近零闸的制作方法

专利名称：近零闸的制作方法
技术领域：
本发明属于交流电负载供电控制技术领域，特别是把每一次供电控制全都锁定在供电的零值电压近旁实现。

背景技术：
交流电负载所用的各种有触头开关(包括各类触头式继电器)无法在交流电的零值电压近旁完成开关控制，也无法消除由此衍生的高频辐射；一般的无触头开关(如晶体管开关、可控硅开关)也都不着眼于在交流电零值电压近旁完成开关控制，故有害的高频杂波仍然强烈涌现，本发明利用当今世界已问世的最先进电子元器件配制近零闸，迫使供电控制按需要在逼近零值电压的微小区间内完成，从而大幅度抑制了高频杂波的出现。本发明是发明人2000年申报的专利技术00117841.5的更准确的概括。


发明内容
本发明的目的配制一种无触头开关，让它有能力在而且只在交流电Vt的每个零值电压的近旁完成对负载RL的供电开启作用。
如图1近零闸由δV探头、信号处理器、Δ闸三个部件构成，其中，Δ闸是对负载RL执行近零控制供电的部件，δV探头是通过电阻Ri从Vi捕捉原始近零信号的部件，信号处理器则是将δV探头传来的原始信号加工成适当指令下达到ΔV闸执行的桥梁。显然，光凭以上三部件尚不能说明近零闸为何物，还得详细说明“近零”与“闸”的内涵。
Δ闸是执行近零闸功能的部件，先从它说起。
近零闸的“闸”，是指Δ闸使用的是可控硅，但可控硅必须适用于交流电Vi的双向控制供电。
近零闸的“近零”内涵较复杂，鉴于近、远零是相对概念，如何划分远近分界涉及定量，为此，还得首先界定本文几个技术词汇的内涵①时间的前沿、后沿在直角坐标系中，横轴表示时间t，当时刻t1与时刻t2满足条件t2＝t1+Δt，且Δt＞0时，称t1是t2的后沿。t2是t1的前沿②交流电源∽Vi(本文以Vi或Vi(t)表示)在直角坐标系中，纵轴表示Vi的电压值，Vi(t)是随t连续变化的周期为T的电压，其正、负半波轮流出现，每个周期只有两个零值电压，每个半波一头一尾各一个零值电压，任一个正半波内只有一个峰值电压Vm，任一个负半波内只一个谷值电压VQ，其中Vm＞0，VQ＜0，这里，0.25Vm≤|VQ|≤4Vm；Vi(t)的特点其正半波从后沿零值电压起，随t增大变到该半波的峰值电压Vm是逐渐爬升的，在此爬升区间里，微商

均为正值，既不为零值，也不是无穷大其负半波从后沿零值电压起，随t增大变到该半波的谷值电压VQ是逐渐下滑的，在此下滑区间里，微商

均为负值，既不为零值，也不是无穷大；微商即斜率。正弦交流电Vm·Sin2πft只是Vi(t)中一种波形，方波不属于Vi(t)范围。③负载RL电阻型负载，或可近似当作电阻的准电阻型负载。现在解释Δ闸的”近零”内涵按近零程度不同，可把近零控制分成若干等级，比如分成甲级、乙级、丙级三个等级近零控制。因为Δ闸使用可控硅，连续变化的交流电源Vi落实到负载R1导通时，其端电压VR必然是不连续的，即正半波都不与相邻的负半波互相连接，因此，近零闸的甲级近零控制供电应是指根据信号处理器传来的指令、对所有需要供电的正半波，一律把开启对RL供电的区间锁定在Vi(t)从该半波的后沿零值电压起，随t增大而爬开至ΔV甲这一小区间内完成，其中，ΔV甲≤0.001Vm；对所有需要供电的负半波，一律把开启对RL供电的区间锁定在从该半波的后沿零值电压起，随t增大而下滑至ΔV′甲这一小区间内完成，其中，|ΔV′甲|≤0.001×|VQ|，以上甲级近零控制供电区前沿用下述方式表述 (正半波爬升区)ΔV甲≤0.001Vm (负半波下滑区)|ΔV′甲|≤0.001×|VQ| 乙级近零控制供电区的前沿 (正半波爬开区)0.001Vm＜ΔV乙≤0.01Vm (负半波下滑区)0.001×|VQ|＜|ΔV′乙|≤0.01×|VQ| 丙级近零控制供电区的前沿 (正半波爬升区)0.01Vm＜ΔV丙≤0.1Vm (负半波下滑区)0.01×|VQ|＜|ΔV′丙|≤0.1×|VQ| 概括而言是 Vi在正半波，爬升区后沿是零值电压，其前沿却距离该半波峰值Vm很远，但距离该半波后沿零值电压又很近；Vi在负半波，下滑区后沿是零值电压，其前沿却距该半波谷值VQ很远，但距该半波的后沿零值电压又很近，这就是“近零”的内涵，可见，“很远”与“很近”均是比较而言。
举一个典型例子说明上述Δ闸是甲级近零控制供电时的“近零”数据 人所共知的市电，其电源以Vi(t)＝Vm·Sin2πft表示,其中


周期

是很容易算出ΔV甲＝|ΔV′甲|≤0.31伏。由Vi(t)的波形曲线也易算出若把某个半波的后沿零值电压的时刻t1看作起始“0”，则该半波爬升或下滑的前沿t2对应的0.31伏必然是

得t2≈3.2μs(μs微秒)。物理意义是对市电的甲级近零控制供电是将每个半波内Vi从后沿零值电压起爬升或下滑到时间增量为3.2μs的小区间，与Vi从后沿零值电压起爬升或下滑到峰值或谷值的5ms(毫秒)的时间长度相比，前者还不到后者的万分之七。若能迫使对RL的供电控制一律在此小区间(0；3.2μs)内实现，减少的高频辐射能量至少也有三个数量级，因为瞬时幅射功率是与瞬时电压跳变的平方成正比的。
上述甲级近零闸真能配置吗？ 配置任一级近零闸均需具备以下两个条件 ①前提条件看Δ闸选用什么材料。本发明的Δ闸选用可控硅，但对可控硅的技术指标有严格限制，即使选用最先进的双向可控硅，对于双向可控硅VTH，也必须选用技术质量指标合格者。判断VTH技术质量主要通过其额定参数，极限参数(包括维持电流IH)，但这还不够，还必须新增一个关键参数专供近零闸之用，就是阀电压VF为何值。目前尚未在国际上有—个权威机构为VTH的VF参数下定义，发明人在2000年的专利申请00117841.5中曾经提过一次VF的定义，测量较难，为了使用之便，本发明另外为VF下个便于测量的定义。
定义当双向可控硅VTH的控制极G和主电极T1(电位参考电极)之间注入某一恒定强电流IZ时，若主电极T2至主电极T1之间施加的电压Vi(t)由后沿零值电压爬升或下滑至某一绝对值为VF的值，便立即使VTH从截止态翻转至饱和导通态，则称该VF为VTH的阀电压；如果VTH从截止态翻转至饱和导通态之间还出现一个非饱和导通区，则以非饱和导通区跳至饱和导通态之界值电压为VF；如果交流电Vi正半波峰值电压Vm不等于负半波谷值电压VQ的绝对值，则以较大的电压为VF；一个双向可控硅的VF值也可能受温度等环境因素影响，测VF时以20℃环境为准。举例如果想在市电领域以双向可控硅VTH配制一个Vi(t)的爬升区前沿为0.1伏的甲级近零闸，VTH的选材标准为何？除VTH的额定参数，极限参数(包括维持电流IH)都应按常规选择以外，关键要选VTH的VF值是VF＜0.05伏(这里包含有VF值可能的温升影响)，即要选VF值比爬升区前沿的0.1伏还小一半。这是Δ闸选用VTH制作甲级近零闸成功的前提。
②配制近零闸的前提条件只是为制造提供了可能，如果要将制作变成现实，还得看信号处理器为Δ闸下达了怎样的控制指令。
如图4、图5，信号处理器不是自己产生控制信号的部件，而是先将探头和遥控、监控信号源传来的信号整合好，再按VTH的触发导通要求处理成适当指令送往VTH控制极G的。δV探头、信号处理器、遥控监控信号源都由各自的低压直流稳压电源E1、E2、E3提供工作能源，工作条件很稳定，E1、E2、E3也可以只由一个电源承担。K是Vi(t)供电的总开关。
信号处理器送到VTH的指令根据近零闸的不同等级也不同，如果是前述的Vi(t)为市电，Δ闸为VTH且其VF＜0.05伏，则信号处理器向VTH下达的行动指令应是一串脉冲，该脉冲的特点已在我以前的专利技术00117841.5中提到过，它的特点应是(A)这串脉冲的总长度以遥控监控信号源所要求的Δ闸开闸供电的时间长度为准；(B)这串脉冲包含若干个正脉冲，脉冲的周期恰好为市电周期的一半，即为10ms；每个正脉冲的幅度恰好为信号处理器的工作电源E2的电压值，且信号处理器能保证为Δ闸VTH的控制极G输入的触发电流至少是IZ值；每个正脉冲的前沿ΔV甲设定在ΔVi为0.2伏至0.3伏之内时的某个t值，脉冲的后沿均在贴近Vi(tm)＝0的一个极小时区(tN；tN+δt)之内，δt是什么时间？δt由δV值确定，这个δV值本应是δV探头直接从Vi(t)捕捉的原始近零信号上界，图1的电阻Ri本应是用于保护δV探头不被Vi(t)的峰值击穿之用的，有了Ri之后，对δV探头就有了很明确的要求(1)该探头必须有纯电阻性的输入阻抗(不得有电抗成份)(2)该探头必须有准确的输入电阻值r；在这两个条件下，δV探头从Vi(t)捕捉的原始近零信号的上界δV是

这里的(δVr)是该探头实际捕捉的信号，可见，实际捕捉的(δVr)比本应捕得的δV还要小；δt值可由函数Vi(t)通过δV值算出。本发明要求，与相应的执行部件Δ闸已确定的前沿ΔV值相比，δV值至少应满足条件δV值≤0.1ΔV(这里ΔV值与δV均为正值)；因此，对于前述的市电供电，若已确定Δ闸为VTH，且其中ΔV甲＝2VF＜0.1伏，则必须有δV值≤0.01伏按市电波函数可算出对应δV值≤0.01伏；

就是说，对市电电压(有效值)为220伏，Δ闸为VTH，若想配制一个ΔV甲＝0.1伏的甲级近零闸，就要能作到VTH的VF选自不超过0.05伏者；信号处理器向Δ闸下达的指令应是一串脉冲，脉冲周期恰好为市电周期一半，即10ms，脉冲幅度为E2，脉冲后沿在时区(tN；tN+0.1μs)之内，脉冲前沿在时区(tN；tN+Δt)之内，其中Δt是时区[2μs；3μs]里某个t值，这里2μs对应着ΔV＝0.2伏，3μs对应着ΔV＝0.3伏。这种脉冲宽度可在电网电压有小的波动时，也确保向Δ闸下达的执行指令有效。但脉宽不得太大。
以上通过数值实例对信号处理器功能的叙述具有举一反三的意义，信号处理器能有如此功能缘于其内部电子线路的材料与结构，这种线路也不少，00117841.5中就有一例。
至此，还需再对δV探头的功能补充说明。
回到图1，如前所述，必须δV≤0.1ΔV，实际上δV越小越好，捕得的原始近零信号也会越贴近零值，但δV决不能等于零，一旦等于零将无原始信号可捕对δV探头也有严格要求，

灵敏度必须很高；

接入Vi(t)后，既不可被Vi的峰值击穿，也不得在探头输入端对Vi(t)的波相位产生相移。要求

比较容易满足，唯有避免相移较难，为此，以下介绍几种避免相移方法 1、在准确已知δV探头输入阻抗值条件下，以00117841.5一文中曾建议的整容法将该探头的输入端修理成为呈现纯电阻特性的探头； 2、如图2，制作档次不高的近零闸时，如制作乙级、丙级时，可用图2方法，但是电阻Ri的值必须至少小于δV探头输入阻抗的千分之一，而且两个反向并联的整流二级管D都选用硅二级管，如选1N4007等；δV探头输入端也并联于整流二级管D； 3、如图3，制作低档次近零闸时也可用图3方法，要求R1＞20·R2，而R2的阻值又至少小于δV探头输入阻抗的千分之一R1与R2是Vi(t)的纯电阻分压器；δV探头输入端与R2并联。
本发明优点与交流供电领域的所有开关相比(无论它们是有触头的刀开关，按键按钮开关，拨档转换开关，还是大、中、小、微各型衔铁式继电器、交流接触器等，也不管它们是无触头的晶体管开关、光控可控硅、单向或双向可控硅等)，实际上唯有本发明的近零闸才能如此大幅度地削除开关的动作所衍生的高频辐射；因此，也就只有近零闸才算得上是电控开关中反电磁波杂波污染的环保卫士，既不会去干扰别的收用空间电磁波的电器(如收音机、电视、军用雷达、手机等)的正常工作，也不因自己派生出的杂波去透露自己此时此刻的空间坐标。作为无触头开关中一员，近零闸同样具有无触头开关的各种优点，如它不产生电火花，不会因此引爆易燃易爆的各种气体及粉尘；它也不会闹接触不良，触头粘连等事故。这种优点在大功率强电流负荷RL的开关运作中将凸现。伤害人身心健康的超强度高频杂波辐射，也将被相克的超级近零闸扫净。



图1是近零闸总体构思示意图； 图2是近零闸中δV探头近似直接捕捉Vi的原始近零信号示意图 图3是近零闸中δV探头间接捕捉Vi的原始近零信号示意图； 图4是近零闸里的ΔV闸选用双向可控硅时具体实例示意图； 图5是近零闸里的ΔV闸选用双向可控硅时另一实例示意图。
实施例 实施例1在市电Vi有效值220伏条件下，配制乙级近零闸，该闸的技术要求是ΔV乙＝|ΔV乙1|＝0.002×310伏＝0.62伏，而且，该闸在市电的电压有效值降至150伏时仍能使用。
分析用图4，Δ闸选双向可控硅VTH，其额定参数按负载功率确定，极限参数合格，维持电流IH尽量选小值，VF≤0.3伏； δV探头输入端与两个已反向并联的硅二级管并联之后，再将输入端的两条接线中一根直搭Vi的一端，另一根通过电阻Ri搭到Vi的另一端，Ri的阻值小于δV探头输入端阻抗阻的千分之一。两个硅二级管的阀压均≥0.5伏，它们既作δV探头的保护器，又在δV探头捕捉δV的小区间之内呈现无穷大电阻；探头可使δV＜0.06，信号处理器获得的待处理信号既有δV探头输送来的信号，也有遥控、监控信号源输送来的信号，它的处理任务就是要把这些信号统一成一个指令，该指令是一串脉冲波，这串脉冲波的总长度由遥控监控信号源送来的信号长度决定，比如如果该信号源送的信号要求Δ闸开闸通过电半小时，则这串脉冲波的总长度就是半小时，而且这串波的前沿、后沿均与遥控监控信号的要求相一致。此外，这串脉冲内包含着许多个正脉冲，每个正脉冲的各种技术参数(脉冲幅度，脉冲宽度等)均相同，相邻脉冲间的周期恰好为市电周期20ms的一半，即脉冲周期为10ms。每个脉冲的幅度均为E2，E2是信号处理器工作电源的电压值，正脉冲后沿均在贴近Vi(tN)＝0的极小区间内，即在(tN；tN+δt1)内，如上述已由δV探头捕得δV＜0.06，因此

可见δt1还不到1μ，至于δV＜0.06伏如何得来，是由δV探头的内结构与附图4的接线方式所定，δV探头内结构也已由00117841.5阐明，略；正脉冲的前沿δt2则在另一个较大的区间(tN；tN+δt2)内， 由于本例要求ΔV乙＝0.62伏，因此，若市电是有效值220V，则对应

μs，若市电是有效值150伏，则

可见，若电网使市电降压，为了保证ΔV乙＝0.62伏仍有效，必须取9.31μs作正脉冲的前沿，若考虑保险系数，可取δt2为15μs。
实际上，信号处理器能保证每个正脉冲后沿落入区间(tN；tN+1μs)内，也能准确按设计要求将它展宽到适当的时间前沿δt2，这是由其内结构确定的，不再重述。但不可将其前沿δt2展得太大，否则，乙级近零闸就降成丙级近零闸了，甚至完全丧失近零闸的资格。
实施例2，以图5为准，已知Vi有效值220伏，配制以下丙级近零闸ΔV丙＝|ΔV丙′|＝0.02×310伏＝6伏，Vi有效值降至150伏仍可使用。
结论选用VTH，额定参数，极限参数，IH均合格，且VF≤3伏；R1＝100R2，且让R2阻值小于δV探头输入阻抗的千分之一；信号处理器向Δ闸下达的指令为一串脉冲全是正脉冲，脉冲周期10ms，幅度E2，脉冲后沿在区(tN；tN+10μs)之内，脉冲前沿在区间(tN+120μs；tN+180μs)之内。实施各例的各种技术数据均由δV探头与信号处理器去解决，这也在00117841.5中作了细述，或者，已把它们集成化或厚膜化了，那就只需按所要求的规格简单进行组装了。
权利要求
1.近零闸是一类介于交流电源Vi与负载RL之间的无触头供电控制开关，其特征是它有能力把Vi对RL的供电控制全都锁定在交流电源零值电压Vi(tm)＝0的近旁实现。
2.权利要求1所述近零闸，其特征是该闸由δV探头、信号处理器、Δ闸三个部件组成；Δ闸是对负载RL执行近零供电控制的部件，δV探头是从电源Vi捕捉原始近零信号的部件，它与电阻Ri串联后搭接到Vi两端，信号处理器是δV探头与Δ闸之间的桥梁部件，负责处理各种信号并将它们整合成一个适合Δ闸使用的控制指令下达Δ闸执行。
3.权利要求2所述近零闸，其特征是该闸按其近零前沿对零值电压Vi(tm)＝0接近的程度，将近零闸定量地细分成若干档次，如分成甲级、乙级、丙级三个档次。
4.权利要求3所述近零闸，其特征是δV探头输入端并联到已经反向并联的两个整流二极管D上，再串联电阻Ri搭接到电源Vi一端，Vi的另一端与δV探头的另一端相接。
5.权利要求3所述近零闸，其特征是串联的电阻R1与R2是电源Vi的电阻型分压器，δV探头的输入端与电阻R2并联。
全文摘要
近零闸是交流供电领域的一类无触头开关，它有能力把每一次对负载的开闸供电全都锁定在交流电源的零值电压近旁实现，从而大幅度地削除了开关动作衍生的高频杂波辐射，清洁了周围空间的电磁场环境，也具有很大的隐蔽性。伤害人身心健康的超强度高频杂波辐射，也将被相克的超级近零闸扫净。
文档编号H03K17/13GK101202541SQ20061002246
公开日2008年6月18日 申请日期2006年12月11日 优先权日2006年12月11日
发明者杨荣合 申请人:李相淮, 杨松云, 杨荣合