二端延时断路控制器和软断路控制器 本发明涉及二端延时断路控制器和软断路控制器两类系列电路，适合于照明线路及电机电器线路的断路特性改造。使用时，只需将其简单地并接在原线路的主控触点(主控支路的上下火节点)上即可。
在现有技术中，普通电气设备一般都是全电压直接启闭的，鲜见控调过渡过程的技术和产品。就照明控制领域而言，唯有高档的影剧院设有专门调控灯光启闭过渡过程的设备，这些设备包括盐水闸刀、调压器和晶闸管无级调光器，它们的操作过程属于非自动的人机闭环操作，使用不方便，且成本较高。本发明人的专利申请CNGK91106745.0公开了一种方便价廉的软启闭自动开关，用于照明控制具有拟自然光渐亮开启和渐暗关闭过渡特性，控制电机、电器等设备具有渐开渐关减压启闭功能，其渐变过程在启闭引导操作后自动控制进行。该开关具有理想过渡特性，在照明和电气控制领域有广泛应用前景。但由于其操作接点和主控支路连成一体，因而不能用于继电器和接触器等一类非直接手动触点控制的电路的启闭过渡特性改造，对在用照明线路的改造也有一定阻力，因为人们一般不愿意拆下在用的老式开关将其废弃掉而改装新功能开关。近若干年来推出的各式电子延时开关，具有引导操作后延时自动关闭的功能，满足了人们关灯操作后还需短时间照明的实际需要，已在公用楼道、楼梯、厕所间等场所迅速广泛使用。由于其价格较贵，而且其操作接点和主控电路不可分离，其他场所便鲜见应用。然而，关灯操作后还需短时间照明，是人们对任何照明控制装置的共同要求。比如卧室、门厅、办公室、车间的照明，如能实现引导操作后延时自关，将给人们带来方便和愉快。
本发明的任务是：提供一种成本低廉、组态灵活、安装方便、结构上成一独立模块的二端无源网络电路装置，直接并接在手动操作的或电磁开关操作的或固体开关操作地、在用的或新安装的照明线路及其他阻性或感性负载线路的主控通断支路的上下火节点上使用。当主控通断支路断路操作时，被控照明灯具或电机电器延时断路或软断路，当主控通断支路短路操作时，二端无源网络模块内部自复位。
本发明的解决方案是：设计一种结构上独立的不带操作接点的二端无源网络电路模块，直接与交流电气回路的通断支路的上下火节点并接使用。该电路装置由主电路和控制电路两部分构成。主电路由一个单向可控硅控制。控制电路包含一个至少由两个电阻和一个电容构成的自复位h型限幅电压积分器三端网络电路，还包含一个至少由两个电阻和一个电容构成的自复位π型触发脉冲电量积分器电路。其中，跨接在前者输出端的一个电阻和跨接在后者输入端的一个电阻实际上是共用的同一个电阻。前者的输入端连接可控硅阳极，负极接可控硅阴极，在每一个工作周期内，对可控硅阳阴极电压输入信号进行积分，输出一包络自适应斜升的、最后被限幅的锯齿波作为触发脉冲源，通过后者送至可控硅的触发门电路。后者输出端连接可控硅控制极，负极连接可控硅阴极，对每一次触发脉冲的电量进行积分，其积分电容器上的电压信号即成为断路进程时间的单调增函数，由其控制触发脉冲的通断和相位。当断路进程达到预置的时间时，前者输出的锯齿波被限幅，后者积分电压亦升至最大值与之均衡，触发脉冲即不再产生，可控硅截止，主电路关断。当与本二端网络并接的通断操作支路的上下火节点被启动操作短路时，本二端网络被短路，内部的两个积分器靠自带的放电回路放电而自动复位，为下一次特性断路作准备。
本发明包括如下的实施方案：在限幅电压积分器的积分电容器两端并接一个稳压二极管，其阳极接于可控硅的阴极，其稳压值远小于电压积分器的输出端并联放电电阻从可控硅的最大阳极电压中取得的分压值，且使电压积分器的自放电时间常数远大于电源电压周期，则电压积分器产生的锯齿波的限幅由稳压二极管产生。因此，被限幅前可控硅的导通角的动态范围很小，控制器具有延时断路控制特性。
本发明还包括如下的实施方案：在限幅电压积分器的电容器与触发脉冲电量积分器的电容器之间的相连支路中串接一个稳压二极管，其阳极与后者相连，其稳压值略大于在特性断路控制进程中可控硅导通或加有逆向电压而截止期间电压积分器中的电容器因放电而产生的最大可能电压降，则电压积分器产生的锯齿波被电压积分分周期和自放电分周期的充放电电量的最后自然均衡所限幅。因此，限幅前可控硅的导通角的动态范围接近180°，控制器具有逐渐关断的软断路控制特性。
本发明还包括前一实施方案的改进方案：在二端网络内部一条容载全部瞬时电流的方便的支路上串接一个低居里点PTC陶瓷元件，该陶瓷元件的热惯性时间常数在电路设计断路进程时间的三分之一至六分之一之间，常温电阻不大于所接电路的总阻抗，额定电流不小于电路额定电流的三分之一，额定电压不小于电路额定电压。则控制器在断路进程控制时对被控电流兼有可控硅脉宽调节和PTC陶瓷脉幅调节两种调节功能而以脉幅调节为主。其综合软断路控制特性具有拟负指数律的特点，特别适合于荧光灯和各种气体放电灯的软断路控制。
本发明的延时断路和软断路两类系列电路中均包括如下的实施方案：主电路接有由四个二极管组成的或集成一体的全波桥式整流器，因而送到可控硅和控制电路的电压是单向脉动信号，工作周期为电源电压的半周期。控制器分别具有全波交流延时关断的固体开关的断路控制特性和全波交流软断路控制特性。
本发明的延时断路和软断路两类系列电路中还分别包括如下的实施方案：控制器主电路中不接全波桥式整流器，在电压积分器与可控硅阳极相连的电阻支路中串接一个二极管，其方向使可控硅阳极到控制网络之间只有正向电流通路。控制器只在正半周工作，在负半周内，主电路和控制电路的逆向电流分别由可控硅和上述二极管反向截止。适当加大电压积分器的自放电时间常数，可使电路正常工作。二类控制器分别具有半波整流延时关断的断路控制特性和半波整流软断路控制特性。适合于在一些要求不高的线路中使用。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是二端全波交流延时断路控制器的电原理图。
图2是二端半波整流延时断路控制器的电原理图。
图3是二端全波交流软断路控制器的电原理图。
图4是二端全波交流拟负指数律软断路控制器的电原理图。
图5是二端半波整流软断路控制器的电原理图。
图6是二端延时断路控制器和软断路控制器的接线图。
参照图1，D1～D4构成全波整流桥，桥路主电流通过可控硅Tr控制。电阻R1、R2和电容C1及稳压二极管W1构成自复位h型限幅电压积分器，在断路进程的每一个工作周期内，对可控硅阳阴极电压输入信号进行积分，输出一包络自适应斜升的、最后被限幅的锯齿波作为触发脉冲源。其工作过程是：当可控硅阳阴极电压在电阻R2上的分压值高于电容器C1上的电压时，C1进行充电，充电时间常数选得较小，C1上的电压迅速上升。当其值与C2电压之差导致可控硅触发门正向偏置时，可控硅导通，其阳阴极电压降至近乎零，C1经R2放电，由于放电时间常数很大，电压降很小在C1放电过程中，C2也进行放电，其电压降更小，所耗电量远小于脉冲通过时注入的电量。下一工作周期开始时，再重复以上过程。周而复始，C1上的电压成近似阶梯上升，当达到稳压二极管W1的稳压值时被限幅，形成一个包络随C2上的电压自适应斜升的、最后被W1限幅的锯齿波信号。该信号即成为可控硅延时工作一段时间的触发信号源。电阻R2、R3与电容C2构成自复位π型触发脉冲电量积分器，配合上述电路工作。其中的电容器C2对每一次触发脉冲的电量进行积分，其电压逐渐增加，C1上的锯齿电压峰值亦随之自适应增加。当锯齿波被W1限幅时，两者均不再增加，触发脉冲不再产生，可控硅不再触发，主电路关断。当与本二端网络并接的通断操作支路的上下火节点被操作短路时，本二端网络被短路，可控硅阳阴极电压降至零，积分电容C1通过R2放电复位，积分电容C2通过R2和R3放电复位，为下一次特性断路作准备。本电路产生全波交流延时断路控制特性。本电路的元器件参数可根据上述工作过程的要求，由设计延时时间和可控硅灵敏度按常规方法计算得到。对于30～100μA触发灵敏度的可控硅，取R1＝200～300K，R2＝1～2M，R3＝20～50K，C1＝C2＝0.2～0.5μ，W1稳压值取4V左右，则延时时间大致符合一般要求。
参照图2，主电路无全波整流桥，主电流直接通过单向可控硅控制，只有正半周电流可能流过，负半周被可控硅截止。在控制电路中的R1支路串入一个反向耐压高于电源峰值电压的整流二极管，阻止负半周电流流过控制电路，以免破坏控制电路的工作。除应将C1放电时间常数适当加大以外，其他电路的工作原理和元器件参数同图1。本电路产生半波整流延时断路控制特性。
参照图3，与图1电路比较，限幅稳压二极管W1被取消，增加了稳压二极管W2。其自复位限幅电压积分器限幅的原理有较大不同，其工作特性也有所不同。图中电压积分器由电阻R1、R2和电容C1组成。该积分器的工作及限幅的过程如下：当可控硅阳阴极电压在电阻R2上的分压值高于电容C1上的电压时，C1进行充电，C1上的电压较快地上升。当其值与C2上的电压之差导致可控硅触发门正向偏置时，可控硅导通，其阳阴极电压降至近乎零，C1经R2放电。适当地选取本电路的充放电时间常数和R1R2分压比及稳压二极管W2的稳压值，使稳压管的稳压值略大于在断路控制进程中可控硅导通或加有逆向电压而截止期间电压积分器中的电容器C1因放电而产生的最大可能电压降，同时又不使稳压值太高，以免产生明显的起始控制功率负阶跃。其中前一条件是必须满足的，否则，电路将产生一个关不断的部分功率稳态。前述最大可能电压降发生在断路进程中期，用简单的充放电函数解法即可求得其近似值。列出电路差分方程即可得到精确解。本电路电压积分器产生的锯齿波被电压积分分周期和自放电分周期的充放电电量的最后自然均衡所限幅。因此，限幅前可控硅的导通角的动态范围接近180°，其他部分的工作原理与图1同。控制器具有逐渐关断的软断路控制特性。本电路元器件参数可根据上述工作过程的要求，由设计软断路进程时间和可控硅灵敏度求得。对于30～100μA触发灵敏度的可控硅，取R1＝200～300K，R2＝R3＝50～100K，C1＝0.2～0.5μ，C2＝0.1～0.2μ，W1稳压值取10V左右试验确定，则软断路特性大致符合一般要求。
参照图4，在二端网络内部整流桥的负极与电阻R1之间的主电路支路上串接了一个低居里点PTC陶瓷电阻，该陶瓷电阻应满足前文所述的参数要求。则控制器在断路进程控制时对被控电流兼有可控硅脉宽调节和PTC陶瓷脉幅调节两种调节功能。由于PTC元件的热惯性常数选得较小，电路将以脉幅调节为主。其综合软断路控制特性具有拟负指数律的特点，特别适合于荧光灯和各种气体放电灯的软断路控制。
参照图5，整流二极管的作用同图2，其他电路的工作原理同图3。R2的阻值适当加大，C2适当减小，W2的稳压值适当增加并试验调整即可满足要求。该电路具有半波整流软断路控制特性，可以用于一些要求不高的线路中。
参照图6，C为本发明延时断路控制器和软断路控制器两类系列电路中的任何一种。交流电源AC、主接点K和被控负载Z构成简化的一般电气控制回路。其中K可以是手动开关，也可以是电磁开关或固体开关的主控支路，Z必须是非纯容性负载(功率因数角一般应大于-45°)。则C的两个端子可以按照图中所示并联在线路的通断控制支路的上下火节点上使用，产生特性断路控制功能。在两种断路特性中，软断路功能覆盖了实际所需的大部分延时功能而强于延时功能。如在照明线路中使用，软断路提供的亮度变化具有模拟自然光消失的过程，与人眼瞳孔生理相适应，亮度变化本身还相当于一个时间进程指示器，使人倍感从容、舒适和愉快。而其成本只及电子延时开关的四分之一左右。