CN106981997B - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括第一输入端子(IN1)和第二输入端子(IN2)的电源设备，输入交流电压施加在两个端子之间，所述设备包括：‑振荡器(OSC)，连接到所述第一输入端子和所述第二输入端子，并且被设计为生成一些控制脉冲，‑电压转换器(CONV)，由所述控制脉冲控制在导通状态和阻断状态之间，并且被布置为在所述导通状态下从所述输入电压提供输出DC电压(Vout)，‑所述振荡器被布置为以确定的数量和持续时间生成一些控制脉冲，以便将每个电流脉冲的振幅限制在阈值以下。

Description

电源设备
技术领域
本发明涉及一种电源设备，其例如被设计用于与电负载的控制开关并联连接、连接在双向型控制系统上、或者用于直接连接在电源的两个端子之间。
背景技术
用于控制诸如电灯泡的电负载的系统传统地包括控制开关，其负责控制电流在电灯泡中的流动。
在已知布置中，各个设备与控制开关并联连接，例如，信令指示器、调光器、定时器、电容或红外型传感器、或利用诸如ZigBee或蓝牙的通信协议运行的无线接收器。
由于该设备当开关断开时与电灯泡串联连接，所以其供应电流必须被限制，以便防止电灯泡的照明，即使是暗淡的。
当灯泡是白炽灯或卤素灯类型时，这种设备的供应电流不足以引起电灯泡的照明。当今，LED(light-emitting diode,发光二极管)或荧光型的“低能量”灯泡的出现已经产生了新的困难。在实践中，这些灯泡仅需要非常低的电流用于它们的运行。因此，当开关处于断开状态时，并联连接的设备的供应电流足以引起这种类型的灯泡的暗淡的或间歇的照明。
一个明显的解决方案涉及减少设备的供应电流。然而，该设备然后可能不能正确地运行，或根本不运行。
专利申请WO2015/145014A1描述了一种电源电路，其被设计用于与电源开关并联连接，并且其允许使用振荡器生成控制脉冲以供应电子控制电路。电源开关被设计用于隔离或电连接用于控制诸如白炽灯或发光二极管灯的负载的设备上的两个连接端子。
在该专利申请中提出的解决方案具体地允许防止灯的可见照明，甚至在灯被关闭的情况下。为此，所使用的不稳定振荡器允许生成具有非常低的循环比的控制脉冲。然而，该文献中提出的解决方案不允许对所生成的控制脉冲进行微调。
本发明的目的是提出一种电源设备，其允许供应上述类型的设备，其中上述类型的设备例如与控制开关并联连接(甚至其中由开关控制的电负载是“低能量”灯)，从而具体地允许对所生成的电压脉冲进行微调。
发明内容
该目的通过具有第一输入端子和第二输入端子的一种电源设备来实现，其中在所述第一输入端子和第二输入端子之间施加交流输入电压，所述设备还包括：
-振荡器，连接到所述设备的第一输入端子和所述设备的第二输入端子，并且被设计用于生成控制脉冲，
-电压转换器，由所述振荡器所生成的所述控制脉冲在导通状态和阻断状态之间进行切换，并且被设计为在导通状态下基于电流脉冲从所述输入电压供应DC(direct-current，直流)输出电压，
-其中所述振荡器被设计用于生成控制脉冲，其数量和持续时间适于限制所生成的每个电流脉冲的振幅在阈值以下，所述振荡器包括：
-控制设备，连接到所述转换器，并且在导通状态和阻断状态之间进行切换以用于传递所述控制脉冲，
-第一电容器，具有其值确定交流输入电压的每个周期中的控制脉冲数量的电容，
-第二电容器，具有其值确定所生成的每个控制脉冲持续时间的电容。
根据特定特征，在振荡器中采用的控制设备可以包括：
-DIAC(three-layer diode，双向开关二极管)型二极管，
-单结晶体管，或
-以级联布置连接的至少两个晶体管。
电压转换器(CONV)可以是：
-降压型的，
-降压/升压型的，或
-“反激(flyback)”型的。
有利地，电源设备可以包括电子控制模块，其被设计用于将输出电压调节到特定值。
本发明还涉及一种用于控制电负载的系统，包括在断开状态和闭合状态之间切换的至少一个控制开关，用于将负载电流有控制地传递到电负载，所述系统包括前述类型的电源设备，其与所述控制开关并联连接，用于在控制开关处于断开状态的情况下分接(tapping)交流输入电压，以便在输出侧生成输出电压。
有利地，所述系统可以包括电子电源模块，其被设计用于当控制开关处于闭合状态时分接所述负载电流，并且连接到所述电源设备的输出，用于当控制开关处于闭合状态时传递所述输出电压。
附图说明
参照附图,从下面的详细描述中，其它特征和优点将变得显而易见，其中：
-图1示出了根据本发明的电源设备的示意图，该电源设备被设计用于与电负载的控制开关并联连接、连接在双向性控制系统上、或者直接连接在连接到电源的两个端子上，
-图2A至图2D示出了在根据本发明的设备中采用的振荡器的执行的不同变型，
-图3A至图3C示出了在根据本发明的设备中采用的电压转换器的执行的不同变型，
-图4A至图4D示出了根据本发明的设备的执行的不同变型，该设备与用于电负载的控制开关并联连接，
-图5示出了图示本发明的操作原理的时间图，
-图6示出了根据本发明的设备，其连接到双向型控制系统。
具体实施方式
本发明涉及电源设备的公开。参考图1，该电源设备1具有特定的特征，在于：它与用于连接到交流电压源(未示出)的电负载(例如灯3)的控制开关2并联连接、或者连接在双向负载控制系统上或者直接连接在连接到配电系统的电插座的两个端子。控制开关应被理解为允许控制电路的任何装置，例如，包括开关继电器、按钮或杠杆开关。
因此，该设备包括：至少两个输入端子IN1、IN2，如上所述，它们被设计用于与控制开关2并联连接，与电插座的两个端子并联连接，或与双向型控制系统并联连接，用于输入交流输入电压Vin；以及两个输出端子OUT1、OUT2，在它们之间生成DC输出电压Vout。
参考图1，在这两个输入端子IN1、IN2和这两个输出端子OUT1、OUT2之间，设备1包括：
-整流器RED，被设计用于对所分接的交流电压进行整流。
-振荡器OSC，被设计用于生成控制脉冲CTRL。
-电压控制器CONV，由振荡器OSC传递的控制脉冲CTRL控制，用于从由电源供应的电流供应DC输出电压Vout。
优选地，该设备还可以包括：
-通过负载电流的电子供应(supply)模块MOD_ALIM，其在设备1与控制开关并联连接时是有用的，用于当用于电负载的控制开关闭合并且输入电压Vin为零时维持供电。该电子供应模块直接串联连接在用于电负载的电源电路上。
-电子控制模块MOD_REG，其被设计用于实现基本上恒定的输出电压Vout，而不管输入电压的变化如何。该模块被设计用于连接到设备的输出，从而形成反馈回路。
下面详细描述根据本发明的设备的各种组成部件。该设备更具体地被描述用于其中该设备与用于电负载的控制开关并联连接的应用。然而，应当理解，该设备可以在如上所述的其它应用中采用。
整流器RED被设计用于对在该设备所连接的两个可用端子之间分接的交流电压进行整流。整流器例如可以包括串联连接在设备的输入端子(IN2)上的简单二极管(附图中的D6)、或允许对抽头(tapped)电压进行整流的任何其他解决方案(例如二极管桥)。在图4A至图4D中，整流器使用二极管D6构成。
可以根据实施例的不同变型来执行振荡器OSC，如下面详细描述的。
参考图2A，根据实施例的第一变型的振荡器包括：两个上电路端子，在下文中被称为第一上电路端子X1和第二上电路端子X2，其每个被设计用于分别连接到与设备分离的输入端子IN1、IN2；以及两个下电路端子Y1、Y2。在该第一电路布局中，振荡器OSC包括DIAC类型(用于交流电流的二极管)的受控二极管。该DIAC二极管在一侧连接到用于将第一电阻器R1接合到第一电容器C1的连接点，并且在另一侧连接到其第一下电路端子Y1。第一电阻器R1还连接到振荡器OSC的第一上电路端子X1。在其第一下电路端子Y1和其第二下电路端子Y2之间，振荡器OSC包括并联连接的电阻器R3和二极管D2。
参考图2B，根据实施例的第二变型并且与上述第一变型的振荡器OSC相比较，另外包括电容器C2，其在一侧连接到其第一下电路端子Y1，并且在另一侧连接到DIAC型二极管。在该变型中，电阻器R3继而连接在DIAC型二极管与电容器C2的连接点和振荡器的第二下电路端子Y2之间，而二极管D2保持并联连接在振荡器的第一下电路端子Y1和第二下电路端子Y2之间。
参考图2C，在实施例的另一变型中，振荡器OSC采用单结晶体管。在该架构中，DIAC型二极管由单结晶体管T_U取代。
在图2D中，在实施例的最终变型中，振荡器OSC采用以级联布置互连的两个晶体管Q1、Q2。第一晶体管(Q1)是NPN型的，而第二晶体管(Q2)是PNP型的。
不管采用的实施例的模式如何，振荡器的操作原理保持不变。这涉及生成用于控制连接在输出侧的转换器的控制脉冲。此操作原理将在下文中具体参考图5来阐明。
转换器CONV可以根据实施例的不同变型来执行，如下文中详细描述的。该转换器由振荡器在其第一下电路端子Y1处传递的控制脉冲CTRL控制，用于生成DC输出电压Vout。该转换器包括三个上电路端子，即：第一上电路端子X10，其被设计用于连接到振荡器OSC的第一下电路端子Y1，用于接收由振荡器传递的控制脉冲CTRL；第二上电路端子X20，其被设计用于连接到该设备的第一输入端子IN1；以及第三上电路端子X30，其被设计用于连接到振荡器OSC的第二下电路端子Y2。该转换器还包括两个下电路端子Y10、Y20，在它们之间生成输出电压Vout。
图3A表示降压类型(“降压”)的转换器。因此，转换器包括NPN型晶体管T1，其基极连接到转换器的第一上电路端子X10，其发射极连接到第三上电路端子X30，并且其集电极经由续流二极管D3连接到转换器的第二上电路端子X20。该转换器还包括连接到晶体管T1的集电极和第二下电路端子Y20的电感L1、以及连接到第一下电路端子Y10和第二下电路端子Y20的电容器C3。第二上电路端子X20继而直接连接到第一下电路端子Y10。续流二极管D3连接到晶体管T1的集电极和转换器的第二上电路端子X20，并且定向为从集电极到第二上电路端子X20的导通。
图3B表示降压/升压类型(“降压-升压”)的转换器。由于其架构是公知的，所以在本申请中将不详细描述该转换器。
图3C表示“反激”类型的转换器。由于其架构是公知的，所以在本申请中将不详细描述该转换器。
图4A至图4D表示根据本发明的设备的实施例的多个变型，其中该设备并联连接到用于电负载的控制开关2。
图4A表示根据本发明的设备的实施例的第一模式，其采用如图2A所示的振荡器OSC和如图3A所示的且连接到所述振荡器的降压型转换器CONV。振荡器的第一上电路端子X1连接到设备的第一输入端子IN1，而振荡器的第二上电路端子X2连接到设备的第二输入端子IN2。转换器的第一上电路端子X10因此连接到振荡器OSC的第一下电路端子Y1，转换器CONV的第二上电路端子X20连接到设备1的第一输入端子IN1，并且转换器的第三上电路端子X30连接到振荡器OSC的第二下电路端子Y2。转换器的第一下电路端子Y10连接到设备的第一输出端子OUT1，并且转换器的第二下电路端子Y20连接到设备的第二输出端子OUT2。
这种设备的运行如下进行：
-当输入电压Vin存在于设备的两个输入端子IN1、IN2之间时，该电压被施加到由振荡器OSC的第一电阻器R1和电容器C1形成的单元，从而导致经由电阻器R1对电容器C1充电。
-当电阻器R1和电容器C1之间的连接点处的电压超过DIAC型二极管的导通阈值时，电容器C1在转换器的晶体管T1的基极-发射极结处放电。
-晶体管T1在电容器C1的放电时间的持续时间内变为导通，该放电时间可以是例如几十微秒。
-在晶体管T1处于导通状态时，转换器的电感L1存储几十毫安的电流。
-一旦电容器C1完全放电，DIAC型二极管将会被阻断，从而导致晶体管T1的阻断。存储在电感中的电流然后将流入续流二极管D3中。该放电时间较长，具有几百微秒的量级。
-所传递的电流脉冲将因此在设备的两个输出端子OUT1、OUT2之间生成输出电压Vout。
-电容器C1经由电阻R1重新充电。
-取决于电阻器R1的额定值，电容器C1的这种充电/放电现象可以在电源周期期间发生多次。
根据本发明，在上述架构中，电阻器R1的额定值确定由该设备生成的电流脉冲的数量，并且电容器C1的电容额定值确定由该设备传递的每个电流脉冲的持续时间。根据本发明，如果设备与用于电负载的控制开关并联连接，如果由设备生成的电流脉冲不被电负载检测，则该脉冲必须非常短。例如，在图4A所示的电路布局中，所采用的电阻器R1将具有小于30兆欧的额定值，并且电容器C1将具有最低可能的电容，以便减少脉冲的持续时间。
图4B表示设备的实施例的变型。该变型采用具有图2B中所示类型的架构的振荡器OSC，并且采用具有与图4A中表示的拓扑相同的拓扑的转换器CONV。设备中的振荡器OSC和CONV的布置与上面针对图4A所述的布置保持相同。所采用的振荡器OSC允许将该数量的脉冲的生成与每个脉冲的持续时间解离(dissociation)。在该架构中，电容器C1的电容额定值确定脉冲的数量，而电容器C2的电容额定值确定每个脉冲的持续时间。因此，转换器中的晶体管T1的导通时间仅由电容器C2的电容额定值决定。因此，选择电阻器R1和电容器C1的电容的额定值，以使得电容器C1的充电/放电在交流输入电压Vin的每个周期发生给定次数。每当DIAC型二极管导通时，电容器C2都经由转换器的晶体管T1的基极-发射极结被充电，使得晶体管T1呈现导通状态。一旦电容器C2放电，晶体管T1就被阻断。
图5示出了图示图4B所示的设备的运行的时间图。在该图中，将观察到，在电感L1中流动的电流I在转换器的晶体管T1的导通时间内增加，直到值I_peak。当晶体管T1被阻断时，该电流I减小到零，流入续流二极管D3中，然后，续流二极管D3导通。因此，应当注意，转换器的电感L1的额定值确定由设备生成的电流的值I_peak。
当根据本发明的设备与用于电负载的控制开关并联连接时，基于振荡器和转换器的上述解决方案允许在控制开关断开时生成输出电压。为了确保供应的连续性，甚至当该控制开关闭合时，根据本发明的设备包括电子供应模块MOD_ALIM，其被设计用于直接分接要供应给电负载的电流。图4C表示根据本发明的配备有该电子供应模块的设备。在该图中，该设备因此包括图2B所示类型的振荡器OSC、图3A所示类型的转换器(它们如上所述互连)、以及附加的电子供应模块MOD_ALIM。电子供应模块MOD_ALIM继而包括：
-与电负载串联连接的单元，包括分流电阻器、齐纳(图4C中的Dz1)或Transil型二极管、或电流互感器。
-第一二极管D4在导通方向上连接在一侧的设备的第二输出端子OUT2与另一侧的负载电路之间。
-第二二极管D5在导通方向上连接在一侧的设备的第二输出端子OUT2与另一侧的转换器的第二下电路端子Y20之间。
-齐纳二极管Dz2，与电容器C3并联连接，即，连接在设备的两个输出端子OUT1、OUT2之间。
-连接到设备1的两个输出端子OUT1、OUT2的电容器C4，用于生成输出电压。
两个二极管D4和D5的布置使得在由负载电路和由根据本发明的电源设备构成的两个电压源之间不存在功率的相互流动。
优选地，根据本发明的设备还可以包括电子电压控制模块MOD_REG，如图4D所示。实际上，各种振荡器拓扑通常具有缺点，在于：它们对输入电压敏感。生成的控制脉冲的数量倾向于随着由电源传递的电压而增加。因此，当由电源传递的电压最小时，可能需要获得足够的供电，并且，当由电源传递的电压增加时，分接的电流不应干扰电负载。
电子电压控制模块MOD_REG因此包括反馈回路，其被设计为限制由振荡器生成的控制脉冲的数量。
图4D因此表示根据本发明的设备，包括：
-由二极管D6构成的整流器。
-图2A所示类型的振荡器OSC。
-图3A所示类型的转换器CONV。
-上面参考图4C所述类型的电子供应模块。
-电子控制模块，其在下文中更详细地描述。
电子电压控制模块MOD_REG被设计为取代振荡器OSC的电阻器R1，以产生可变电阻。因此，电子电压控制模块MOD_REG包括连接到DIAC型二极管的第一端子、连接到设备1的第一输入端子IN1的第二端子、以及连接到转换器CONV的第二下电路端子Y2的第三端子。电子电压控制模块MOD_REG包括：
-具有两个电阻器R10、R11的分压器桥，连接在电子电压控制模块MOD_REG的第二端子和电子电压控制模块MOD_REG的第三端子之间，
-沟道P MOSFET类型的晶体管M1，其栅极连接到分压器桥的中点，其源极连接到电子电压控制模块MOD_REG的第二端子，并且其漏极连接到PNP型晶体管T2的基极、并且经由两个串联连接的电阻器R12、R13连接到电子电压控制模块MOD_REG的第一端子。
-晶体管T2，其基极连接到MOSFET晶体管的漏极，其发射极连接到电子电压控制模块MOD_REG的第二端子，以及其集电极连接到两个电阻器R12、R13的连接点。
电子控制模块MOD_REG的运行如下：
-当存在于电阻器R10的端子处的电压低于晶体管M1的导通阈值时，晶体管M1被阻断。晶体管T2是导通的，并且用于对振荡器OSC的电容器C1充电的等效电阻大致对应于电阻器R13的等效电阻。
-当存在于电阻器R10的端子处的电压超过晶体管M1的导通阈值时，晶体管M1变为导通。晶体管T2然后被设置为阻断状态。用于对振荡器的电容器C1充电的等效电阻大致对应于两个电阻器R12和R13的和。
图6示出了根据本发明的设备在用于双向类型的电负载的控制系统中的使用。对于该应用，设备的第二输入被分成两部分，用于与由双向系统形成的电路的两个分支连接。因此，设备的整流器RED包括两个单独的二极管，每个二极管连接到双向型系统中的一个分支。
如上所述，根据本发明的设备具有许多优点。该设备允许产生与许多设备(包括传感器、指示灯、定时器、调光器、遥控器或其他设备)兼容的电微型电源，并且可以容易地与用于电负载的控制开关并联连接、或者直接连接在用于分接负载电流的电源插座的两个端子之间。该电源设备特别有效，因为它以高效率和有限损耗运行。此外，该设备与诸如“低能量”灯泡的非常低消耗类型的电负载的电源兼容。借助于电流脉冲，该设备允许例如生成5VDC的电压。

Claims (7)

1.一种具有第一输入端子(IN1)和第二输入端子(IN2)的电源设备，在第一输入端子(IN1)和第二输入端子(IN2)之间施加交流输入电压(Vin)，其特征在于，所述电源设备包括：
-振荡器(OSC)，通过整流器(RED)连接到所述电源设备的第一输入端子和所述电源设备的第二输入端子，并且被设计用于生成控制脉冲，
-电压转换器(CONV)，连接到第一下电路端子(Y1)和第二下电路端子(Y2)以便由所述振荡器所生成的所述控制脉冲在导通状态和阻断状态之间进行切换，并且被设计为在导通状态下基于电流脉冲从所述输入电压供应DC输出电压(Vout)，
-其中所述振荡器(OSC)被设计用于生成控制脉冲，其数量和持续时间适于将生成的每个电流脉冲的振幅限制在阈值以下，所述振荡器包括：
-DIAC型二极管，连接到所述转换器并且在导通状态和阻断状态之间切换以用于传递所述控制脉冲，
-第一电容器(C1)，具有其值确定交流输入电压的每个周期中的控制脉冲的数量的电容，
-第二电容器(C2)，具有其值确定所生成的每个控制脉冲的持续时间的电容，
-第一电阻器(R1)，通过所述输入电压(Vin)对所述第一电容器(C1)充电，
-第二电阻器(R3)，连接在所述DIAC型二极管与所述第二电容器(C2)之间的连接点与所述第二下电路端子(Y2)之间，
-其中所述DIAC型二极管连接在所述第一电阻器(R1)与所述第一电容器(C1)连接的连接点与所述第二电容器(C2)之间，并且所述第二电容器(C2)连接在所述DIAC型二极管与所述第一下电路端子(Y1)之间。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述转换器(CONV)是降压型的。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述转换器(CONV)是降压/升压型的。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述转换器(CONV)是“反激”型的。
5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述电源设备包括电子控制模块(MOD_REG)，其被设计用于将输出电压调节到特定值。
6.一种用于控制电负载的系统，包括在断开状态和闭合状态之间切换的至少一个控制开关(2)，用于将负载电流有控制地传递给电负载(3)，其特征在于，所述系统包括如权利要求1至5中任一项所述的类型的电源设备(1)，其中所述电源设备与所述控制开关(2)并联连接，用于在控制开关处于断开状态的情况下分接交流输入电压(Vin)，以便在输出侧生成输出电压(Vout)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统包括电子供应模块(MOD_ALIM)，其被设计用于当所述控制开关(2)处于闭合状态时分接所述负载电流，并且连接到所述电源设备(1)的输出，用于在所述控制开关(2)处于闭合状态时传递所述输出电压(Vout)。
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