专利名称：交流到直流电气开关电路的制作方法
技术领域：
本发明的诸方面总体上涉及电压转换器和开关电路，更具体而言涉及采用AC控制电压切换负载两端的输入电压的电压转换器和开关电路。
背景技术：
在工业液压和气动设备领域中，常常使用机械阀门来有选择地打开 或关闭设备内的液压或气动通道或流道。典型地，通过螺线管来操作阀 门。通常，螺线管包括形成圆筒的绕线圈的导体以及位于圓筒内部的金 属芯。当用电压激励线圈时，电流流经绕线圈的导体，在圆筒内产生;兹 场，磁场沿圆筒的长轴在芯上诱发运动力。当去除激励电压时，磁场消 除，金属芯上的相关的力停止作用。当和阀门结合使用时，芯可以附着于阀门的一部分，而通过弹簧相 对于第一机械"限动器，，或制约机械地偏置芯，从而在未激励螺线管时， 阀门将保留在第一位置，与阀门的闭合或打开状态任一种相关联。当向 螺线管施加电压时，芯克服弹簧的力而运动，从而将阀门的位置改变到 由第二机械限动器定义的第二位置，由此打开或关闭阀门。在一些应用中，可以协作地使用两个或更多螺线管，以启闭相关阀门。在一些液压和气动设备中，由螺线管直接作用的阀门为有关的主 阀，被称为"直动阀"。不过，更典型地，由螺线管作用的阀门为"导 阀，，，其允许空气或液体对第二主阀施压，第二主阀然后工作，使主阀 进入开启或关闭状态。有些螺线管被设计成由直流电压激励，而其他的螺线管通过交流电 压操作，这取决于使用阀门的特定应用场合。例如， 一些阀门应用可能 需要接受-24伏DC (VDC)电压的螺线管，而其他应用可能采用利用 115伏AC (VAC)均方根(RMS)线电压适当激励的螺线管。于是， 液压和气动设备制造商可能会提供一定范围的特定阀门产品的版本，每 个版本采用对特定AC或DC电压做出反应的不同螺线管。这样一来， 由于设计、制造并存储采用不同螺线管的多个版本的阀门产品，制造商的成本常常会增加。此外，常常通过电连接器或接线条和印刷电路板(PCB)实现向螺线管的电压分配。结果，安全要求，诸如由Underwriters Laboratories(R) 及其他安全检测机构制订的安全要求针对更大的AC电压，例如 115VAC,与更小的DC电压(例如-24VDC)所需的相比，会要求使用 更大的线路或电3各迹线以及迹线或连4妻点之间更大的间距。这些更大的 导体和间距一般会增大PCB和连接器的尺寸，或者要求使用更大的端子 板，从而增大了阀门产品的总尺寸，并常常使产品不太理想且对客户来 说更昂贵。发明内容总地来说，本发明的实施例提供了 一种通过AC控制电压来切换负 载上的输入电压的电路。在一个实施例中，所述输入电压可以是通过 AC到DC电压转换器电路从AC电源电压产生的DC电压。该电气开关 电路包括由所述AC控制电压驱动的电压幅度减小电路；与所述电压 幅度减小电路可操作地耦合的整流电路；与所述整流电路可操作耦合的 限压器电路；以及与所述限压器电路可操作耦合的蓄能电路。所述电压 幅度减小电路、整流电路、限压器电路和蓄能电路协作产生切换控制电 压。所述电气开关电路还包括电子开关单元，其被配置成在所述切换控 制电压有效时将所述输入电压切换到所述负载上。本发明的备选实施例提供了一种在存在AC控制电压时将输入电压 切换到负载上的方法。总地说来，该方法涉及减小所述AC控制电压 的幅度；对所述AC控制电压整流；存储由所述AC控制电压产生的能 量以支持切换控制电压；限制所述切换控制电压的电压电平；以及在所 述切换控制电压有效时在所述负载两端施加所述输入电压。在一个实施 例中，该方法还将AC电源电压转换成要^f皮用作输入电压的DC电压。在结合附图阅读以下详细说明之后，本领域的技术人员将会了解本 发明的额外实施例和优点。
图1为根据本发明实施例的电路的方才匡图，该电路用于将AC电源 电压转换成DC电压，并通过AC控制电压切换施加到负载上的DC电压。图2为图1的电气开关电路的示意图。图3为根据本发明实施例的电路的示意图，该电路采用了单个AC 到DC转换器电路和多个电气开关电路。图4为根据本发明实施例的电路的示意图，该电路采用了多个整流 器电路、单个DC到DC转换器电路和多个电气开关电路。图5为#^居本发明实施例的方法的流程图，该方法用于将AC电源 电压转换成DC电压，并通过AC控制电压切换施加到负载上的DC电 压。
具体实施方式
图1为本发明实施例的方框图，即将AC电源电压转换成DC电压 的电路100,随后根据AC控制电压信号将DC电压切换到负载上。如 上所述，这样的电路100可以用作电压转换和开关电路，用于有选择地 激励螺线管来打开和关闭气动和液压设备中的阀门。不过，本发明的实 施例不限于这样的场合，因为可能会存在很多从如下所述的本发明的各 实施例受益的其他应用。总体上，电路100由AC到DC转换器电^各110和电气开关电路120 构成。AC电源电压VAcs驱动AC到DC转纟灸器电路110,而间歇有效 的AC控制电压VAcc驱动电气开关电路120。在一个实施例中，AC电 源电压VACS和AC控制电压VACC为同 一信号。或者，AC电源电压VACS 可以是与AC控制电压Vacc独立的恒定AC电压。因此，AC到DC转 换器电路110产生要提供给电气开关电路120的DC电压VDC。在有效 时，AC控制电压VAcc发生作用，在负栽130两端施加所产生的DC电 压VDc。相反，在AC控制电压VACC无效时(即基本在零伏，或表示开 路时)，电气开关电路120使电气开关电路120的输出从负载130去耦。 将电气开关电路120所得的输出称为受切换DC电压VSDC。将AC到DC转换器电路110设计成将AC电源电压VACS转换成适 合于特定应用的DC电压VDC。在一个实施例中，将AC到DC转换器 电路IIO设计成将115VAC的AC电源电压Vacs特換成-24VDC的DC 电压VDC。在备选实施例中，将AC到DC转换器电路110配置成将 115VAC的AC电源电压VAcs转换成+24VDC的DC电压VDC。在一个实施例中，AC到DC转换器电路110可以包括与IC制造商 指定的有限数量的分立元件(例如电阻器和电容器)电耦合的商用现货 器件，例如AC到DC转换器集成电路(IC),以执行期望的电压转换。 AC到DC转换器电路110可以采用利用了变压器和整流器电桥电路的 线性电源设计。或者，AC到DC转换器电路110可以使用开关电源设 计。这样的实施例可能提供占用小电路空间的低成本方案。在电路100的另一个实施例中，AC到DC转换器电路110可以包 括标准的"砖型，，电源，用于将标准的AC电源电压VACS (例如115VAC 线电压)转:换成期望的DC电压VDC。在又一实施例中，可以对AC电 源电压VAcs进行整流和滤波以产生中级DC电压，然后通过DC到DC 转换器电路或线性调压器将其转换成期望的DC电压VDC。在备选方案 中还可以利用其他实施例，它们使用了不同的电子器件设计来将AC电 源电压VACS转换成DC电压VDC。如上所述，通过电气开关电路120将来自AC到DC转换器电路110 的所得DC电压施加到负载130,电气开关电路120利用AC控制电压 VAcc作为切换控制信号来有选择地向诸如螺线管的负载130施加DC电 压VDc。在一个实施例中，AC控制电压Vacc的大小基本等于AC电源 电压VAcs,由此简化了电路100工作的环境。此外，如上所述，AC控 制电压VACC和AC电源电压VACS可以是同 一信号。在另 一个实施例中， 电气开关电路120可以切换除了从AC电源电压VAcs导出的DC电压VDC之外的输入电压。图2提供了根据本发明实施例的电气开关电路120的更详细示意 图。在电压幅度减小电路两端施加来自AC到DC转换器电路110的AC 控制电压VAcc,在图2的具体范例中，电压幅度减小电路为包含第一电 阻器Ri和第二电阻器R2的分压器。典型地，如图2中配置的分压器将 AC控制电压VACC的幅度减小到( R4 + R2 )倍。AC控制电压VACC 的幅度得到减小，从而可以被电气开关电路120的其余部分使用，同时 对实际接近电气开关电路120的人具有较小的安全隐患。在一个实施例 中，第一电阻器R^的值为47千欧(kQ ),第二电阻器R2的值为100k Q。与分压器电阻器R!和R2耦合的是整流器，在图2的具体范例中整 流器为二极管D!,其^^皮配置为将AC控制电压VAcc转换成半波整流的AC电压信号，由此AC控制电压vacc每个周期的一半被传送到电气开关电路120的其余部分。在图2的具体范例中，二极管Di为1N4006 800-伏，1安培的整流器。在备选实施例中，可以使用对AC电压进行整流 的其他方法，包括全波整流电路。除了被整流以及幅度减小之外，还将AC控制电压VACS耦合到限压 器，例如图2所示的齐纳二极管D2。齐纳二^f及管D2表现出反向击穿电 压，这有效地限制了齐纳二极管D2两端出现的最高电压。典型地，如 下文所更详细描述地，齐纳二极管D2的选才奪取决于将DC电源电压VDCS 切换到图1的负载130上所需的电压。在一个实施例中，齐纳二极管 D2为ON Semiconductor⑧制造的MMBZ5245BLT1,其表现出15V的反 向击穿电压。为了帮助在齐纳二极管D2两端保持一定程度恒定的电压，采用诸 如图2的实施例所示的电容器d的蓄能电^各，在AC电源电压Vacs有 效时齐纳二极管D2的较短时段的低压期间，向齐纳二极管D2和电气开 关电路120的其余部分提供充足的电荷，并因此提供充足的电流。例如， 在图2的实施例中，电容器d提供电流，以便在被整流二极管DJ且断 的AC控制电压VACC的每半个周期期间保持较高的电压电平。在该具体 范例中，电容器d的值为0.1微法(juF)。在备选实施例中，可以配 置和使用诸如电感器的其他蓄能元件以实现类似目的。幅度减小电路、整流电路、蓄能电路和限压器电路的组合协作产生 了基本恒定的非零电压的切换控制电压Vswc,并且在AC控制电压VACC 有效时是有效的。相反，当AC控制电压VAcc无效时，切换控制电压 Vswc基本为零伏。在电气开关电路120内将切换控制电压Vswc施加到 诸如场效应晶体管(FET)的电子开关单元。在图2的具体实施例中， 电子开关电路为p沟道增强模式金属氧化物半导体FET (MOSFET) Q！ (Infineon Technologies AG的零件号BSS84P),其被配置为，当其栅 才及到源才及电压为超过由MOSFET Qi的结构决定的标称电平的负值时， 通过其漏极-源极结在饱和才莫式下导通电流。当AC控制电压VAcc在电 气开关电路120处有效时出现这种情况。换言之，当AC控制电压VAcc 有效(即， 一般以基本正弦方式振荡)时，MOSFET Qi导通，在其他情 况下截止。也可以采用其他类型的电子开关单元实现类似目的，例如n 沟道MOSFET，结FET(JFET)、双极型结型晶体管(BJT)、固态断电器或机械断电器。在图2的实施例中，在导通时，FETQ!工作，以将AC到DC转换 器电路110产生的DC电压Vdc与圉1所示的负载130电气耦合。在该 具体情况下，将-15V的反向切换控制电压Vswc施加到p沟道FET Ql5 以向负载130上施加-24VDC的负DC电压VDC。或者，可以用正的切换 控制电压Vswc来经由n沟道FET 将正的DC电压VDC切换到负载130 上。在图2中由电阻器Rg表示负载130。在一个实施例中，如上所述， 电阻器R3表示螺线管的输入阻抗。在一个具体实施中，电阻器R3的值 表示480D的螺线管输入阻抗。尽管使用单个螺线管或类似负载130从应用如上所述的本发明的各 实施例受益^艮大，也可以与由恒定AC电源电压VAcs驱动以产生DC电 压Vdc的羊个AC到DC转换器电路110结合使用多个电气开关电路 120。那么就可以通过这种电路独立地激励若干分立螺线管，例如可在 多阀门系统中找到的螺线管。例如，图3绘示了电路150,其采用了由 AC电源电压VACS驱动的单个AC到DC转换器电路110。 AC到DC转 换器电路110驱动四个分立的开关电路120a-120d,每个开关电路还由 分立的AC控制电压VAcca-VAccd驱动，意在控制由负载130a-130d表示 的每个螺线管。于是，每个开关电路120a-120d在相关的AC控制电压 VACCa-VACCd有效时将DC电压VDC切换到负载上，在对应的AC控制电 压VAcca-VAccd无效时从相关负载130a-130d去除DC电压VDC。在每个 负载130a-130d处所得的电压为切换后的DC电压VSDCa-VSDCd。尽管在 图3的具体范例中示出了四个负载130a-130d,需要更多或更少电气开 关电路120的应用也是可能的。在与图3的电路150相关的备选实施例中，可以通过如图4的电路 160所示的整流器162a-162d首先对每个AC控制电压VACCa-VACCd整流 来产生DC电压VDC。整流可以是如图2所示的可能通过二极管和电容 器实现的半波整流。然后可以将所得的整流信号耦合到一起来驱动DC 到DC转换器电路164以产生DC电压VDC。该实施例的一个优点在于，不需要分立的AC电源电压VACS。相反，AC控制电压VAcca-VACCd在电路160中协同作用以提供AC电源电压Vacs的功能。此外，即使使用若 干AC控制电压VAcca-VAccd来最终产生DC电压VDC，单个DC到DC 转换器164也提供了所需的电压转换。而且，在AC控制电压VACCa-VACCd的一个或多个有效的任何时间都可以获得DC电压VDC,于是减少了激励由负载13 0 a -13 0 d表示的任何螺线管所需的时间。在本发明的其他实施例中，在图5中示出了方法200,用于采用AC 电源电压产生DC电压，并通过AC控制电压将该DC电压切换到负载 上。通常，利用如AC到DC转换器将AC电源电压转换成DC电压(操 作210 )。当存在AC控制电压时将DC电压切换到负载上(操作220 )。 为了执行开关操作，可以通过(可能是)分压器电路来减小AC控制电 压的幅度(操作222 ),并通过例如半波整流器对AC控制电压整流(操 作224)以帮助产生分立的切换控制电压。还可以存储由AC控制电压 产生的电能(例如电荷形式的电能)，以在例如被降低和整流的AC控外，可以通过例如齐纳二极管限制切换控制电压电平，以提供用于切换 控制电压的稳定的预定最高极限。然后利用切换控制电压在负载两端施 加DC电压(才喿作228)。在螺线管致动阀场合中利用根据本发明的各实施例的电路100、 150、 160或方法200产生了一些潜在优点。例如，通过将AC电压转换 成DC电压，可以用任一种电压激励接受DC电压的螺线管设计，从而 可以在任一种场合下使用单个螺线管设计。这样，这种单螺线管设计能 力减小了为了满足两种场合而必须库存的不同设计的螺线管、阀门和相 关元件的数目。可以由DC电压激励的螺线管也易于比可以被更高AC 电压激励的螺线管更廉价。此外，因为为了满足各种安全要求通常可以 与较低DC电压结合使用与更高AC电压相比更小、分布更密集的迹线 或线路，在更高AC电压或较低DC电压被用作激励源时可以采用更小 的PCB和相关连接器。同样从安全角度来看，由于将电压降低到较低 DC电压来激励相关螺线管，使用本发明的实施例可能会减少客户可接 近的存在高DC电压的点数。在采用本发明的一个或多个实施例的其他 应用中也可以实现这些优点中的一个或多个或其他优点。尽管在此已经讨论了本发明的几个实施例，包含在本发明范围内的 其他实施例也是可能的。例如，在备选实施例中可以涉及到不同的AC 和DC电压电平，于是可能意味着使用与本文公开的不同的元件参数。 此外，尽管是针对螺线管致动阀的激励讨论了所披露的实施例，需要输 入AC或DC电压的4艮多其他应用也可以受益于本发明的4艮多方面。而明的更多实施方式。因此，尽管在具体实施例的背景下描述了本发明， 但提供这种描述是为了例示而非限制。因此，本发明的恰当范围仅由以 下权利要求限定。
权利要求
1.一种通过AC电源电压和AC控制电压切换负载(130)上的直流电压的电路(100)，所述电路(100)包括AC到DC转换器电路(110)，其被配置成将所述AC电源电压转换成所述DC电压；以及电气开关电路(120)，其被配置成在所述AC控制电压有效时将所述DC电压耦合到所述负载(130)上。
2. 根据权利要求1所述的电路(100),所述电气开关电路(120) 包括电压幅度减小电路，故配置成由所述AC控制电压驱动； 与所述电压幅度减小电路可操作地耦合的整流电路； 与所述整流电路可操作耦合的限压器电路； 与所述限压器电路可操作耦合的蓄能电路；其中所述电压幅度减小电路、所述整流电路、所述限压器电路和所 述蓄能电路被配置成协作产生切换控制电压，在所述AC控制电压有效 时，所述切换控制电压是有效的且基本恒定；以及电子开关单元，其被配置成在所述切换控制电压有效时将所述DC 电压切换到所述负载(130)上。
3. 根据权利要求2所述的电路(100),所述电压幅度减小电路包 括分压器电路，所述分压器电路包括第 一电阻器和第二电阻器，串联耦合并被配置成跨所述AC控制电 压放置。
4. 根据权利要求2所述的电路(100)，所述整流电路包括二极管。
5. 根据权利要求2所述的电路(100),所述限压器电路包括齐纳 二极管，其被配置成通过所述齐纳二极管的反向击穿电压限制所述切换 控制电压。
6. 根据权利要求2所述的电路(100),所述蓄能电路包括电容器。
7. 根据权利要求2所述的电路(100),所述电子开关单元包括场 效应晶体管。
8. 根据权利要求1所述的电路(100),还包括第二电气开关电路 (120)，其被配置成在所述第二 AC控制电压有效时将所述DC电压切换到第二负载(130)上。
9. 根据权利要求8所述的电路(100),其中所述AC电源电压包 括所述第一 AC控制电压和所述第二 AC控制电压中的至少一个。
10. 根据权利要求9所述的电路(100),其中所述AC到DC转换 器电路(110)包括第二整流电路，其被配置成对所述第一AC控制电压进行整流； 第三整流电路，其被配置成对所述第二 AC控制电压进行整流；以及DC到DC转换器电路，其由所述第二整流电路和所述第三整流电 路驱动，并^f皮配置成在所述第 一或第二 AC控制电压有效时产生所述DC 电压。
11. 根据权利要求1所述的电路(100),其中所述AC电源电压和 所述AC控制电压具有相同的幅度。
12. 根据权利要求1所述的电路(100),其中所述AC电源电压和 所述AC控制电压包括相同的信号。
13. —种螺线管致动阀系统，包括根据权利要求1所述的电路(100)。
14. 一种用于通过AC控制电压切换负载(130)上的输入电压的电 路(100 ),所述电路(100 )包括电压幅度减小电路，被配置成由所述AC控制电压驱动； 与所述电压幅度减小电路可操作地耦合的整流电路； 与所述整流电路可操作耦合的限压器电路； 与所述限压器电路可操作耦合的蓄能电路；其中所述电压幅度减小电路、所述整流电路、所述限压器电路和所 述蓄能电路被配置成协作产生切换控制电压，在所述AC控制电压有效 时，所述切换控制电压是有效的且基本恒定；以及电子开关单元，其被配置成在所述切换控制电压有效时将所述输入 电压切换到所述负载(130)上。
15. 根据权利要求14所述的电路(100),所述电压幅度减小电路 包括分压器电路，所述分压器电路包括第一电阻器和第二电阻器，串联耦合并被配置成跨所述AC控制电 压放置。
16. 根据权利要求14所述的电路(100),所述整流电路包括二极管。
17. 根据权利要求14所述的电路(100),所述限压器电路包括齐 纳二极管，其被配置成通过所述齐纳二极管的反向击穿电压限制所述切 换控制电压。
18. 根据权利要求14所述的电路(100),所述蓄能电路包括电容器。
19. 根据权利要求14所述的电路(100),所述电子开关单元包括 场效应晶体管。
20. —种螺线管致动阀系统，包括根据权利要求14所述的电路 (100)。
21. —种通过AC电源电压和AC控制电压切换负载上的直流电压 的方法，所述方法包括将AC电源电压转换成所述DC电压；以及 当所述AC控制电压有效时将所述DC电压切换到所述负载上。
22. 根据权利要求21所述的方法，还包括在第二 AC控制电压有效 时将所述DC电压切换到第二负载上。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中所述AC电源电压包括所述 第一 AC控制电压和所述第二 AC控制电压中的至少一个。
24. 根据权利要求23所述的方法，将所述AC电源电压转换成所述 DC电压包4舌对所述第一 AC控制电压进行整流； 对所述第二 AC控制电压进行整流；以及将整流后的第一 AC电压和整流后的第二 AC控制电压转换成所述 DC电压。
25. 根据权利要求21所述的方法，其中所述AC电源电压和所述 AC控制电压具有相同的幅度。
26. 才艮据权利要求21所述的方法，其中所述AC电源电压和所述 AC控制电压包括相同的信号。
27. 根据权利要求21所述的方法，其中在所述AC控制电压有效时 将所述DC电压切换到所述负载上还包括减小所述AC控制电压的幅度； ^j"所述AC控制电压整流；存储由所述AC控制电压产生的能量以支持切换控制电压；限制所述切换控制电压的电压电平；以及 在所述切换控制电压有效时在所述负载两端施加所述DC电压。
28. 根据权利要求27所述的方法，其中对所述AC控制电压整流包 括对所述AC控制电压进行半波整流。
29. —种通过AC控制电压切换负载上的直流电压的方法，所述方 法包括减小所述AC控制电压的幅度； 对所述AC控制电压整流；存储由所述AC控制电压产生的能量以支持切换控制电压； 限制所述切换控制电压的电压电平；以及在所述切换控制电压有效时在所述负载两端施加所述输入电压。
30. 根据权利要求29所述的方法，其中对所述AC控制电压整流包 括对所述AC控制电压进行半波整流。
全文摘要
提供了一种用于通过AC控制电压切换负载(130)上的输入电压的电路(100)和方法。电压幅度减小电路被配置成由所述AC控制电压驱动。整流电路与电压幅度减小电路可操作地耦合。限压器电路与整流电路可操作地耦合，且蓄能电路与限压器电路可操作地耦合。所述电压幅度减小电路、整流电路、限压器电路和蓄能电路协作产生切换控制电压。然后将电子开关单元配置成在所述切换控制电压有效时将所述输入电压切换到所述负载(130)两端。在一个实施例中，所述输入电压是通过被配置成将AC电源电压转换成DC电压的AC到DC电压转换器电路产生的。
文档编号H02J1/00GK101233661SQ200680027371
公开日2008年7月30日 申请日期2006年7月17日 优先权日2005年7月26日
发明者I·达文波特, N·W·克鲁切尔, U·T·梅克, W·A·朱布 申请人:诺格伦公司