的方法，其特征是提供所述的觸發(fā)電路，這樣當(dāng)其沒有外部觸摸時，所述的觸發(fā)電路實際上不導(dǎo)電，使所述的固態(tài)開關(guān)不響應(yīng)。
94.根據(jù)權(quán)利要求91所述的方法，其特征是提供一種鈍化電路，這樣當(dāng)有不足夠的外部刺激時，所述的觸發(fā)電路實際上不導(dǎo)電，使所述的固態(tài)開關(guān)不響應(yīng)。
95.根據(jù)權(quán)利要求90所述的方法，其特征是進一步包括提供至少一個單向可控硅SCR控制的橋式整流器電路，該電路跨接在所述的半導(dǎo)體開關(guān)上，所述的SCR控制的整流器在所述的初始化電路處于所述的第一狀態(tài)時根本不導(dǎo)電。
96.根據(jù)權(quán)利要求90所述的方法，其特征是進一步包括至少一個蜂鳴電路，響應(yīng)所述的觸發(fā)信號，來提供一個聽得見的聲音。
97.根據(jù)權(quán)利要求96所述的方法，其特征是提供所述的蜂鳴電路，當(dāng)沒有所述的觸發(fā)信號時，其蜂鳴電路根本不導(dǎo)電。
98.一種固態(tài)開關(guān)檢測出當(dāng)外部動因接觸觸摸電極時所產(chǎn)生觸發(fā)信號的方法，其特征是包括檢測出在觸摸電極與地之間的所述的外部動因的阻性觸發(fā)信號分量；檢測出在觸摸電極與地之間的所述的外部動因的電抗觸發(fā)信號分量；檢測出由雜散電磁場加于所述的外部動因的感生信號源觸發(fā)信號分量；并提供至少一個增益電路，包括一個耦合到所述的觸摸電極的控制端口，所述的增益電路在一個或更多個所述的阻性觸發(fā)信號分量、電抗觸發(fā)信號分量或所述的感生信號源觸發(fā)信號分量或它們的合成信號超過一定值時，就提供一個輸出信號。
99.根據(jù)權(quán)利要求98所述的方法，其特征是其觸發(fā)信號是由以下方式提供至少一個與所述的觸摸電極串聯(lián)的電阻器；至少一個耦合在所述的電阻器和一個參考地之間的電容器，和至少一個以反向偏置反并聯(lián)結(jié)構(gòu)耦合在所述的增益電路的信號輸入端的二極管。
100.一種過流觸發(fā)電路，其特征是包括一個與負載串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)，所述的半導(dǎo)體開關(guān)具有一個導(dǎo)通狀態(tài)和一個斷開狀態(tài)；一個耦合到所述的半導(dǎo)體開關(guān)上的控制電路，所述的控制電路接收所述的控制信號，所述的控制信號使所述的控制電路進入斷開狀態(tài)；一個與所述的半導(dǎo)體開關(guān)耦合的電流檢測器，提供一個指示信號，指示所述的半導(dǎo)體開關(guān)中的電流；一個為整流所述的指示信號的整流器；一個接收所述的整流電流信號的門限電路當(dāng)所述的整流指示器信號超過預(yù)定值時，提供所述的控制信號。
101.根據(jù)權(quán)利要求100所述的過流觸發(fā)電路，其特征是所述的電流檢測器，包括至少一個電流互感器。
102.根據(jù)權(quán)利要求100所述的過流觸發(fā)電路，其特征是所述的整流器包括至少一個半波整流器。
103.根據(jù)權(quán)利要求100所述的過流觸發(fā)電路，其特征是所述的整流器包括至少一個全波整流器。
104.根據(jù)權(quán)利要求100所述的過流觸發(fā)電路，其特征是所述的整流器進一步包括至少一個限制所述的整流信號的穩(wěn)定器。
105.根據(jù)權(quán)利要求104所述的過流觸發(fā)電路，其特征是所述的穩(wěn)定器包括至少一個齊納二極管。
106.根據(jù)權(quán)利要求100所述的過流觸發(fā)電路，其特征是進一步包括至少一個為所述的指示信號的倍壓電路。
107.根據(jù)權(quán)利要求100所述的過流觸發(fā)電路，其特征是進一步包括至少一個對所述的半導(dǎo)體開關(guān)的溫度敏感的自動補償電路。
108.根據(jù)權(quán)利要求107所述的過流觸發(fā)電路，其特征是所述的溫度自動補償電路也對穩(wěn)定半導(dǎo)體開關(guān)的環(huán)境敏感。
109.根據(jù)權(quán)利要求107所述的過流觸發(fā)電路，其特征是所述的溫度自動補償電路包括至少一個熱敏電阻。
110.根據(jù)權(quán)利要求107所述的過流觸發(fā)電路，其特征是所述的溫度自動補償電路包括至少一個硅二極管，該硅二極管具有一個負溫度系數(shù)，這樣，當(dāng)溫度較高時，所述的預(yù)定值就更低。
111.一種提供一個與負載串聯(lián)后與交流電源輸出相連的固態(tài)開關(guān)的方法，其特征是包括提供一個與所述的負載串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)，所述的半導(dǎo)體開關(guān)在所述的控制端口接收觸發(fā)信號時成為導(dǎo)通，在所述的交流電源的交流信號過零時，成為關(guān)斷；提供一個為整流所述的交流信號的整流器；提供接收所述的整流信號的第一電容器，所述的第一電容器連接在所述的整流器和所述的控制信號之間；提供包含至少一個二極管和第二電容器的初始化電路，所述的第二電容器是接在所述的控制端口與地參考點之間，所述的第二電容器的容量大于所述的第一電容器；并所述的第二電容器在初始時刻提供放空狀態(tài)，當(dāng)所述的整流信號通過所述的二極管和所述的第二電容器旁路到地參考點，而所述的整流信號使所述的第一電容器充電到充滿狀態(tài)，從而不產(chǎn)生所述的觸發(fā)信號。
112.根據(jù)權(quán)利要求111所述的方法，其特征是進一步提供至少一個敏感電路，當(dāng)至少一個外部動因接觸到所述的固態(tài)開關(guān)的至少一個輸入端口時，這個敏感電路就提供至少一個電信號；提供至少一個放電通路，在所述的半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通時，使所述的第一電容器放電；并在接收所述的電信號時，通過所述的二極管使所述的第二電容器充電到充了電的狀態(tài)，這樣當(dāng)所述的整流信號使所述的第一電容器充電時，其充電產(chǎn)生在所述的控制端口，所述的觸發(fā)信號到達所述的半導(dǎo)體開關(guān)；所述的半導(dǎo)體開關(guān)成為導(dǎo)通，提供所述的放電通路來使所述的第一電容器放電，這樣產(chǎn)生反饋過程，再次產(chǎn)生所述的觸發(fā)信號。
113.一種提供一個具有內(nèi)部過電壓保護的固態(tài)電開關(guān)的方法，其特征是包括提供一個與負載串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)，所述的半導(dǎo)體開關(guān)當(dāng)被在控制端口接收到的控制信號觸發(fā)時進入導(dǎo)通，當(dāng)遇到至少一個預(yù)置電路情況時，進入關(guān)斷狀態(tài)，在導(dǎo)通后在開關(guān)兩端上的電壓降落遠遠低于負載兩端的電壓降落；并提供一個反饋電路，該所述的反饋電路當(dāng)跨接在所述的半導(dǎo)開關(guān)電路的電壓超過預(yù)置值時，提供所述的觸發(fā)信號，所述的反饋電路由內(nèi)裝鎖定電路提供，這樣，一旦提供所述的觸發(fā)信號，所述的反饋電路繼續(xù)對維持所述的導(dǎo)通狀態(tài)中的所述的半導(dǎo)體開關(guān)電路提供所述的觸發(fā)信號。
114.一種觸摸敏感電路，其特征是包括至少一個具有提供給外部動因接觸的觸摸電極板；和至少一個敏感電路，包括(a)至少一個以串聯(lián)形式與觸摸電極板耦合的電阻器；(b)至少一個耦合在所述的電阻器和參考點之間的電容器；(c)至少一個具有基極接頭的雙極晶體管，耦合在至少一個所述的電容器上；(d)以及至少一個以反并聯(lián)形式耦合在所述的基極和發(fā)射極之間的二極管。
全文摘要
一種兩端固態(tài)電開關(guān),如傳統(tǒng)機械接觸開關(guān)與負載串聯(lián)。它“關(guān)”態(tài)不漏電,“開”態(tài)以動態(tài)脈沖模式運作,無需電源維持。無機械和觸點,無火花電弧或機械噪聲,可直接取代機械接觸開關(guān),控制多種裝置,構(gòu)成靜態(tài)開關(guān)。特別用于防火防爆、防水防潮、防腐防銹、防塵防震、頻繁操作等場合。另,一種初始化電路,當(dāng)電源中斷時,具有狀態(tài)記憶與自動重設(shè)功能,防止危及生命財產(chǎn)的事故。一種多點隨機遙控開關(guān)/繼電器,廣泛用于工業(yè)等場合。
文檔編號H03K17/00GK1272001SQ0010569
公開日2000年11月1日 申請日期2000年4月18日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月22日
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