能同时兼容两线制和四线制的多信道遥控触摸开关 技术领域 ： 本发明是一种电子开关， 该电子开关能同时兼容两线制连接方式和四 线制连接方式， 具有遥控和触摸两种控制方式， 遥控通道数可任意扩容。
背景技术 ： 随着人们生活水平的不断提高， 电子开关已越来越多的进入到人们的 工作和生活当中。 电子开关的种类很多， 常见的有触摸开关、 声控开关、 无线电遥控开关、 红 外线遥控开关、 超声波遥控开关等多种， 各种电子开关的控制方式互不相同， 各有利弊， 因 此每一种控制方式的用途也各不相同。首先分析一下以上这些控制方式的利弊及适用范 围。1、 触摸控制方式 ： 用这种方式控制的开关只要用手指轻轻触摸开关上的触点即可方便 的控制灯的亮或灭， 由于不需要随身携带遥控器即可操作， 因此深受人们欢迎， 现已广泛应 用于楼道、 走廊等公共场合， 但这种电子开关有一个缺点， 就是人的手指必须触摸到开关的 触点才能控制， 不能实现远距离操作， 如果是在卧室使用， 当人们躺在床上休息后需要关灯 的时候， 就只能下床去触摸墙壁上的开关触点， 而且关灯以后还要在黑暗中回到床上， 这对 于老人和孩子来说很不方便， 因此不适用于卧室等场合 ； 2、 声控开关 ： 这种开关要有声音 来控制， 需要开灯时可通过拍手、 跺脚或吹口哨， 利用发出的声响来控制灯的亮或灭， 但这 种控制方式存在的缺点是容易受外界声响所干扰， 比如楼上有人走路时鞋跟发出的声响、 家人发出的咳嗽、 打喷嚏等声响、 在墙壁上钉钉子的声响、 附近放鞭炮的声响等都可能对这 种开关产生干扰， 从而造成开关的误动作， 因此这种控制方式已趋淘汰 ； 3、 无线电遥控方 式： 无线电遥控方式具有距离远的优势， 且能实现多路控制， 因此广泛应用于需要远距离遥 控操作的工业控制或航空、 航天领域， 但是对于近距离控制的家庭灯具来说并不适用， 因为 无线电可以不受建筑物的阻挡， 能隔墙受控， 如果隔壁邻居或楼上楼下的遥控器工作在同 一个频道上， 那么在遥控自家电灯的同时， 别人家的家电灯也会被受到控制， 同样， 别人家 在遥控电灯时， 自家的电灯也会被受到控制， 这一问题虽然能采用多频道遥控器的方案解 决， 但是由于制造多频道遥控装置的成本过于高昂， 不便于在家庭灯具控制领域推广， 况且 在推广使用中也不便于制定各家各户所使用的频率标准， 因此无线电遥控方式不适用于家 庭近距离控制的场合 ； 4、 红外线遥控方式 ： 红外线遥控方式的特点是距离近， 通常不大于 15 米， 且不能隔墙遥控， 因此邻居家不会出现互相干扰的现象， 红外线遥控方式还具有成本 低、 抗干扰性能好、 便于多路控制等特点， 因此被广泛应用于各种家电的遥控操作 ； 5、 超声 波遥控 ： 超声波接近于音频， 频率很低， 因此不能实现多路遥控， 只能用于单路遥控操作， 在 家电控制领域很少采用， 市场上一度出现过用橡皮球发出的超声波控制电灯开关的遥控产 品， 但由于只适用于单路遥控， 且对超声波的干扰问题不好解决， 因此超声波遥控方式也不 适用于对家庭灯具的控制。根据以上分析可知， 适用于家庭灯具的控制方式只有触摸和红 外线遥控两种方式， 这两种控制方式相比各自的缺点刚好能互相弥补， 因为触摸方式的优 点是不需要携带遥控器， 缺点是不能在远处控制 ； 而红外线遥控的优点是能在远处控制， 缺 点是需要携带遥控器才能操作， 一旦遥控器不在身边， 而又急于开关点灯的时候， 就无法在 没有遥控器的情况下应急开、 关点灯， 因此两种控制方式的不足都能由另一种控制方式来 弥补。由此可见， 将触摸方式和红外线遥控方式结合起来， 是家庭灯具开关控制的理想方 案。
但是触摸方案和红外线遥控方案结合后存在一个新的问题 ： 即两线制的兼容问 题， 因为现有的机械式开关都是只有两根连接导线的， 当开关断开时， 理论上来讲线路中的 电流为 0 ； 当开关闭合时， 理论上讲开关两端的电压为 0， 无论线路当中的电流为 0， 还是开 关两端的电压为 0， 都不能足以维持电子开关中芯片等原器件的正常工作。 比如在触摸开关 中， 平时开关处于关断状态， 在关断状态下， 电源并没有完全切断， 而是有一很小的电流通 过白炽灯向开关中的储能电容充电， 该充电电流很小， 不足以让电灯发出亮光， 充电完成后 电容两端的电压保持在一定的范围内， 正是该储能电容的电压来维持触摸开关中元器件正 常工作的， 因此每当人们用手指触摸开关的触点时， 触摸开关才会正常动作， 并让电灯维持 点亮一定的时间， 当人的手指离开触摸点以后， 储能电容的电压并没有完全释放掉， 而是缓 慢的释放， 但是开关打开以后开关两端的电压变成了 0， 此时电容器不再继续充电， 只处于 放电状态， 一旦放电结束， 开关就会自动关闭， 因此触摸开关只能在触摸后维持点亮不太长 的时间， 触摸开关在被触摸点亮电灯后， 最终是一定会自动熄灭的。 这一特点恰好满足了楼 道照明节能的需要， 因此触摸开关能实现两线制连接， 并广泛应用于楼梯、 走廊的场所。但 是在家庭室内使用时是不允许电灯自动熄灭的， 无论是打开、 或者关闭， 都必须按照人的意 愿来控制， 因此触摸控制方式在采用两线制连接时必须保证开关的稳定打开和稳定关闭， 且维持在该状态不变， 直到需要关闭时再用手指触发关闭即可， 这就要解决两线制电子开 关自身的电源供给问题， 即两线制兼容问题， 这是该专利有待解决的第一个问题。两线制的兼容问题理论上来讲可以采用以下方案来实现 ： 开关在断态情况下电路 中允许有一定的弱电流存在， 但是该弱电流必须要足够小， 小到不足以让电灯发光即可 ； 开 关在导通状态下开关两端允许有一定的电压降存在， 该电压降也要足够小， 小到不足以影 响电灯的亮度即可。 在开关导通状态下， 开关两端的电压降在 12V 以内是允许的， 因为 220V 的电压减少 12V 不足以影响电灯的发光亮度， 而且大多数芯片的正常工作电压都是小于 12V 的， 有些甚至能在 3V 电压下正常工作， 因此开关在打开状态下的电压供给问题也有待 解决 ； 在开关关断情况下， 电路中的弱小电流小到什么程度才不足以影响到电灯的正常工 作， 这就要看电灯的种类而定。目前市场上常见的电灯主要有白炽灯、 电子启辉器日光灯、 氖泡启辉器日光灯、 节能灯以及正在迅速发展起来的下一代超高亮度 LED 照明灯等多种， 这些电灯对关断电流的要求是有很大区别的， 比如白炽灯， 常用的有 25W、 40W、 60W、 100W 等 多种规格， 功率较小的 25W 白炽灯的正常工作电流理论值为 I ＝ 25/220 ＝ 113.6mA， 对白炽 灯的实际测试表明， 当流过白炽灯的电流为正常发光电流的 1/10 以下时， 该灯就处于完全 熄灭的状态， 即 113.6 的 1/10 为 11.36mA， 约为 10mA， 通常我们认为 10mA 是不足以让白炽灯 发光的最大工作电流， 换句话说， 当开关中有小于 10mA 的电流通过时， 我们就认为此时的 电灯处于关闭状态， 也可以说， 电子开关应用于白炽灯时， 开关在关断状态下的最大工作电 流不能大于 10mA， 由此可见， 10mA 是对电子开关在白炽灯应用情况下的最大极限电流设计 要求。 要让电子开关的工作电流不大于 10mA， 这在设计当中容易做到， 因为红外线遥控开关 中必须采用的元器件主要有一体化红外线接收头、 解码芯片、 可控硅、 稳压管等， 常用红外 线接收头的工作电流为 1.5mA， 解码芯片的工作电流小于 0.5mA， 双向可控硅的触发电流为 4mA 左右， 再加上稳压管等主要耗电元件的电流， 总体工作电流可以控制在 10mA 以内 ； 但是 对于节能灯、 超高亮度 LED 照明灯、 以及用氖泡启辉的日光灯来说， 10mA 的电流就不能让开 关完全关断， 因为节能灯的常用功率都不大， 以 15W 节能灯为例， 15W 节能灯的正常发光电
流为 I ＝ 15/220 ＝ 68mA， 该电流的 1/10 为 6.8mA， 小于 10mA 很多， 要让电子开关的工作电 流小于 6.8mA， 这在设计中就很困难， 对于超高亮度 LED 照明灯来说， LED 即便是在 1mA 电流 下也会发出弱光， 对于用氖泡启辉的日光灯来说， 氖泡中哪怕有小于 0.1mA 的电流， 氖泡启 辉器也会启辉闪烁并造成日光灯的启动， 在现有技术条件下要设计出工作电流小于 0.1mA 的遥控开关是无法实现的。因此对于高亮度 LED 照明灯以及氖泡启辉日光灯来说， 电子开 关就不能采用两线制连接， 只能采用四线制的连接方案。 由以上分析可知， 要让电子开关真 正进入家庭， 能用于各种灯具的开关控制， 还必须要解决电子开关的两线制连接和四线制 连接同时兼容的问题， 这是该专利有待解决的第二个问题。
发明内容 ： 为了弥补触摸开关不能实现远处控制， 以及红外线遥控开关在找不到 遥控器的情况下又不能应急开关电灯的不足， 同时还要解决两线制和四线制的兼容等问 题， 本发明提供一种 “能同时兼容两线制和四线制的多信道遥控触摸开关” ， 本文为了叙述 的方便， 以下简称 “电子开关” ， 该电子开关不但能用手指触摸来控制电灯的亮或灭， 还能用 遥控器在远处控制灯的亮或灭， 而且还能够兼容两线制和四线制的连接问题。
本发明解决技术问题所采用的方案是 ： 该方案由遥控器和电子开关两部分组成， 遥控器上有若干个按钮， 每个按钮单独控制一个电子开关的打开和关闭， 电子开关有多个 工作信道且可任选， 其线路板上有一个多位的短接插头和一个短接冒， 改变短接冒在多位 短接插头上的位置， 可改变电子开关的工作信道， 电子开关上的每一个信道都和遥控器上 的唯一一个按钮相对应， 电子开关上有一个触摸片， 无论用手指触摸该触摸片， 还是用遥控 器来遥控， 都能控制开关的打开或关闭， 电子开关主要由电源电路、 解码电路、 双稳态电路、 开关执行电路所组成。
电源电路由全桥 Q、 降压电容 C1、 滤波电容 C2 ～ C7、 电阻 R1 ～ R5、 可控硅 SQR、 二 极管 D2 以及稳压管 D1、 D3、 D4 所组成， S1 和 S2 为电子开关的两个接线端， 零线 N 经过白炽 灯后接入 S1， 火线 L 直接接入 S2， 此时 220V 交流电经白炽灯后， 再经过 C1、 R2、 全桥 Q 形成 回路， 全桥 Q 整流以后的直流电压通过 D2 在 C2 两端产生电压差， 该电压差的大小由 LED1 和 D1 共同决定， 当 C2 两端的电压小于某一特定值 V1 时， C2 处于充电状态， 当 C2 两端的电 压高于该特定值 V1 时， 电流将经过 LED1 和 D1 到达可控硅 SQR 的触发极， 使 SQR 触发导通， SQR 被触发导通后， C2 不再继续充电， 当 C2 两端电压低于该特定值 V1 时， 稳压管 D1 反向截 止， 电流再次通过 D2 向 C2 充电， 因此 C2 两端的电压能稳定在 V1 附近， C2 两端的电压再经 R4 和 D3 后形成第二组稳定电压 V2， 电压 V2 再经 R5 和 D4 后形成第三组稳定的电压 V3， 因 此该电源电路可供给 3 组工作电压。
解码电路由一体化红外线接收头 IC1、 倒相管 V1、 电阻 R6、 R7、 解码芯片 IC2 以及 多路短接插头和短接冒所组成， 红外线接收头输出的编码信号经 V1 倒相后， 由 V1 的集电极 输出到 IC2 的输入端， 通过解码芯片后输出多信道的遥控输出脉冲， IC2 解码以后输出的第 1 路至第 n 路控制信号分别由解码芯片输出， 在附图 7 所示的实施例中， 解码芯片 IC2 是 6 路的解码芯片， IC2 输出的第一路至第六路信号分别由该芯片的第 8 脚、 第 3 脚、 第 7 脚、 第 4 脚、 第 6 脚和第 5 脚输出， 该实施例中短接插头为 6 路选 1 插头， 即从 6 路输出信号中选择 其中的 1 路送给后级的双稳态电路处理， 被选中的解码信号由 P1 点输出。
双稳态电路由双稳态触发芯片 IC3、 D5、 D6、 R9 ～ R14、 C9、 C10 所组成， 一个双稳 态触发芯片中有两个完全相同的双稳态触发器 J1 和 J2， 其中 J1 用于触摸点的触摸脉冲信号形成， 由 J1、 R9 ～ R12、 D6、 C9 所组成， J2 构成双稳态电路， 由 J2、 R13、 C10 所组成， J2 的 输入信号由两路叠加而成， 其中一路由解码电路输出的解码信号 P1 经 D5 后进入， 另一路由 J1 构成的触摸脉冲信号产生电路而来， 两路信号叠加后都进入 J2 的 CP 端， 每当 CP 端出现 一个脉冲时， J2 的输出状态发生一次翻转， 即 Q 端的状态要么由 0 变为 1， 要么由 1 变为 0。 因此， 无论是用遥控器操作， 还是用手指触摸， 都能达到控制开关动作的目的。该电路中的 R15 和 LED2 构成开关状态指示电路。开关状态信号由 P2 端输出。
开关执行电路由 R14、 V2、 继电器 JK、 D7 所组成， 当 P2 点为高电平 1 时， V2 导通， 继电器 JK 吸合， JK 的接点 1 和 3 连接， 当 P2 点为低电平 0 时， V2 截止， 继电器 JK 释放， JK 的接点 1 和 3 断开。采用继电器作为开关元件有利于提高开关接点的瞬间抗过压及抗过流 能力。
该电子开关共有 4 个接线点， 分别是 S1、 S2、 S3、 S4， 能用于两线制连接模式和四线 制连接模式两种接线方式。
当电子开关用于两线制连接方式时， 接线图如图 5 所示， 此时 S1 和 S2 当做开关的 两个接线点使用， S3 和 S4 应短接。两线制连接适用于负载功率大于 25W 的白炽灯以及其 它纯电阻类负载电器。 当电子开关用于四线制连接方式时， 接线图如图 6 所示， 此时 S1 和 S2 应直接接电 源 220V， 其中 S1 接零线 N， S2 接火线 L， S3 和 S4 应连接负载灯。在此应用模式下， 由于开 关在断态情况下负载中没有电流通过， 负载 X 中的理论电流为 0， 因此四线制连接方式适用 于负载功率小于 25W 的白炽灯以及节能灯、 高亮度 LED 照明灯以及用氖泡启辉器启动的日 光灯。
关于两线制和四线制的应用问题说明 ： 现有的控制灯具的机械式开关都是只有两 根连接导线的， 而且在家庭照明中， 白炽灯的应用仍占有很大的比例， 在这种情况下， 原有 的机械式开关可以用本发明所述的电子开关采用两线制连接方案直接替换 ； 对于使用节能 灯以及日光灯的应用场合， 就只能采用四线制连接方案来接线， 四线制连接方案要求两根 电源线和两根开关线必须都要拉到接线槽中， 这在符合国家建筑规范的建筑物中是满足要 求的， 因此能直接使用四线制连接方案来接线， 但是农村有很多建筑物没有按照国家规范 施工， 在接线槽中只有两根开关线， 而没有电源线， 在这种情况下就不能直接使用四线制接 线方案， 只能使用两线制接线方案， 如果一定要采用四线制方案连接， 就需要改接线路。
关于电子开关自身的能耗问题说明 ： 电子开关的能耗问题可根据电子开关的工作 电流和工作电压来计算， 电子开关的工作电流为 10mA， 电源部分产生的电压降为 12V， 消耗 的功率为 120mW， 即 0.12W， 和电灯的功率相比是非常小的。
本发明所达到的效果是， 电子开关既能用遥控器操作， 同时又能用手指触摸来操 作， 同时该电子开关既能够用两线制连接方案， 又能够采用四线制连接方案， 该发明最大限 度的满足了电子开关应用于各种负载灯具的要求。
附图说明 ： 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图 1 是电源电路工作原理图 ；
图 2 是解码电路工作原理图 ；
图 3 是双稳态电路工作原理图 ；
图 4 是开关执行电路工作原理图 ；
图 5 是两线制连接方式接线图 ；
图 6 是四线制连接方式接线图 ；
图 7 是电子开关工作原理图 ；
在图 1 中， C1 ： 降压电容， 该电容的容量越大， 越有利于提高电源的电流输出能力， 但容量过大时将会造成两线制连接状态下白炽灯不能完全关闭， 或者在关闭状态下会发出 弱光的问题， 因此该电容的容量应在 0.2uF ～ 0.47uF 之间， 耐压应选用 400V 的无极电容， R1 ： C1 的放电电阻， R2 ： 保险电阻， Q： 全桥整流器， SQR ： 可控硅， LED1 ： 电源指示灯， D1 ： 稳压 二极管， R3 ： SQR 触发极的分压电阻， D2 ： 隔离二极管， C2 ～ C7 ： 滤波电容， R4、 R5 ： 滤波电阻， D3、 D4 ： 稳压二极管。
在图 2 中， IC1 ： 一体化红外线接收头， V1 倒相管， IC2 ： 解码芯片， 本方案中选用了 输出为 6 路的解码芯片， 解码后的 6 路输出信号经短接插头后输出一路信号， 短接插头由 12 个短接线 1 ～ 12 和一个短接冒所组成， 12 个短接线分为 6 组， 其中 1 和 7 为第一组， 2和8 为第二组， 3 和 9 为第三组， 4 和 10 为第四组， 5 和 11 为第五组， 6 和 12 为第六组， 通过选择 某一组连接， 另外 5 组断开， 这样可从 5 组输出信号中选择其中的一路为遥控输出信号， 该 信号从 P1 点输出。 图 3 中， IC3 ： 双稳态触发器， 一片双稳态触发器中由两个完全相同的双稳态触发 门 J1 和 J2 所构成， 其中 J1 用于处理触摸信号的整形， 将一串连续的脉冲信号变为一个单 一的脉冲信号， 每当用手指触摸 M 点后， C9 两端就会出现一个电脉冲， 该电脉冲经 R12 进入 J2 的 CP 端， LED2 ： 开关状态指示灯， 当开关关闭时， LED2 点亮， 当开关打开时， LED2 熄灭。
图 4 中， V2 ： 继电器 JK 的驱动三极管， JK ： 继电器， 其中 1、 3 为继电器 JK 的常开触 点。D7 为继电器 JK 的反向吸收二极管。
图 5 是两线制应用接线图， 图中， X： 白炽灯， S3、 S4 应短接。
图 6 为四线制应用接线图， 图中， S1、 S2 接电源 220V， S3、 S4 ： 接各类负载电灯。具 体实施方式 ： 在附图 7 所示的实施例中， 电源电路输出 V1、 V2、 V3 三组电压， 该三组电压的大 小分别是 12V、 5V、 3V， 其中 12V 电压供开关执行电路使用， 5V 电压供红外线接收头使用， 3V 电压供解码芯片以及双稳态电路使用， 在电源电路中， C1、 R2、 全桥 Q 的交流输入端顺序电 连接， 全桥 Q 的正极和负极输出的直流电压接有三个支路， 其中一个支路是由可控硅 SQR 的 阳极和阴极所组成， 另一个支路是由发光二极管 LED1、 稳压管 D1 和 R3 所组成， R3 的两端接 在可控硅的控制极和阴极之间， 第三个支路是由隔离二极管 D2 和滤波电容 C2、 C3 以及 R4、 D3、 R5、 D4 等元件所组成， 在第一个支路中， SQR 选用 1A 或者 3A 的单向可控硅， 在第二个支 路中， D1 为 11.5V 稳压管， 在第三个支路中， D3 为 5V 稳压管， D4 为 3V 稳压管， 在解码电路 中， IC1 为一体化红外线接收头， IC2 为 6 路红外线解码芯片， 在双稳态电路中， IC3 为 4013 型双 D 触发器芯片， 继电器的一组常开触点 1 和 3 构成开关触点， 开关触点 3 连接外接线端 S4， 1 连接全桥 Q 的一个交流输入端 P3 上， 外接线端 S1 和 S3 是连通的。以上方案构成该发 明的具体实施方式。该发明在实际应用中的具体接线方式有以下两种 ：
1、 两线制连接 ： S1 和 S2 当做开关的两个接线点使用， 零线 N 经白炽灯 X 后连接 S1， 火线 L 直接连接 S2， S3 和 S4 应短接， 如图 5 所示。
2、 四线制连接， S1 和 S2 应直接连接接电源线 220V， 其中 S1 接零线 N， S2 接火线 L， S3 和 S4 应连接负载灯， 如图 6 所示。