RU2316074C2

RU2316074C2 - Electric switch power supply

Info

Publication number: RU2316074C2
Application number: RU2005111544/09A
Authority: RU
Inventors: Олли САЛОНЕН; Мартти САИРАНЕН
Original assignee: Шнайдер Электрик Индастриз Сас
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2008-01-27
Also published as: FI113502B; WO2004027807A1; PL375739A1; AU2003262614A1; CN100372039C; PL206414B1; CN1685458A; RU2005111544A; AU2003262614B2; NO328490B1; FI20021692A0; NO20052005L; EP1547110A1

Abstract

FIELD: power supply for electric switch and its relevant power system.

SUBSTANCE: proposed electric switch 1 is inserted in current line 1 between AC supply E, better AC supply mains, and load L to interrupt power supply or to energize load. Switch is also connected to primary circuit W1 of transformer 3. Power required for switch control unit and probably for switch proper is taken off bypassing switch when it is in ON-position a and from transformer secondary circuit W2 through rectifier 4 when switch is in OFF-position during power supply to load L. Novelty is that transformer 3 is designed to function so that it saturates during every half-cycle of supply mains current and secondary-voltage saturation peaks (KP) of transformer secondary circuit W2, W2a, W2b are rectified to produce DC power when switch 1 is in OFF-position k.

EFFECT: reduced size.

22 cl, 5 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к способу обеспечения питания электрического выключателя в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. Изобретение относится также к системе питания для электрического выключателя в соответствии с ограничительной частью пункта 2 формулы изобретения.The invention relates to a method for providing power to an electric switch in accordance with the preamble of claim 1. The invention also relates to a power system for an electric switch in accordance with the preamble of claim 2.

Уровень техникиState of the art

В решении по изобретению электрический выключатель является электромеханическим выключателем, таким как релейный выключатель, полупроводниковый выключатель и/или их комбинация, например, он может быть выполнен в виде параллельно соединенных релейного и полупроводникового выключателей, образующих симистор. Электрические выключатели такого типа используются для включения и выключения электроприборов, в частности осветительных приборов, которые подключены к источнику переменного тока, например к сети переменного тока, и управляются, например, с помощью таймера, датчика сумерек или датчика движения объекта. Электромеханические выключатели, такие как релейный выключатель, пригодны для использования с нагрузкой всех типов, то есть как с активной нагрузкой, так и емкостной и индуктивной нагрузкой. Когда параллельно релейному выключателю подсоединен полупроводниковый выключатель с образованием симистора, токи нагрузки могут быть повышены для нагрузки всех типов, так что они могут быть равны номинальному току релейного выключателя.In the solution according to the invention, the electrical switch is an electromechanical switch, such as a relay switch, a semiconductor switch and / or a combination thereof, for example, it can be made in the form of parallel connected relay and semiconductor switches forming a triac. Electric switches of this type are used to turn on and off electrical appliances, in particular lighting fixtures, which are connected to an alternating current source, for example to an alternating current network, and are controlled, for example, by means of a timer, twilight sensor or object motion sensor. Electromechanical switches, such as a relay switch, are suitable for use with all types of loads, that is, with both active loads and capacitive and inductive loads. When a semiconductor switch is connected in parallel with the relay switch to form a triac, the load currents can be increased for all types of loads, so that they can be equal to the rated current of the relay switch.

Приборы, то есть нагрузки, к которым подача энергии переменного тока регулируется посредством электрического выключателя, выполнены таким образом, что они включаются по двум фазам, то есть фазам токонесущего провода и нулевого провода (земли). При этом питание управляющего блока и, возможно, также самого электрического выключателя обеспечивается непосредственно от сетевого источника, то есть между токонесущим и нулевым проводами. Однако нулевой провод сети не всегда доступен. Он может отсутствовать, например, в скрытой электропроводке, в настенных розетках, предназначенных для выключателей и не имеющих нулевого провода. В этом случае, если питание электрического выключателя и его управляющего блока выполнено обычным образом, должен быть подведен нулевой провод.The devices, that is, the loads to which the AC power supply is regulated by an electric switch, are designed in such a way that they are switched on in two phases, that is, phases of the current-carrying wire and the neutral wire (earth). In this case, the power supply to the control unit and, possibly, also to the electric switch itself is provided directly from the mains source, that is, between the current-carrying and neutral wires. However, the neutral wire of the network is not always available. It may be absent, for example, in hidden electrical wiring, in wall outlets designed for switches and without a neutral wire. In this case, if the power supply of the electric switch and its control unit is performed in the usual way, a neutral wire must be connected.

В том случае, когда для питания может использоваться только токонесущий провод, проблема заключается в том, что для функционирования управляющего блока, а зачастую и самого электрического выключателя необходима электроэнергия как во включенном положении выключателя, то есть когда он находится в проводящем состоянии, и в выключенном положении, когда выключатель находится в непроводящем состоянии. Поскольку через электрический выключатель проходит только одна фаза, отсутствует опорный потенциал, то есть потенциал Земли, для создания разности напряжений и обеспечения на его основе питания электрического выключателя и его управляющего блока.In the case where only a current-carrying wire can be used for power, the problem is that for the control unit, and often the electric switch itself, to function, electricity is needed both in the on position of the switch, that is, when it is in a conductive state and in the off state position when the circuit breaker is in a non-conductive state. Since only one phase passes through the electric switch, there is no reference potential, that is, the potential of the Earth, to create a voltage difference and provide on its basis the power of the electric switch and its control unit.

Из уровня техники, US 4713598, известен релейный выключатель, в котором питание усилителя пассивного инфракрасного датчика, подсоединенного к управляющему блоку релейного выключателя, реализовано без нулевого провода с использованием только токонесущего провода. При этом релейный выключатель служит в качестве так называемого двухпроводного выключателя. Релейный выключатель подсоединен к сети переменного тока последовательно с нагрузкой и первичной обмоткой трансформатора тока. Когда релейный выключатель находится во включенном положении, то есть в проводящем состоянии, переменное напряжение первичной обмотки трансформатора выпрямляется с получением постоянного напряжения, требуемого для питания усилителя. Когда релейный выключатель находится в выключенном положении, то есть не пропускает через себя ток, напряжение на выключателе выпрямляется, и обеспечивается рабочее напряжение, требуемое для усилителя.In the prior art, US 4713598, a relay switch is known in which the power of the passive infrared sensor amplifier connected to the control unit of the relay switch is realized without a neutral wire using only a current-carrying wire. In this case, the relay switch serves as the so-called two-wire switch. The relay switch is connected to the AC mains in series with the load and the primary winding of the current transformer. When the relay switch is in the on position, that is, in the conductive state, the alternating voltage of the primary winding of the transformer is rectified to obtain the constant voltage required to power the amplifier. When the relay switch is in the off position, that is, it does not pass current through itself, the voltage at the switch is rectified, and the operating voltage required for the amplifier is provided.

Когда релейный выключатель находится во включенном положении, и ток нагрузки проходит через выключатель, падение напряжения на первичной обмотке трансформатора незначительно по сравнению с напряжением на нагрузке. Обычно падение напряжения составляет порядка 1% от напряжения нагрузки. Падение напряжения на первичной обмотке трансформатора преобразуется в трансформаторе в высокое вторичное напряжение на вторичной обмотке. Это вторичное напряжение полностью или частично выпрямляется диодом, с помощью которого получают выпрямленный ток для усилителя, при этом для диода предусмотрен перепускной конденсатор в качестве фильтра напряжения. В качестве примера число витков первичной и вторичной обмоток W1, W2 трансформатора может составлять W1=45 и W2=2000 для нагрузки в 60 Вт. Кроме того, первичная обмотка содержит также несколько промежуточных отводов для регулирования отношения чисел витков в соответствии с нагрузкой.When the relay switch is in the on position and the load current passes through the switch, the voltage drop across the primary winding of the transformer is negligible compared to the voltage at the load. Typically, the voltage drop is about 1% of the load voltage. The voltage drop across the primary side of the transformer is converted into a high secondary voltage across the secondary side of the transformer. This secondary voltage is fully or partially rectified by the diode, with which a rectified current is obtained for the amplifier, and a bypass capacitor is provided for the diode as a voltage filter. As an example, the number of turns of the primary and secondary windings W1, W2 of the transformer can be W1 = 45 and W2 = 2000 for a load of 60 watts. In addition, the primary winding also contains several intermediate taps for regulating the ratio of the number of turns in accordance with the load.

Недостаток данного решения состоит в том, что из-за большого числа витков трансформатор получается громоздким и занимает много места. Трансформатор такого типа трудно устанавливать в ограниченном пространстве, например, в коробках электрических выключателей или подобных электроприборах.The disadvantage of this solution is that due to the large number of turns the transformer is bulky and takes up a lot of space. A transformer of this type is difficult to install in a limited space, for example, in boxes of electrical switches or similar electrical appliances.

Другая проблема известного решения состоит в том, что ограничена величина нагрузки, которая подключается последовательно трансформатору. Обычно трансформаторы рассчитаны на невысокие нагрузки, такие как 60 Вт, как указано в примере, приведенном в упомянутом патенте США. Если такой трансформатор использовать для более высоких нагрузок, его размеры значительно увеличиваются.Another problem of the known solution is that the load that is connected in series with the transformer is limited. Typically, transformers are designed for low loads, such as 60 watts, as indicated in the example given in the aforementioned US patent. If such a transformer is used for higher loads, its size will increase significantly.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении недостатков известных источников питания для электрического выключателя. Другой задачей изобретения является создание новой системы питания для электрического выключателя, в особенности подходящей для подачи энергии на выключатель, установленный в монтажной коробке системы электропроводки, в частности, в выполненном в стене гнезде.The problem to which the present invention is directed is to eliminate the disadvantages of known power sources for an electric switch. Another object of the invention is the creation of a new power system for an electric switch, especially suitable for supplying energy to a switch installed in the mounting box of the wiring system, in particular, in a socket made in the wall.

Способ обеспечения питания электрического выключателя в соответствии с изобретением характеризуется признаками пункта 1 формулы изобретения. Система питания для электрического выключателя в соответствии с изобретением характеризуется признаками пункта 2 формулы изобретения. В зависимых пунктах охарактеризованы предпочтительные примеры выполнения системы питания по изобретению.A method of providing power to an electric switch in accordance with the invention is characterized by the features of paragraph 1 of the claims. The power system for an electric switch in accordance with the invention is characterized by the features of paragraph 2 of the claims. In the dependent paragraphs, preferred embodiments of the nutrition system of the invention are described.

Согласно способу по изобретению для обеспечения питания электрического выключателя выключатель включен в линию тока между источником переменного тока, предпочтительно сетью переменного тока, и нагрузкой для прерывания или подачи на нее энергии, при этом выключатель также соединен последовательно с первичной цепью трансформатора, так что электроэнергия, необходимая для управляющего блока выключателя и, возможно, для самого выключателя, отбирается в обход выключателя при его нахождении в выключенном положении и от вторичной цепи трансформатора через выпрямитель при нахождении выключателя во включенном положении, когда энергия подается на нагрузку. Согласно изобретению трансформатор выполнен с возможностью функционирования таким образом, что он насыщается на каждом полуцикле тока сети, а пики насыщения вторичного напряжения вторичной цепи трансформатора выпрямляются для получения энергии постоянного тока при нахождении выключателя во включенном положении.According to the method of the invention, to provide power to the electric switch, the switch is connected to a current line between an AC source, preferably an AC network, and a load for interrupting or supplying energy to it, the switch being also connected in series with the primary circuit of the transformer, so that the electric power needed for the control unit of the switch and, possibly, for the switch itself, is taken to bypass the switch when it is in the off position and from the secondary circuit trans formator through the rectifier when the switch is in the on position, when energy is supplied to the load. According to the invention, the transformer is configured to operate in such a way that it saturates on each half-cycle of the network current, and the saturation peaks of the secondary voltage of the secondary circuit of the transformer are rectified to obtain direct current energy when the switch is in the on position.

Преимущество изобретения заключается в том, что трансформатор, работающий в режиме насыщения, может быть выполнен с небольшими размерами. Число витков трансформатора может быть небольшим, в особенности число витков первичной обмотки. В этом случае размеры трансформатора также значительно меньше размеров обычно используемых трансформаторов. Это особенно важно в тех случаях, когда электрический выключатель, трансформатор и вспомогательный управляющий блок должны быть установлены в небольшом пространстве, в частности, в коробке системы электропроводки.An advantage of the invention is that a transformer operating in saturation mode can be made with small dimensions. The number of turns of the transformer may be small, in particular the number of turns of the primary winding. In this case, the dimensions of the transformer are also significantly smaller than the sizes of commonly used transformers. This is especially important in cases where the electrical switch, transformer and auxiliary control unit must be installed in a small space, in particular, in the box of the wiring system.

Другое преимущество изобретения состоит в том, что один трансформатор может быть использован для широкого диапазона нагрузок, такого как 25 Вт - 3,7 кВт. В этом случае токи нагрузки могут составлять от 100 мА до 16 А.Another advantage of the invention is that one transformer can be used for a wide range of loads, such as 25 W - 3.7 kW. In this case, the load currents can be from 100 mA to 16 A.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:Next, with reference to the accompanying drawings will be described in detail examples of the invention. In the drawings:

фиг.1 изображает принципиальную схему электрического выключателя с питанием, осуществляемым в соответствии с изобретением,figure 1 depicts a schematic diagram of an electric switch with power, carried out in accordance with the invention,

фиг.2 изображает принципиальную схему электрического выключателя в другом примере выполнения с питанием, осуществляемым в соответствии с изобретением,figure 2 depicts a schematic diagram of an electric switch in another example of execution with power, carried out in accordance with the invention,

фиг.3 изображает схему практического осуществления питания электрического выключателя,figure 3 depicts a diagram of the practical implementation of the power of the electric switch

фиг.4А и 4В изображают диаграммы вторичных напряжений трансформатора для двух различных нагрузок.4A and 4B are diagrams of the secondary voltages of a transformer for two different loads.

Для обозначения аналогичных элементов на чертежах использованы одинаковые позиции.To denote similar elements in the drawings used the same position.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Изобретение относится к источнику питания для электроуправляемого выключателя 1, такого как электромеханический выключатель и/или полупроводниковый выключатель, через который проходит только один электропровод.The invention relates to a power source for an electrically controlled switch 1, such as an electromechanical switch and / or a semiconductor switch, through which only one wire passes.

Как показано на фиг.1 и 2, электрический выключатель 1 включен в линию тока, например, электропровод J, между источником Е переменного тока, предпочтительно однофазной сети переменного тока, и нагрузкой L. С помощью электрического выключателя 1 питание нагрузки L от источника Е прерывается и, соответственно, подается, в зависимости от того, находится ли выключатель в выключенном положении а или включенном положении k. Электрический выключатель 1 устанавливается в выключенное или включенное положения с помощью управляющего блока 2. Предпочтительно, чтобы на управляющий блок 2 поступала внешняя функциональная команда (показана стрелками на фиг.1 и 2).As shown in FIGS. 1 and 2, an electric switch 1 is connected to a current line, for example, an electric wire J, between an alternating current source E, preferably a single-phase alternating current network, and a load L. With an electric switch 1, the load L from the source E is interrupted and accordingly, depending on whether the switch is in the off position a or on position k. The electric switch 1 is installed in the off or on position using the control unit 2. It is preferable that an external functional command (shown by arrows in FIGS. 1 and 2) is received at the control unit 2.

Система питания для электрического выключателя 1 содержит трансформатор 3 тока, выпрямитель 4 и источник 5 постоянного тока. Первичная цепь W1 трансформатора 3 соединена последовательно с электрическим выключателем 1. Питание, потребляемое электрическим выключателем 1 и управляющим блоком 2, обеспечивается источником 5 постоянного тока в обход электрического выключателя 1, когда он находится в выключенном положении а, а сетевой источник питания отключен, и от вторичной цепи W2 трансформатора 3 через выпрямитель 4, когда выключатель находится во включенном положении k, а переменный ток от источника Е переменного тока подается на нагрузку L.The power system for the electric switch 1 contains a current transformer 3, a rectifier 4 and a direct current source 5. The primary circuit W1 of the transformer 3 is connected in series with the electric switch 1. The power consumed by the electric switch 1 and the control unit 2 is provided by a direct current source 5 bypassing the electric switch 1 when it is in the off position a and the mains power supply is disconnected, and from the secondary circuit W2 of the transformer 3 through the rectifier 4, when the switch is in the on position k, and the alternating current from the source E of the alternating current is supplied to the load L.

Согласно изобретению при функционировании трансформатора 3 его насыщение происходит на каждом полуцикле тока сети.According to the invention, when the transformer 3 is functioning, its saturation occurs on each half-cycle of the network current.

В идеальном трансформаторе отношение величин тока в первичной и вторичной цепях обратно пропорционально отношению числа витков первичной и вторичной обмоток или цепей. На практике величина тока намагничивания создает разницу в этих отношениях. Для того чтобы по возможности точно выдерживать отношение токов в первичной и вторичной цепях, должно сводиться к минимуму искажение от тока намагничивания, то есть величина тока намагничивания должна быть как можно меньшей. Чем больше индуктивность намагничивания, тем меньше ток намагничивания. Величина индуктивности намагничивания зависит от числа витков обмотки, размеров трансформатора и материала сердечника. В конструкциях стандартных трансформаторов величина тока намагничивания не превышает 3% от измеряемого рабочего тока.In an ideal transformer, the ratio of current values in the primary and secondary circuits is inversely proportional to the ratio of the number of turns of the primary and secondary windings or circuits. In practice, the magnitude of the magnetization current creates a difference in these relationships. In order to accurately withstand the ratio of currents in the primary and secondary circuits, distortion from the magnetization current should be minimized, that is, the magnitude of the magnetization current should be as small as possible. The larger the magnetization inductance, the lower the magnetization current. The magnitude of the magnetization inductance depends on the number of turns of the winding, the size of the transformer and the core material. In standard transformer designs, the magnetization current does not exceed 3% of the measured operating current.

В обычном трансформаторе величина вторичного напряжения U не превышает величины порогового напряжения U_k=1 В, поскольку высокое вторичное напряжение повышает величину тока I намагничивания:In a conventional transformer, the secondary voltage U does not exceed the threshold voltage U _k = 1 V, since a high secondary voltage increases the magnitude of the magnetization current I:

U_k=L×(di/di)↔di=(dt×U)/L, гдеU _k = L × (di / di) ↔di = (dt × U) / L, where

L - индуктивность трансформатора.L is the transformer inductance.

По этой причине вторичная обмотка трансформатора соединена с нагрузочным резистором, имеющим низкое сопротивление, так что с помощью этого резистора величина вторичного напряжения U ограничивается до требуемой величины.For this reason, the secondary winding of the transformer is connected to a load resistor having a low resistance, so that with this resistor the magnitude of the secondary voltage U is limited to the desired value.

Как уже было упомянуто, в источнике питания по изобретению обеспечивается насыщение трансформатора 3. В этом случае вторичные напряжения U не ограничиваются, как в известном трансформаторе, а число слоев обмотки выбирается низким. Оба этих обстоятельства повышают величину тока намагничивания настолько, что трансформатор насыщается.As already mentioned, the transformer 3 is saturated in the power supply according to the invention. In this case, the secondary voltages U are not limited, as in the known transformer, and the number of winding layers is selected low. Both of these circumstances increase the magnitude of the magnetization current so that the transformer becomes saturated.

В качестве материала сердечника трансформатора 3 выбирают материал с высоким коэффициентом магнитной проницаемости Р. К таким материалам относятся, среди прочих, чистое железо (Р=180000) и некоторые сплавы железа с никелем, такие как пермаллой (Р=100000). Одним из имеющихся на рынке материалов, пригодных в качестве материала для сердечника трансформатора, является материал марки NANOPERM™. Плотность потока насыщения этого материала составляет 1,2 Т, а максимальная магнитная проницаемость - 80000. Число витков в первичной обмотке W1 трансформатора 3 равно или меньше 10. Кроме того, сечение провода первичной обмотки выбирается равным по меньшей мере 0,75 мм², чтобы обеспечить возможность работы трансформатора с сильными токами, порядка 10 А. Число витков во вторичной обмотке W2 трансформатора 3 выбирается равным или больше 200. Предпочтительно также выполнение сердечника трансформатора в виде тороидального кольца.As the core material of the transformer 3, a material with a high coefficient of magnetic permeability R is selected. These materials include, among others, pure iron (P = 180,000) and some alloys of iron with nickel, such as permalloy (P = 100,000). One of the materials on the market that is suitable as a material for the core of a transformer is NANOPERM ™ grade material. The saturation flux density of this material is 1.2 T and the maximum magnetic permeability is 80,000. The number of turns in the primary winding W1 of the transformer 3 is equal to or less than 10. In addition, the cross section of the primary winding wire is selected to be at least 0.75 mm ² to provide the transformer with high currents, about 10 A.

В качестве примера ниже приведен расчет максимальной величины синусоидального вторичного напряжения U на вторичной обмотке W2, при котором трансформатор 3 не насыщается.As an example, below is the calculation of the maximum value of the sinusoidal secondary voltage U on the secondary winding W2, at which the transformer 3 is not saturated.

Максимальное потокосцепление трансформатора равно:The maximum flux linkage of the transformer is equal to:

λ_max=N×A_C×B_S,λ _max = N × A _C × B _S ,

гдеWhere

N - число витков в обмоткеN is the number of turns in the winding 300300 А_C - площадь поперечного сечения тороидального кольцаAnd _C is the cross-sectional area of the toroidal ring 0,24×10^-6 м² 0.24 × 10 ^-6 m ² B_S - плотность потока насыщения материала тороидальногоB _S - saturation flux density of the material toroidal 1,2 Т1.2 T

СердечникаCore

λ_max≈8,64×10^-3 B·c.λ _max ≈8.64 × 10 ^-3 B s.

С другой стороны, максимальное потокосцепление может быть вычислено также из интеграла синусоидального вторичного напряжения:On the other hand, the maximum flux linkage can also be calculated from the integral of the sinusoidal secondary voltage:

где

Where

U_max - пиковая величина вторичного напряжения иU _max - peak value of the secondary voltage and

ω - угловая частота 2πf.ω is the angular frequency 2πf.

В данном случае получаемая величина максимального потокосцепления должна быть равна λ_max, то естьIn this case, the obtained maximum flux linkage should be equal to λ _max , i.e.

2×U_max/ω=λ_max↔U_max=λ_maxπf=8,64×10^-3B·c×3,14×50 Гц≈1,36 В2 × U _max / ω = λ _max ↔ U _max = λ _max πf = 8.64 × 10 ^-3 V · c × 3.14 × 50 Hz ≈ 1.36 V

Как видно на фиг.4А и 4В, которые будут описаны далее, при минимальной нагрузке трансформатора 3 пиковая величина вторичного напряжения составляет по меньшей мере 9 В, что явно выше, чем полученная расчетная максимальная величина 1,36 В синусоидального вторичного напряжения. Следовательно, трансформатор 3 насыщается при данных исходных величинах.As can be seen in FIGS. 4A and 4B, which will be described later, with a minimum load of transformer 3, the peak value of the secondary voltage is at least 9 V, which is clearly higher than the calculated maximum value of 1.36 V of the sinusoidal secondary voltage. Therefore, the transformer 3 is saturated at these initial values.

Другой пример системы питания для электрического выключателя 1 показан на фиг.2. В этом случае электрический выключатель 1 содержит в качестве переключающего элемента релейный выключатель 11, возможно, бистабильный релейный выключатель. Для бистабильного релейного выключателя электропитание требуется только при изменении его состояния из проводящего на непроводящее и наоборот, так что он экономичен в отношении энергопотребления. В данном примере выполнения вторичная обмотка W2 трансформатора 3 содержит две последовательные обмотки W2a, W2b. В системе предусмотрено два выпрямителя 4а, 4b, предпочтительно двухполупериодных выпрямителя. Вход первого выпрямителя 4а соединен с концами только первой обмотки W2a, а вход второго выпрямителя 4b соединен с концами как первой, так и второй вторичной обмоток W2a, W2b. Источник 5 постоянного тока содержит два конденсатора С1, С2, при этом первый конденсатор С1 соединен с выходом первого выпрямителя 4а, а второй конденсатор С2 соединен с выходом второго выпрямителя 4b.Another example of a power system for an electrical switch 1 is shown in FIG. In this case, the electrical switch 1 comprises, as a switching element, a relay switch 11, possibly a bistable relay switch. For a bistable relay switch, power is only required when its state changes from conductive to non-conductive and vice versa, so that it is economical in terms of power consumption. In this exemplary embodiment, the secondary winding W2 of the transformer 3 comprises two consecutive windings W2a, W2b. Two rectifiers 4a, 4b, preferably half-wave rectifiers, are provided in the system. The input of the first rectifier 4a is connected to the ends of only the first winding W2a, and the input of the second rectifier 4b is connected to the ends of both the first and second secondary windings W2a, W2b. The DC source 5 contains two capacitors C1, C2, while the first capacitor C1 is connected to the output of the first rectifier 4a, and the second capacitor C2 is connected to the output of the second rectifier 4b.

Источник Е переменного тока, такого как однофазный ток сети, подключен через релейный выключатель 11 электрического выключателя к нагрузке L и занулен через нагрузку с образованием цепи, которая может быть замкнута или разомкнута посредством релейного выключателя. Когда релейный выключатель 11 электрического выключателя находится в выключенном положении, то есть он не проводит ток, имеет место высокий импеданс. В этом положении электрическая энергия для функционирования компонентов электрического выключателя генерируется низким током, проходящим через нагрузку L. Для этой цели источник 5 постоянного тока содержит понижающую цепь 51, которая соединена с релейным выключателем 11 и первичной обмоткой W1 трансформатора 3. В понижающей цепи 51 основное напряжение Е сети преобразуется в соответствующее низкое функциональное напряжение, обеспечивающее заряд конденсаторов С1 и С2. От конденсатора С1 мощность подается на управляющий блок 2 электрического выключателя. В конденсаторе С2 аккумулируется энергия, необходимая для изменения состояния релейного выключателя 11. Когда релейный выключатель 11 находится в стабильном состоянии, конденсатор С2 заряжается только собственным очень низким начальным током утечки.An alternating current source E, such as a single-phase mains current, is connected through a relay switch 11 of an electric switch to a load L and is nullified through a load to form a circuit that can be closed or opened by a relay switch. When the relay switch 11 of the electric switch is in the off position, that is, it does not conduct current, there is a high impedance. In this position, the electrical energy for the operation of the components of the electric switch is generated by a low current passing through the load L. For this purpose, the DC source 5 comprises a step-down circuit 51, which is connected to the relay switch 11 and the primary winding W1 of the transformer 3. In the step-down circuit 51, the main voltage E network is converted to the corresponding low functional voltage, providing a charge of capacitors C1 and C2. From capacitor C1, power is supplied to the control unit 2 of the electric switch. The capacitor C2 stores the energy necessary to change the state of the relay switch 11. When the relay switch 11 is in a stable state, the capacitor C2 is charged only with its own very low initial leakage current.

От управляющего блока 2 электрического выключателя команда на перевод релейного выключателя 11 во включенное положение, то есть в проводящее состояние, подается соответствующим управляющим импульсом. Управляющий блок 2, в свою очередь, управляется, например, с помощью внешнего датчика, такого как пассивный инфракрасный датчик PIR, или таймера. В проводящем состоянии релейный выключатель 11 имеет низкое сопротивление. При включении релейного выключателя 11 ток нагрузки начинает проходить через релейный выключатель 11, и напряжение на электрическом выключателе падает практически до нуля. Напряжение на конденсаторе С2 понижается по сравнению с более ранним значением, так как релейный выключатель 11 потребляет энергию. Напряжение на конденсаторе С1 начинает падать, так как управляющий блок 2 заряжает его непрерывно. Одновременно с началом пропускания тока через релейный выключатель начинает функционировать трансформатор 3. Поскольку вторичные обмотки W2a и W2b трансформатора 3 соединены последовательно, напряжение на конденсаторе С2 устанавливается по существу на уровне суммы напряжений, получаемых от вторичных обмоток (за вычетом потерь напряжения в двухполупериодном выпрямителе 4b). Соответственно, напряжение на конденсаторе С1 устанавливается на уровне напряжения, получаемого от первой вторичной обмотки W2a (за вычетом потерь напряжения в двухполупериодном выпрямителе 4а). С течением времени достигается баланс напряжения, когда ток утечки конденсатора С2 равен току зарядки от трансформатора 3. При этом напряжение на конденсаторе С2 остается достаточно высоким, чтобы обеспечить возможность перевода релейного выключателя 11 электрического выключателя в выключенное положение. Напряжение на конденсаторе С1 остается на уровне, достаточном для поддержания работы электрического выключателя.From the control unit 2 of the electric switch, the command to transfer the relay switch 11 to the on position, i.e. to the conducting state, is supplied by the corresponding control pulse. The control unit 2, in turn, is controlled, for example, using an external sensor, such as a passive infrared PIR sensor, or a timer. In the conductive state, the relay switch 11 has a low resistance. When the relay switch 11 is turned on, the load current begins to pass through the relay switch 11, and the voltage at the electric switch drops to almost zero. The voltage across capacitor C2 is reduced compared to an earlier value, since the relay switch 11 consumes energy. The voltage on the capacitor C1 begins to fall, since the control unit 2 charges it continuously. At the same time that the current passes through the relay switch, the transformer 3 starts to operate. Since the secondary windings W2a and W2b of the transformer 3 are connected in series, the voltage on the capacitor C2 is set essentially at the level of the sum of the voltages received from the secondary windings (minus the voltage loss in the half-wave rectifier 4b) . Accordingly, the voltage across capacitor C1 is set at the voltage level obtained from the first secondary winding W2a (minus voltage losses in the half-wave rectifier 4a). Over time, a voltage balance is achieved when the leakage current of capacitor C2 is equal to the charging current from transformer 3. In this case, the voltage across capacitor C2 remains high enough to enable the relay switch 11 of the electric switch to be turned off. The voltage across capacitor C1 remains at a level sufficient to maintain the operation of the electrical switch.

Следующая команда на перевод релейного выключателя 11 в выключенное положение подается от управляющего блока в виде соответствующего управляющего импульса. При этом управляющий блок 2, в свою очередь, управляется от внешнего устройства, как было указано выше. Прохождение тока нагрузки отсекается. Теперь на электрическом выключателе снова напряжение сети. Напряжение на конденсаторе С2 может слегка снизиться, но конденсаторы начинают немедленно заряжаться через понижающую цепь 51. Напряжение на конденсаторе С1 поддерживается его зарядкой подобным образом.The next command to transfer the relay switch 11 to the off position is supplied from the control unit in the form of a corresponding control pulse. In this case, the control unit 2, in turn, is controlled from an external device, as mentioned above. The passage of the load current is cut off. Now the mains voltage is again on the electric switch. The voltage on capacitor C2 may slightly decrease, but the capacitors begin to charge immediately through a step-down circuit 51. The voltage on capacitor C1 is maintained by charging it in a similar manner.

Третий пример системы питания для электрического выключателя 1 показан на фиг.3. В этом случае электрический выключатель 1 содержит в качестве выключающего элемента релейный выключатель 11, а именно бистабильный релейный выключатель, и соединенный параллельно с ним двухходовой полупроводниковый выключатель 12 - в данном примере выполнения симистор. В остальном электрический выключатель по фиг.3 и источник его питания аналогичны электрическому выключателю и источнику питания по фиг.2. Полупроводниковый выключатель 12 выполнен таким образом, что проводит ток, когда контакты релейного выключателя 11 размыкаются и замыкаются, что предотвращает пичковый режим контактов релейного выключателя 11. С помощью полупроводникового выключателя 12 может также осуществляться так называемое нулевое переключение. Это означает, что электропитание нагрузки всегда включается и выключается на нулевой точке напряжения сети. Преимущество данного решения состоит в том, что оно дает возможность переключать и управлять с помощью электрического выключателя всеми типами нагрузки: активной, емкостной и индуктивной нагрузкой.A third example of a power system for an electrical switch 1 is shown in FIG. In this case, the electric switch 1 contains as a switching element a relay switch 11, namely a bistable relay switch, and a two-way semiconductor switch 12 connected in parallel with it, in this example a triac. The rest of the electric switch in figure 3 and its power source are similar to the electric switch and power source in figure 2. The semiconductor switch 12 is configured to conduct current when the contacts of the relay switch 11 open and close, which prevents the spiked mode of the contacts of the relay switch 11. With the help of the semiconductor switch 12, so-called zero switching can also be carried out. This means that the power supply to the load always turns on and off at the zero point of the mains voltage. The advantage of this solution is that it makes it possible to switch and control with the help of an electric switch all types of loads: active, capacitive and inductive loads.

В принципе электрический выключатель и источник его питания по фиг.3 действуют так же, как и в примере выполнения по фиг.2, поэтому описание их работы может быть заменено ссылкой на приведенное выше описание. Электрический выключатель по фиг.3 показан для иллюстрации нескольких предпочтительных примеров выполнения соединительных цепей для конденсаторов С1, С2 и для понижающей цепи 51. Управляющий блок 2 также показан в виде двух контуров: собственно управляющий блок 2а и блок 2b питания выключающих компонентов 11, 12. В этом примере выполнения управляющий блок также управляется сигналами, получаемыми от пассивного инфракрасного датчика PIR.In principle, the electric switch and its power source of FIG. 3 operate in the same way as in the embodiment of FIG. 2, therefore, a description of their operation can be replaced by a link to the above description. The electrical switch of FIG. 3 is shown to illustrate several preferred examples of connecting circuits for capacitors C1, C2 and for the step-down circuit 51. The control unit 2 is also shown in two circuits: the actual control unit 2a and the power supply unit 2b of the switching components 11, 12. In this exemplary embodiment, the control unit is also controlled by signals received from the passive infrared PIR sensor.

Понижающая цепь 51 содержит третий конденсатор С3, резистор R1 и стабилитрон Z1. Соединительные цепи первого и второго конденсаторов С1, С2 содержат, соответственно, первый и второй диоды D1, D2. Конденсаторы С1, С2 подключены к выходам соответствующих выпрямителей 4а, 4b. Диоды D1, D2 соединены в противоположных направлениях, а катодная клемма соединена с клеммой напряжения конденсатора С1, С2. Анодные клеммы диодов D1, D2 соединены друг с другом и катодной клеммой стабилитрона Z1, которая, в свою очередь, соединена последовательно через резистор и третий конденсатор С3 с нагрузкой L и выключателем 11. Анодная клемма стабилитрона Z1 соединена с источником переменного напряжения, то есть с опережением по фазе. Клемма напряжения первого конденсатора 1 соединена с управляющим блоком 2, в частности, с собственно управляющим блоком 2а, для обеспечения его питания. Клемма напряжения второго конденсатора С2 также соединена с управляющим блоком 2, в частности с блоком 2b питания.The step-down circuit 51 comprises a third capacitor C3, a resistor R1, and a zener diode Z1. The connecting circuit of the first and second capacitors C1, C2 contain, respectively, the first and second diodes D1, D2. Capacitors C1, C2 are connected to the outputs of the respective rectifiers 4a, 4b. Diodes D1, D2 are connected in opposite directions, and the cathode terminal is connected to the voltage terminal of the capacitor C1, C2. The anode terminals of the diodes D1, D2 are connected to each other and to the cathode terminal of the zener diode Z1, which, in turn, is connected in series through a resistor and a third capacitor C3 with a load L and a switch 11. The anode terminal of the zener diode Z1 is connected to an alternating voltage source, i.e., phase ahead. The voltage terminal of the first capacitor 1 is connected to the control unit 2, in particular, to the actual control unit 2a, to ensure its power supply. The voltage terminal of the second capacitor C2 is also connected to the control unit 2, in particular to the power supply unit 2b.

Когда релейный выключатель 11 электрического выключателя 1 находится в выключенном положении, питание управляющего блока 2 обеспечивается нагрузкой L и конденсатором С3 понижающей цепи 51, резистором R1 и стабилитроном Z1. При этом конденсаторы С1 и С2 заряжаются до напряжения, ограниченного стабилитроном Z1 (за вычетом порогового напряжения диодов D1 и D2).When the relay switch 11 of the electrical switch 1 is in the off position, the power supply of the control unit 2 is provided by the load L and the capacitor C3 of the step-down circuit 51, the resistor R1 and the zener diode Z1. In this case, the capacitors C1 and C2 are charged to a voltage limited by the Zener diode Z1 (minus the threshold voltage of the diodes D1 and D2).

Когда от управляющего блока электрического выключателя 1 подается управляющая команда на перевод релейного выключателя 11 во включенное положение, управляющий блок 2 вначале посылает управляющий импульс (длительностью около 40 мс) на полупроводниковый выключатель 12, а несколько позже (примерно через 10 мс) - на релейный выключатель 11. При этом ток нагрузки начинает проходить через выключатели 11, 12.When a control command is sent from the control unit of the electric switch 1 to put the relay switch 11 in the on position, the control unit 2 first sends a control pulse (about 40 ms in duration) to the semiconductor switch 12, and a little later (after about 10 ms) - to the relay switch 11. In this case, the load current begins to pass through the switches 11, 12.

Когда от управляющего блока электрического выключателя 1 подается управляющая команда на перевод релейного выключателя 11 в выключенное положение, управляющий блок 2 вначале посылает управляющий импульс (длительностью около 40 мс) на полупроводниковый выключатель 12, и несколько позже (примерно через 10 мс) релейный выключатель 11 устанавливается в выключенное положение. При этом прохождение тока нагрузки прерывается, и на электрическом выключателе 1 снова имеет место напряжение сети. Зарядка конденсатора С3 начинается через конденсатор С3 и резистор R1 понижающей цепи 51, пока стабилитрон Z1 не ограничит повышение напряжения. Напряжение на конденсаторе С1 растет до того же напряжения сети.When a control command is sent from the control unit of the electric switch 1 to put the relay switch 11 off, the control unit 2 first sends a control pulse (about 40 ms in duration) to the semiconductor switch 12, and a little later (after about 10 ms) the relay switch 11 is installed to the off position. In this case, the passage of the load current is interrupted, and the mains voltage again occurs on the electric switch 1. The charging of the capacitor C3 begins through the capacitor C3 and the resistor R1 of the step-down circuit 51, until the zener diode Z1 limits the voltage increase. The voltage across capacitor C1 rises to the same mains voltage.

Число витков в первичной обмотке трансформатора 3 составляет порядка 10 витков или даже меньше. Минимальное число витков в первой и второй вторичных обмотках W2a, W2b составляет порядка 200 витков, предпочтительно в пределах от 200 до 400 витков.The number of turns in the primary winding of the transformer 3 is about 10 turns or even less. The minimum number of turns in the first and second secondary windings W2a, W2b is of the order of 200 turns, preferably in the range of 200 to 400 turns.

На фиг.4А показана диаграмма измеренных осциллографом импульсов вторичного напряжения трансформатора 3 электрического выключателя по фиг.3 при использовании нагрузки L в виде лампы накаливания мощностью 25 Вт. Первое вторичное напряжение U1 измерено на первой вторичной обмотке W2a. Второе вторичное напряжение U2 измерено на обеих вторичных обмотках W2a, W2b.On figa shows a diagram of the measured by the oscilloscope pulses of the secondary voltage of the transformer 3 of the electrical switch of figure 3 when using the load L in the form of an incandescent lamp with a power of 25 watts. The first secondary voltage U1 is measured on the first secondary winding W2a. The second secondary voltage U2 is measured on both secondary windings W2a, W2b.

Согласно измерениям максимальные величины напряжения пика насыщения вторичных напряжений U1, U2 составляют соответственно 9 В и 14 В.According to the measurements, the maximum values of the saturation peak voltage of the secondary voltages U1, U2 are 9 V and 14 V, respectively.

На фиг.4В показана диаграмма соответствующих вторичных напряжений U1, U2 при нагрузке в виде лампы накаливания мощностью 100 Вт. При более высоком токе нагрузки длительность пика КР насыщения вторичных напряжений U1, U2 сокращается, но уровень напряжения соответственно повышается. Теперь согласно измерениям максимальные величины напряжения пика КР насыщения вторичных напряжений U1, U2 составляют соответственно 18 В и 30 В.On figv shows a diagram of the corresponding secondary voltages U1, U2 under load in the form of an incandescent lamp with a power of 100 watts. At a higher load current, the duration of the peak of the Raman saturation of the secondary voltages U1, U2 is reduced, but the voltage level increases accordingly. Now, according to measurements, the maximum values of the voltage of the peak of the Raman saturation of the secondary voltages U1, U2 are 18 V and 30 V.

В наиболее предпочтительном примере осуществления электрический выключатель 1 и система его питания предназначены для установки в стенной коробке, в особенности в коробке, которая установлена в гнезде стены и имеет ограниченное пространство для размещения элементов электрического выключателя. Трансформатор 3 электрического выключателя 1 намотан на тороидальном кольце с наружным диаметром 20 мм. Кольцевой сердечник изготовлен из материала NANOPERM™ (изготовитель - MAGNETEC GmbH). Ниже приведены числа витков обмоток трансформатора 3 и диаметр проволоки.In a most preferred embodiment, the electrical switch 1 and its power supply system are intended to be installed in a wall box, in particular in a box that is installed in a wall socket and has limited space for accommodating the elements of the electric switch. The transformer 3 of the electric switch 1 is wound on a toroidal ring with an outer diameter of 20 mm. The ring core is made of NANOPERM ™ material (manufacturer - MAGNETEC GmbH). Below are the number of turns of the windings of the transformer 3 and the diameter of the wire.

W1: 6 витков, изолированная проволока 0,75 мм² W1: 6 turns, insulated wire 0.75 mm ²

W2a: 300 витков, медная проволока диаметром 0,18 ммW2a: 300 turns, 0.18 mm diameter copper wire

W2b: 200 витков, медная проволока диаметром 0,18 мм.W2b: 200 turns, 0.18 mm diameter copper wire.

Проведенные испытания показали, что электрический выключатель работает без дефектов при требуемом токе нагрузки 100 мА - 10 А.The tests showed that the electric switch works without defects at the required load current of 100 mA - 10 A.

Для специалиста в данной области понятно, что при осуществлении изобретения возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема охраны, который определен в формуле изобретения.For a person skilled in the art it is clear that during the implementation of the invention, various changes and modifications are possible without going beyond the scope of protection defined in the claims.

Claims

1. A method of providing power to an electric switch (1) connected to a current line (J) between an alternating current source (E), preferably an alternating current network, and a load (L) for interrupting or supplying energy to it, the switch being connected in series with the primary circuit (W1) of the transformer (3), so that the electric power for the control unit (2) of the switch and, possibly, for the switch itself is taken bypassing the switch when it is in the off position (a) and from the secondary circuit (W2) of the transformer through the rectifier (4) pr and finding the switch in the on position (k) when the energy is supplied to the load (L), characterized in that when the transformer (3) is functioning, it is saturated on each half-cycle of the mains current, and the saturation peaks (KR) of the secondary voltage of the secondary circuit (W2 ; W2a; W2b) the transformer is rectified to receive direct current energy when the switch is in the on position (k).

2. The power system for the electric switch (1) connected to the current line (J) between the AC source and the load (L) to interrupt or supply energy to it, while the switch is connected in series with the primary circuit (W1) of the transformer (3) and the electric power for the control unit (2) of the switch and, possibly, for the switch itself is taken bypassing the switch when it is in the off position (a), when the power supply to the load is interrupted, and from the secondary circuit (W2) of the transformer through the rectifier (4 ) when in switch in the on position (k), when energy is supplied to the load (L), characterized in that the transformer (3) is configured to operate in such a way that it is saturated on each half-cycle of the mains current, while the saturation peaks (KP) of the secondary voltage the secondary circuit (W2; W2a; W2b) of the transformer is introduced into the rectifier (4; 4a; 4b) to obtain direct current energy when the switch is in the on position (k).

3. The power system according to claim 2, characterized in that the core of the transformer (3) is made in the form of a toroidal ring.

4. The power system according to claim 2 or 3, characterized in that the transformer (3) contains two secondary windings (W2a; W2b) through which energy is supplied, on the one hand, to the control unit (2) of the electric switch (1) and, on the other hand, to the switch itself (11, 12).

5. The power supply system according to claim 2, characterized in that the core of the transformer (3) is made of a material having high magnetic permeability.

6. The power supply system according to claim 5, characterized in that the number of turns of the primary winding (W1) of the transformer (3) is equal to or less than 10.

7. The power supply system according to claim 6, characterized in that the cross section of the primary winding wire (W1) of the transformer (3) is at least 0.75 mm ² .

8. The power supply system according to claim 5, characterized in that the number of turns of the secondary winding (W2; W2a; W2b) of the transformer (3) is greater than or equal to 200.

9. The power supply system according to one of claims 5 to 8, characterized in that the transformer (3) contains two secondary windings (W2a; W2b), through which energy is supplied, on the one hand, to the control unit (2) of the electric switch ( 1) and, on the other hand, to the switch itself (11, 12).

10. The power system according to claim 5, characterized in that the core of the transformer (3) is made in the form of a toroidal ring.

11. The power supply system of claim 10, characterized in that the number of turns of the primary winding (W1) of the transformer (3) is equal to or less than 10.

12. The power supply system according to claim 11, characterized in that the cross section of the wire of the primary winding (W1) of the transformer (3) is at least 0.75 mm ² .

13. The power supply system of claim 10, characterized in that the number of turns of the secondary winding (W2; W2a; W2b) of the transformer (3) is greater than or equal to 200.

14. The power supply system according to one of claims 10 to 13, characterized in that the transformer (3) contains two secondary windings (W2a; W2b), through which energy is supplied, on the one hand, to the control unit (2) of the electric switch ( 1) and, on the other hand, to the switch itself (11, 12).

15. The power supply system according to claim 5, characterized in that the core material of the transformer (3) is a NANOPERM ™ material.

16. The power supply system according to item 15, wherein the number of turns of the primary winding (W1) of the transformer (3) is equal to or less than 10.

17. The power system according to clause 16, characterized in that the cross section of the wire of the primary winding (W1) of the transformer (3) is at least 0.75 mm ² .

18. The power system according to item 15, wherein the core of the transformer (3) is made in the form of a toroidal ring.

19. The power system according to claim 18, characterized in that the number of turns of the primary winding (W1) of the transformer (3) is equal to or less than 10.

20. The power supply system according to claim 19, characterized in that the cross section of the primary winding wire (W1) of the transformer (3) is at least 0.75 mm ² .

21. The power supply system according to item 15, wherein the number of turns of the secondary winding (W2; W2a; W2b) of the transformer (3) is greater than or equal to 200.

22. The power supply system according to one of claims 18 to 21, characterized in that the transformer (3) contains two secondary windings (W2a; W2b), through which energy is supplied, on the one hand, to the control unit (2) of the electric switch ( 1) and, on the other hand, to the switch itself (11, 12).