一种自发电开关的制作方法

1.本实用新型涉及开关技术领域，特别是涉及一种自发电开关。


背景技术：

2.随着绿色环保概念的普及，少用电池和采用无电池的技术解决方案被越来越多的关注，因此开关、门铃等控制部件采用自发电微能量管理技术便成为一套完整的体系；其中以室内开关为例，原来的双控开关控制灯具，如图5所示，开关(k1)与开关(k2)之间是需要电线连通；而采用自发电开关如图4所示，可以节省开关与开关之间的电线、线槽，又省掉了安装过程在墙壁开槽的工序，还省掉了安装布线的人工，并且不需要电池，具备了绿色环保、高效、省钱的优势。
3.但自发电开关电路中产生的电能是很微弱的，所以在电路控制上轻微的电能损耗就会给自发电开关带来很大的影响。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题是：提出一种自发电开关，减少电路控制过程中损耗的电能，实现电能的高效储存和高效转换。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
6.一种自发电开关，包括按键、驱动结构、发电机、第一二极管、第一电容、能量密度检测电路、电源管理芯片、数字射频芯片和天线；
7.所述驱动结构分别与所述按键的触发端和所述发电机连接；
8.所述发电机的第一输出端与所述第一二极管的正极端连接；
9.所述第一电容的一端分别与所述第一二极管的负极端和所述电源管理芯片的第一输入端连接；
10.所述第一电容的另一端接地；
11.所述发电机的第二输出端与所述能量密度检测电路的输入端连接；
12.所述能量密度检测电路的输出端与所述电源管理芯片的第二输入端连接；
13.所述电源管理芯片的输出端与所述数字射频芯片的供电端连接；
14.所述按键的第一端与所述数字射频芯片的信号输入端连接；
15.所述数字射频芯片的输出端与所述天线连接。
16.进一步地，还包括第一电阻；
17.所述按键的第二端与所述第一电阻的一端连接；
18.所述第一电阻的另一端接地。
19.进一步地，多个所述按键的第一端分别与所述数字射频芯片的多个信号输入端一一对应连接；
20.所述多个按键的第二端分别与所述第一电阻的所述一端连接。
21.进一步地，所述发电机的第一输出端为正极端；
22.所述发电机的负极端接地。
23.进一步地，所述第一电容是钽电容。
24.进一步地，还包括第二二极管；
25.所述第二二极管和所述第一电容并联连接。
26.进一步地，所述第二二极管为齐纳二极管。
27.进一步地，所述能量密度检测电路包括第三二极管、第二电容、第二电阻和第三电阻；
28.所述第三二极管的正极端与所述发电机的第二输出端连接；
29.所述第三二极管的负极端与所述第二电容的一端连接；
30.所述第二电容的另一端接地；
31.所述第二电阻的一端与所述第三二极管的负极端连接；
32.所述第二电阻的另一端分别与所述第三电阻的一端和所述电源管理芯片的第二输入端连接；
33.所述第三电阻的另一端接地。
34.进一步地，所述第二电阻的阻值为510k欧姆；
35.所述第三电阻的阻值为1000k欧姆。
36.进一步地，所述天线为板载天线。
37.本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的一种自发电开关，在整流电路中，发电机的输出端连接二极管的正极端给电容充电，只收集正向按压的正向电流，并且在电流给电容充电时只经过了1个二极管，产生一次压降，替代现有技术中采用的4个二极管组成的全桥整流电路，压降更小，电能损耗更小，更加适合按压式自发电的充电电路，可以实现对电能的高效储存和转换。
附图说明
38.图1为本实用新型实施例的自发电开关的原理框架图；
39.图2为本实用新型实施例的自发电开关的电路原理图；
40.图3
‑
1为本实用新型实施例的左侧能信部件的结构示意图；
41.图3
‑
2为本实用新型实施例的中间能信部件的结构示意图；
42.图3
‑
3为本实用新型实施例的右侧能信部件的结构示意图；
43.图4为本实用新型实施例的能信部件中能量传递与信号传递过程分析图；
44.图5为本实用新型实施例的自发电开关控制灯具示意图；
45.图6为现有技术中的双控开关控制灯具示意图；
46.图7为本实用新型实施例的半桥整流储能原理图；
47.图8为现有技术中的全桥整流储能原理图；
48.图9为本实用新型实施例的能量密度检测电路；
49.图10为本实用新型实施例的按键原理图；
50.图11为现有技术中的按键原理图；
51.图12为本实用新型实施例的板载天线结构示意图。
52.标号说明：
53.r3、第一电阻；c1、第一电容；d1、第一二极管；dz1、第二二极管；c2、第二电容；r1、第二电阻；r2、第三电阻；d2、第三二极管；u1、电源管理芯片；u2、数字射频芯片；a、能信部件的转轴；b、能信部件信号传送点；c、能信部件动能传送点；d、能信部件按压区域；e、开关的底壳；f、连杆的受力区域；h、电路板上的信号收集部件；i、底壳上发电机的安装区域。
具体实施方式
54.为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
55.请参照图1和图2，一种自发电开关，包括按键、驱动结构、发电机、第一二极管、第一电容、能量密度检测电路、电源管理芯片、数字射频芯片和天线；
56.所述驱动结构分别与所述按键的触发端和所述发电机连接；
57.所述发电机的第一输出端与所述第一二极管的正极端连接；
58.所述第一电容的一端分别与所述第一二极管的负极端和所述电源管理芯片的第一输入端连接；
59.所述第一电容的另一端接地；
60.所述发电机的第二输出端与所述能量密度检测电路的输入端连接；
61.所述能量密度检测电路的输出端与所述电源管理芯片的第二输入端连接；
62.所述电源管理芯片的输出端与所述数字射频芯片的供电端连接；
63.所述按键的第一端与所述数字射频芯片的信号输入端连接；
64.所述数字射频芯片的输出端与所述天线连接。
65.从上述描述可知，本实用新型的有益效果在于：本实用新型提供的一种自发电开关，在整流电路中，发电机的输出端连接二极管的正极端给电容充电，只收集正向按压的正向电流，并且在电流给电容充电时只经过了1个二极管，产生一次压降，替代现有技术中采用同样型号整流器件组成的全桥整流电路，压降更小，电能损耗更小，更加适合按压式自发电的充电电路，可以实现对电能的高效储存和转换。
66.进一步地，还包括第一电阻；
67.所述按键的第二端与所述第一电阻的一端连接；
68.所述第一电阻的另一端接地。
69.由上述描述可知，通过在按键处串联对地电阻，区别于现有技术中按键直接连接地线，可以减小按键闭合后io端口对地的释放电流，电能损耗更小，利于自发电微能量管理。
70.进一步地，多个所述按键的第一端分别与所述数字射频芯片的多个信号输入端一一对应连接；
71.所述多个按键的第二端分别与所述第一电阻的所述一端连接。
72.通过设置多个按键，按下不同的按键可以触发不同的信号，不同的信号可以控制多个对象，相比单个按键，控制功能更强大。
73.进一步地，所述发电机的第一输出端为正极端；
74.所述发电机的负极端接地。
75.由上述可得，通过发电机的正极端连接二极管的正极端给电容充电，相当于只选
择正向按压的正向电流，放弃按键自复位时产生的电能，避免了受人为因素的影响，相较于现有技术更加稳定。
76.进一步地，所述第一电容是钽电容。
77.由上述描述可知，通过使用钽电容进行储能，钽电容具有稳定性强、精准度高、体积小的优良性能，并且这种电容通过氧化膜介质加固和恢复其绝缘能力，具有独特的自愈功能，使其不致以遭到连结的累积性损坏，从而可以提高储能电路的稳定性。
78.进一步地，还包括第二二极管；
79.所述第二二极管和所述第一电容并联连接。
80.由上述描述可知，通过在储能电容上并联二极管，可以吸收发电机输出的尖峰电压，起到保护电路的作用。
81.进一步地，所述第二二极管为齐纳二极管。
82.由上述描述可知，通过采用齐纳二极管，齐纳二极管具有在准确的电压下击穿的特性，可以作为限制或保护之元件来使用，因为各种击穿电压的齐纳二极管都可以得到，非常适合应用于过压保护电路。
83.进一步地，所述能量密度检测电路包括第三二极管、第二电容、第二电阻和第三电阻；
84.所述第三二极管的正极端与所述发电机的第二输出端连接；
85.所述第三二极管的负极端与所述第二电容的一端连接；
86.所述第二电容的另一端接地；
87.所述第二电阻的一端与所述第三二极管的负极端连接；
88.所述第二电阻的另一端分别与所述第三电阻的一端和所述电源管理芯片的第二输入端连接；
89.所述第三电阻的另一端接地。
90.由上述描述可知，通过采用发电机的输出端经过第三二极管的正极端给第二电容充电，第一二极管和第三二极管的电流方向相同，也保证了第一电容和第二电容的电流方向相同，从而第一电容和第二电容的充满电压是相同的；通过第二电阻和第三电阻串联组成上下拉分电阻，并且与第二电容并联，只需要识别第三电阻的对地电阻值就可以通过第二电阻和第三电阻的比例关系判断第二电容的电压值；综上，所述能量密度检测电路可以识别发电机的电动势方向与采集电能密度。
91.进一步地，所述第二电阻的阻值为510k欧姆；
92.所述第三电阻的阻值为1000k欧姆。
93.由上述描述可知，通过将第二电阻设置为510k欧姆及第三电阻设置为 1000k欧姆，经过实验测试，既能使得第二电阻和第三电阻的自耗电很小，又能保证信号检测的强度满足电路的识别使用。
94.进一步地，所述天线为板载天线。
95.由上述描述可知，通过采用板载天线替代现有技术中外置的螺旋天线或陶瓷天线，可以减少电能损耗，并且满足自发电开关系统的性能要求，还具备成本低、厚度小、易于生产和美观的特点。
96.本实用新型上述自发电开关可适用于各种需要无线开关控制的设备，例如单路无
线开关、多路无线开关、遥控器等电子产品，以下通过具体实施方式进行说明：
97.本实用新型的实施例一为：
98.一种自发电开关，包括按键、驱动结构、发电机、第一电容、第一二极管、能量密度检测电路、电源管理芯片、数字射频芯片和天线；
99.所述驱动结构分别与所述按键的触发端和所述发电机连接；
100.所述按键的第一端与所述数字射频芯片的信号输入端连接；
101.本实施例包括多个按键，多个按键分别采用能信部件实现将按键按压的动能通过其所包含的驱动结构传递给发电机，同时将按压的信号传递给数字射频芯片；所述能信部件就是可以进行能量传递与信号传递的共同体部件；
102.具体地，如图3
‑
1、图3
‑
2、图3
‑
3所示，本实施例中包括3个按键，对应的3个能信部件并列设置于开关的顶部，相当于开关的面板，采用塑料或金属材料制成，能信部件主要包括转轴a、靠近转轴a的按键触发点b、远离转轴 a的动力传送点c；
103.如图4所示，按键按下的工作过程为：用户用力向下按压任一个能信部件的d区域，能信部件的d面就会绕转轴a向底壳e运动，当c点接触连杆的f 区域的任意入力点g，就会将3路能信部件的任意部件的动能传递给发电机，发电机置于底壳的i处，发电机转于发电机就会产生正向电动势，当c点接触g 点的同一时刻，信号传送点b也就刚好接触按键的h点，同一时刻就将按键动作的信号传递出来发送给数字射频芯片；
104.其中，所述转轴和连杆构成所述驱动结构；
105.如图7所示，所述发电机的第一输出端与所述第一二极管d1的正极端连接；
106.所述第一电容c1的一端分别与所述第一二极管d1的负极端和所述电源管理芯片u1的第一输入端连接；
107.所述第一电容c1的另一端接地；
108.所述发电机的第二输出端与所述能量密度检测电路的输入端连接；
109.所述能量密度检测电路的输出端与所述电源管理芯片u1的第二输入端连接；
110.所述电源管理芯片u1的输出端与所述数字射频芯片u2的供电端连接；
111.所述数字射频芯片u2的输出端与天线连接；
112.如图1和图2所示，自发电开关的工作过程为：将发电机的正端经过一个二极管整流，然后给电容充电，进行储能；发电机的正端还与能量密度检测电路连接，用于识别发电机的电动势方向与采集电能密度；能量密度检测电路将采集的数据传递给电源管理芯片，电源管理芯片判断自发电系统处于最佳能量密度时，将电容储存的电能转换到合适的电压给数字射频芯片进行供电，数字射频芯片在供电的前提下，根据接收到的按键动作信号调取预设的编码数据通过震荡电路产生高频信号经天线发射出去；
113.如图5所示，本实施例所述自发电开关可作为灯具控制电路中的副开关，其中，自发电开关将用手按压开关的动能转化为电能，然后将电能进行收集和管理，再经过无线射频技术发送开关数据，主开关将接收到的数据进行解码处理，然后驱动灯具，从而起到无线开关控制的作用，相较于传统双控开关控制灯具如图6所示更加高效方便和环保节约。
114.本实用新型的实施例二为：
115.如图7所示，在实施例一的基础上，对整流储能电路进行了进一步限定：
116.如图8所示，现有技术中采用的是4个二极管组成的全桥整流储能电路，发电机能
将按键按下与复位所产生的能量都收集起来，其中按下所用的时间用 t1表示，按键按下后手在按键面板上保持的时间用t2表示，当手松开后发电机由于有自复位的作用力，回位的时间用t3表示，那么按下发一次电和复位发一次电的时间差
△
t＝t1 t2 t3，其中由于t1与t3可以有机械结构控制，几乎固定不变，但是t2是人为因素，可长可短，这就会导致
△
t的变化很大，会造成两次发电的时间差不固定，有可能很小，也有可能很大，所以现有技术中的整流储能电路受
△
t的影响比较大，由于电子元件都有自耗电的特性，按压发电机所产生的电能又很微弱，当在
△
t时间比较长的情况下，第一次所发的电能有可能在第二次的电还未发出之前就开始消耗，甚至第一次发的电能就无法被利用，存在不稳定的因素；
117.而本实施例中采用半桥整流储能电路，并且只选择正向按压的正向电流，第一次按下发电时最快，并且不受人为影响，相对现有技术更加稳定；
118.具体地，本实施例所述半桥整流储能电路中所述发电机的正极端与所述第一二极管d1的正极端连接；
119.所述发电机的负极端接地；
120.还包括第二二极管dz1；
121.所述第二二极管dz1为齐纳二极管；
122.所述第二二极管dz1和所述第一电容c1并联连接；
123.所述第一电容c1为钽电容；
124.具体地，所述钽电容的封装规格是3225、耐压值是6.3v、容量是22uf；
125.其中所述第一二极管d1的型号是肖特基s4、封装规格是sod323、耐压值是40v、承受最大电流值为200ma；
126.本实施例中所述半桥整流储能电路的工作原理为发电机的正极端连接二极管d1直接给电容c1充电，电容c1上并联有齐纳二极管dz1用于吸收发电机上的尖峰电压，起到保护电路的作用，而且这样在电流给电容充电时只经过了1 个二极管，压降也就是二极管的vf值即0.4
‑
0.6v，而全桥整流电路中电流给电容充电时会经过2个二极管，就会有两次压降，假设全桥整流电路采用同样的整流器件，充电过程的电压降就是0.8v，从这里可以看出，采用本实施例的半桥整流储能电路比现有技术中的全桥整流储能电路在充电过程中压降更小，电能损耗更小。
127.本实用新型的实施例三为：
128.如图9所示，在实施例一或实施例二的基础上，对能量密度检测电路进行了进一步限定：
129.所述能量密度检测电路包括第三二极管d2、第二电容c2、第二电阻r1和第三电阻r2；
130.所述第三二极管d2的正极端与所述发电机的第二输出端连接；
131.所述第三二极管d2的负极端与所述第二电容c2的一端连接；
132.所述第二电容c2的另一端接地；
133.其中，通过发电机的输出端经过第三二极管d2的正极端给第二电容c2充电，第一二极管d1和第三二极管d2的电流方向相同，也保证了第一电容c1 和第二电容c2的电流方向相同，从而第一电容c1和第二电容c2的充满电压是相同的，所以检测第二电容c2的电压值就能判断第一电容c1的电压值；
134.所述第二电阻r1的一端与所述第三二极管d2的负极端连接；
135.所述第二电阻r1的另一端分别与所述第三电阻r2的一端和所述电源管理芯片u1的第二输入端连接；
136.所述第三电阻r2的另一端接地；
137.其中通过第二电阻r1和第三电阻r2串联组成上下拉分电阻，并且与第二电容c2并联，只需要识别第三电阻r2的对地电阻值就可以通过第二电阻r1 和第三电阻r2的比例关系判断第二电容c2的电压值，根据第二电容c2的电压值就能得到第一电容c1的电压值；
138.具体地，本实施例中为满足微能量管理的要求，电阻r1和r2的自耗电需要很小，同时又要保证电阻r1和r2提供的信号强度能够满足电路的识别使用，经过实验测试，得出电阻r1和r2的阻抗之和在1000k欧姆至2000k欧姆之间，自耗电功耗可以控制在1.9μa
‑
3.8μa之间，同时为匹配电源管理芯片u1的技术需求，ive能量采集判断点设置为1/3，所以，r1选取510k欧姆，r2选取 1000k欧姆，经过实测这是漏电最小(1.2
‑
1.3μa)，同时能保证信号检测的强度，是最佳选择值；
139.其中，当电源管理芯片u2检测到第二电容c2的电压满足预设值后，此时也是第一电容c1处于最高电能密度的时候，即处于最佳放电时机，电源管理芯片u2开启第一电容c1进行放电，将第一电容c1储存的电能通过电源管理芯片u2控制输出到vcc端口，vcc电气网络是连接于数字射频芯片u2的供电端口，此时数字射频芯片u2上电，等待触发启动，任意按键闭合，数字射频芯片u2就触发启动唤醒，调取预设的编码数据通过震荡电路产生高频信号经天线发射出去。
140.本实用新型的实施例四为：
141.如图10所示，在上述任一实施例的基础上，对按键部分进行了进一步限定：
142.还包括第一电阻r3；
143.所述多个按键的第二端分别与所述数字射频芯片u2的多个信号输入端一一对应连接；
144.所述多个按键的第二端分别与所述第一电阻r3的所述一端连接；
145.所述第一电阻r3的另一端接地；
146.如图11所示，现有技术中自发电开关的按键处没有串联电阻，是直接连接地线的，而本实施例中采用按键串联电阻可以减小按键闭合后io口对地的释放电流；
147.具体地，本实例中数字射频芯片u2电压控制在1.9
‑
2.0v，第一电阻r3的取值为10kω＝10000ω，io端的对地电流就会被钳位在2.0v/10000ω＝200μa 之内，所述钳位是指将某点的电位或电流限制在规定值，由于数字射频芯片u2 的io端还具有内阻，就可以完全保证io端的对地电流小于200μa，相对现有技术中io端没有外接限流电阻，io端的电流无法准确钳位，本实施例更加有利于自发电开关中的微能量管理。
148.本实用新型的实施例五为：
149.在上述任一实施例的基础上，对天线部分进行了进一步限定：
150.所述天线是板载天线；
151.具体地，本实施例中所述天线是针对433m频率特有设计的板载天线，不同于现有技术中自发电开关采用外置的螺旋天线或陶瓷天线；
152.如图12所示，所述板载天线利用pcb铜皮走线结合pcb过孔设计而成，其中铜皮的
宽度和厚度、过孔直径以及走线的长度、距离和排列方式都直接影响发射信号的强弱，经过实验测试，在所述板载天线上加载 13db的发射功率，天线的发射距离在空旷的地面能达到40米，虽然采用其它形式天线的无线传输距离有可能更远，但40米足够达到自发电开关对天线的性能要求，所以采用板载天线应用于自发电开关系统是可行的，而且板载天线成本更低，相较于现有技术可以减少电能损耗。
153.经过实际测试，本实用新型所述自发电开关控制电路的耗电参数如表1：
154.表1耗电参数测试分析表
[0155][0156][0157]
由表1得，本实用新型所述自发电开关控制电路只需要200μj的能量即可驱动，相对于现有技术的自发电开关控制电路，电能损耗非常小，实现了电能的高效储存与转换。
[0158]
综上所述，本实用新型提供的一种自发电开关，通过在按键处串联对地电阻，区别于现有技术中按键直接连接地线，可以减小按键闭合后io端口对地的释放电流，电能损耗更小，利于自发电微能量管理；在整流电路中，只采用一个二极管给电容充电，并且发电机的正极端与所述二极管的正极端连接，发电机的负极端接地，替代现有技术中采用的4个二极管组成的桥式整流电路，可以保证每次发电不受人为的影响，更加稳定，并且压降更小，电能损耗更小，更加适合按压式自发电的充电电路；通过采用板载天线替代现有技术中外置的螺旋天线或陶瓷天线，可以减少电能损耗，并且满足自发电开关系统的性能要求；综上，所述自发电开关的电路设置可以实现对电能的高效储存和转换，电能损耗极小，非常节能。
[0159]
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。