CN1168180A - 电气装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种对直流电源输入进行降压的转换器，提供电压较低的直流电源。转换器包括稳压单元(3)，与其输入电阻器(4)串联。使用时，电阻器(4)与稳压单元(3)分开，安装在机器的主体上，所以其内产生的热量传输到该机器上，不会影响稳压单元(3)的工作。稳压单元(3)使用线性转换电路，产生稳定的直流输出，但，与传统的直流—直流转换器不同，它基本上不产生杂散电磁场。

Description

电气装置

技术领域

本发明涉及一种电气装置，尤其涉及一种转换直流电源电压的装置。

背景技术

近年来，出现和开发了机动车、汽艇和其它大件设备使用的宽范围的电子附件。这些电子附件中包括照明灯、加热装置等，最近还出现了更为复杂的远程通信设备。许多附件都不用承载它们自己的电源，而是趋向于从大件设备的电池电源中取得能量，因此，它们被设计成与汽车内标准的12伏电池相兼容。但事实上，许多电子附件最佳的输入电压为13.8伏。

不幸的是，其它工业、军用、商业、航空、海运以及其它应用领域中所用的直流电源形式存在很大的不同。例如，大型汽车随着使用直流电源的装置数量的增加，需要在更长的电缆上输送电力。

因此，如果，把直流电的电压从标称的12伏倍增到24伏，尽管总的有效功率没有变化，电流要求就减半。

例如，大型商场或重型汽车一般使用以标称24伏电压为中心的较高的直流电压形式。

因此，这就需要有能接收这些高直流电压形式的输出，并以可接收的形式把电流提供给12伏形式的电子附件的转换器，也就是说，转换器能够例如从在23.3伏至27.6伏变化的电源提供13.8伏恒定的电源。

应当理解，这种转换器可能必须提供几瓦、几十瓦，甚至几百瓦的电源，因此，遇到的问题是在微电子电源转换系统中没有相应的转换器。例如，US-A-4827205揭示了一种片上10伏电压源，它通过10k电阻输送电流，把电源输出限制在毫瓦的数量级上。在这里，效率是不重要的，热产生也不会引起明显的问题。

早期常错叫成“降压器”的直流电源转换器以线性转换器为基础，也就是说，是一种主要利用晶体管对电压源进行降压和稳压的装置。然而，已了解到这种装置完成任务的功率转换效率低到不能接受。而且，没有找到能使线性转换器提供具有足够稳定性的输出电压的设计方案，尤其在要求输出电流增加到较大程度的时候。

汽车、船舶、航空工业或其它设备中用作附件的许多装置都需要有适当平滑和稳定的直流电压。

因此，直流电源转换器最近的发展集中到直流电源的转换方法上，其中，直流电源向常常放置在载重汽车的仪表板下的振荡电路提供电力，以在降压变压器的两端产生振荡电压。然后对变压器的输出进行整流平滑和稳压，以提供所要求的电源，通常标称为12伏。令人惊讶的是，这种方法的改进使装置的效率达到75％，并且，这种系统被非常广泛地应用。

然而，本发明人发现，基于振荡的电源转换器至少存在两个严重的缺点。

许多基于开关模式(振荡)的转换器的第一个缺点是当转换器被误用时，例如把其输出端直接进行电连接，它们的电路都非常可能受发热的损坏。实际上，在转换器工作的使用寿命期内，用不正确的保险丝替换安全保险丝(即转换器提供的保险丝)，或更糟的是完全旁路保险丝。这会导致严重火灾的危险。

第二，由于它们的属性，会产生强大的电磁辐射，这常被称为无线电频率干扰，这种辐射方式常常影响电力、电子设备，更经常影响转换器局部区域的通信设备。

这种现象广泛出现，虽然在设计时许多装置都声明具有适当的滤波功能，但这问题仍继续存在。

在辐射影响完全遥控的并且既没有固定也没有连接到安装在上述汽车或设备上的转换器的装置和/或通信设备的用户时，这一问题可能更严重。

在许多场合中，转换装置的用户并不了解它可能干扰外界。

发明内容

本发明寻求克服电磁辐射和/或过载情况下出现的问题，无论相对于相关的保险额定值具有外部保护，本发明尤其适用于私人、商用和军用汽车，私人、军用和商用船只或小船、航空业、普通工业以及其它设备中。

一般地说，本发明提出的转换器具有控制直流电压转换的第一部分和与第一部分分开的第二部分，其中产生的热量是安全的。

因此，在第一方面，本发明提供一种直流电源转换器，它具有与直流稳压电路串联的输入电阻装置，直流稳压电路的输出电压低于输入到转换器的输入电压，电阻装置能设置在远离所述稳压电路的地方。

在第二方面，本发明提供一种直流电源转换器，包含与直流稳压电路串接的输入电阻装置，直流稳压电路的输出电压低于输入到转换器的输入电压，电阻装置和稳压电路设置在各自不同的壳体内。

在第三方面，本发明提供一种直流电源转换器，包含与直流稳压电路串接的输入电阻装置，直流稳压电路的输出电压低于输入到转换器的输入电压，电阻装置和稳压电路适宜于安装在一部机器的各自不同的位置上。

根据本发明任一方面的转换器较佳地是能至少输送一瓦的电力，更佳的是能输送达几十或几百瓦的电力。

输入电阻装置的电阻器的值通常不大于10欧姆，较佳的为0.1至5欧姆，最佳的为0.5至1.5欧姆。

使用时打算把转换器连接到大件设备，例如载重汽车的电池电源上，把电阻装置安装在设备的主体上，例如载重汽车的底盘上，以使热量可以向远离稳压电路的主体上散发。

虽然稳压电路可以使用振荡电路，但较佳的是使用线性转换器，以在输出电源上基本上不产生电噪声。在这种情况下，可以克服上述线性转换器的两个缺点，至少能减轻这些缺点，这是因为可以把稳压电路选择成在使用时电压转换器产生的热量的主要部分，例如至少60％，较佳地为至少70％的热量在远离稳压电路的电阻装置内产生。这种布置显著地减少了电路高效进行电源转换的必要性，这是由于在稳压电路本身的位置上产生的热量小，因此，能把稳压电路选成使输出稳定性和稳压性最佳，而无论是否取用输出电流。在这种应用中，由于在指定的应用中电源电流容量和电池容量非常大，所以总体电力转换效率并不是最重要的。

还较佳地把稳压电路选择成限制从转换器中可以取出的电流，例如把输出电流限制在低于上限，或者在转换器检测到从转换器取出的电流不均匀时，简单地停止提供输出电压，这种技术称为折叠(fold back)。较佳地是不用诸如保险丝或断路器等可能受损坏的断续器来实现。

较佳地，电阻装置适宜于安装在大件机器的主体上，它们之间有良好的导热性，因而电阻装置内产生的热量将快速导离。较佳地，稳压电路安装在形成有大表面面积的散热器上，以通过例如对流来提高其把稳压电路产生的热量传输给外界空气的能力。

稳压电路的散热器较佳的是具有大表面积且纵向对称。它可以安装成与其纵向轴垂直，所以当它变热时，气流沿着它垂直流动，因而改善了散热器向大气传输稳压电路产生的热量的能力。

稳压电路较佳地为选择成当电路温度上升到高于预定值时停止传送电力。这种“热切断”是一种有用的安全特性，即使与上述的折叠特征结合，这是由于触发折叠的状态不一定与故障同时发生。而且，可能过热而没有电过载，例如，如果稳压电路位于对散热片良好工作来说显得太热的位置上。附图概述

在下面参照附图的对较佳典型实施例的详细描述中将解释本发明的目的和优点，其中：

图1示出了根据本发明的直流转换器第一实施例的电路图；

图2示出了直流转换器第二实施例的电路图；

图3示出了直流转换器第三实施例的电路图；

图4示出了直流转换器第四实施例的电路图；

图5示出了直流转换器第五实施例的电路图；

图6图示了直流转换器的第三和第五实施例的散热器温度与输出电流之间的关系；

图7是适合本发明使用的散热器的端视图；

图8是根据本发明结合到图7所示散热器中的稳压电路的剖视图；

图9示出了图7散热器的透视图；

图10示出了用于根据本发明转换器的电阻单元的透视图；以及

图11图示了根据本发明的直流转换器的安装图。

本发明的实施方式

首先参见图1，本发明直流转换器的第一实施例具有输入端1、2，用于分别连接到一件设备的外部电池的端子上，例如载重汽车的24V电池上。稳压电路设置在稳压单元3内，后者具有接收电源的输入端8、10和连接到电子附件的电源输入端上的输出端5、6。转换器降低电池的直流电压，使其输入端1、2之间的电压差大于例如输出端5、6之间的电压差的两倍。与电池端子1、2之间的稳压单元3串接的是电阻单元4，它包含电阻器R1和保险丝FS1。

电阻单元4通过电缆9连接到稳压单元3上，电缆9的长度至少为几厘米，较佳地应达几米，以使电阻单元4能远离稳压单元。电阻单元4适宜于安装在诸如载重汽车的底盘等设备的厚重部分上，以使其产生的热传输到底盘上。稳压单元3设置在载重汽车另外的地方，或是底盘的其它位置上，或是例如载重汽车仪表板下方，并使它与适宜于把稳压单元3产生的热量传输给周围空气的散热器达到良好的热接触。

在稳压单元3中，电流在阻值都与电阻器R1同一量级(但并不是必须相等)且相等的电阻器R2、R3、R4、R5和R6之间均分。利用5个稳压IC1至IC5，把输出端5和6之间的电压保持在12伏上，每个稳压IC的规格为3安培，它们的工作受电阻器R7和R8以及电容器C1、C2和C3控制。在这种使用标准元件的方法中，可以把输出电流维持在高达15安培，这显著地高于传统转换器的电流输出。

较佳地把稳压IC1和IC5选成当稳压器达到预定温度时稳压单元3停止提供电源。例如，稳压器可以是集成电路KA350，它具有这种特性。

在提供正确的24伏至12伏转换的元件值的一种选择方案中，R1值取0.5欧姆，而电阻器R2至R6的电阻值各为0.015欧姆；C1为1000μF/35V的电解电容器；C2为100μF/16V的电解电容器。IC1至IC5可以是8V/3A的稳压器，在这种情况下，R7和R8的值分别为220欧姆和150欧姆。另一种方案是，IC1至IC5可以是5V/3A稳压器，在这种情况下，R7和R8的值分别为500欧姆和860欧姆。在另一实施例中，稳压器IC1至IC5为12伏稳压器，把R7和R8分别选择成480和72欧姆可以使电路输出电压为13.8伏。C3为2200μF/16V的电解电容器。

在该实施例中，FS1和FS2为分别具有25安培和15安培容量的片状保险丝(blade fuse)。FS3、FS4和FS5也是三个片状保险丝，它们的总值不超过15安培；通常每个保险丝的容量为5安培。

图2示出了本发明第二实施例，是第一实施例的改进。由于第二实施例制造更便宜更简单，所以它优于第一实施例。它被设计成输出5安培，并在电过载或过热时自动停止供电。当除去故障情况或者温度降低到允许程度时，转换器将自动地重新开始正常工作。

在该实施例中，输入侧的电阻单元4由包括连接器插头和插座组件9”的多根电缆线9’与稳压单元3分开。

在该电路中，元件的值为：

IC6，IC7＝LM350型集成电路

C4＝47μF/35V电解电容器

C5，C6＝100μF/16V电解电容器

D1＝IN4001二极管

R1’＝1.5欧姆线绕电阻器

R9＝120欧姆线绕电阻器

R1O＝1.2K欧姆线绕电阻器

图3所示的第三实施例使用与第一实施例相当的电阻器单元4，但使用不同的稳压电路，在该稳压电路中，电流主要流过电阻器R2。电路元件的规格如下：

TR1＝MJ15004PNP晶体管(TO3)

TR2＝BD744PNP晶体管(TO220)

IC8＝L7808CP型集成电路稳压器

C4＝2200μF/16V电解电容器

R1＝0.5欧姆/100瓦线绕电阻器

R11＝0.05欧姆/25瓦线绕电阻器

R12＝220欧姆/1瓦金属膜电阻器

R13＝3.3欧姆/2.5瓦线绕电阻器

R14＝150欧姆/1瓦金属膜电阻器

C7＝1000μF/35V电解电容器

C8＝1μF/35V电解电容器

C9＝1000μF/35V电解电容器

C10＝2000μF/16V电解电容器

如熟练人员所理解的，上面选择IC8意味着当其温度达到预定值时，电路就停止输送电压。因此，在该温度上进行热切断。

图4图示了本发明第四实施例，它是第三实施例的改进。由于它制造更便宜更容易，所以第四实施例优于第三实施例。它被设计成输出可达15安培。

如第二实施例一样，稳压单元3通过电阻单元4连接到输入端，通过引线9’和插头和插座组件9”连接到输出端。

所示元件值如下：

D2＝N4001型二极管

IC9＝LM350型集成电路

TR3＝MJE15004型晶体管

TR4＝BD744C型晶体管

ZD1＝IN5355B型齐纳二极管

C11＝47μF/35V电解电容器

C12，C13＝100μF/16V电解电容器

C14＝0.47μF/63V电解电容器

R1＝0.5欧姆线绕电阻器

R15＝120欧姆线绕电阻器

R16＝1.2K欧姆线绕电阻器

R17a-d＝各为27欧姆

R18＝0.05欧姆线绕电阻器

在图5所示的实施例中，电流也主要通过电阻器R19流到输出端5、6。利用型号为L123CT的稳压集成电路IC9进行稳压。该转换器的特点是当电路受到严重的电流波动时(这可以是例如如果把电路的输出端连接在一起引起的)，IC9使输出电压降低，一直到它复位，这种电流限制技术称为“折叠”。

电路中的元件值如下：

TR4＝2N3771NPN晶体管(TO3)

TR2＝BD743C PNP晶体管(TO220)

IC10＝L123CT型集成电路稳压器

C15＝1000μF/35V电解电容器

C16＝10μF/16V电解电容器

C17＝2200μF/16V电解电容器

C18＝4.7μF/35V电解电容器

C19＝470pF/100V陶瓷电容器

R1＝0.5欧姆/100瓦线绕电阻器

R19＝0.05欧姆/25瓦线绕电阻器

R20＝6.8千欧/0.25瓦金属膜电阻器

R21＝3.6千欧/0.25瓦金属膜电阻器

R22＝7.5千欧/0.25瓦金属膜电阻器

其它元件的值与电压转换器的第三实施例中的相应元件相同。

图6示出了散热器温度与从图3或图5的电压转换器的输出端取出的电流之间的关系。两条曲线分别表示电压转换器的输入为23.3伏(它是从载重汽车的电池中一般能取得的最低电压)和27.6伏(它可以在电池正在充电时得到)的情况。理想的情况是，转换器工作在两曲线之间的电流范围内。

已经发现，本发明上述的第一、第三和第五实施例实现了下列性能：

输出电压：-13.8伏直流

输出电流：-0至15安培

输入电压：-23.3伏至27.6伏直流

最大输入电压过压：-35伏直流，短期故障情况，汽车电源

电流过载保护：-在15安培时，2型电流限制(1型也是)

              -在15安培时，3型电流折叠

工作温度范围：-优于-40℃至+40℃

              ^*在+40℃时，散热器温度为86℃/15安培。

第二和第四实施例分别提供5和15安培，或者最大瓦特数分别达到60或180瓦特。

图7是适合于用作稳压单元散热器的散热器14的端视图。散热器14通过适当铝挤压成形的。它是纵向对称的，安装成与其纵向轴垂直，以通过传导最大地散热。

图8图示了稳压电路可以如何安装到图7所示的的散热器14里以提供散热单元。通过印刷电路板19连接的稳压电路的元件17设置成与散热器14的中央表面15接触，所以在元件17与表面15之间获得了良好的导热性。然后，把电路装入到导热封装复合物21内，该复合物为电路板19提供机械支持。稳压电路不是沿散热器14的整个长度延伸，而是留下表面15的端部不覆盖。因此，当沿散热器14的整个长度加上封装复合物时，稳压电路整个被封装复合物环绕，除了元件17与散热器14接触的部分。因此，稳压电路被完全保护而免受有形的干扰，也避免了与散热器接触的湿气接触。封装复合物还与导线密封接触，导线通过它伸向稳压电路，因此保证了湿气不渗漏到稳压电路。较佳地，把散热单元制成完全防水，或者至少防水溅。

封装复合物21的上表面用板22覆盖。因此散热器14和板22构成稳压电路的壳体25。

第二块板23在散热器的另一侧封闭腔体。两块板22和23用具有顶盖25、26的销24固定在一起。在板23与散热器14的中央区域15之间形成的腔体用封装复合物27填充。

本实施例中所用的封装复合物21、27较好地是导热的，例如，它可以是诸如Electrolube提供的ER2/83混合物。

图9是图8所示的单元的透视图。支架30通过螺钉31、33固定到散热单元上，并适合用孔35、37连接到机器的主体上，例如连接到载重汽车的仪表面板下或底盘上。对散热单元的电输入是通过引线38和插头39进行的。

图10图示了电阻单元45的透视图，它含有根据本发明转换器实施例的电阻器(R1，R1’)。电阻器用其插脚41、43可以电连接到转换器的架座上。电阻单元45的电阻器由包括板47和49的壳体的筒形部分46环绕，并与之电绝缘。壳体是铝挤压件。板47和49设置有孔51，用于把壳体固定到例如载重汽车的底盘上，以在电阻器与底盘之间获得极佳的导热性。筒形部分46为外部呈肋状，以帮助惯常的散热，但一般在50瓦与100瓦之间使用的是把热传导到底盘上。

图11示出了把根据本发明的转换器安装到载重汽车的驾驶室50的情况。把散热单元51以与其纵向轴垂直的形式放置到盖舱(bonnet bulkhead)内。镇流电阻器53放置在底盘内。转换器还包含驾驶舱内的保险丝盒55、也在驾驶舱内的多个连接件57以及安装在仪表板上的LED59全套元件。

对于该技术领域的熟练人员来说，在本发明的范围内对上述实施例作许多改动是明显的。例如虽然较好的稳压电路不一定是线性转换形式，但使用基于振荡操作的稳压电路的另一实施例也是可以接受的。转换器还可以用于不同于载重汽车的其它汽车，例如船舶，或者甚至可以用于不便运输的含有直流电源的机器。

Claims (11)

1、一种直流电源转换器，它具有与直流稳压电路串接的输入电阻装置，稳压电路的输出电压低于转换器的输入电压，电阻装置(4)设置在远离稳压电路(3)的位置上。

2、如权利要求1所述的转换器，其特征在于，电阻装置和稳压电路位于单独的各自的壳体(4，3；45，14)内。

3、一种直流电源转换器，包含与直流稳压电路串接的输入电阻装置，稳压电路的输出电压低于转换器的输入电压，电阻装置(4)和稳压电路(3)适宜于安装在设备上不同各自的位置上。

4、如上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，稳压电路使用线性转换器。

5、如上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，把稳压电路选择成使用时转换器产生的热量的主要部分由电阻装置产生。

6、如上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，把稳压电路选择成使用时限制从转换器取得的电流。

7、如上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，电阻装置至少适宜于安装在设备的主体上，它们之间有良好的导热性。

8、如上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，电阻装置和稳压电路中的一个或两个都设置有把其内产生的热传输给外界空气的装置。

9、如上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，稳压电路不含有振荡电路，它基本上不产生无线电频率电磁辐射。

10、如上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，把稳压电路选择成当稳压电路至少一部分的温度高于预定值时，停止提供输出电压。

11、如上述权利要求之一所述的转换器，其特征在于，输入电阻装置的阻值范围在约0.1至约10欧姆内。

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