CN100520663C - 功率控制器 - Google Patents

Abstract

功率控制器(10)，包括一个控制器(11)和一个触发电路(12)。当在端子T1处接收到的电源电压超过一个阈值，例如120V RMS时，反向连接的齐纳二极管Z1到Z3导通，接通晶体管Q1。这使晶体管Q2断开，常开型继电器SW1保持打开。从而三端双向可控硅开关元件THY1的开关或触发相角由电容器C4被流经电阻器R6，R7，R8和VR1的电流充电到一个触发电压时的速度确定。在这种情况下，触发相角是当VR1为最大功率设定(0欧姆)时，240V AC的输入电源在端子T3处提供一个有效110V AC输出。当接收到的电源电压小于该阈值时，晶体管Q1断开，继电器SW1被激活。这电阻器R6被旁路掉，并且当VR1为最大功率设定时，使开关或触发相角采用一个大约为0度的值，从而使输出电源端子T3的电压基本与端子T1处接收到的电压相同。

Description

功率控制器

技术领域

本发明涉及一种用于连接负载到不同额定电压的电源的功率控制器。

背景技术

电力网供电电压在世界不同的地方是不同的。例如，英国的AC电力网供电电压是230-240V，而其他国家的电力网供电电压是110-120V。因此，带有不同电力网供电的电气设备制造供应市场就不得不制造各种不同版本的产品以适应不同的电源，使制造过程复杂。

US-A-5886422和US-A-4654538公开了对于110V或220V AC输入提供220V全正弦波输出的电源。US-A-5162984公开了一种具有AC线性谐波电流校正的电源。GB-A-2098368提供一种对应于输入AC电压范围的限流固定DC输出。US-A-4103388响应于宽范围的输入AC电压和频率，提供一种宽范围的输出AC电压和频率。该文献中的电源被用于控制许多不同类型电动机的速度，包括DC电动机。已知电源还用于向白炽灯(灯丝)输送功率。

发明内容

本发明提供一种适于从不同电压的电源向给定负载传送功率的功率控制器。

根据本发明的第一方面，提供一种用于控制从具有不同额定电压的电源向具有输入电压阈值的负载提供功率的功率控制器，包括一个控制器，用于控制触发电路以在输入给控制器的电源电压超过一个阈值时比不超过该阈值时具有一个更大的触发相角，该阈值取决于负载的输入电压阈值。

根据本发明的第二方面，提供一种用于控制从具有不同额定电压的电源向具有输入电压阈值的负载提供功率的功率控制器，包括一个控制器，用于当输入到该控制器的电源电压超过负载的输入电压阈值时，控制触发电路以使该触发电路的触发相角延迟。

本发明可以提供一种适用于不同额定电压的电源的功率控制器，其生产成本相对低廉。与已有技术不同，低和高输入电压之间的阈值开关操作可以自动执行。

该控制器可以改变构成触发电路的一部分的电阻电路的电阻。这便于改变触发电路的触发相角。电阻电路的电阻的变化优选是阶跃变化，这提供了一个非常简单的布置结构，但这并不是必需的。

电阻电路可以用于提供电流对与构成触发电路的一部分的与开关半导体电路的控制电极相连的电容电路进行充电。在实施例中，一个电容器与一个二端交流开关元件的控制电极相连，依次控制一个三端双向可控硅开关元件或可控硅元件。

该功率控制器可以布置成在激活功率控制器之前，电阻电路具有对应于输入电源的电压超过负载的输入电压阈值时呈现的电阻。这可以在输入电源电压高时为元件提供保护。

该控制器可以操作构成电阻电路一部分的开关。这便于提供触发相角的阶跃变化。该开关可以是一个继电器，例如机电式继电器或像光学MOS继电器那样的固态继电器。该开关可以是常开的，提供一定的浪涌电流保护。

该控制器可以包括一个用于产生阶跃信号变化的电路，用于在输入电源的电压超过负载的输入电压阂值时改变电阻电路的电阻。这使该控制器特别适用于假设输入电源电压具有一个比较小的数值，例如2。优选地，这个电路包括一个或多个齐纳二极管。这是一种检测是否超过电压阈值的廉价方法。

电阻电路可以包括一个电位计。这可以用于改变供给负载的功率。该电位计可以与电源开关相连，从而使电源开关操作控制电位计暂时采用高电阻。这可以提供浪涌电流的附加保护。

本发明还提供一种包括所述功率控制器的电气装置。

附图说明

下面将通过例子，参考附图对本发明的实施例进行说明，其中：

图1和2说明了根据本发明的功率控制器的可替换实施例。

具体实施方式

图1的可变功率控制器包括输入端Tl，其通过保险丝Fl与主电路相连。在图1中，输入端Tl的带电端子示为最低，最高的端子是中性端。电源开关SW2插在多个端子和功率控制器电路之间，就是这个电源开关用于操作电路。

一般而言，功率控制器被配置成向连接在输出端T3的负载提供110V、50Hz或60Hz的电源。输入端T1接收到的电源可以是110V或240V、50Hz或60Hz。

可以认为功率控制器10是由两个主要部分，即控制器11和触发电路12重新构成，控制器11和触发电路12的每一个都被连接以接收供应到输入端T1的功率。第一电容器C1连接在电源开关SW2的输出端之间。第一电容器C1是X2级电容器，其可以提供对电路及其负载产生的射频干扰最基本的滤波。

控制器11通过包括第一到第四二极管D1到D4的整流二极管电桥连接在第一电容器C1两端，整流二极管电桥为控制器11提供一个全正弦波整流电源。从第一到第四二极管D1到D4构成的二极管电桥的阳极到阴极的流动顺序地是第一到第三齐纳二极管Z1到Z3、第一电阻器R1和第二电容器C2。第一电阻器R1和第二电容器C2之间的连接点通过第二电阻器R2(基极限流)与NPN晶体管Q1的基极相连。第三电阻器R3连接在第一晶体管Q1的基极和发射极之间。

控制器11这部分的作用是当第一到第四二极管D1到D4的整流器提供的电压足够引起串联的齐纳二极管Z1到Z3反向导通时开通第一晶体管Q1。第二电容器C2使整流信号平滑，从而防止晶体管Q1在输入功率信号的每个周期中开关两次。接通Q1所需的输入功率信号的电压由齐纳二极管的击穿电压确定。例如，提供三个BZX79C56型齐纳二极管，其提供一个大约120V RMS的阈值电压。如果接收到的功率信号具有大于120V RMS的电压，则就会导致第一晶体管Q1接通。通过采用不同的齐纳链式电压可以获得不同的电压阈值。

第一电阻器R1具有10k欧姆的电阻，第二电阻器R2具有470k欧姆的电阻，第三电阻器R3具有100k欧姆的电阻，第二电容器C2具有100nF的电容。这四个元件的合适规格(correct specification)使其可以具有对于阈值电压可忽略的效果，这基本是由齐纳二极管电压降单独控制的。

当第一晶体管Q1没有接通时，其集电极和发射极之间具有一个高电位差。在这种情况下，也构成控制器11的一部分的第二晶体管Q2接通。第二晶体管Q2的基极直接与第一晶体管Q1的发射极相连，第四电阻器R4连接在第二晶体管Q2的基极和集电极之间。当在第一晶体管Q1的集电极和发射极之间的电压为高时，第二晶体管Q2通过第四电阻器R4被偏置。第二晶体管Q2的集电极通过第五电阻器R5与由第一到第四二极管D1到D4构成的整流器的阳极侧相连。例如，第四电阻器可以具有100k欧姆的值，第五电阻器可以具有33k欧姆的值。第二晶体管Q2的发射极通过光学MOS继电器SW1的输入LED触点与第一晶体管Q1的发射极相连。第三电容器C3是电解电容器，其具有100微法的电容，连接在光学MOS继电器SW1的输入LED触点之间。

其作用在于，当第一晶体管Q1断开时，第二晶体管Q2接通，光学MOS继电器SW1被激活。流过光学MOS继电器SW1的输入电流受第五电阻器R5的限制。由于它的作用，第二晶体管Q2属于高电压、低电流型，例如BUJ100。第一晶体管Q1不是必须属于高电压型，而是例如可以为BC547型晶体管。

光学MOS继电器SW1是常开型(例如，来自NAiS的AQY210 EH)，其被流过其内部的发光二极管的电流闭合。电流的波动可以被第三电容器C3消除，其提供了对光学MOS继电器的稳定激活作用。

控制器11的另一个优点在于当与110V或240V电源相连时，其具有非常低的功率消耗和低的发热性。这就允许可以在最小型系统中实施，在该系统中最小程度地进行冷却或通风或者根本不存在冷却或通风。

光学MOS继电器的开关侧构成触发电路12的一部分。触发电路12包括由第六电阻器R6、第七电阻器R7、电位计VR1和第八电阻器R8构成的电阻器链。第七电阻器R7和电位计VR1彼此并联，与第六和第八电阻器R6、R8一起构成三级串联电阻器链。第八电阻器R8构成的电阻器链第三级的端部通过第四电容器C4与端子T1的带电端相连。第六电阻器R6构成的电阻器链的第一级的开端与输出端T3的带电端相连。输出端T3的中性端直接与输入端T1的中性端相连。

光学MOS继电器SW1的开关侧并联连接在第六电阻R6两侧。

三端双向可控硅开关元件THY1的主端子串联在输入功率端T1和输出端T3之间。特别地，三端双向可控硅开关元件的主端子1与输入功率端T1的带电端相连，三端双向可控硅开关元件的主端子2与输出功率端T3的带电端相连。三端双向可控硅开关元件THY1的栅极由二端交流开关元件DIAC1和第九电阻器R9供给，该第九电阻器串联在连接第八电阻器R8和第四电容器C4的节点与二端交流开关元件DIAC1之间。当第四电容器C4两端的电压达到二端交流开关元件的击穿电压时，二端交流开关元件DIAC1导通，该击穿电压典型地在30V的范围内。因此，三端双向可控硅开关元件THY1接通的输入功率信号的相位由第六到第八电阻器R6、R7、R8构成的电阻链的电阻、电位计VR1和光学MOS继电器SW1确定。

当输入电源电压小于120V RMS时，Q1断开，Q2接通。因此，光学MOS继电器SW1闭合，旁路掉第六电阻器R6。这里，三端双向可控硅开关元件THY1的开关或触发相角相对较小，这是因为第四电容器C4变化迅速，并因此在循环初期就对二端交流开关元件DIAC1进行切换。这使得当VR1为全功率设定，即具有0电阻时，端子T1的全部输入电源电压都提供给输出端T3。因此可以说，根据接收到的110V电源提供110V电源。

当端子T1接收到的输入电源超过120V RMS时，第一晶体管Q1接通，因此第二晶体管Q2断开。在这种情况下，光学MOS继电器SW1的开关侧打开，从而第六电阻器R6提供电阻器链的电阻。在这种状态下，电阻器链的电阻远大于第六电阻器R6不提供电阻时的电阻值。与光学MOS继电器SW1闭合时的情况相比，这个较大的电阻使第四电容器C4可以更慢地充电，这使三端双向可控硅开关元件THY1以一个增加或延迟的相角被接通。另一方面，当输入到控制器的电源电压超过负载的输入电压阈值时，控制器11控制触发电路12，从而使触发电路的触发相角延迟，如齐纳二极管Z1到Z3的导通电压确定的那样。选择元件值，从而当VR1为全功率设定时，240V RMS的输入电源电压导致一个开关或触发相角，其在110V RMS的输出端T3上引起一个有效输出供电。三端双向可控硅开关元件THY1的开关或触发相角可以通过电位计VR1的控制来设定。三端双向可控硅开关元件THY1可以是BTA208X-600B型。二端交流开关元件DIAC1可以是BR100/03型。

在这个例子中，第六和第七电阻器R6、R7可以是470k欧姆的电阻器，第八电阻器是4.7k欧姆的电阻器，第九电阻器R9是47欧姆的电阻器。当电位计VR1在110V模式下为最大功率设定(0欧姆)时，第八电阻器R8限制对C4的最大充电电流。例如，电位计RV1可以是500k欧姆。电位计VR1的设定确定最大输出功率。一个较高的电阻提供一个较低的最大输出功率。如果所需的最大输出功率是已知的，则电位计可以由适当值的固定电阻器(没有示出)替换。第六和第七电阻器R6、R7的值可以被改变以调整最小功率电平和110V与240V功率设定之间的比值。选择指示的元件值以适应120V DC永磁电动机的速度设定。需要第六和第七电阻器R6、R7的差值以适应其他装置，例如为了优选白炽灯的亮度设定或半波控制的交直流两用电动机的速度设定。

当功率控制器电路通过电源开关SW2接通并且接收到的电源超过120VRMS的阈值电压时，第一晶体管Q1接通，第二晶体管Q2比光学MOS继电器SW1的响应时间更快地被断开。因此避免了110V模式下的瞬间操作。

由于功率控制器10采用全波相位控制，所以便于三端双向可控硅开关元件THY1为一个高换向的三端双向可控硅开关元件。这可以使导致高浪涌电流的假触发的危险最小化。不需要附加的减震器或保护电容器与高换向三端双向可控硅开关元件THY1相连。

因为光学MOS继电器SW1是常开型，所以功率控制器在非必要操作时处于240V输入电源模式。由于这会导致功率控制器10在接通时比光学MOSSW1为常闭型时更能抵抗高浪涌电流，所以这是非常有利的。这限制了在240V接通时潜在的高浪涌电流。

将电位计VR1和电源开关SW2结合在一起提供了一个附加浪涌限流的特征。具体地说，当电源开关SW2闭合时，电位计VR1可以布置成在其端子两侧提供最初及暂时的最大电阻。这样，电源开关SW2闭合时流过的高浪涌电流被电位计VR1该最大程度上限制。

做为选择地，为了在输出端T3提供AC电源，功率控制器10可以布置成提供DC电源。这里的输出端T3被忽略，取而代之的是一个整流电桥设置在其位置上，如图1中第五到第八二极管D5到D8所示。这里，连接在第五到第八二极管D5到D8构成的二极管电桥的适当节点上的输出端T2向DC负载(未示出)提供DC输出。这种DC负载可以是例如永磁电动机。第五到第八整流二极管D5到D8的额定功率明显地取决于DC负载的性质。第五到第八二极管D5到D8中的每一个都可以是例如3.6A轴线的SOD64包二极管，BYM56C型。如果仅仅需要一个AC电源输出，则第五到第八整流二极管D5到D8和输出端T2都可以忽略。

现在参考图2描述可替换的实施例。在图2中，用图1中的参考标记表示相同元件。这里，功率控制器电路15利用硅可控整流器或可控硅整流器THY2提供半波相位控制。这种可控硅整流器通常用于AC交直流两用电动机的更好的速度控制，例如，电钻和类似的电动工具。在这个实施例中，第九二极管D9以反向偏置连接在第四电容器C4之间。这可以确保可控硅整流器THY2仅仅接收正的门脉冲。该可控硅整流器THY2可以是BT151X-650R型。功率控制器15的其余部分的操作基本与图1中的功率控制器的相同。

上述功率控制器可以控制从不同额定电压的电源向具有输入电压阈值的负载提供功率，使其不超过该输入电压阈值。具体地说，控制器11控制触发电路12，使得当输入到控制器的电源电压超过负载的输入电压阈值时，使触发电路的触发相角延迟。

这样，功率控制器可以由不同额定电压的电源对一个给定的负载进行安全供电，例如，不同的市电电源。因此，包括功率控制器的电气产品的制造商针对市场上销售的具有不同市电电源的给定产品仅仅需要生产一个单一版本，使制造成本降低。该功率控制器的制造效能成本合算，制造相关的电气产品基本可以不增加成本。

上述控制器采用的原理可以用于生产具有两个或多个单独的电压阈值的控制器。该控制器可以根据输入电源超过哪个阈值来提供输出信号，并因此控制三端双向可控硅开关元件THY1或可控硅整流器THY2的开关或触发相角。这样，该功率控制器可进行操作，当输入电源可以采用三个或多个电压电平之一时以所需的电压或以大约该电压向负载提供电源。对于每个阈值来说，需要单独的控制器11和开关继电器。

可以理解的是，这里所述的功率控制器可以与宽量程的电气装置结合使用，和/或结合在宽量程的电气装置中使用，包括手持电动工具、厨房用具、人身护理、例如复印机、传真机及类似设备的办公室设备。例如，这里所述的功率控制器还可以在更广的应用中被结合作为子电路，例如白炽灯调光器、低功率加热控制器、电动机速度控制器和风扇控制器。

根据这里公开的内容，本领域的技术人员可以理解有很多其他的改进和变化。这些改进和变化都可以包含本领域公知的其他特征，这些特征可以代替或附加这里已经公开的特征。

Claims (14)

1、一种功率控制器(10)，用于控制从不同额定电压的电源向具有输入电压阈值的负载供电，该功率控制器包括控制器(11)，该控制器(11)用于控制触发电路(12)，其特征在于，所述触发电路(12)操作用于在输入到该控制器(11)的电源电压超过一个阈值时比不超过该阈值时具有一个更大的触发相角，该阈值取决于负载的输入电压阈值。

2、如权利要求1所述的功率控制器(10)，其中该控制器(11)使构成触发电路的一部分的电阻电路的电阻发生变化。

3、如权利要求2所述的功率控制器(10)，其中电阻电路的电阻变化是阶跃变化。

4、如权利要求2或3所述的功率控制器(10)，其中电阻电路用于提供给一个电容器电路充电的电流，该电容器电路与构成触发电路的一部分的开关半导体电路的控制电极相连。

5、如权利要求2或3所述的功率控制器(10)，其被布置成在给该功率控制器通电之前，电阻电路具有对应于在输入电源电压超过负载的输入电压阈值时呈现的电阻的阻值。

6、如权利要求2或3所述的功率控制器(10)，其中该控制器(11)操作构成电阻电路的一部分的开关(SW1)。

7、如权利要求6所述的功率控制器(10)，其中开关(SW1)是一个继电器。

8、如权利要求7所述的功率控制器(10)，其中开关(SW1)是一个光学MOS继电器。

9、如权利要求6所述的功率控制器(10)，其中开关(SW1)是常开型。

10、如权利要求2所述的功率控制器(10)，其中该控制器(11)包括产生阶跃信号变化的电路，用于当输入电源电压超过负载的输入电压阈值时使电阻电路的阻值变化。

11、如权利要求7所述的功率控制器(10)，其中该功率控制器包括一个或多个齐纳二极管。

12、如权利要求2所述的功率控制器(10)，其中电阻电路包括一个电位计(VR1)。

13、如权利要求12所述的功率控制器(10)，其中电位计(VR1)与电源开关(SW2)相连，使电源开关操作以控制电位计暂时采用高电阻。

14、一种包括前面任一项权利要求所述的功率控制器(10)的电气装置。

Images