专利名称：降低待机状态下充电器能耗的充电电路及充电器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种用于降低待机状态下充电器能耗的充电电路及充电器，更具体地说，涉及一种降低用于如牙刷、剃须装置或毛发去除装置之类的便携式个人使用电器(下称用电器)的充电器的能耗 的充电电路及充电器。
背景技术：
充电器通常是指将交流电转换为低压直流电的装置。充电器在各个领域用途广泛，尤其在生活领域被广泛用于如牙刷、剃须装置或毛发去除装置、手机、相机等便携式个人使用电器。众所周知，用于如牙刷、剃须装置或毛发去除装置之类的用电器的小功率充电器往往固定安装于卫生间，以便于使用。由于这类小功率充电器安装于经常处于潮湿环境的卫生间中，往往采用感应方式实现能量传输，即，充电器中的电磁线圈和用电器中的电磁线圈以磁力可逆的方式耦合。为了节约能量，已开发出多种电子线路和系统。EP 2187513A1披露了ー种被配置成控制施加到负载上的电压的电子电路，该电路包括可控负载开关元件、电压检测电路和接通电路，其中，可控负载开关元件被配置成在其接通时将处于连接状态的电压源提供的供给电压提供给负载，而在可控负载开关元件断开时不向负载提供供给电压；电压检测电路在所述连接状态时与负载耦联，以便被施加到负载上的电压激励；接通电路被耦联到可控负载开关元件并被配置成在安置于该接通电路和电源之间的开关闭合后在确定的时间段内接通可控负载开关元件。WO 2008/000373A1披露了一种用于控制电气负荷的电路布置，其包括桥式电路和控制电路，桥式电路具有四个电子开关，负荷设置在桥式电路的横向支路中，控制电路具有用于所述四个电子开关的控制接线，用于第一电子开关的接线通过由第一电容和第一电阻串联的串联电路与用于第四电子开关的接线连接，用于第三电子开关的接线通过由第二电容和第二电阻串联的串联电路与用于第四电子开关的接线连接。此外，还开发出多种包括感应充电装置和用电器的、用于检测用电器是否处于充电装置上的系统。WO 2010/131168公开了ー种感应充电装置，其具有用于能量传输的线圈和用于能量传输的控制器，其中所述控制器连接到具有可变电容的电容器，并且其中所述电容器被设计成使得其电容根据移动电器是否处于充电位置为变化。EP O 357829披露了一种检测用电器是否处于充电装置上的系统，在该系统中，信号通过发光二极管从用电器被传输到感应充电装置的接收器ニ极管。如果接收器ニ极管检测到用电器不存在，感应充电装置停止充电活动并断开电源。US 2004/0004460描述了利用中央控制单元控制多个感应充电装置的充电动作的系统。其中，通过光学信号将数据从用电器传输到感应充电装置。在DE 197 41 279披露的系统中，通过用于能量传输线圈的驱动电路中电器组件上的变化监测从感应充电装置到用电器的能量传输，借助相应组件上电压的阈值决定停止充电或恢复充电。还已知将能量传输线圈集成于振荡电路中的系统，通过用电器处于充电位置时振荡电路频率发生变化来检测用电器是否处于充电位置。在输入电压不变时利用储能部件储能和放能实现对充电器充电，以及借助开关电源对充电器进行充电也都是公知的。然而，对于这类小功率充电器而言，当其处于待机状态(即未充电)时，充电器仍然消耗能量，而且目前市售的充电器无论充电与否，其耗能基本一致，这也不利于节约能
量。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种用于降低待机状态下充电器能耗的充电电路及充电器，利用本充电电路，不仅在待机状态下能降低充电器的能耗，而且在开始充电时，充电器能输出足够的能量以便对下称用电器进行充电。根据本实用新型的一方面，提供一种用于降低待机状态下充电器能耗的充电电路，其包括充电器部分和用电器部分，充电器部分包括降压部分、整流部分、滤波部分、振荡部分，来自市电的交流电压(如230V或120V)顺序地经降压部分、整流部分和滤波部分后输出直流电压，该直流电压信号输入振荡部分产生交流信号输出。用电器部分包括用电器的感应部分和充电部分，其中，所述振荡部分的正反馈电路中还包括电阻，根据P = UisIisCOSΦ，在交流电源电压有效值Uis和流入充电器的交流电流有效值Iis基本不变的情况下，调整该电阻的电阻值，使充电器部分接有负载时的交流电源功率因数COSCD11至少为其空载时的交流电源功率因数COSO^s的I. 2倍，以改变充电器的输入功率P，降低待机状态下充电器的能耗。所述振荡部分可以是变压器反馈式LC振荡电路，也可以是电容三点式正弦波振荡电路或电感三点式正弦波振荡电路，正反馈电路中的电阻可以是固定电阻也可以是可变电阻，该电阻和正反馈电路中的耦合电容串联，串联后的部分的一端与所述振荡电路的线圈相连，而所述串联后的部分的另一端与该振荡电路的三极管的基极相连。优选所述电阻的电阻值分别比LC振荡电路的初级线圈的铜耗等效电阻阻值、LC振荡电路的次级线圈的铜耗等效电阻阻值、用电器感应部分的线圈的铜耗电阻阻值及振荡电路的三极管发射极输入电阻阻值大至少10倍。优选所述三极管的静态工作点分压电阻中与振荡电路的初级线圈和次级线圈的中间抽头相连的电阻的阻值至少小于其与三极管的负反馈电阻相连的另一分压电阻的阻值的3倍，以使直流静态工作点稳定，其中所述另一分压电阻的阻值可以大于50ΚΩ。所述三极管的静态工作点分压电阻的阻值比三极管发射极输入电阻的阻值大至少10倍。三极管的负反馈电阻的阻值可以小于1ΚΩ。本实用新型的另一方面提供一种用于降低待机状态下充电器能耗的充电器，其包括充电器壳体、设于充电器壳体中的底座、安装在底座上的充电电路、设于充电器底座中与用电器中负载线圈相对的次级线圈、处于所述线圈之间的导磁棒，其中充电电路包括充电器部分和用电器部分，充电器部分包括降压部分、整流部分、滤波部分、振荡部分，来自市电的交流电压(如230V或120V)顺序地经降压部分、整流部分和滤波部分后输出直流电压，该直流电压信号输入振荡部分产生交流信号输出。用电器部分包括用电器的感应部分和充电部分，其中，所述振荡部分的正反馈电路中还包括电阻，根据P = UisIis COSO，在交流电源电压有效值Uis和流入充电器的交流电流有效值Iis基本不变的情况下，调整该电阻的电阻值，使充电器部分接有负载时的交流电源功率因数COSCD11至少为其空载时的交流电源功率因数COSO) s的I. 2倍，以改变充电器的输入功率P，降低待机状态下充电器的能耗。本实用新型的充电器适用于市电为230V和120V的情況。经测试，在230V时，空载功率为O. 39w，电流为16. 1mA，功率因数为O. 106。负载功率为O. 95w，电流为14. 9mA，功率因数为O. 275，对充电电池的充电电流为51. 1mA。在120V时，空载功率为O. 28w，电流为17. 3mA，功率因数为O. 134。负载功率为O. 65w，电流为14. 7mA，功率因数为O. 369，对充电电池的充电电流为42mA。
图I为现有的变压器反馈式LC振荡电路示意图； 图2为现有的电感三点式正弦波振荡电路示意图；图3为现有的电容三点式正弦波振荡电路示意图；图4为本实用新型充电电路的示意图，图中振荡部分电路为电感三点式正弦波振荡电路；图5为图4所示的本实用新型充电电路的一部分的示意图，图中示出了振荡部分(电感三点式正弦波振荡电路)、感应部分和充电部分；图6为本实用新型另一充电电路示意图，图中振荡部分电路为变压器反馈式LC振荡电路，该变压器反馈式LC振荡电路相当于图4中的振荡部分、感应部分和充电部分；图7为本实用新型又一充电电路示意图，图中振荡部分电路为电容三点式正弦波振荡电路，该电容三点式正弦波振荡电路相当于图4中振荡部分、感应部分和充电部分；图8为图5所示电路的分析简化图；图9为图4所滤波部分、振荡部分、感应部分和充电部分的电路意图；图10为空载时图9所不的交流微变等效电路不意图；图11为根据变压器原理针对图10的分析简化图；图12为根据LC谐振电路原理针对图11的分析简化图；图13为根据LC谐振特性针对图12的分析简化图；图14为空载或负载时图9所不的交流微变电流的线路图；图15为根据变压器原理负载时图9所示的交流微变电路的分析简化图；图16为图15的简化图；图17为根据LC谐振原理针对图16的分析简化图；图18为图5所不电路图中的三极管直流静态工作点分析图；图19为图9中从112处看的等效电路图；图20为图4的等效电路图；图21为图20的简化图；图22为本实用新型的以牙刷作为示例的用电器和充电器的组合示意图，其中CHl为安置在充电器底座中的充电线路，CH2为安置在用电器中的充电线路。部分附图标记说明C1为降压电容器；Cis为C1的电容量；R1为C1的放电电阻；Ris为R 1的电阻值；R2、R3为限流电阻；R2s，R3s分别为R2，R3的电阻值；D1 D4为桥式整流ニ极管；U2为整流后的脉动电压；U2S为U2的电压有效值；U3为U2滤波后的直流电压；U3S为U3的电压值；C2为滤波电解电容；R4、R5为三极管的静态工作点分压电阻；R4S，R5s分别为R4, R5的电阻值；R6为三极管的负反馈电阻；R6s为R6的电阻值；R7为LC振荡电路中的正反馈电阻；R7S为R7的电阻值；C4为R6的交流旁路电容；C3为LC振荡电路的谐振电容；C3S为C3的电容值；Lj为LC振荡电路的初级线圈；L1S为L1初级线圈的漏电感值；L2为LC振荡电路的次级线圈；L2S为L2次级线圈的漏电感值；C5为L2的交流耦合电容；L3为用电器中的负载线圈；L3S为L3负载线圈的漏电感值；D5为用电器中的整流ニ极管；U1为交流电源电压；U1S为U1的有效值；I1为交流电源流入充电器的电流；I1S为I1的有效值；COSΦ为充电器对应于交流电源的功率因数；Rl为用电器中充电电池的等效电阻ル为も的电阻值；P为充电器的输入功率。
具体实施方式
如上所述，根据本实用新型，P = Π COSO，其中U为交流电源电压，I为交流电源流入充电器的电流，通常认为市电电源的变化可以忽略，因此可以认为U，I不变，于是通过改变COSO，可以改变P。作为示例，图4示意地示出了本实用新型的充电电路，其包括充电器部分G和用电器部分Y,充电器部分G包括降压部分5、保护电路6、整流部分7、滤波部分8、振荡部分9,用电器部分Y包括用电器的感应部分10和充电部分11。来自市电的交流电压(如230V或120V)顺序地经降压部分5、整流部分7和滤波部分8后输出直流电压，该直流电压信号输入振荡部分9产生交流信号输出。在本实用新型一实施例中，为了获得一定电压值的直流电(如IOV 100V)，所述降压部分5和整流部分7可以采用电容降压和桥式整流，当然也可采用电感降压和半波整流。整流方式和降压方式的任一组合都没有超出本实用新型的范围。图4中，U1为220V交流电或120V交流电，C1为降压电容器，R1为C1的放电电阻，R2、R3为限流电阻，D1 D4为桥式整流ニ极管，U2d为整流桥堆上的交流电压，U2为整流后的脉动电压，U3为滤波后直流电压。在另ー实施例中，也可用电感L取代图4中电容C1来实现降压。图5为图4所示的本实用新型充电电路的一部分的示意图，图中示出了电感三点式正弦波振荡电路的振荡部分、感应部分和充电部分图6和7为本实用新型另外的充电电路示意图，其中图6所示的振荡部分为变压器反馈式LC振荡部分；图7所不的振荡部分为电容三点式正弦波振荡部分。与现有的振荡电路(图1-3，其中图I为现有的变压器反馈式LC振荡方式的示意图；图2为现有的电感三点式正弦波振荡方式的示意图；图3为现有的电容三点式正弦波振荡方式的示意图)相比，本实用新型的特征是，在振荡部分的正反馈电路中加入了电阻R7,在所述振荡部分为变压器反馈式LC振荡电路、电容三点式正弦波振荡电路或电感三点式正弦波振荡电路时，电阻(R7)和正反馈电路中的耦合电容(Cb^C5)串联，串联后的部分的一端与所述振荡电路的线圈(L2，N2，L33)相连，而所述串联后的部分的另一端与三极管 (T)的基极相连。下面仅以图5所示的电感三点式正弦波振荡部分电路为例对本实用新型的实施例进行详细说明。如图4所示，本实用新型的充电电路包括降压部分5、保护电路6、整流部分7、滤波部分8、振荡部分9、感应部分10、充电部分11。其中,L1和L2构成了变压器，以下根据变压器原理对其进行分析。图8为图5所示电路的分析简化图。參见图8，图中，8-1为频率发生器线圈，其为虚拟线圈，它的作用为是产生交变频率，此频率为LC的谐振频率f ;8_2相当于初级线圈L1 ；
8-3相当于被接有正反馈电阻Rf的负载级；8-4相当于手柄中的线圈L3，即相当于负载级用电器Y。三极管T作为电流源输出能量给变压器初级线圈，も对应于充电电池的等效电阻。应指出的是，在下面的运算分析中，“//”表示并联；M << Ni指N比M大10倍以上。參见图8，仅初级线圈L1和次级线圈L2工作时，即负载级8-4中的L3没有被放置在充电座上，充电器处于空载时，其频率f为fs
f =——,——Γ
S 2tiU1s+L2s)式中C3s为C3电容的电容值，Lis为L1初级线圈的漏电感值，L2s为L2次级线圈的漏电感值。当初级线圈L1、次级线圈L2、负载线圈L3都工作时，即负载级8-4中的L3被放置在充电座上，充电器处于负载状态时，其频率f为
f =—— 1 ■--、- 负 2^cJl]S+(l2S//lJ式中L3s为负载线圈L3的漏电感值。參见图9，图9中C5、C4为大电容，可相当于交流短路，电阻R6为直流负反馈电阻，对交流而言，可认为电容C4使R6短路，空载时(即用电器没有放置在充电器上)，图9的交流微变电路如图10所示，假设三极管基极电流为ib，正反馈电流为if，由振荡电路原理可知，从し2看进去的等效阻抗为正反馈电阻Rf，Rfs为Rf的电阻值，Rfs = R7s+ (R4s//R5S//rbeS)式中rbe为三极管的发射极输入电阻，rbeS为rbe的阻值，R4s为三极管静态工作点分 压电阻R4的阻值，R5s为三极管静态工作点分压电阻R5的阻值，R7s为LC振荡电路中正反馈电阻R7的阻值。图10中10-1、10-2、10-3接点与图9中所示的
9-1、9-2、9-3 相同。根据变压器原理，图10可以简化为图11。图11中，k = N1ZN2, N1为L1线圈的匝数，N2为L2线圈的匝数；R8为L1 (初级线圈)铜耗的等效电阻，R8s为R8的阻值；R9为L2(次级线圈)铜耗的等效电阻，R9s为R9的阻值A1为L1初级线圈漏磁铁耗的等效漏电抗；X2为L2次级线圈漏磁铁耗的等效漏电抗；k2Rf为次级线圈的电阻Rf等效到变压器初级线圈的等效电阻。图12为根据LC谐振电路原理针对图11的分析简化图。根据LC谐振电路原理，设空载时LC谐振等效电阻为Rtl, Ros为Rtl的电阻值，Lh为LC回路的总电感，Lhs为Lh的电感量，因为R8S+R9S くく k2RfSRos = 7-1^1—^ --l^
IR85+R95+^RfJc3s k2RffiC3S , _ I_ 空~TT7 ，しHs 一 L1S+L2s
2 兀"V 3S( IS +L2S)因为LC谐振特性，^r-< <R0S故可认为LC呈纯电阻性，由此，图12可以简化为图13，其中，
P_Lm一Lhs、ノ_I_
°s _ K2RfsC3s K2C3s R7S +(R4S//R5S//rbeS)通常rbeS 约为 IK Ω，而 R4s > > rbeS, R5s > > rbeS上式可简化为
_0]图13为根据LC谐振特性针对图12的分析简化图；图14为空载或负载时图9所的交流微变电流的线路图。參见图13、图14，通过从队处看入的空载时等效电路交流电阻，则得到交流电源侧的等效电阻(即，等效到U2上的空载交流电阻)。根据戴维南定理，流出U2的电流is 手 +& + ュ + 队5
^4S ^5S ^beS[0105]式中，i为图14电路从U214_4端流出的交流电流，is为i的有效值，Ui为三极管基极14-6对U2处14-4端的交流电压，Uis为Ui的有效值，ib为流入三极管基级14_6的电流，ibs为ib的有效值，If为正反馈电流，ifS为if的有效值。图14中14-1、14-2、14-3接点与图9中所不的9-1、9-2、9-3相同。根据自激振荡原理
权利要求1.一种用于降低待机状态下充电器能耗的充电电路，其特征在于，包括充电器部分G和用电器部分Y，充电器部分G包括降压部分(5)、整流部分(7)、滤波部分(8)、振荡部分(9)，来自市电的交流电压顺序地经所述降压部分(5)、整流部分(7)和滤波部分(8)后输出直流电压，该直流电压信号输入振荡部分(9)产生交流信号输出，用电器部分Y包括用电器的感应部分(10)和充电部分(11), 其中，所述振荡部分(9)的正反馈电路中还包括电阻R7，根据P = UisIis COSO)，在交流电源电压有效值Uis和流入充电器的交流电流有效值Iis基本不变的情况下，调整所述电阻R7的电阻值，使充电器部分G接有负载时的交流电源功率因数COSΦ &至少为其空载时的交流电源功率因数COSO) s的I. 2倍，从而改变充电器的输入功率，降低待机状态下充电器的能耗。
2.如权利要求I所述的充电电路，其特征在于，所述振荡部分(9)为变压器反馈式LC振荡电路、电容三点式正弦波振荡电路或电感三点式正弦波振荡电路，所述正反馈电路中的电阻R7和正反馈电路中的耦合电容CB$、C5串联，串联后的部分的一端与所述振荡电路的线圈L2，N2, L33相连，串联后的部分的另一端与该振荡电路的三极管T的基极相连。
3.如权利要求I或2所述的充电电路，其特征在于，所述正反馈电路中的电阻R7的电阻值分别比LC振荡电路的初级线圈L1铜耗的等效电阻阻值R8S、LC振荡电路的次级线圈L2铜耗的等效电阻阻值R9s、用电器感应部分(10)的线圈L3的铜耗电阻阻值Rltis及振荡电路的三极管发射极输入电阻阻值rbeS大至少10倍。
4.如权利要求I或2所述的充电电路，其特征在于，所述三极管T的静态工作点分压电阻中与振荡电路的初级线圈L1和次级线圈L2的中间抽头相连的电阻R4的阻值R4s至少小于其与三极管T的负反馈电阻R6相连的另一分压电阻R5的阻值R5s的3倍，以使直流静态工作点稳定，其中所述另一分压电阻R5的阻值R5s大于50ΚΩ。
5.如权利要求I或2所述的充电电路，其特征在于，所述三极管T的静态工作点分压电阻R4s和R5s的阻值R4S、R5s比三极管发射极输入电阻rbe的阻值rbeS大至少10倍。
6.如权利要求I或2所述的充电电路，其特征在于，所述三极管的负反馈电阻R6的阻值R6s小于IK Ω。
7.—种可降低待机状态下充电器能耗的充电器，其特征在于，包括充电器壳体、设于充电器壳体中的底座(I)、安装在底座⑴上的充电电路、设于充电器底座⑴中与用电器中负载线圈(4)相対的次级线圈(2)、处于线圈(4)和(2)之间的导磁棒3，其中充电电路包括充电器部分G和用电器部分Y，充电器部分G包括降压部分(5)、整流部分(7)、滤波部分(8)、振荡部分(9)，来自市电的交流电压顺序地经所述降压部分(5)、整流部分(7)和滤波部分(8)后输出直流电压，该直流电压信号输入振荡部分(9)产生交流信号输出，用电器部分Y包括用电器的感应部分(10)和充电部分(11)，其中，所述振荡部分(9)的正反馈电路中还包括电阻R7，根据P = UisIis COSO)，在交流电源电压有效值Uis和流入充电器的交流电流有效值Iis基本不变的情况下，调整该电阻R7的电阻值，使充电器部分G接有负载时的交流电源功率因数COSO &至少为其空载时的交流电源功率因数COSO 一勺I. 2倍，以改变充电器的输入功率。
专利摘要一种用于降低待机状态下充电器能耗的充电电路，包括充电器部分和用电器部分，充电器部分包括降压、整流、滤波和振荡部分，在振荡部分的正反馈电路中还包括串联电阻，根据P＝U1SI1S COSФ，在交流电源电压有效值和流入充电器的交流电流有效值基本不变的情况下，调整该电阻的电阻值，使充电器部分接有负载时的交流电源功率因数至少为其空载时的交流电源功率因数的1.2倍。本实用新型还公开了包括所述充电电路的充电器。利用本实用新型的充电器，在230V时，空载功率为0.39w，电流为16.1mA，功率因数为0.106。负载功率为0.95w，电流为14.9mA，功率因数为0.275，对充电电池的充电电流为51.1mA。在120V时，空载功率为0.28w，电流为17.3mA，功率因数为0.134。负载功率为0.65w，电流为14.7mA，功率因数为0.369，对充电电池的充电电流为42mA。
文档编号A61C17/22GK202651859SQ20122028575
公开日2013年1月2日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者戴晓国, 徐振武, 温兵 申请人:上海携福电器有限公司