包括经调节电力供应的光电传感器电路

摘要

光电传感器电路包括继电器线圈，其配置成控制交流(AC)电源向负载的施加。该电路包括脉宽调制器电路，其配置成生成具有响应跨继电器线圈的平均电压而改变的脉冲宽度的脉宽调制信号。耦合到继电器线圈的驱动晶体管响应脉宽调制信号而控制跨继电器线圈的平均电压。光电控制电路配置成响应所检测光级而控制脉宽调制信号向驱动晶体管的施加。耦合到电源的电源电路配置成向脉宽调制器电路的比较器提供经调节功率信号。电源电路包括耦合在继电器线圈与经调节功率信号之间的驱动晶体管以及耦合在驱动晶体管的基极与经调节功率信号之间的第二晶体管。驱动晶体管在驱动晶体管导通时将经过继电器线圈的电流传导至经调节功率信号，而在驱动晶体管关断时将不经过继电器线圈的电流传导至经调节功率信号。

权利要求

1.一种光电传感器电路，包括：

继电器线圈，配置成控制具有线路周期的负半周和正半周的交流(AC)电源向负载的施加；

脉宽调制器电路，配置成生成具有响应跨所述继电器线圈的平均电压而改变的脉冲宽度的脉宽调制信号，所述脉宽调制器电路包括比较器；

耦合到所述继电器线圈的驱动晶体管，响应所述脉宽调制信号而控制跨所述继电器线圈的所述平均电压；

光电控制电路，配置成响应所检测光级而控制所述脉宽调制信号向所述驱动晶体管的施加；以及电源电路，耦合到所述电源，配置成向所述脉宽调制器电路的所述比较器提供经调节功率信号，其中所述电源电路包括耦合在所述继电器线圈与所述经调节功率信号之间的所述驱动晶体管以及耦合在所述驱动晶体管的基板与所述经调节功率信号之间的第二晶体管，并且其中所述驱动晶体管在所述驱动晶体管导通时将流经所述继电器线圈的电流传导至所述经调节功率信号，而所述第二晶体管在所述驱动晶体管关断时将不经过所述继电器线圈的电流传导至所述经调节功率信号。

2.如权利要求1所述的光电传感器电路，其中，所述电源电路包括耦合到所述AC电源的整流器。

3.如权利要求2所述的光电传感器电路，其中，所述整流器包括全波整流器。

4.如权利要求2所述的光电传感器电路，其中，所述第二晶体管的集电极耦合到所述驱动晶体管的基极，所述第二晶体管的发射极耦合到所述经调节功率信号，以及所述比较器的输出耦合到所述第二晶体管的基极，并且其中所述电源电路还包括耦合在所述第二晶体管的基极与所述整流器之间的电阻器。

5.如权利要求4所述的光电传感器电路，其中，所述电阻器包括第一电阻器和第二电阻器，并且所述第一电阻器耦合在所述整流器与所述驱动晶体管的基极之间，以及所述第二电阻器耦合在所述驱动晶体管的基极与所述第二晶体管的基极之间。

6.如权利要求5所述的光电传感器电路，其中，所述电源电路还包括耦合在所述比较器的输出与所述第二晶体管的基极之间的第三电阻器。

7.如权利要求2所述的光电传感器电路，其中，所述脉宽调制器电路配置成控制所述脉宽调制信号的频率，并且其中所述脉宽调制信号的频率至少为500赫兹(Hz)。

8.如权利要求7所述的光电传感器电路，其中，所述光电传感器电路包括其中包含所述继电器线圈的继电器，并且其中所述继电器包括常开继电器。

9.如权利要求7所述的光电传感器电路，其中，所述光电传感器电路包括街道照明光电控制装置，并且所述负载包括街道照明，以及所述继电器线圈配置成响应由所述光电传感器电路中的光电晶体管检测到小于最小光级而启动以接通所述街道照明。

10.如权利要求2所述的光电传感器电路，其中，所述光电控制电路包括：

光电晶体管，具有耦合到所述经调节功率信号的第一端子以及响应由所述光电晶体管所检测的光级而输出电流的第二端子；以及微控制器，配置成测量所述所检测光级，并且响应所述所检测光级满足所选条件而关断所述驱动晶体管，其中所述电源电路配置成向所述微控制器提供所述经调节功率信号。

11.如权利要求10所述的光电传感器电路，其中，所述微控制器配置成将所述比较器的输出与所述第二晶体管的基极断开，以关断所述驱动晶体管。

12.如权利要求10所述的光电传感器电路，其中，所述光电控制电路还包括：耦合在所述微控制器与所述光电晶体管的第二端子之间的电阻器以及耦合在所述光电晶体管的第二端子与所述经调节功率信号的低电压参考之间的电荷电容器，其中流经所述光电晶体管的电流对所述电荷电容器进行充电；以及其中所述微控制器配置成周期地对所述电荷电容器进行放电，并且在所述电荷电容器放电之后的所选时间测量跨所述电荷电容器的电压，以测量所述所检测光级。

13.如权利要求10所述的光电传感器电路，其中，所述微控制器配置成在确定所述所检测光级满足所述所选条件之后的所选延迟时间关断所述驱动晶体管。

14.如权利要求10所述的光电传感器电路，其中，所述比较器和所述微控制器包含在单个微控制器芯片中。

说明书

包括经调节电力供应的光电传感器电路

背景技术

[0001] 本发明涉及光电传感器电路，以及更具体来说，涉及用于光级（light level）切换控制的光电传感器电路。

[0002] 光电控制器是响应环境光级而自动接通和关断电气装置的装置。它们用于例如路灯，以将其在白天关断而在夜间接通。它们还用于广告牌照明系统，以在夜间较早时将广告牌灯接通、在夜间较晚时的低交通量时段关断、在高交通水平恢复时的清晨高峰时段再次接通以及然后在白天时间关断。光电控制器还可反过来例如用来在白天接通而在夜间关断高尔夫球场喷泉。

[0003] 多种装置、包括光电控制器可利用功率转换器将较高电压交流转换成如许多常规电子装置中使用的较低电压直流。一些常规功率转换器利用大的高压电阻器来使电压下降。但是，这些电阻器通常是低效的，并且生成高热量。从电阻器所生成的热量可要求将电阻器包含在大封装中，并且包括散热元件、例如散热片。另外，由电阻器所生成的高热量能够导致电阻器中以及位于电阻器附近的其它电子组件中的可靠性和使用寿命的问题。

[0004] 电源转换的另一种常规方式是使用开关模式功率转换器。开关模式功率转换器通常要求六个晶体管或者微控制器来实现。在一些应用中，例如在光电控制器中，对多个晶体管或者微控制器的要求可使开关模式功率转换器的实现是极高成本的。

[0005] 在美国专利No.6903942(“`942专利”)中描述一种小型低成本的高效开关模式功率转换器以及包括它的光电传感器电路，通过引用将其结合于此，如同完整地提出一样。

[0006] 还已知提供一种光电传感器电路，其中包括如从TE Connectivity可得到的3100系列光电控制中结合的数字电路。3100系列光电控制的光电传感器电路在图1中示出。如在图1中看到，微控制器U1输出信号GP4，其驱动一个驱动晶体管Q2以接通和关断作为包括电容器C5、C6和二极管D2(工作在大约50赫兹(Hz)频率)的脉宽调制控制电路的部分的驱动晶体管Q2，以控制跨继电器K1的继电器线圈的电压。继电器K1示为常开（normally open）继电器，以及在由光电晶体管Q1检测到光线时，继电器K1的线圈电流被关断，以关断负载LOAD、例如路灯。通过包括电容器C3以调整从信号GP4到驱动晶体管Q2的基极的信号的电压电平，来提供直接驱动信号。另外，包含半波整流器(二极管D1)，以便为光电控制电路提供电力。

[0007] 经调节电力供应（regulated power supply）还示为提供电力供应信号VSS和VDD，以允许微控制器U1的操作。在所示实施例中，VSS耦合到AC线路NEUTRAL，以提供DC地参考。VDD信号由耦合到半波整流器D1的电阻器R7来提供。另外，VDD信号耦合到驱动晶体管Q2的发射极。因此，电流还将经过驱动晶体管Q2来提供，但是仅当晶体管导通时提供。

[0008] 在共同待决美国专利申请No.13/190727(“`727申请”)中还描述一种包括经调节电源的小型低成本的高效开关模式功率转换器，通过引用将其结合于此，如同完整地提出一样。

[0009] 经调节电源还可用于没有包括微控制器的光电控制器电路中，例如美国专利No.8026470(“`470专利”)中所述，通过引用将其结合于此，如同完整地提出一样。

发明内容

[0010] 本发明的实施例提供包括继电器线圈的光电传感器电路，其中继电器线圈配置成控制具有线路周期（line cysle）的负半周和正半周的交流(AC)电源向负载的施加。光电传感器电路的脉宽调制器电路配置成生成具有响应跨继电器线圈的平均电压而改变的脉冲宽度的脉宽调制信号。脉宽调制器电路包括比较器。耦合到继电器线圈的驱动晶体管响应脉宽调制信号而控制跨继电器线圈的平均电压。光电传感器电路的光电控制电路配置成响应所检测光级而控制脉宽调制信号向驱动晶体管的施加。耦合到电源的电源电路配置成向脉宽调制器电路的比较器提供经调节功率信号。电源电路包括耦合在继电器线圈与经调节功率信号之间的驱动晶体管以及耦合在驱动晶体管的基极与经调节功率信号之间的第二晶体管。驱动晶体管在驱动晶体管导通时将经过继电器线圈的电流传导至经调节功率信号，而在驱动晶体管关断时将不经过继电器线圈的电流传导至经调节功率信号。

附图说明

[0011] 图1是按照现有技术的光电传感器电路的电路图。

[0012] 图2是按照本发明的一些实施例的光电传感器电路的电路图。

[0013] 图3是按照本发明的一些实施例的光电传感器电路的电路图。

[0014] 图4A至图4E是图1的光电传感器电路的时序图。

具体实施方式

[0015] 下面参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的说明性实施例。附图中，为了清楚起见，可放大区域或特征的相对尺寸。但是，本发明可通过许多不同的形式来实施，而不应被理解为局限于本文所提出的实施例；相反，提供这些实施例，以使得本公开将是透彻和全面的，并且将向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。

[0016] 将会理解，虽然术语“第一”、“第二”等在本文中可用来描述各种元件、组件、区域、层和/或段，但是这些元件、组件、区域、层和/或段不应当受到这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、组件、区域、层或段与另一个区域、层或段加以区分。因此，以下所述的第一元件、组件、区域、层或段可称作第二元件、组件、区域、层或段，而没有背离本发明的理论。

[0017] 诸如“下面”、“之下”、“下”、“之上”、“上”等空间相对术语在本文中为了便于描述而可用来描述如附图所示的、一个元件或特征与另一个(其它)元件或特征的关系。将会理解，除了图中所示的取向之外，空间相对术语意在还包含使用或操作中的装置的不同取向。例如，如果将图中的装置翻转，则描述为在其它元件或特征“之下”或“下面”的元件将定向在其它元件或特征“之上”。因此，示范术语“下面”能够包含之上和下面的取向。该装置可不同地定向(旋转90°或者以其它取向)，并且相应地解释本文所使用的空间相对描述。

[0018] 如本文所使用的单数形式“一”、“一个”预计也包含复数形式，除非另加说明。还将会理解，在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”表示存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件；但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或上述各项的分组。将会理解，当某个元件称作“连接到”或“耦合到”另一个元件时，它能够直接连接或耦合到另一元件，或者中介元件可存在。此外，如本文所使用的“连接”或“耦合”可包括无线连接或耦合。如本文所使用的术语“和/或”包括关联所列项的一个或多个的任一个组合。

[0019] 除非另加说明，否则本文所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有与本发明所属领域的技术人员通常所理解的相同的含意。还将会理解，例如常用词典中定义的那些术语应当被理解为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含意一致的含意，而将不会以理想化或过分正式意义来理解，除非本文中这样明确定义。

[0020] 现在将参照图2-3来描述本发明的实施例。具体来说，图2的实施例示出其中设置了常开继电器、用于路灯控制的光电传感器电路10，其中电流在夜间流经继电器线圈K1以接通路灯(或者其它负载)，而在白天，K1的线圈电流中断，从而使街灯关断。但是，将会理解，一些实施例使用常闭（normally closed）继电器。继电器线圈K1配置成控制LI与N之间施加的交流(AC)电源向LO与N之间连接的负载的施加。二极管D2示为跨继电器耦合，以提供降压转换器（buck converter）。还示出电路保护装置MOV1。虽然与继电器线圈K1关联的开关在图2中为了便于说明而示为相互分开，但是将会理解，线圈K1和开关是继电器的组件，并且因此符号K1在图2中也示为与路灯电源开关相邻。

[0021] 如下面将描述，图2所示的电路10包括光电传感器、逻辑电路和电气开关。在图示中，光电传感器是光电晶体管Q1，逻辑电路是微控制器U1，以及电气开关是电磁继电器。为了简化理解，一些功能块在图2中示意地示为分立组件。但是，将会理解，微控制器U1可以是可编程装置、例如从Microchip Technology, Inc.可得到的PIC10D206，其装置可包括：芯片上模拟比较器，在图2中示为比较器IC1A，具有耦合到也由微控制器中U1所提供的0.6伏(V)的电压参考的一个输入；以及可编程微控制器。因此，提供所示隔离电阻器R1、R10、R12，只是以便允许微控制器U1的可靠编程，而不会在编程完成之后的正常操作期间实质上影响电路操作。

[0022] 这类实施例可设计成在105与305 VAC之间的任何线电压来发挥作用，并且因此示为包括开关模式调节器电路。对于以下所示实施例，控制电路的大部分包含在微控制器U1中。因此，在以下相应电路的论述中，将会理解，微控制器U1充当各种电路连同以下示为包含在相应电路中的分立组件的一部分。

[0023] 提供脉宽调制器电路R6-R8、R11、D3、C3-C4，以控制继电器线圈K1的操作。脉宽调制器电路还包括模拟比较器IC1A。所示脉宽调制器电路R6-R8、R11、D3、C3-C4是开关模式继电器线圈电流调节器，其配置成生成具有响应在脉宽调制信号的设置频率跨继电器线圈的平均电压而改变的脉冲宽度的脉宽调制信号。

[0024] 耦合到继电器线圈K1的驱动晶体管Q2响应脉宽调制信号而控制跨继电器线圈K1的平均电压。提供光电控制电路Q1、C2、U1/IC2，其配置成响应所检测光级而控制脉宽调制信号向驱动晶体管Q2的施加。耦合到电源的电源电路R2-R4、Q3(和驱动晶体管Q2)配置成提供经调节功率信号PS1(参考VSS(低电平)的VDD(高电平))。除非另加说明，否则本文中提到经调节功率信号PS1是指与经调节功率信号的电压电平VDD对应的电路结点。

[0025] 光电控制电路包括耦合到微控制器U1的光电晶体管Q1。光电晶体管Q1具有耦合到经调节功率信号PS1(VDD)的第一端子以及响应光电晶体管所检测的光级而输出电流的第二端子。更具体来说，在图2的所示实施例中，光电控制电路还包括耦合在微控制器U1与光电晶体管Q1的第二端子之间的电阻器R1以及耦合在光电晶体管Q1的第二端子与经调节功率信号PS1的低电压参考VSS之间的电荷电容器C2，并且流经光电晶体管Q1的电流对电荷电容器C2进行充电，使得微控制器能够检测光级。

[0026] 微控制器U1配置成测量所检测光级，以及响应所检测光级满足所选条件而关断驱动晶体管Q2。在所示实施例中，微控制器U1配置成周期地对电荷电容器C2进行放电，并且在电荷电容器C2放电之后的所选时间测量跨电荷电容器C2的电压，以测量所检测光级。微控制器U1通过将第二晶体管Q3的基极耦合到逻辑低电平，来接通第二晶体管Q3，其又关断驱动晶体管Q2(实质上将驱动晶体管Q2的基板和发射极均耦合到经调节电力供应PS1(VDD))，来关断驱动晶体管Q2(从而使常开继电器返回到断开状态)。要操作继电器以切换到闭合位置(即，接通灯或其它负载)，微控制器U1向第二晶体管Q3的基极施加脉宽调制信号。虽然这可由数字逻辑进行，但是这个操作在图2中通过继电器K2在比较器IC1A的输出与VSS之间切换驱动信号示意地示出。继电器K2的线圈的驱动示为响应所检测光级的检测而对滞后逆变器（hysteresis inverter）IC2进行响应。将会理解，切换之前的可变延迟时间可编程到微控制器U1和/或不对称切换延迟中(接通延迟与关断延迟不同)。

[0027] 使用上述配置，实施例可提供一种光电传感器电路，其作为街道照明光电控制控制装置，并且负载是街道照明(路灯)。继电器线圈配置成响应光电晶体管检测到小于最小光级而启动以接通街道照明。

[0028] 通过使用微控制器代替模拟电路，可提供更大量的延迟时间。另外，可更易于提供比线频率要高许多的脉宽调制信号。由于常开继电器可更多地经受连接可靠性问题，所以较高频率可使装置的操作更可靠。在一些实施例中，脉宽调制器电路配置成控制脉宽调制信号的频率，以及脉宽调制信号的频率至少为大约500赫兹(Hz)。要支持微控制器U1的编程，三个隔离电阻器R1、R10、R12在图2中示出。

[0029] 耦合到电源的电源电路R2-R4、Q3(和驱动晶体管Q2)配置成向包括脉宽调制器电路的比较器IC1A的微控制器U1提供经调节功率信号PS1(参考VSS(低电平)的VDD(高电平))。在所示实施例中，电阻器R2-R4和第二晶体管Q3设置为电平移位电源清扫电路（level shifter power scavenger circuit）。电源电路包括：驱动晶体管Q2，耦合在继电器线圈K1与经调节功率信号PS1之间；以及第二晶体管Q3，耦合在驱动晶体管Q2的基极与经调节功率信号PS1之间。因此，驱动晶体管Q2在驱动晶体管Q2导通时将经过继电器线圈K1的电流传导至经调节功率信号PS1，以及第二晶体管Q3在驱动晶体管Q2关断时将不经过继电器线圈K1的电流传导至经调节功率信号PS1。

[0030] 在一些实施例中，电源电路包括整流器，在图2中示为全波整流器B1。整流器B1包含在全波电力供应滤波器桥式整流器中，其中包括电阻器R9和电容器C5。示为齐纳二极管VR1的旁路调节器耦合在VSS与VDD之间，以及电流旁路R5示为耦合在VSS与整流器B1之间。

[0031] 对于图2的所示电源电路，第二晶体管Q3的集电极耦合到驱动晶体管Q2的基极。第二晶体管Q3的发射极耦合到经调节功率信号PS1。比较器IC1A的输出耦合到第二晶体管Q3的基极。电源电路还包括：第一电阻器R4，耦合在整流器B1与驱动晶体管Q2的基极之间；第二电阻器R3，耦合在驱动晶体管Q2的基极与第二晶体管Q3的基极之间；以及第三电阻器R2，耦合在比较器IC1A的输出与第二晶体管Q3的基极之间。

[0032] 如上并且更具体参照PIC10F206微控制器U1所述，模拟比较器IC1A连接到标注为GI+和GP2的U1端子。内部生成的电压参考在内部连接到负比较器输入。开关模式调节功能由内部模拟比较器IC1A和电压参考(0.6 V)来执行，而不是由微控制器数字逻辑(其在不需要时可关断以节省电力(睡眠模式))来执行。微控制器数字逻辑用来与光电晶体管Q1进行接口，并且使标注为GP2的端子在夜间内部连接到比较器输出，从而使继电器接通街灯(或者其它负载)。在白天，微控制器数字逻辑将经过标注为GP2的端子输出逻辑低电平，从而使继电器关断街灯。

[0033] 在图4A至图4D中示出当启动继电器(电流流经继电器线圈K1)时模拟图2的电路的操作的时序图。图4A示出在模拟比较器IC1A的输出的电压。图4B示出在脉宽调制电路比较器IC1A的正比较器输入的电压。图4C示出跨驱动晶体管Q2的电压。图4D示出在继电器线圈K1的端子1(二极管D2的阴极)的电压。图4E示出经过驱动晶体管Q2的电流。

[0034] 光电传感器电路10`的其它实施例在图3的电路图中示出。图3的实施例与图2的实施例的不同之处在于，光电传感器电路10`包括半波整流器D1代替全波整流器B1。

[0035] 如上所述的本发明的实施例还可消除光电传感器电路中的铝电解类型电容器的使用。随着街道照明的技术发展，引入更高效并且更长使用寿命的灯。虽然先前典型街灯在需要更换之前一般维持三年，但是新街灯维持长达20年。相应地，能够保证20年使用寿命的光电控制也会是合乎需要的。这种延长使用寿命可通过如图2和图3所示的实施例来提供。

[0036] 相比之下，典型常规可用的光电控制包含铝电解电容器。这类光电控制一般额定在5000小时(208天)的使用期限。通过以比其最大额定值要低许多的电压和温度来操作光电控制，它们通常持续总共三年，但不是预期的20年。通过允许长使用寿命电容器、例如陶瓷类型电容器的实际使用，电路使用寿命能够显著增加，因为陶瓷电容器通常持续极长时间。此外，由于新LED类型灯的功率趋向于较低，所以光电控制电路本身的功率消耗组件成为照明的总效率公式的较大百分比。因此，光电控制电路的能量消耗的降低也是有益的。

[0037] 现在将描述与图1的电路相对照、允许使用陶瓷电容器的所示实施例的具体方面。对于不同实施例，VDD滤波电容器C1可按照多种方式从铝电解类型改变成超长使用寿命陶瓷类型。例如，参照如与图1相对照的图2，采用全波整流代替半波整流使纹波频率加倍，这可允许VDD滤波电容器C1值减半。参照图2和图3，添加电容器C5，从而允许电流甚至在线电压的过零期间也继续注入经调节电力供应PS1(VDD)，从而允许VDD滤波电容器C1的值减小。另外，允许微控制器U1数字逻辑在许多时间关断降低所需功率，从而允许VDD滤波电容器C1的较小值。另外，图1的电路使用控制电路与继电器线圈驱动晶体管Q2之间的电容耦合，这要求使用铝电解类型电容器。对这种铝电解类型电容器的需要可通过使用电平移位器电路R2、R3、R4、Q3来消除。

[0038] 以上所述是对本发明的说明，而不能被理解为对其进行限制。虽然描述了本发明的几个示范实施例，但是本领域的技术人员将易于理解，许多修改在示范实施例中是可能的，而没有在实质上背离本发明的新理论和优点。相应地，所有这类修改都预计包含在如权利要求所限定的本发明的范围之内。在权利要求中，装置加功能从句意在涵盖在此被描述为执行所述功能的结构，并且不仅涵盖结构等效体而且还涵盖等效结构。因此，要理解，以上所述对本发明的说明，而不是被理解为将其局限于所公开的具体实施例，并且对所公开实施例的修改以及其他实施例预计包含在所附权利要求的范围之内。本发明由以下权利要求来限定，其中权利要求的等效体将包含在其中。