CN1003960B - 交流电压控制装置 - Google Patents

Abstract

正给负载供电的交流电压的控制装置，负载为净水装置中发射杀菌紫外线辐射的荧光灯时尤其适合，负载与变压器（１４）的次级绕组（１５）相接，其初级绕组（１３）具有可有选择地与外接交流电压源相接的多个中间抽头（１６～１９）。设置了一个电子控制装置，它能根据外接交流电压源终端电压的幅值自动接通使加在负载上的电压为预定值的中间抽头。

Description

交流电压控制装置

本发明涉及一个正给负载供电的交流电压的控制装置，当负载是净水装置中发射杀菌紫外线辐射的荧光灯时尤其适合。

在这种装置中，为了使杀菌效果尽可能最佳，非常重要的是紫外线辐射要有适当的波长和强度。辐射强度由流过荧光灯的电流确定，因此，该电流不得有较大的变化，变化超过±10%就不能被接受。荧光灯要有这样的质量，上述电流的容许变动量也适用于供电电压。

例如，所指的这种荧光灯在110V交流电压下工作时，不容许该电压变化超过±10%。在不同的国家，配电系统有不同的系统电压，如110V或220～240V。而且，在许多使用净水装置的国家中，由于配电网络不足，系统电压往往有相当大的变化。迄今为止，市场上的这些装置确实是可以在不同的固定系统电压间重接的，然而，都还没考虑到系统电压标称值的变化。其结果是净化效果降低，甚至完全丧失净化能力。

在IBM技术通报Vol，27，No.5，1984，10，第3134～3136页上描述了适用于上述目的的装置。该所述装置是一个功率源，它的输出电压保持恒定而不受输入电压变化的影响。该装置包括一个具有一个次级绕组和一个带有许多中间抽头的初级绕组的变压器。负载与次级绕组相连，用电子开关有选择地将初级绕组的中间抽头与干线电压相接，以便向负载提供正确的电压。不同的中间抽头以阶跃方式连接，当转换不同的抽头时，将出现可能损坏开关的瞬态过程。对此问题的解决方案是给开关提供称之谓缓冲器的保护电路。

本发明的第一个目的是为了补救所述的缺点并提供一个控制装置，使得在这种灯用于净水装置时不仅能在不同的系统电压间自动重接，而且在给定的系统电压下，使加在灯上的电压保持恒定在所需的界限内。

本发明的第二个目的是防止在开关这种装置的电子开关时产生瞬态过程。

在具有下列特征的装置中可达到上述目的：该装置配置一个电子控制装置，该控制装置包括一组在数量上与变压器抽头数相等的可控的双向电子开关，电子控制装置3能保证刚好在正处于导通状态的开关被断开前接通要起动的那个开关。

本发明将参考附图作详细的描述，图1为电压控制装置的电路图，图2为图1所示电路的脉冲图形。

在控制供给荧光灯（未示出）的电压时，把电压通过端子10、11和一个串接的扼流圈加在自耦变压器14的次级绕组13上，变压器的初级绕组15有多个中间抽头，最下面的三个在图中标为16、17、18，最上面的标为19。中间抽头16在初级绕组的最低端。中间抽头的数目由所用的最高和最低的系统电压间的差值及两个中间抽头间电压大小的差值来决定而抽头间的电压差构成控制电压所需的级差。在110V的例子中，已选择了这个级差以便当变压器的输入电压发生变化时，荧光灯上的电压决不改变得比预定值多10%。

变压器14经端子20、21接到一个交流装置。端子20连接到电路的零参考电平，以下称为接地。元件的接地在电路图中表示了出来，但在下面的说明中将不作经常的说明。变压器的上端22为初级绕组和次级绕组所公用，它与端子21相接，而初级绕组的另一端16通过电子开关23与导线24相连，导线24又连到端子20，在该例子中，电子开关为一三端双向可控硅开关，但包含反向并联可控硅的电路同样是可用的。中间抽头17～19相应地通过电子开关25-27与导线24相接。这些开关的控制输入端28、29、30和31被相应地接到译码器36的输出端32、33、34、35。译码器的任务是译出计数器37的计数并根据此计数向输出端之一发送一个输出信号，以接通相应的开关。

计数器37的功能由双稳态多谐振荡器38控制，38有两个输出端，输出端39接到该计数器的时钟输入端CL，输出端40接到该计数器的称作U/D的输入端，这个U/D输入端用来分别实现该计数器的向上计数和向下计数。双稳态多谐振荡器38有两个控制输入端41、42。输入端41与一倒相与门43的输出端相连，倒相与门43的一个输入端经导线44与比较器45的输出端相连，比较器45用来发送实现计数器向下计数的输出信号。相应地，输入端42与一个和门电路43类型相同的与门46相连。该门电路的一个输入端经导线47与比较器48的输出端相连，比较器48用于发送使计数器向上计数的输出信号。

将一代表干线电压的直流电压加到比较器48的正输入端和比较器45的负输入端，此直流电压取自变压器的感测绕组49。感测绕组上的交流电压在整流电桥50中整流并经电容器51用一般的方法滤波。再经两个电阻器52、53组成的分压器获得合适的电压。

在比较器45、48中，将与干线交流电压相应的直流电压分别与一个较高的和一个较低的参考电平相比较。这两个参考电平确定出相应的干线交流电压的允许变化范围。较高的参考电平加在比较器48的负输入端，该电平由一个接到恒定电压Vk的分压器得到，分压器由一个与两个电阻器54、55串联的可调电阻器82组成。较低的参考电平加在比较器45的正输入端，相应地，该电平由包括两个附加电阻器56、57和可调电阻器82的分压器得到。恒定电压Vk为电容器51两端经电路58稳压的电压。电压Vk还被用来供给该电压控制装置中的其它电子元件。

为控制计数器37，需要与干线电压的频率同步的时钟脉冲。这是因为三端双向可控硅开关23、25、26、27必须在电流为零的那一瞬间转向非导通状态。在本申请中，三端双向可控硅开关的负载主要是电感性的，电流和电压间有大约为90度的相移。在初级绕组的中间抽头间阶跃地开关时，不希望绕组中流过的电流产生任何中断，因而希望两个三端双向可控硅开关间的开关动作尽可能地连续。因此，一个三端双向可控硅应在关断已经接通的那个三端双向可控硅的同时接通。如前所述，三端双向可控硅在电流通过零点时被关断，因此，应在这时发生开关动作。然而，此时电压处于最大值，这会导致三端双向可控硅被再触发并损坏。所以，要提供一个称谓缓冲器的保护电路，用以消除高开关电压的影响。

为了使三端双向可控硅开关不需要保护电路，可以这样进行开关动作;在关断导通的三端双向可控硅之间不久，接通另一个三端双向可控硅。这就意味着，在一个短时间内两个三端双向可控硅都导通，因而连接这两个三端双向可控硅的这部分初级绕组将短路。这一短路引起这样一个高电流，使相移实际中断，此后电流和电压将同相。所以，开关动作能在电压通过零交叉点的那一瞬间发生，这样就降低了损耗，从实用观点出发，总是选择开关动作尽可能靠近电压的零交叉点，但要使两个有关的三端双向可控硅将有片刻的同时导通。

根据前面所述的情况，时钟脉冲应有与干线供电频率一致的频率。不过，此时，应使脉冲转移到稍稍超前于交流电压的零交叉点的时刻上。为此，提供了一个所谓偏移型的零交叉点检测器，这就是说，检测不在零交叉点进行，而是在零交叉点前0.5～1毫秒进行。检测器由一个比较器60构成，一个由分压器产生的参考电压加到比较器的负输入端，分压器由电阻器61、62组成并连到电压Vk上。由干线电压获得的交流电压加于比较器的正输入端，不过，该电压的幅度被一个由电阻器63、64和一个与电阻器64并联的齐纳二极管65组成的分压器限止在几伏内。

检测器59的输出端经电容器66连接到单稳态多谐振荡器67的控制输入端，该振荡器的常规设计在这里不作详细描述。多谐振荡器67的输出端经导线68分别和与门43和46剩下的输入端相连。由单稳态多谐振荡器67发送上述时钟脉冲，这些脉冲分别用于将导线44或47上的来自比较器45和46的信号传送给计数器37，使它向上计数或向下计数。

即使所考虑的干线电压在范围极限之上或之下，也将使计数器的向上或向下计数限制在计数范围内，以使计数器保持在分别与干线电压的最高和最低值相应的计数位置。

为此，晶体管69的基极经电阻器70与译码器36的输出端32相连，它的集电极与比较器48的输出端相连。而且，附加的晶体管71的基极经电阻器72与该译码器的输出端35相连，它的集电极与比较器45的输出端相连。如果干线电压取值高于最高极限值，在输出端32有一高电平时，比较器48的输出端将有一个高电平。所以，晶体管69将导通，在导线47上给出一低电平。同样，如果干线电压低于控制范围的最低极限，晶体管71就将在导线44上给出一个低电平。

正如已经描述的，电子元件的电源由稳压电路58提供，由于该电路由绕组49供给电压，而干线电压接通时因为还没有三端双向可控硅开关被启动，将不向该电路提供任何电压。所以，为了在启动期间提供电压，设置了一个启动电路，该电路包括三个晶体管73、74、75。晶体管73的集电极经电阻器76和二极管77与端子21相连。晶体管74的发射极与晶体管73的基极相连，该基极经电阻器78与二极管77和电阻器76中间的连接点相连，晶体管74的基极经电阻器79与晶体管75的集电极相连，晶体管75的发射极接地，而其基极通过电阻器82与齐纳二极管81连接到电路58的输出端。晶体管73的发射极和晶体管74的集电极与电路58的输入端相接。

该电压控制装置的功能再参考图2的脉冲图形进行描述。

在干线电压接通到端子20、21上时，晶体管73将获得引起晶体管开始导通的基极电流，然后，电容器51开始充电，由于电容器电压增长，由电路58得到的输出电压Vk也将上升。当该电压超过约3伏时，处于耦合部分的有源电路将开始工作。设计计数器37使其此时取起动译码器36的输出端32的数。然后三端双向可控硅23启动，把中间抽头16与端子20相接，由此接通整个初级绕组。计数器37的自动置零是通过把它的一个输入端接到倒相与门83的输出端而实现的。与门83的两个输入端都通过电阻器84连接到电压Vk上，并通过电容器85接地。在接通电压时，该门电路的输出端处于令计数器自动置零的高电平。当输入端电压超过某一电平时，就发生位移，输出端电平降低就释放计数器使之能向上或向下计数。

由于中间抽头16被接通，绕组49上将出现一个电压，引起电容器51上的电压进一步上升到与当时的干线电压相应的值。当电压Vk等于约8伏时，齐纳二极管81开始导通。其后，晶体管74和75开始导通。结果晶体管73将截止。在这之前，启动电路将被关断，电容器51两端的电压就仅由绕组49两端的电压所确定。电容器电压的幅值应在比较器48负输入端上的较高的参考电平与比较器45正输入端的较低的参考电平所确定的间隔之间，此刻没有一个比较器发射任何输出信号。因此，当时的干线电压有这样的幅值。以使中间抽头16，也即整个初级绕组被连接起来，向荧火灯提供正确的电压。

如果当时的干线电压低于与要连接的初级绕组的中间抽头16相应的电压，比较器45的负输入端上的电压就将降低到低于参考值，比较器的输出端将取一个高电平。在那时刻，连接到比较器与门43的输入端也将取一个高电平。在来自单稳态多谐振荡器67的时钟脉冲出现在与门43的另一个输入端时，与计数器37的输入端40相连的双稳态多谐振荡器38的输出端在该脉冲的前沿处将取一个高电平，而在脉冲后沿，该双稳态多谐振荡器将向计数器的输入端39加一正脉冲，在输入端40上记录信号使计数器向下计数一位。当与门43的输出端电压上升时，译码器36的输出端32的电平将降低，从而驱动三端双向可控硅25与初级绕组的中间抽头17相接。如上面已指出的，当三端双向可控硅23仍处于导通状态时，三端双向可控硅25就接通，使在中间抽头16和17之间的那部分绕组短路，并把短路部分的绕组电流和电压间的相移从约90度变成零。紧挨着电压零交叉点，三端双向可控硅23就断开而不发生任何电压的瞬态过程。

来自单稳态多谐振荡器67的时钟脉冲用下列方法产生。波形为图2a行的干线电压加在零交叉点检测器59上。感兴趣的干线电压范围是电压在其正的最大值之后下降并逼近零交叉点的范围。选择检测器的移位电平，以使来自检测器的脉冲序列（图2b行）中的脉冲后沿有点儿超前干线电压的零交叉点。这类脉冲的后沿触发单稳态多谐振荡器67，其脉冲响应面于图中的C行，图中d行为其放大后的形状。如前所述，计数器是根据来自单稳态多谐振荡器的脉冲后沿记录次数的。译码器输出端32和33上的电平位移示于图2的e行和f行。三端双向可控硅23和25两端的电压波形示于g行和h行。在e和f行中位移侧的直下方，在g和h行标出了一个区域，说明在紧挨着零交叉点三端双向可控硅23停止导通前，三端双向可控硅25就开始微导通。

如果在初级绕组的抽头17接通后，比较器45负输入端上的电压仍低于参考电平，就再次发生同样的过程，计数器再向下计数一位，接通中间抽头18，这类过程继续进行直到接通能向荧光灯提供正确电压的中间抽头为止。

如果在运行中干线电压降低，那么就开始一个类似的控制过程，其不同之点在于，那时是驱动比较器48工作，使计数器向上计数。在这种情况下，导线47中的信号通过与门46用描述过的方法被计入到计数器中。

控制装置向负载提供正确电压所需的时间为电源交流电压的几个周期。这就意味着，在负载如所述的那种荧光灯时，远在灯点亮之前（接通时间为1-2秒），就接收到了正确的电压。

Claims (4)

1、正给负载供电的交流电压的控制装置，该负载为净水装置中发射杀菌紫外线辐射的荧光灯时尤其适合。负载被接到变压器（14）的次级绕组（15）上，变压器的初级绕组（13）有多个中间抽头（16～19），这些抽头能有选择地接到外接交流电压源上，设置了一个电子控制装置，该装置根据外接交流电压源终端电压的幅值，通过阶跃地连接不同的中间抽头（16～19）的方式，自动地接通能向负载提供预定电压值的中间抽头，该电子控制装置包括双向可控的电子开关（23～27），开关的数量与中间抽头（16～19）的数目相对应，其特征在于：该电子控制装置包括有使得待接通的开关刚好在正被导通的开关关断之前接通的装置（45、48、59、67）。

2、按照权利要求1的装置，其特征在于：电子控制装置包括带有译码器（36）的计数器（37），该译码器有控制输出端（32-35），输出端的数量与开关的数量相对应，变压器有一个独立的绕组（49），由该绕组导出一直流电压，该电压代表终端电压当前的值，该直流电压被加到具有两个输出端（44、47）的比较器（45、48）上，它们分别根据与较高和较低参考电平相关的直流电压值，从上述输出端发送信号使计数器（37）向上或向下计数，以起动与已被接通的中间抽头相邻的具有较高或较低终端电压的中间抽头，该电子控制装置还包括装置（59、67），用以产生一个控制信号，该信号与来自比较器装置（45、48）的控制信号一起控制计数器（37）的功能，以便在断开正处于导通状态的开关之前接通下一个要起动的开关。

3、按照权利要求2的装置，其特征在于：该电子控制装置包括一个用于外部交流电压的零交叉点检测器（59），该检测器是一个比较器（60），其中在交流电压的正半周中，发生一个对时间来说从过零点起移动0.5～1毫秒的电平的偏移，与来自比较装置的其它控制信号协作的控制信号是由该比较器的输出信号导出的。

4、按照权利要求2或3的装置，其特征在于：供给电子控制装置的电压来自变压器（14）的独立绕组（49）以及与变压器并联并只在起动过程期间接通的电子起动电路（73、74、75）。

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