双线电源电子开关 本发明涉及一种开关，它与交流电网电源的两个电极之间的一个负载串联连接，这种开关有两个端子，分别与电网电源的一个电极及负载连接，负载与电网电源的另一个电极连接，而且这种开关包括一个连接在两个开关端子之间的触发双向导通主开关，以及一个响应控制信号的活动状态，以相对两个开关端子之间的电压过零点按一个特定时延来适合于接通主开关的控制器，控制器包括一个整流电源部件，其有一个第一输入端，直接连接在两个开关端子中的第一端子，以及一个第二输入端，通过一个适合于限制电源部件中电流的电容器连接在第二端子。
这种类型的开关通常称为双线电源开关，因为电路只需要两条线。
在这种类型的电路中，假定当主开关为接通时，开关的两个端子之间的瞬时电压，并且因此电源部件输入端的瞬时电压几乎为零，那么如果开关是在两个端子之间电压过零点的时候接通的，则不再会对控制器供电。因此，开关相对这个过零点按一个特定时延接通，以便在开关端子之间出现近似三角电压，其峰值对应主开关触发之前时开关端子之间电压的伸度。负载的阻抗与控制器电源部件的阻抗比较通常可以忽略，因此只要主开关不接通，开关端子之间的电压就为电网电源电压，结果接通时延与开关端子之间的峰值电压严格相关。
不言而喻，控制器地电源部件必须为控制器提供相对稳定的直流电压，而不管电源部件输入端之间电压按照开关是断开还是闭合而在改变；除整流器下游稳压元件以外(耗散损失部分随所抑制变化成正比增加)，这种控制器需要一个与电源部件输入端串联的阻抗，有利地用一个无功阻抗以便不耗能，实际中这种阻抗用一个电容器得到，这在上文称为适合于限制电源部件中的电流。
限制电流主要在开关断开时，在电源部件输入端之间电压几乎与电网电源电极之间电压相同时有利，而在开关闭合时，施加在电源部件输入端之间的电压减小到电网电源电压各过零点与主开关顺次接通之间，即时延期间电网电源的电压。在这个短暂时间期间，电容器必须允许足够的能量传到电源部件(就控制器在开关闭合时经常消耗更多能量来说更加如此)。这样导致使用相对笨重和昂贵的电容器，要不就过分增加接通时延。
本发明的一个目的是通过减小限流电容器的尺寸，以及通过减小开关元件中的能量耗散来降低开关的总尺寸。
上述目的由一种适合于和交流电网电源的两个电极之间的一个负载串联连接的开关来实现，这种开关有两个端子，适合于和所述电网电源的一个电极及所述负载分别连接，所述负载与所述电网电源的另一个电极连接，而且这种开关包括一个连接在所述两个端子之间的触发双向导通主开关，以及一个响应命令信号的活动状态，以相对所述两个端子之间的电压过零点按一个特定时延来适合于接通所述主开关的控制器，所述控制器包括一个整流电源部件，其有一个第一输入端，直接连接在第一端子，以及一个第二输入端，通过一个适合于限制所述电源部件中电流的电容器连接在第二端子，其中所述控制器包括一个与所述电容器并联的触发双向导通辅助开关，所述辅助开关在所述命令信号为活动状态下，在所述两个端子之间电压的各过零点的时候接通。
因此，当开关闭合时，电容器由辅助开关短路，并且不限制电源部件吸收的能量；该能量于是在一个与主开关接通时候电源部件输入端的电压伸度大致对应的直流电压下，与供给控制器的能量成比例。电容器的值因此能选择为在开关断开时，在开关端子之间电压大致与电网电源电极之间(全波)电压相同时，保持由电源部件整流的电压，并且不大于此值。
因此，不但在开关闭合时而且在其断开时，电源部件都接收能量的实测量，以便使其输送的整流电压为适当值。
这样减小了限流电容器的值，并且因此减小了其总尺寸，而且使稳定整流电压所引起的能量耗散最小，这样减小了耗能元件的总尺寸和费用。
主开关和辅助开关优选地为三端双向可控硅元件，其具有一个按双向触发导通的触发端，以便使开关的元件数最少。
主开关优选地由电源部件输入端之间电压与一条预定水平线交叉所得到的电压接通。不过，如前文所述，接通时延和接通时的峰值电压严格相关，在电压与一条预定水平线交叉时接通技术上较简单，而且减小电源部件输入端电压的波动。
本发明的另外特点和优点将从以下参考附图通过例子所作叙述中显现出来。
图1是现有技术双线电源开关的示意图。
图2是电网电源电极之间，双线电源开关端子之间，以及负载端电压的曲线图。
图3是按照本发明的开关的示意图。
图1所示现有技术双线电源开关与交流电网电源的两个电极P(相线)和N(中性线)之间的一个负载1串联连接。该开关有两个端子2a和2b，端子2a连接在电极P，以及端子2b连接在负载1，负载1连接在电极N。一个构成主开关的三端双向可控硅元件20连接在端子2a与2b之间，其触发端通过两个按串联并且按相反导通方向连接的齐纳二极管22a和22b，以及一个光导三端双向可控硅元件21连接在端子2b。该开关还包括一个整流器3，其包括一个电桥31，其有一个第一输入端，直接连接在端子2a，以及一个第二输入端，通过一个用于限制流过整流电桥31的电流的电容器30连接在端子2b。整流电桥31对一个电源部件4供电，电源部件4包括一个其峰值限制整流电压的齐钠二极管40，以及一个在单向二极管43输出侧的滤波电容器44，以便电容器44大致充电到齐纳二极管40的击穿电压(24伏)。电源部件4有两个输出端子，即负端子47和正端子48，从这两个端子对开关的辅助电路供电，它们与电源部件4一起构成一个控制器，其根据表示所选择条件的数据适合于产生一个控制信号，在这些选择条件下开关组合地断开和闭合。电源部件还包括一个控制开关闭合的装置，该装置包括一个发光二极管42，其阳极连接在电桥31的正输出端，并且其阴极通过一个电阻器连接在一个晶体管41的集电极，晶体管41的发射极连接在电桥31的负输出端。发光二极管42与光导三端双向可控硅元件21光耦合，以便光导三端双向可控硅元件21由二极管42的发射光接通。晶体管41的基极接收来自控制端子49的闭合命令信号，这个信号的活动状态为端子49的电压，其相对负端子47为正。
端子49处命令信号的活动状态接通晶体管41，并且引起二极管42发光。光导三端双向可控硅元件21于是由其端子之间的电压接通。光导三端双向可控硅元件21通过齐纳二极管22a和22b以及电阻器22c接收端子2a和2b之间的电压。因此，按照两个端子2a与2b之间瞬时电压的方向，当端子2a与2b之间瞬时电压达到齐纳二极管22a和22b中一个的击穿电压时，由发光二极管所照射的光导三端双向可控硅元件21接通；要提到的是齐纳二极管对其击穿电压反向的电压导通。光导三端双向可控硅元件21，齐纳二极管22a和22b以及电阻器22c的组合的导通使电荷注入三端双向可控硅元件20(主开关)的触发端，这些电荷使其接通。这个过程相对端子2a与2b之间电压的过零点延迟足够长时间，以使交流线电压达到二极管22a和22b的击穿电压。
这个过程参考图2变得清楚，其中曲线50表示电网电源电极P与N之间电压的形成，曲线51表示开关端子2a与2b之间的电压，以及曲线52表示负载1端子的电压。不言而喻，曲线51与52之和的电压等于曲线50的电压。
假定负载1有一个几乎没有无功部分的阻抗。因此，当三端双向可控硅元件20没有接通时，端子2a与2b之间的阻抗与负载1的阻抗比较非常大，并且端子2a与2b之间的瞬时电压几乎等于端子P与N之间的交流线电压，这种情况对应开关断开。相反，当三端双向可控硅元件20接通时，端子2a与2b之间的电压大致为零，并且负载1的电压几乎为电极P与N之间的交流线电压，这种情况整个对应开关闭合。
在大致为正弦波曲线50上，与横轴平行的虚线54，54分别表示二极管22a与22b的击穿电压。为了使图简单，击穿电压与交流线电压幅值之间的比率被扩大。实际上击穿电压约为30伏，而220V交流线电压的幅值约为310伏。
对一个全波，交流线电压50的过零点为点50a，50c，50e。水平线54的交叉点为点50b，而水平线54的交叉点为点50d。在曲线51和52中标号对同步点相同。
考虑开关端子2a与2b之间电压51，可见它在点51a从零开始增加，并且在点51b因为三端双向可控硅元件20接通而急剧切断，而且直到点51c保持为零，随后直到点51d降低。在点51d它达到水平线54，并且变为零直到点51e。
电压52是电压51对端子2a，2b之间交流线电压50的互补，即从点52a到52b为零，在点52b它突然上升到水平线54以再生半波的剩余部分直到点52c，在该点它下降到零；它保持为零直到点52d，在该点它变为水平线54以再生第二半波的剩余部分直到点52e。考虑上文指出的接通三端双向可控硅元件20的电压大小与交流线电压幅值之间的比率，对50Hz电网电源接通时延大约为0.73ms。端子2a与2b之间电压51类似于一系列交变符号和短持续时间的三角脉冲，而负载1端子的电压52几乎为正弦波。
但是，当命令信号输入端子49与电源部件4的负端子47为相同电位时(命令信号不活动)，端子2a与2b之间的电压总是为交流线电压。
因此，按照开关是断开还是闭合，电源部件4输入端的整流器3通过电容器30分别接收或全波交流电压50，或一系列与电网电源51周期比较具有低电压峰值和短持续时间的三角脉冲。
电容器30的值必须为这样：
在断开条件下，限制整流电桥31输入端之间的电压以避免使电源部件过载，特别是限制齐纳二极管40中的电流。
在闭合条件下，由一系列三角脉冲51通过电容器30注入电桥31和电源部件4的能量必须足够保持电容器44充电，而不管控制器的消耗。
实际上电容器30必须具有这样一个值，如果在闭合条件直接对控制器供电，该值在断开条件下则产生足够损耗；这些损失迫使有关元件超过额定值，同时限制了在闭合条件下输送到控制器的功率，这样限制了控制器的功能。可以考虑通过增加齐纳二极管22a，22b的击穿电压，通过增加接通主开关的时延来增加闭合条件下的可用功率。但是，这种可能性也受到限制，因为由电源部件4输送的标称电压必须与控制器所使用元件的额定电压相适合于；三角电压峰值(曲线51)必定比电源部件的标称电压大，但是必须为相同数量级，以便增加电源部件输入端电压不只增加损耗。
在图3所示本发明的选择实施例中，一个三端双向可控硅元件130与电容器30并联，并且其触发端连接在光导三端双向可控硅元件21，三端双向可控硅元件130构成一个辅助开关。
除晶体管41外，其在其基极接收施加在端子49的命令信号，电源部件4还包括一个第二晶体管140d，其发射极连接在电桥31的负输出端，并且其集电极通过两个按相同导通方向串联的齐纳二极管，即一个是连接在电桥31的正输出端的二极管140a，以及一个是连接在晶体管140d的集电极的二极管140b，连接在这个电桥的负输出端。二极管140a和140b的共点连接在一个与二极管140a按相同方向导通的第三齐纳二极管140c。这个齐纳二极管140c连接在一个电阻器140g，电阻器140g连接在电桥31的正输出端。齐纳二极管140c和电阻器140g的共点连接在两个二极管140e和140f，它们分别向晶体管140d的基极以及晶体管41的集电极导通。
操作如下：
当命令信号不活动时，三端双向可控硅元件截止，并且整流器3通过负载1和电容器30从电网电源接收全波，电容器30定额为仅使整流器31保持电容器44上的电荷。
在电源部件4中，晶体管41截止。晶体管140d的基极通过二极管140e和电阻器140g连接在整流电桥31的正输出端，并且这个晶体管因此接通。串联连接的齐纳二极管140a和140b各有约12伏的击穿电压，它们代替了图1的齐纳二极管40，具有24伏的击穿电压。
如果这时在端子49出现活动命令信号，则晶体管41接通并且发光二极管42发光。光导三端双向可控硅元件21在端子2a与2b之间电压下次过零点时接通，光导三端双向可控硅元件21直接连接在端子2b，并且还通过一个电阻器和整流电桥31连接在端子2a。三端双向可控硅元件130接通并且使电容器30短路，因此把端子2a与2b之间的全波电压施加在整流电桥31的输入端。
与此同时，晶体管41接通的事实使晶体管140d截止。整流电桥31输出端的电压于是由串联连接的齐纳二极管140a(12V)和140c(20V)限制为约32伏。
由于齐纳二极管22a和22b的击穿电压为30伏，即稍小于齐纳二极管140a和140c的击穿电压之和，所以三端双向可控硅元件20(主开关)刚好在齐纳二极管140a和140c限制整流电桥31的电压之前接通。与图1所示现有技术电路比较，三端双向可控硅元件20的操作没有改变。三端双向可控硅元件20于是使开关端子2a与2b短路。三端双向可控硅元件130(辅助开关)的电压也被消去，并且它截止。
在各半波发生相同过程。
因此，电容器30的值能确定为在开关因端子49的控制信号为不活动而断开时，专门保持输出端子47与48之间由电源部件4提供的电压。在开关闭合时控制器所能吸收的功率变为主要取决于使三端双向可控硅元件20接通的时延及滤波电容器44的值。
虽然仅把三端双向可控硅元件作为主开关和辅助开关(20和130)来叙述，但是特别因为触发端于是能按双向命令导通，因此任何能够双向导通的触发导通半导体电路，例如硅可控整流器的反向并联组合，可用来实现本发明。
而且，本发明当然不局限于所述例子，而是在权利要求的范围内包含其全部不同的实施例。