CN1162054C - 圣诞灯串 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种与众多的低压负载，例如圣诞灯串，一起使用的电路，该电路包括被接入一个串联电路的若干灯(34)的若干组(36)但是每一组之内的那些灯是并联的，最好是与每一组并联一个半导体装置(38)以限制该组内的电流和电压。 通过适当地选择灯泡、组的大小和组的数量可以形成一个使用大约1/3的功率的灯串，产生少得多的热量并且不损失亮度。半导体装置(38)基本上可以由若干个二极管，例如处在一个齐那二极管或者一个定制双极装置两侧中的一侧的两个硅二极管构成。

Description

圣诞灯串
1.优先权权利要求：
本申请要求享有对1998年5月8日申请的、申请号为No.60/084848的美国在先申请的权益。
2.本发明的领域
一般说来本发明涉及为一组低压电负载，具体讲为圣诞灯提供电功率。
3.本发明的背景
在图1中，照明设备10是当前普遍应用的一种标准灯串。灯串10是通过将一个标准插头12插入墙壁电源插座(未示出)中供电的。照明设备10的灯14按照串联电路排列。这种结构对于一串灯来说，也就是对于一系列低电压、低电流、小尺寸的电负载来说，是最廉价的电路。根据灯的数量，例如在一个典型的灯串中是50个，每一盏灯在200mA电流下通常需要2.5V电压。那么，在串联结构中，要点亮该照明设备需要120V电压。
有一些较大型的照明设备一个灯串要使用100和150个灯。然而，这些照明设备通常包括每串50盏灯的三个灯串，每一串灯被布置在一个并联电路中与其他的灯串彼此并联，在一个灯串中的每一个灯与该灯串中的其他的灯彼此串联。
通常，在一个串联电路中，当有一个灯泡被烧坏时，该照明设备将不能点亮，直到这个灯泡被替换为止。然而，这些较长的电路中的每一个灯需要一个在灯泡被烧坏时仍能使电流继续通过灯泡的分流器，该分流器是一种缠绕在灯丝托脚接线柱周围的氧化铝线。在灯丝被烧断并且电流不能从中流过时，该设备的两端突然没有了电压降。而后，跨该灯两端的电压迅速上升达到线路水平(120V)，电弧跨过被绝缘的分流器并将该分流器横跨坏的灯电路焊接，将它接入坏灯电路，使得电流重新流过该照明装置。尽管灯串中的灯被重新点亮，但由于被烧坏的灯泡中的分流器负载低，所以，每一灯泡携带稍高的电压。
在分流器不能挽救灯串的情况下，灯串将彻底损坏，出现这种情况的次数大约占30％，这种比例在旧的照明装置中更高一些。
事实上，在大多数情况下，灯串的故障并不是由灯泡被烧坏引起的，而是由灯泡的接触和使灯泡插入灯座的接触之间的故障引起的。灯泡的接触点通常是镍铜合金，而灯座接触是用黄铜(一种锡/铜合金)制造的。这些不同的合金之间的接触将按照伽伐尼(Gavanic)方式反应，使它们的接触面变差，并因此使接触之间的电连接质量逐渐变差，直到电流流动停止和灯熄灭。
因此，在灯泡电不着或者它的接触质量变得太差时，灯串将不能点亮。在由150个灯组成的灯串中，这是一个需要改善的麻烦的问题。
尽管假若灯串中的一个灯损坏或者出故障，或者灯的接触质量变差，这个灯串仍然能点亮，但将灯串中的这些灯并联布置并不是一个解决问题的办法。在120V交流电压下，一个标准的超亮灯的额定电流为200mA，而由150个灯组成的一套照明装置的额定电流为30A，或者说其功率为3600W，这样的功率过大了，用作一棵圣诞树的装饰也有失火的危险。
功率消耗不仅对于假定由150个并联的灯组成的灯串来说、而且对于普通的灯串来说都是个明显的问题。150盏灯的常规的灯串将消耗72W的功率，而且在一棵圣诞树上使用的灯通常在400至600盏之间。
在一组圣诞树灯串中同时使用并联结构和串联结构的灯泡还不曾为人所知。例如，Smith等人在美国专利US4,675,575中描述了一种用于圣诞树照明的发光二极管(LED)组件。它们的LED灯串可以使用交流电或者直流电。然而，同白炽灯泡相比较，LED不需要很大的功率，也不会产生很强的光，不必考虑后者是多么的小，因此也没有那些更为常见的圣诞树灯串所固有的限制。
Mancusi，Jr.在美国专利US4,855,880中给出一种有关用于照亮圣诞树的灯串中的灯的不同布局的教导。他所描述的灯串包括在人造树上串联和并联的白炽“种子”灯泡。将AC电用硒整流器整流，以便为他所描述的灯供电，他将每套包括40盏灯的多达20套的照明装置串联组合，在同一套装置中的每一盏灯是并联的。
此外，Crucefix还在美国专利US4,870,547中公开了另一种照明系统结构，这种结构的基础是在圣诞树的顶端围绕该树干的项圈形状，这种形状用于将由串联灯构成的各并联的照明装置展开。
对于圣诞灯串来说，或者实际上对于任何一套若干低电压负载来说，仍然需要有效的低功率电路。
                           发明概述
根据本发明的主要方面和主要描述，它是一种用于若干低压电负载，例如圣诞树灯串的电路。该电路包括若干组设置在串联电路中的灯，一组中的每一个灯是并联的。最好由5个灯构成一组，30组形成一个包括150盏灯的灯串，与目前所能买到的灯串中的灯的数量相符。如果改变灯压和灯组的数量，灯串的规模可分布在从50盏到200盏以上的范围内，与当前流行的规模相符并且超过所流行的规模。与每一组并联的是一串半导体或双极器件，形成在该灯组中有一个或者多个灯熄灭的情况下限制电压和电流的并联组器件。
本电路可以使用任何交流电源，但是最好使用公共拥有的美国专利US5,777,868中所描述的直流电源。
本发明的一个主要优点是降低了功率消耗。通过比较，当使用在前述共同在审的申请中所提出的直流电源时，不采用由150盏灯组成的常规灯串所用的72W功率的设计，本发明的灯串仅使用10.8W的功率。
本发明的另一个主要的特性是有能力获得串联灯串的低电流和低电压的优点，同时不会因为一个灯泡的损坏而使整个灯串出故障。在一个实施例中，由于设置了与每组并联的一个半导体组或双极器件，所以，在同一组中的所有灯泡的损坏均不会引起灯串的故障。这种设计避免了一个灯泡使整个灯串出故障这样的一个重要问题，串联组亦是如此，同时可防止由于一个灯泡的损坏而引起的并联灯组中的其余灯泡上的电流应力。在一个与另一些并联灯串中串联的普通并联灯串中，一个灯泡烧断后，该并联灯组中的其他灯泡将承受较大的电流强度，这反过来引起更多的灯泡出故障；于是，这些故障在该并联灯组中的其余灯泡中的产生更大的电流应力，直到所有的灯泡按照指数速率损坏。此外，每次故障都使灯串产生使灯泡寿命缩短和引起火灾危险的更高热度。
相反，本发明避免了由于提供用于调节电流的半导体组或双极器件所引起的雪崩效应，结果使得不会受到附加电流的应力作用。
对于本领域中的普通技术人员来说，通过仔细阅读带有附图的最佳实施例的详细说明其他的特性和其他的优点将是显而易见的。
                             附图说明
在附图中，
图1是对常规的已有技术的、已有技术的灯装置的图示说明；
图2是对本发明的一个优选实施例的灯串的图示说明；
图3是对本发明的另一个可供选择的优选实施例的灯串的图示说明；
图4A-4E是用于根据本发明的上述可供选择的优选实施例的电路的并联灯组器件的一些可供选择的实施例。
                    优选实施例的详细说明
现在参照图2，图中示出与电源插头22相连并包括若干分布于一个组合串/并连电路中的灯的照明装置20。在一个五灯灯组26中使用的是2V、40mA的灯，在该灯组中，5个灯24之中的每一个被设置在一个并联电路中，那么150盏灯的照明装置可以由30个这样的5盏灯的灯组构成，其功率消耗只有24W，而不是图1所示的照明装置中的72W或也不是以上所述的完全并联的装置中的3500W。每一个五灯灯组26的工作电流为200mA。如果使用本发明的优选直流输出电源，要点亮这150盏灯的灯串需要54V直流电压。
然而，如果灯24或者由于接触不良，或者掉线，或者由于烧断而出了故障，那么该五灯灯组中的其余各盏灯不得不分担它们之中的电流。由于有一个灯泡被排除在外，所以其余的每一个灯泡现在必须通过50mA电流而不是40mA电流。
最后，第二个灯泡由于通过较高的电流而被烧断，而后是第三个，后面每一个灯以更快的速度被烧断，直到该五灯灯组26的每一个灯泡都被烧断为止。一旦一个五灯灯组损坏，那么照明装置20就将不能工作。
图3所示的照明装置30解决了照明装置20和已有技术的照明装置10的问题。装置30有一个与灯组36中的一个个单独的灯相连的电源插头32，在其中，装置38与五灯灯组36并联，灯组36包括若干组彼此并联的五个灯。这个并联组装置38是由包括多重串联叠置的半导体结或者双极器件构成的集成电路；半导体结的数目由灯压确定。如果一盏灯34被烧断，它的接触变差或它从灯组26中被拿走，由于通过剩余那些灯的电流升高和因为导线本身电阻的下降而出现的电压下降，横跨灯组36其余部分两端的电压降稍有变化。
由于使用PN结半导体和定制双极装置，这使得横跨具有依赖于设计和构成半导体的材料的某一数值的上述半导体和装置产生一个压降，因此，可以构成装置38，该装置被预编程，以便调节流过组装置38的电流和横跨组装置38的电压降，结果使得它不论在单个灯34出现什么情况时都不超过一个特定值并保持恒定。
对于使用直流电源的情况，例如在申请号为08/847,345的共同待审的申请中所描述的那样，装置38可以包括两个硅二极管，每一个带有1.1V正向压降，被一个带有0.7V正向压降的齐那二极管隔开，如图4A所示，总压降为2.9V，几乎和灯的3V压降一致。对于使用交流电源的情况，要使用6个二极管，每个方向3个，如图4B所示。在另一个实施例中，使用的是在功能上模仿串联二极管的多结专用集成电路(ASIC)。该集成电路可以是含有一个PN-PN-PN-PN结的不连续构件或一个定制双极结。包含这些规格的多结是无须专门的经验就可以制造，这对于集成电路制作领域中的普通技术人员来说是显而易见的。
并联组装置38的结构确保了跨灯组36的3V压降，而不管有多少盏灯断线、烧毁或其接触恶化。如果取走灯34并且电流升高，就可以克服齐那二极管的反向偏压。在齐那二极管被击穿时，它就开始导电，实际上代替了被损坏的灯泡。齐那二极管最好不具有击穿锐阈并且可以选择逐渐地开始使电流通过。定制双极装置可以采用同样的方式达到类似的结果。
对于电学领域中的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思精神和范围的前提下可以对前述那些优选的实施例作出许多改进和替换，这是显而易见的，本发明的保护范围由所附的权利要求书限定。

Claims (13)

1.一种用于灯串的电路，所述的电路包括：
若干组电灯泡，所述的多个组中的每一组与所述多个组中的其他每一组电串联，所述的每一组之中的每一个电灯泡与所述组中的其他每一个电灯泡电并联；以及
限幅装置，该装置与所述的多个组中的每一组电连接，在所述的多个组中的一组中的一个电灯泡下降的情况下，使通过所述的多个组中的每一组的电流基本上保持恒定。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述的限幅装置在所述的多个组中的一个组中的单独一个电灯泡下降的情况下使横跨所述的多个组中的每一组的电压基本上保持恒定。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述的限幅装置包括多套与所述的多组电灯泡中的每一组并联的半导体，所述多套半导体被编程，使得在所述组中的单独一个电灯泡下降的情况下限制所述这些组中的电流和电压。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述的限幅装置包括一个第一二极管、一个第二二极管和一个齐那二极管，所述的第一二极管、第二二极管和齐那二极管每一个都具有一个正极和负极，所述的齐那二极管的正极与所述的第一二极管的负极串联，所述的齐那二极管的负极与所述的第二二极管的正极串联。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述的限幅装置包括一个第一二极管、一个第二二极管，一个第三二极管、一个第四二极管、一个第一齐那二极管和一个第二齐那二极管；
所述的第一二极管、第二二极管，第三二极管、第四二极管、第一齐那二极管和第二齐那二极管每一个都具有一个正极和负极，所述的第一齐那二极管的正极与所述的第一二极管的负极串联，所述的第一齐那二极管的负极与所述的第二二极管的正极串联，所述的第二齐那二极管的正极与所述的第三二极管的负极串联，所述的第二齐那二极管的负极与所述的第四二极管的正极串联，所述的第四二极管的负极与所述的第一二极管的正极串联，所述的第二二极管的负极与所述的第三二极管的正极串联。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于该电路还包括与所述的多个灯组电连接的电源插头。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于所述的电源插头具有用于将交流输入整流为直流输出的装置。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于所述的多组中的每一组具有5个电灯泡。
9.一种灯串，所述的灯串包括：
若干组灯泡，所述的多组灯泡中的每一组串联，所述的每一组之中的每一个负载与所述组中的其他每一个负载电并联；以及
多套与所述的多组电负载中的每一组并联的半导体，所述多套半导体被编程以便在所述组中的单独一个负载下降的情况下限制所述这些组中的电流和电压；以及
与所述的多组电负载电连接的电源插头，所述的电源插头被制造得适合墙上的电源插座。
10.根据权利要求9所述的灯串，其特征在于所述的多套半导体中的每一套包括一个第一二极管、一个第二二极管和一个齐那二极管，所述的第一二极管、第二二极管和齐那二极管每一个都具有一个正极和负极，所述的齐那二极管的正极与所述的第一二极管的负极串联，所述的齐那二极管的负极与所述的第二二极管的正极串联。
11.根据权利要求9所述的灯串，其特征在于所述的多套半导体包括一个第一二极管、一个第二二极管，一个第三二极管、一个第四二极管、一个第一齐那二极管和一个第二齐那二极管；
所述的第一二极管、第二二极管，第三二极管、第四二极管、第一齐那二极管和第二齐那二极管每一个都具有一个正极和负极，所述的第一齐那二极管的正极与所述的第一二极管的负极串联，所述的第一齐那二极管的负极与所述的第二二极管的正极串联，所述的第二齐那二极管的正极与所述的第三二极管的负极串联，所述的第二齐那二极管的负极与所述的第四二极管的正极串联，所述的第四二极管的负极与所述的第一二极管的正极串联，所述的第二二极管的负极与所述的第三二极管的正极串联。
12.根据权利要求9所述的灯串，其特征在于所述的电源插头具有用于将交流输入整流为直流输出的装置。
13.根据权利要求9所述的灯串，其特征在于所述的多组中的每一组具有5个电灯泡。
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