CN101171738B - 控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于控制连接到交流电的用电设备的功率的设备，包括：电路单元(12，TRIAC)，与所述用电设备串联并具有控制输入；点火装置，用于控制所述电路单元和执行相位控制操作；以及点火电容器，它与所述点火装置耦合，并提供激活所述电路单元所需的能量；其特征在于，所述点火装置包括：开关元件(32)，在激活时在所述点火电容器与所述电路单元之间建立连接；释放元件(36)，将施加到所述点火电容器的电压与基准值进行比较，产生释放信号；以及定时元件(38)，与所述释放元件连接，并在预定延续时间之后响应所述释放信号，激活所述开关元件(32)，从而使得存储在所述点火电容中的能量全部用于对所述电路单元(12，TRIAC)点火。
Description
技术领域
本发明涉及的这样一种功率控制装置，其带有：与所述用电设备串联并具有控制输入的电路单元(TRIAC)；为驱动该电路单元和实施相位控制的点火装置，以及可与该点火装置耦合能提供激活电路单元所需能量的点火电容器。此外，本发明还涉及一种通过相位控制，对与交流电压-电源相连接的电子用电设备的功率进行控制的方法。
背景技术
DE 198 50 905 A1或DE 101 27 777 C1中公开了一种装置和方法。这种已公知的装置即被称为相位控制装置。它通过电路单元，周期性地接通或关闭用电设备，以此来调控馈给电子用电设备的功率。通常TRIAC用作电路单元。它与用电设备串联，由控制装置激活。控制装置包括一个与TRIAC并联的、由电阻和点火电容器组成的串联电路。点火信号可在电阻与点火电容器之间被截取，并经由电阻和构成DIAC触发元件组成的串联电路馈送给TRIACS控制输入端(栅极)。
在运行中，电容器是由通过电阻馈送给相位控制装置的交流电压充电的。这样会提高电容器(点火电容器)上的电压。一旦达到预定电压值(点火电压)，DIAC就会依次导通，并激活TRIAC，用电设备接通。TRIAC在电压在超过零值前，一直处于导电状态。这个过程会周期性地为每个交流电压的半波(长)重复一次。
这种例举的方式是通过改变与点火电容器串联的电阻的电阻值来实现功率控制。这样可以调整达到必要的点火电压所用的充电时间，其结果是延续时间也可被调控，在此时间内TRIAC是通电的。
激发TRIACS所需的点火能量是由点火电容器提供的。通常电容器要充大约32+/-4V电。达此电压，DIAC就会导电，这样在点火电容器中储存的电能就会流进TRIAC。当然，在点火电压降到大约10V时，DIAC又会闭锁，以致于无法继续使用尚储存在点火电容器中的电能。基于这 种特性，电容器就需要具有至少100nF的容量。这样，在DIACS导电阶段，只用储存在触发电容器中总电能的很少一部份电能激活TRIAC。
通常情况下用100nF的容量，电容器会比较大。另外，它只能由一个高功率电阻(通常为3W的电阻)充电。这样元件即大，也贵。
发明内容
在此背景下，本发明的首要目的就是进一步完善前述方式的功率控制装置及方法，使其装置的制造成本比迄今为止的解决方案更便宜，其性能更佳。
因此，这项任务将由在开篇时提及的装置来完成。这个激活装置包括：
开关元件，它被激活时可生成点火电容器与电路单元的控制输入端之间的连接；释放元件，它可以将电容器中的电压与基准值作比较，并发出释放信号；限时元件，它与释放元件连接，响应于释放信号并在预定延续时间之后激活开关元件。这样，储存在点火电容器中的电能几乎可全被用于点火电路单元(TRIAC)。
换言之，即该装置包括并非是DIAC构成的开关元件。如果一方面存在释放信号，另一方面在设定的延续时间之后，在点火电容器与电路单元(TRIACS)的控制输入端之间建立连接来点火。典型的方式是延续时间随着电源电压的每个半波(长)开始。如果达到电容器上的设定电压，优选在22V范围，那么延续时间也会在另一时点开始。在点火电容器完全放电之前，开关元件会一直保持关闭(即，在点火电容器与电路单元的控制输入端之间有一个连接)。
由此可见，符合本发明装置的优点之一是：存储在点火电容器中的全部电能几乎都可被用于激活电路单元，优选为TRIACS的激活。还可让点火电容器体积更小，有10nF的容量即可。与迄今所用的装置相比，容量小了约10倍。容量缩小的另一个好处是，与点火电容器串联的电阻可设计成更省钱的SMD-电阻，这是因为对功率的要求明显变小了。假设在此前的解决方案中设计的电阻是3W功率，现在的电阻只设定0.25W就足矣。
总的生产成本可因此降低10％左右。
符合本发明的另一个优点举例来说就是：能达到较小的、可调的最小电压，而最大的电压也只高出1V至2V。此外，装置的热稳定性明显改善；电机电压在70V时，从-20℃至+120℃时的偏差可达仅为+/-5V。与以前所用的电路相比，要少一半多。
在优选的扩充方案中，为点火电容器提供了电压限制元件，目的是将存置在点火电容器中的电压限制在额定的最大值。电压限制元件优选由两个极性相反连接的齐纳二极管组成。
因此，可让存置在点火电容器中的电压在半波(长)内快速地提高，达到齐纳-电压后保持恒定，以减少此间的重复点火。这种电压控制在实践中，尤其考虑使用标准元件和其标定尺寸时，证明是好的。
在一个优化的扩充方案中，可给定的延续时间(限时元件的)规定了电路单元的接通延续时间(点火角度)。限时元件优选地示出了一个可产生斜坡电压的RC-部件和能调节阈值的可调式电阻。只要斜坡电压达到阈值，开关元件即被激活。
在优选的方案中，可设定的(时间单元的)延续时间确定电路单元的导通持续时间(点火角度)。时间单元优选地示出为包括可生成斜坡电压和调节阈值用的可调电阻的RC-器件。只要斜坡电压达到了阈值，电路单元即被激活。
优选地提供了向其馈送斜坡电压和阈值的电压比较器，其具有与释放单元连接的释放输入。
换言之，即RC-器件可生成斜坡上升电压，在斜坡上升电压达到可调的阈值后发出时间延续运行的信号。但前提是有释放信号的存在。接着再生成能激活电路单元的相应信号。
在进一步的优选方案中，点火装置包括软起动电路。
软起动电路的优点是，电子用电设备在启动后不必立即用所调定的功率驱动，而是在功率达到所调定的值时才缓慢地(即在很少几个至数百个交流电压周期内)提高。
依据本发明提出的目标也可通过与交流供电系统相连接的功率控制装置，对电子用电设备的相位进行控制的方法来实现。其步骤是：使点 火电容器充电至预定电压，从而使得在所述点火电容器中储存足够激活电路单元的能量(激发能)；以及在可调的延续时间之后响应释放信号，所述点火电容器与所述电路单元连通以将其激活，从而使得全部的所述激发能通过所述电路单元流走，其中如果所述点火电容器达到了额定电压，产生所述释放信号
这种方法已具有前述装置时提到的一些优点。所以此处不必再作赘述。
本发明的其他优点和布置可从说明书和附图中获知。
当然，在不脱离本发明框架的条件下，前述的和下面将说明的特点并不是只用在已陈述的方案中，在其他的方案中也可以采用。
附图说明
下面将参照附图中示出的实施方案对本发明作详细说明。在附图中：
图1为本发明的装置示意图；
图2A为在图1中使用的DIAC-等效电路的方块示意图；
图2B为在图2A中示出的时间单元的方块示意图；
图3为显示了点火电容器上的电压运行的非比例图；
图4为根据本发明的装置的电路图；及
图5为根据本发明的、与在图4中示出的装置相比有扩展的装置的电路图。
具体实施方式
在图1中，功率控制装置(以下简称相位控制器)用方块图的方式描述，并用附图标号10表示。相位控制器通过对交流电压的相位进行控制，控制馈送到电子用电设备的功率，例如电机，尤其是吸尘器用的电机。这样的相位控制器基本上是公知的，所以不必在此就它的作用原理作进一步的阐述。
相位控制器10包括电路元件12，它在实施方案中作为TRIAC 14组合。TRIAC 14串联至要供电的用电设备16(其为通用电机)。由TRIAC14和电机16组成的串联电路与交流电压的电源连接。通常交流电压为 230V，50Hz。
与TRIAC 14并联了由电阻20和22组成的串联电路。电阻20在本实施例中由3个单电阻21组成。这些单电阻21可作为被称为0.25W功率的SMD-电阻使用。当然，这些单电阻21的数量是可变的。比示出的数量可多一些，也可少一些。
电容器22可用作所谓的点火电容器。点火电容器上具有电压Uz。
与点火电容器22并联的是由齐纳二极管24A和24B组成的串联电路。它们极性相反地设置。就是说，要为电源电压的每个半波(长)，沿着电流方向配置两个齐纳二极管中的一个。齐纳二极管24A，24B可将存置在电容器22上的电压Uz限制在额定值上，优选为22V。
电阻20和点火电容器22之间连接了一个DIAC-等效电路。它成为与TRIACS14的控制端(栅极)25的连接件。
最后还设置了一个电阻27。它布置在栅极25和TRIACS14的漏极28之间。
采用DIAC等效电路30涉及插件板。它在图2A中用方块图示出。它的主要用处是：在给定的时点启动TRIAC14，即，使其进入导电状态给电机16供电。在迄今为止的相位控制器中，这一功能都采用DIAC。
DIAC-等效电路30示出有多个功能组。在图2A中示出了其中的三个。
DIAC-等效电路30包括开关元件32。它成为两个接点34之间的连接件。在密封的开关元件32中，点火电容器22顺序地与TRIACS14的栅极25连接。
此外，这个DIAC-等效电路30包括有释放电路36，它由接点34和点火电容器22上的电压Uz供电。要监控这个电压，使之在达到基准电压后就发出释放信号。如果点火电容器上的电压不再升高，即便不与基准电压比较也能发出释放信号。
最后提供了一个定时元件38。它可以在设定的可调的时间周期运行完后连通或再断开开关元件32。时间周期Δt可通过调节控制元件39来调节。相位控制器10的所谓相(位)角可借助调节控制元件39来调节。定时元件38又附加了一个软起动电路35。它可以在启动阶段缓慢地将相(位)角转变成调定的相(位)角。
定时器38的结构在图2B中有显示。它包括一个可随电源电压的每个半波(长)的开始产生斜坡电压的斜坡发生器51。斜坡的斜度要优选确定。
将斜坡电压馈送给比较器53以与阈值进行比较。可通过调节控制元件39来调节阈值。
当斜坡电压达到阈值时，就会产生激活开关元件32的信号。
比较器53还设有释放/禁止输入端。该输入端与释放电路36的输出端连接。因此可先将比较器53释放至特定的点，以此避免可能出现的提前点火。
接下来解释有关图3中的相位控制器10的功能，尤其是DIAC-等效电路30的功能。
在电源电压的每个半波(长)开始时，点火电容器22是通过电阻20充电。此时，电压Uz会连续地升至时点t1。在此时点，会达到并联的齐纳二极管24A及24B的齐纳电压。这个电压优选22V。尽管电源电压还在继续升高，但有了齐纳二极管就可让电压Uz恒定在22V。
在DIAC-等效电路中再流经释放电路36时，电压Uz要与基准值(同样优选为22V)进行比较。在达到22V时就产生释放信号。这个释放信号被馈送给比较器53，在时点t1时将其释放。
在比较器53上，一方面存置了一个可调的阈值电压，另一方面还有一个由斜坡发生器51生成的斜坡电压。斜坡电压达到阈值电压后，比较器53就会产生控制信号，以此来调控开关元件32。
图3示出的是在时点t1时比较器被释放，而在时点t2，也就是经过时间△t运行完后生成控制信号。接着在时点t2时再将开关元件32调至关闭。
在关闭了开关元件32之后，点火电容器22及其存置的点火电压Uz置于TRIACS14的栅极25上，依据选定的电压值，让TRIACS14点火。通过这个接点，点火电容器22在点火结束时就可以释出几乎全部的电能。在剩余电压约为2V时，开关元件32会重新开启。这样，随着下一个电源电压的半波(长)开始，前述过程又重新运行。
如通常公知的那样，TRIAC14是在电源电压的通过下一零点时，也就是在下个半波(长)开始时闭锁。如此一来，通用电机16最终只能在达到交流电压的达到零点时，在时点t2处充电。
通过推迟时点t2，并因此延长到下个零点通过的间隔时间，让功率产生变化。就是说，可以通过改变时间周期Δt来调节功率。
在图4中示出了一个相位控制器10，特别地示出了DIAC-等效电路30的具体实施方案。在图1，2A和2B中用相同附图标号示出的元件将 不再重新解释。
DIAC-等效电路被示出出为包括由4个二极管D5，D6组成的桥式整流器。它的作用是，在DIAC-等效电路之内，且在电源电压的每个半波(长)的两个电压支线41和42具有同样的极性。
开关元件32在DIAC-等效电路内是由晶体管T5和T2-B，电阻R18，R13，R6，R14和电容器C6构成的。晶体管T5(NPN-晶体管)与两个支线41和42之间的电阻R18串联。由电阻R6，R13，以及电容器C6构成的串联电路就与电阻18并联。晶体管T2-B与两个支线41，42之间的电阻R14串联。晶体管T2-B可作为pnp-晶体管构成。它的基础是与两个电阻R6，R13的连接点相联。晶体管T2-B的集电极与晶体管T5的基极和电阻R14连接。
如果通过电阻R13来调控晶体管T2-B，那就可以通过电阻T5和电容器C6来调节动态的电路。电阻R18此时会限制最大电流。开关元件32，即两个晶体管T2-B和T5，在电压回落到约2V时才会重新关断。也就是点火电容器22会快速地完全放电。
定时器38主要由电容器C8、电阻R15和npn-晶体管组成。它可调控激活开关元件32。
如图4中所示，电阻R15是与电容器C8串联，组成了RC-器件。晶体管T1-A的基极是通过电阻R1与RC-器件R15，C8的中心抽头连接。
RC-器件R15，C8的用处是，在晶体管T1-A的基极产生一个斜面电压，为的是在达到设定的阈值后接通晶体管T1-A。
为调节阈值和时间延续Δt设置了一个具有电位器P3的调节装置。这个电位器通过另一个电位器把晶体管T1-A的发射极与支线42连接。电位器P3的中心抽头通过电阻R2与电容器C8连接。通过调整电位器P3就可以修改在其达标时被接通的阈值。
通过分压器R8和R7，再经晶体管T1-B就生成了一个内部的基准电压。作为基准它即可用于通过电位器P3组成的调节装置，也可用于斜坡电压的生成。与电阻R8并行地提供了电容器C2。它可用于提高基准电压，让点火电容器22内的电压稳定，以杜绝‘提前点火’。这个电路部件因此构成释放电路36。
DIAC-等效电路示出了一个由T3-A和T3-B构成的软起动电路。T3-A的作用是电流放大器，可超过调整电压。电压通过R2就会示出规定的最低阻抗。电容器C9规定软起动随它的吸收电流一起运行。这个吸收电流是通过R3确定的。基极-放射极-连接通路被T3-B反向驱动(约6V)。晶体管T2-A可作一个带有很小的反向电流的二极管用。这个连接通路给电容器C7周期性地充约22V的电。R4向C7放电。以至于经约四次半波(长)断电后，电容器的C9流经晶体管T3-B产生的强力放电就会受到影响，这样就可以在电压中断后干净地重复软起动。
所以软起动电路的作用基本上有了一个时间延续Δt，也就是在启动后，第一次半波(长)可被调到所需的数值以内的斜面高度。
在图5中示出了相位控制器10，特别地示出了DIAC-等效电路30的细化布置。它基本上相当于在图4中示出的布置。所以，对用相同附图标号示出的部件在此不必重复，请参阅先前的叙述。
在图5中示出的电路唯一的不同是：开关元件32示出有两个另外的部件，即用参考标号50标示的二极管D1，和用参考标号52标示的电容器C14。
二极管D1置于晶体管T2-B的集电极上，而电容器则与晶体管T2-B的集电极-放射极-旁路以及其后的电阻R14并联。
与在图4中示出的电路变化不同，在通电时，对减缓开关颤动的影响会有作用。如果在通电时开关震颤，会造成意外点火。其后果是：最初的一、二和三次半波(长)大量电流流出，可能导致触发保险装置，在电动机上发出敲击噪声。
由于附加了部件D1和D14，这些影响几乎被消除了。
显然，前述的DIAC-等效电路的实施方案仅为例选，其他的示出方案也是可能的。此外，要明确的是：DIAC-等效电路并非必须配置软起动电路。
相位控制器10有一个优点就是：一个很小的，可调的最低电压在以前的电路中都是可以的。此外，最大的电压要高出大约1V至2V。软起动的时间就可以在一个宽泛的限界内变化。最终，该电路的热稳定性会有明显的改善。从-20℃到120℃的温度范围内，在70V的电机电压下时， 电路的产生误差约+/-5V。
Claims (11)
1.一种控制装置，用于控制与交流电源相连的电用电设备的功率，包括：
电路单元(12，TRIAC)，与所述用电设备串联并具有控制输入；
点火装置，用于控制所述电路单元和执行相位控制操作；以及
点火电容器，它与所述点火装置耦合，并提供激活所述电路单元所需的能量；
其特征在于，所述点火装置包括：
开关元件(32)，在激活时在所述点火电容器与所述电路单元之间建立连接；
释放元件(36)，将施加到所述点火电容器的电压与基准值进行比较，产生释放信号；以及
定时元件(38)，与所述释放元件连接，并在预定延续时间之后响应所述释放信号，激活所述开关元件(32)，从而使得存储在所述点火电容中的能量全部用于对所述电路单元(12，TRIAC)点火。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，与所述点火电容器(22)并联设置有电压限制元件(24)，用于限制所述点火电容器上的额定最大电压值。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压限制元件(24)包括两个极性相反的齐纳二极管(24A，24B)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，可确定延续时间来确定所述电路单元(12，14)的启动时间。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述定时元件设有可生成斜坡电压的RC-部件和调节阈值的可调电阻(39)，在所述的斜坡电压达到阈值时，激活所述开关元件(32)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还设置有电压比较器(53)，向所述电压比较器(53)馈送所述斜坡电压和所述阈值，而且所述电压比较器(53)还具有与所述释放元件(36)连接的释放输入端。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述点火装置(30)包括软起动电路。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述点火电容器(22)与至少一个电阻(20，21)串联，而所串联的电路与所述电路单元并联，其中所述电阻(21)为SMD-电阻组合。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关元件(32)至少包括一个第一晶体管(T5，T2-B)。
10.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述释放元件(36)包括第一电容器(C4)和第二晶体管(T1-B)串联的电路，以及与所串联的电路并联的分配器，所述分配器由第一和第二电阻(R8，R7)组成，所述晶体管的基极与所述分配器的中心抽头连接，第二电容器(2)则与所述分配器的第一电阻(R8)并联，这样，当所述分配器上的电压达到基准值时，产生释放信号。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述点火装置包括桥式整流器(D5，D6)。
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