致能直流负载的精密控制装置及具有该控制装置的组件的制作方法

一种直流负载用的控制装置，尤其是一种致能直流负载的精密控制装置，及具有该控制装置的组件。

背景技术：

在天然资源逐渐被消耗殆尽，以及温室效应愈来愈严重，导致电力使用成本提高的状况下，不仅各种竞争厂商纷纷推出各种符合环保标章与节能的商品，让消费者对产品能否符合环保绿能的要求更趋严格。近年来，随着led相关技术的快速发展以及led生产成本的逐渐降低，使得led已广泛地被运用于各式各样的领域，再加上led本身具有节能省电、色彩饱和度佳、使用寿命长与符合环保等优点，因此在环保与节能意识抬头的今天，高效省电的led照明灯具正逐渐地取代传统的白炽灯与荧光灯，成为照明市场的主流；在各种不同领域中，led光源也逐渐拓展其应用范围。

由于白炽灯的电能转换为光能效率不佳，并不符合环保与绿能的要求，但要调整led光源的发光强度，就不能单纯运用以往白炽灯的硅控调光器控制方式，一方面这类调光器会产生一连串的突波电流，造成led灯泡严重闪烁，另方面在流经led电流太小时，更会导致电流谐波失真，甚至因为相位不匹配而无法发亮。

目前比较成熟的技术是采用脉宽调变(pulsewidthmodulation，简称pwm)，利用每一个开关周期内的高频率通/断，驱动led同样以高频率方式亮暗交替，由于亮暗频率远高于人类视觉，因此经由视觉暂留，会发生亮暗平均的效果。藉由控制和改变在一个开关周期中的通/断比例，造成视觉上平均亮度的亮暗差异，从而改变发光强度。不过，pwm的调控方式不仅成本较高；且高频调控必然会伴随产生高频电磁干扰(emi)；尤其为避免人眼可见的闪烁，开关周期都相当短，当要控制led在最低发光强度(例如1％)时，还要让每一周期中的导通状态在整个周期的时间中占甚低的比例，亦即要控制在短周期内的更短时间就由导通变为断路，但电信号由断路状态进入导通状态需要些许响应时间，无法立即呈现方波而造成的误差影响相对提高，造成在低亮度时的发光强度失真。

相对地，若以恒流调光(constantcurrentregulator，简称ccr)，则因为无法避免的电流和电压漂移，不仅会造成发光强度的不稳定，更可能导致光波长的漂移，所发光的色温会因顺向电压或顺向的电流变更而产生变化。尤其是因为控制不易精准，使得一般认定，恒流调光不容易控制到最大发光强度的10％以下。

在例如下列特定的应用领域中，上述发光强度和波长漂移的问题显得更严重：例如在刑事侦察的领域中，要利用荧光判定血迹，往往要喷洒例如光敏灵等试剂，并且以例如波长为365nm或405nm的紫外光或紫光激发，测定其所响应的蓝色荧光。而作为分析判断证据的荧光反应结果，会随激发光的波长与强度而有所差异。因此，如何让每次调控激发光的波长和强度，都保持在精准的数值，就会成为证据可信与否的决定性因素。

另方面，生物科技的分析与鉴定，往往也是从定性逐渐进步至定量，例如在基因转殖的实验中，为确定特定基因是否转殖成功，往往会结合或生成荧光蛋白，并且藉由照射激发光，确认荧光蛋白的存在，以及荧光反应的强弱，一旦激发光的波长漂移，将可能会导致受激发的待测物反应骤降，而强弱的偏差，也会对于定量反应造成误判。尤其是一些光反应试剂，无论是要判定糖尿病人的血糖浓度、食品或用品中的戴奥辛浓度，在在都不容许些微误判。

无论是上述刑事侦察检验、戴奥辛浓度检验、血糖浓度检验，检验过程的可重复性都是重要的，例如商品中是否含有戴奥辛，在不同日期检测相异商品，不能因为光强度与光波长的漂移，造成合格与不合格间的标准漂移，更不能失去可重现性，造成例如实验组和对照组的相关检测数值间，无法精确比对分析。

再方面，即使pwm信号的开关周期仅数微秒，人眼无法察觉；但以目前的机器视觉标准，例如sony的摄影机可以拍摄达每秒数千张画面，更高阶的高速摄影机甚至每秒可撷取5万张的画面，此时led灯光的闪烁仍然会被高速摄影机所记录，也就意味pwm的调控方式并不能符合需求。

另如长期欠缺日照的病患或高纬度地区人士，会欠缺适当强光照射而造成欠缺日照的忧郁症；欠缺适当的紫光/紫外光刺激则会导致维生素d不足。对于上述病患或高纬度区居民提供适当的蓝光、紫光或紫外光照射，就能改善上述问题。但是，短波长的光也就意味每一个光子所携带的能量较高，如果过量曝晒，将可能导致皮肤癌等病变，尤其是在一个波长范围极小的紫外光范围的光能，对于人体制造维生素d有相当帮助，但波长偏离此区域，效益会明显递减。

由上述可知，如何确保上述led顺向电压在一个精准的数值范围，就成为控制led波长和亮度的最重要因素。由于脉宽调变方式还需要较高成本，而且无法避免伴随释放的高频电磁干扰；至于恒流调光，则会造成光强度与色温漂移。尤其无论是目前的恒流调光或是脉宽调变方式，都无法在低亮度状态下，精准输出正确的控制电流而确保发光强度与波长的精准恒定。因此，如何提供可调整的精准恒定电流供应，并且不受电源电压上下漂移的影响，以维持高效运作以及良好的发光品质，以及可以提供其他类似的直流负载稳定的直流致能电流，就是本发明所要达成的目标。

技术实现要素：

本发明之一目的在于提供一种可调节且维持精准输出直流电能的致能直流负载的精密控制装置，以确保直流负载以一种选定的精准状态恒定运作。

本发明另一目的在于提供一种可调节且维持精准输出的直流电能，致能一个直流负载的精密控制装置，藉此让该直流负载的所有运作具有可重复性，可供定量比较分析。

本发明再一目的在于提供一种致能直流负载的精密控制装置，藉由非饱和动作区的电晶体，提供适当的缓冲，使得电源电压的漂移可以被补偿，确保直流负载的运作状态不会随上述电源电压漂移而改变的控制装置。

本发明又一目的在于提供一种具有致能直流负载的精密控制装置的组件，让直流负载的运作状态可以被精准选择与控制。

本发明又另一目的在于提供一种具有致能直流负载的精密控制装置的组件，藉以制成发光极其精准的可调直流光源。

本发明又再一目的在于提供一种具有致能直流负载的精密控制装置的组件，让led负载在精准的顺向电流下运作，提供绝佳的发光品质，避免以往诸如电磁干扰、及低亮度时波长及亮度漂移等问题。

本发明揭示的一种致能直流负载的精密控制装置，供切换致能电压而稳压致能一个直流负载，其中该直流负载的运作状态会随上述致能电压改变，该致能直流负载的精密控制装置包括：一个位于上述直流负载下游的电流感测电阻，该电流感测电阻具有两端、且以远离上述直流负载的一端接地；一组致能电压控制单元，包含：一微处理器及一数位类比转换器，其中上述微处理器是供输出一起始信号，并且由该数位类比转换器将上述起始信号转换成一类比输出信号；以及一个回授稳压单元，其中包含：至少一个运算放大器，具有一正脚输入端，一负脚输入端及一输出端，其中该负脚输入端是导接至上述电流感测电阻，以及该正脚输入端是接收上述类比输出信号，藉此确保该输出端是输出一个与该正脚输入端和该负脚输入端电压差正相关的输出信号；以及一个具有非饱和动作区的电晶体，具有一个控制输入端，一个射极和一个集极，其中该控制输入端是供接收来自上述运算放大器输出端的上述输出信号，以及上述射极和上述集极是介于上述电流感测电阻和上述直流负载间，上述射极和上述集极中之一是导接至上述直流负载，其中另一者是导接至上述电流感测电阻相反于上述接地端的另一端，同时回馈导接至上述运算放大器的上述负脚输入端，使得上述运算放大器的负脚输入端电位是追随上述类比输出信号的电位，藉以稳定控制流经上述直流负载和电流感测电阻的电流。

当妥善运用上述控制装置，即使是用来致能一个敏感的直流负载，仍然可以组合成为一个具有精密控制装置和直流负载的组件，包括：一个电源，供输出一直流电能；一个受上述电能致能的直流负载；一个控制装置，供切换上述电源输出的直流电能在跨上述直流负载时的电压差而稳压致能上述直流负载，其中该直流负载的运作状态会随上述电压差而改变，该控制装置包含：一个位于上述直流负载下游的电流感测电阻，该电流感测电阻具有两端、且以远离上述直流负载的一端接地；一组致能电压控制单元，包括：一微处理器及一数位类比转换器，其中上述微处理器是供输出一起始信号，并且由该数位类比转换器将上述起始信号转换成一类比输出信号；以及一个回授稳压单元，包括：至少一个运算放大器，具有一正脚输入端，一负脚输入端及一输出端，其中该负脚输入端是导接至上述电流感测电阻，以及该正脚输入端是接收上述类比输出信号，藉此确保该输出端是输出一个与该正脚输入端和该负脚输入端电压差正相关的输出信号；以及一个具有非饱和动作区的电晶体，具有一个控制输入端，一个射极和一个集极，其中该控制输入端是供接收来自上述运算放大器输出端的上述输出信号，以及上述射极和上述集极是介于上述电流感测电阻和上述直流负载间，上述射极和上述集极中之一是导接至上述直流负载，其中另一者是导接至上述电流感测电阻相反于上述接地端的另一端，同时回馈导接至上述运算放大器的上述负脚输入端，使得上述运算放大器的负脚输入端电位是追随上述类比输出信号的电位，藉以稳定控制流经上述直流负载和电流感测电阻的电流。

藉此，一方面可以运用具有非饱和动作区的电晶体作为缓冲补偿，让电源的电压漂移问题被大幅消弭，直流负载所接收的电能成为一个理想致能直流电流，让负载的运作状态保持在一个预订的精准状态，尤其是当负载为led时，不仅可以顺利避开现有pwm驱动技术中的昂贵成本、高频emi、还可以避免ccr驱动技术中的光波长和发光亮度漂移，更能在低亮度状态精准且忠实地响应于原驱动信号，提供优于现有pwm控制和ccr控制的各种亮度精准照明，提供精密检测或实验时的高精准度和可靠度的直流光源、让所获得的数据资料具有可重复性、可供定量分析。

附图说明

图1为本发明的第一较佳实施例的电路方块示意图，说明控制回路的原理。

图2为运用图1所示led光源的刑事侦察器材。

图3为本发明的第二较佳实施例的电路方块示意图。

图4为运用图3所示led光源的荧光显微镜。

图5为本发明的第三较佳实施例的电路方块示意图。

图6为运用图5所示led光源的手术房无影灯。

图7为本发明的第四较佳实施例的电路方块示意图。

图8为本发明的第五较佳实施例的电路方块示意图。

符号说明

1,1’,1”,1”’,1””…直流负载2,2’…电源

21’...升降压控制器3,3’,3””...回授稳压单元

31,31’,31”,31”’,31””…电晶体

311,311’,311”’,311””...控制输入端

313,313’,313”,313”’,313””...射极

315,315’,315”,315”’,315””...集极

33,33’,33”,33”’,33””...运算放大器

331,331’,331”,331”’,331””...输出端333,333’...正脚输入端

335,335’,335”...负脚输入端35”...放大倍率决定电阻

4,4’,...致能电压控制单元41,41’...微处理器

43,43’...数位类比转换器

45’...类比数位转换器

5,5’,5”,5”’,5””...电流感测电阻

51...一端53...另一端

6...高速照相机7’...荧光显微镜

8”...无影灯9...指纹

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚呈现；此外，在各实施例中，相同的元件将以相似的标号表示。

如图1所示，本发明揭示一种致能直流负载的精密控制装置及具该控制装置的组件，在本例中，是以发光二极体元件作为上述直流负载，由于发光二极体的发光强度主要受到致能电流所控制，并且驱动电压和驱动电流间并不是呈线性的关联，在发光二极体发光作用的范围，即使是些许的电压漂移，都可能造成发光强度的大幅变动。在本例中，电源2被例释为一个最高输出为50伏特的直流电源，直流负载1则例释为例如彼此并接的四串灯条(lightbar)，且每串灯条串接有10颗led元件，被点亮发光时，跨每一颗led元件两端的电位差应该是3.3伏特，使得彼此并联的灯条两端所需的电压差均为33伏特，且灯条的发光强度会随流经的电流和电压而非线性更改。

由于led灯条的发光亮度是受限于流经led元件的电流量所控制，为能正确控制该电流，因此在直流负载1的下游，串接有一个电流感测电阻5，电流感测电阻5以远离上述led元件的一端51接地，由于该电流感测电阻5的电阻值不仅已知，而且相当精确，因此只要量测该电流感测电阻5两端间的电位差，就可以推算出流经该电流感测电阻5的电流量is，并且间接监控流经上述直流发光led负载的电流量，当欲改变发光led灯条的发光强度时，也同样可藉由精准改变电流感测电阻5两端之间的电位差而达成。

但是，一方面电源2本身的电压必然会产生些许漂移，要完全杜绝此种漂移需要采用非常昂贵的元件和电路，使得成本变成不可负担。另方面，由于发光二极体的作用曲线特性，即使跨经led灯条的电压仅只是少量的改变，也会让灯条发光亮度发生相当明显的变化。尤其是在低发光强度的条件下，依照现在技术，几乎无法维持发光强度的稳定。而依照本发明所揭示的技术，是设置有一组回授稳压单元3，在本例中，回授稳压单元3包括一个npn型的双载子接面电晶体(bipolarjunctiontransistor，bjt)31以及一个运算放大器33。电晶体31是被运作在非饱和动作区，并由作为控制输入端311的基极(base)接收来自运算放大器33输出端331输出的电压，来直接驱动该电晶体31而产生电压振幅放大，同时会让该npn电晶体31的射极(emitter)313和集极(collector)315两端之间产生一适当的电位差。

由于电晶体31的集极315导接至直流负载1，而射极313则导接至电流感测电阻5相反于上述接地端51的另一端53，使得电源两输出端之间的直流电位差扣除落在电晶体31两端间的电位差后，就是落在直流负载1和电流感测电阻5的电位差总和。藉此可以精准改变直流负载两端间的输出电位差大小，同时也可以精准改变及控制流经该直流负载1的驱动电流，而达到精准切换致能电压并且稳压致能一led负载调光的目的。

其中，上述电晶体31射极313和集极315两端间的电位差大小，是取决于运算放大器33的输出信号，该输出信号是由该运算放大器33的正脚输入端333的数位类比转换信号大小，与该运算放大器33的负脚输入端335所导接的该电流感测电阻5电压比对，经由该运算放大器33放大后，由该运算放大器33的输出端331产生一个正相关的输出信号。

上述的数位类比转换信号，则是来自一个致能电压控制单元4，在本例中，致能电压控制单元4包括一微处理器41及一数位类比转换器43，其中该数位类比转换信号的精密度或线性度，是由数位类比转换器43的资料通道位元数来决定，此处以数位类比转换器43输出的信号为最高3v的一个类比电位信号为例，当数位类比转换器43具有八位元资料通道数时，能解析的精密度是以11.7mv/阶为基准电位，共有256阶的微调振幅；相对地，十六位元资料通道数能解析的精密度是以0.45uv/阶为基准电位，共有65536阶的微调振幅。因此，来自微处理器41的十六位元起始信号被数位类比转换器43精准地转换为一个类比输出信号，并且传输至上述运算放大器33的正脚输入端333。由于本例中，上述电晶体31的射极313是被回馈导接至运算放大器33的负脚输入端335，使得负脚输入端335的电位是稳定地追随上述类比输出信号的电位。

虽然在本实施例中是以十六位元资料通道数来作为高精密度的数位类比转换的信号输出，但熟悉本技术领域人士可以轻易推知，增/减资料通道位元数均无碍于本发明的实施。另外，其中上述非饱和动作区的电晶体无论是选择npn或pnp电晶体、igbt混和式电晶体、bicmos混和式电晶体、以及darlinton混和式电晶体，也都不会影响到本发明的实质。

请一并参照图2，利用上述本发明第一较佳实施例的光源，可以被实际应用于例如图2的高速影像撷取装置中，例如作为高速照相机6的led光源，藉由上述微处理器41所输出的十六位元起始信号，经过数位类比转换器43转换为精准的类比输出信号，并提供给运算放大器33的正脚输入端333，随后以负脚输入端335回馈导接到射极313，接收来自射极313的回授信号，使得上述运算放大器33的负脚输入端335电位是稳定追随上述类比输出信号的电位。

由于此处负脚输入端335以及射极313的电位，就是电流感测电阻5远离接地端51的另一端53的电位，因此也就同时决定流经电流感测电阻5的电流大小，当然也同时决定流经直流负载的电流大小。因此，藉由将电晶体31控制在非饱和作用区，无论电源2的输出电压漂移，增加或减少的电压，都将藉由电晶体31的集极315和射极313之间的电位差改变而吸收补偿，完全不影响直流负载两端间的电位差，也因此不影响流经直流负载的电流量，从而确保本例中的led光源，即使在低亮度的要求下，仍然可以精准地响应发光，改善图像的稳定性。

此外，由于驱动光源的致能信号并非脉宽调变式，而是稳定的类比输出信号，也完全避免高速摄影下的闪烁问题，可以顺利因应每秒超过1千张，甚至于高达每秒5万张画面记录需求的高阶应用。当然此种光源也适合于刑事鉴定分析的鉴识用光源组，例如可快速寻找隐藏指纹9、血迹、或其他具有荧光蛋白的体液等，由于光源的亮度和色彩没有漂移的风险，采证影像的准确度提升，所撷取的影像资料可以被定量分析，完全可以禁得起法庭上的反复检视比对。

图3为本发明第二较佳实施例，与前一实施例同样具有直流负载1’、电源2’、回授稳压单元3’、致能电压控制单元4’、以及电流感测电阻5’。主要的差异在于直流负载的led光源是由多串灯条以开关方式切换选择串接和并接，电源2’的输出电压因而改采用可调方式，以因应灯条的串/并接而变换。且本例中的电晶体31’为pnp型的bjt电晶体，因此同样是由作为控制输入端311’的基极导接运算放大器33’的输出端331’，而以集极315’导接至电流感测电阻5’和运算放大器33’的负脚输入端335’，射极313’则导接至直流负载1’的下游。此外，致能电压控制单元4’除微处理器41’和数位类比转换器43’外，更进一步包括一个类比数位转换器45’，供导接至上述直流负载1’和射极313’导接位置，量测该处的电压值，并且转换为一个精准的数位信号输出至微处理器41’。由于本实施例的直流负载1’是led灯条，如果电源2’所提供的电压不足，则类比数位转换器45’所量得的电压为断路电压，趋近于接地的零电位，因此转换为一个数位回馈信号至微处理器41’，并由微处理器41’输出升压信号en，驱动电源2’中的升降压控制器21’进行升压，让电源2’的两输出端间电位差逐步提升，直到足够驱动直流负载1’正常运作为止。

请一并参照图4所示，是运用上述直流负载1’的led光源的荧光显微镜7’，当操作使用者选择串连较多的灯条一起发光时，电源2’自然会被微处理器41’所驱动升压，至于需要弱光时，也可以藉由上述的微处理器41’发出对应的起始信号，并且经过数位类比转换器43’而精确输出至运算放大器33’的正脚输入端333’。随后由变动电晶体31’的射极313’和集极315’间的电位差，确保电流感测电阻5’两端的电位差符合预期，而达成精确控制直流负载1’电流的目的。

图5和图6为本发明第三较佳实施例的光源控制装置及应用该光源的手术灯组件，本实施例中的电晶体31”则是以一个绝缘栅双极电晶体(insulatedgatebipolartransistor,igbt)为例，它是一种由mosfet与npn/pnp电晶体所组成的混和式电晶体。在此以npn电晶体的igbt为例，系以一npn电晶体的集极315”导接至上述直流负载1”，一mosfet的闸极为本例中的控制输入端311”导接至上述运算放大器33”的输出端331”，及一npn电晶体的射极313”导接至上述电流感测电阻5”，藉此输出一放大恒定电流，并在电流感测电阻5”与运算放大器33”的负脚输入端335”间增加一放大倍率决定电阻35”，经由放大倍率决定电阻35”与电流感测电阻5”之间的放大比例关系，以确保igbt在驱动大电流负载时能够持续运作在非饱和动作区，其余部分则和前一实施例相似。

由于手术房的无影灯8”目前已经逐步改采led光源，但在施行手术或记录过程中，依照目前技术并不能确保光源的发光强度和光色不致漂移，因此当改用本发明所揭示的控制装置，将可顺利达成精准控制发光强度和光色，大幅减少漂移所造成的问题，精确供给手术房优质的照明与亮度，并可精确地分辨轮廓及颜色，尤其可以依照需求而随时切换光源，确保医疗时的环境光源品质。

图7为本发明第四较佳实施例，其中直流负载1”’是以激光雕刻或激光切割用的200瓦等级红外光半导体激光元件为例，其驱动电压约仅为两伏特，但电流量则接近100a，电压些许升降，就可能造成大量的电流变化而导致直流负载过载损坏。尤其对于激光雕刻机或激光切割机，激光光源和工作件之间的相对移动速度必须完全精准，且由激光光源带来大幅热能给工作件。因此，无论是作为光源的激光半导体元件或者是驱动相对运动的马达，都需要响应快速且精准的控制装置，不容许较大误差。

本例中的电晶体31”’则是例释为一个bicmos混和式电晶体，是一种由两组包括一组正向fet与npn/pnp电晶体、一组反向fet与npn/pnp电晶体等所组成的混和式电晶体的等效电路，本案例是以一组正向的fet及npn电晶体所组成的混和式电晶体的bicmos为例，是以一npn电晶体的集极315”’导接至上述直流负载1”’，一fet的闸极作为控制输入端311”’导接至上述运算放大器33”’的输出端331”’，以及一射极313”’导接至上述电流感测电阻5”’，藉此输出一放大恒定电流。

图8为本发明第五较佳实施例，本例中的直流负载1””是以上述马达为例，并且回授稳压单元3””中是包括一个达灵顿(darlinton)电晶体31””，本例中是一种由两个npn电晶体串接所组成的混和式电晶体，以npn电晶体的集极315””导接至上述直流负载1””的马达，一npn电晶体的基极作为控制输入端311””导接至运算放大器33””的输出端331””及一npn电晶体的射极313””导接至上述电流感测电阻5””，藉此输出一放大恒定电流。当然，熟悉本技术领域人士可以轻易推知，darlinton电晶体可以不止是有两级的电晶体，具有更多级串接亦可。

由于本案中所揭示的回授稳压单元，都是控制电晶体在非饱和作用区运作，并且藉由运算放大器的输出端作为控制输入端的输入信号，使得电源处所发生的任何电压漂移，都会被电晶体所缓冲补偿，并且精准而稳定地控制电流感应电阻的端电压，使其响应于微处理器输出的起始信号，藉此稳定通过直流负载的电流量，让电源的电压漂移问题被大幅消弭，直流负载所接收的电能成为一个理想致能直流电流，让负载的运作状态保持在一个预订的精准状态，尤其是当负载为led时，不仅可以顺利避开现有pwm驱动技术中的昂贵成本、高频emi、还可以避免ccr驱动技术中的光波长和发光亮度漂移，更能在低亮度状态精准且忠实地响应于原驱动的起始信号，提供优于现有pwm控制和ccr控制的各种亮度精准照明，提供精密检测或实验时的高精准度和可靠度的直流光源、让所获得的数据资料具有可重复性、可供定量分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。