专利名称：相位控制装置的制作方法
相位控制装置
本发明涉及的这样一种功率控制装置，其带有与所述用电i殳备串 联并具有控制输入的电路单元(TRIAC);为驱动该电路单元和实施相位 控制的点火装置，以及可与该点火装置耦合能提供激活电路单元所需能 量的点火电容器。此外，本发明还涉及一种通过相位控制，对与交流电 压-电源相连接的电子用电设备的功率进行控制的方法。
DE 198 50 905 A1或DE 101 27 777 Cl中/>开了 一种装置和方法。 这种已公知的装置即被称为相位控制装置。它通过电路单元，周期性地 接通或关闭用电设备，以此来调控馈给电子用电设备的功率。通常TRIAC 用作电路单元。它与用电设备串联，由控制装置激活。控制装置包括一 个与TRIAC并联的、由电阻和点火电容器组成的串联电路。点火信号可 在电阻与点火电容器之间被截取，并经由电阻和构成DIAC触发元件组 成的串联电路馈送给TRIACS控制输入端"册极)。
在运行中，电容器是由通过电阻馈送给相位控制装置的交流电压充 电的。这样会提高电容器(点火电容器)上的电压。 一旦达到预定电压 值(点火电压)，DIAC就会依次导通，并激活TRIAC,用电设备接通。 TRIAC在电压在超过零值前， 一直处于导电状态。这个过程会周期性地 为每个交流电压的半波(长)重复一次。
这种例举的方式是通过改变与点火电容器串联的电阻的电阻值来实 现功率控制。这样可以调整达到必要的点火电压所用的充电时间，其结 果是延续时间也可被调控，在此时间内TRIAC是通电的。
激发TRIACS所需的点火能量是由点火电容器提供的。通常电容器 要充大约32+/-4V电。达此电压，DIAC就会导电，这样在点火电容器 中储存的电能就会流进TRIAC。当然，在点火电压降到大约10V时，DIAC 又会闭锁，以致于无法继续使用尚储存在点火电容器中的电能。基于这 种特性，电容器就需要具有至少100nF的容量。这样，在DIACS导电阶 段，只用储存在触发电容器中总电能的很少一部份电能激活TRIAC。
通常情况下用100nF的容量，电容器会比较大。另外，它只能由一 个高功率电阻(通常为3W的电阻)充电。这样元件即大，也贵。
在此背景下，本发明的首要目的就是进一步完善前述方式的功率控 制装置及方法，使其装置的制造成本比迄今为止的解决方案更便宜，其 性能更佳。
因此，这项任务将由在开篇时提及的装置来完成。这个激活装置包
括
开关元件，它被激活时可生成点火电容器与电路单元的控制输入端 之间的连接；释放元件，它可以将电容器中的电压与基准值作比4支，并 发出释放信号；限时元件，它与释放元件连接，响应于释放信号并在预 定延续时间之后激活开关元件。这样，储存在点火电容器中的电能几乎 可全被用于点火电路单元(TRIAC)。
换言之，即该装置包括并非是DIAC构成的开关元件。如果一方面 存在释放信号，另一方面在设定的延续时间之后，在点火电容器与电路 单元(TRIACS)的控制输入端之间建立连接来点火。典型的方式是延续 时间随着电源电压的每个半波(长)开始。如果达到电容器上的设定电 压，优选在22V范围，那么延续时间也会在另一时点开始。在点火电容 器完全放电之前，开关元件会一直保持关闭(即，在点火电容器与电路 单元的控制输入端之间有一个连接)。
由此可见，符合本发明装置的优点之一是存储在点火电容器中的 全部电能几乎都可被用于激活电路单元，优选为TRIACS的激活。还可 让点火电容器体积更小，有10nF的容量即可。与迄今所用的装置相比， 容量小了约10倍。容量缩小的另一个好处是，与点火电容器串联的电阻 可设计成更省钱的SMD-电阻，这是因为对功率的要求明显变小了。假设 在此前的解决方案中设计的电阻是3 W功率，现在的电阻只设定0.25W 就足矣。
总的生产成本可因此降低10%左右。
符合本发明的另一个优点举例来说就是能达到较小的、可调的最 小电压，而最大的电压也只高出1 V至2V。此外，装置的热稳定性明 显改善；电机电压在70V时，从-20°C至+120"时的偏差可达<又为+/-
5V。与以前所用的电路各相比，要少一半多。
在优选的扩充方案中，为点火电容器提供了电压限制元件，目的是 将存置在点火电容器中的电压限制在额定的最大值。电压限制元件优选 由两个极性相反连接的齐纳二极管组成。
因此，可让存置在点火电容器中的电压在半波(长)内快速地提高， 达到齐纳-电压后保持恒定，以减少此间的重复点火。这种电压控制在实 践中，尤其考虑使用标准元件和其标定尺寸时，证明是好的。
在一个优化的扩充方案中，可给定的延续时间(限时元件的)规定 了电路单元的接通延续时间(点火角度)。限时元件优选地示出了一个可
产生斜坡电压的RC-部件和能调节阈值的可调式电阻。只要斜坡电压达 到阈值，开关元件即被激活。
在优选的方案中，可设定的(时间单元的)延续时间确定电3各单元 的导通持续时间(点火角度)。时间单元优选地示出为包括可生成冻+坡电 压和调节阈值用的可调电阻的RC-器件。只要斜坡电压达到了阈值，电 路单元即被激活。
优选地提供了向其馈送斜坡电压和阈值的电压比较器，其具有与释 放单元连接的释放输入。
换言之，即RC-器件可生成斜坡上升电压，在斜坡上升电压达到可 调的阈值后发出时间延续运行的信号。但前提是有释放信号的存在。接 着再生成能激活电路单元的相应信号。
在进一步的优选方案中，点火装置包括软起动电路。
软起动电路的优点是，电子用电设备在启动后不必立即用所调定的 功率驱动，而是在功率达到所调定的值时才緩慢地(即在很少几个至数
百个交流电压周期内)提高。
依据本发明提出的目标也可通过与交流供电系统相连接的功率控制 装置，对电子用电设备的相位进行控制的方法来实现。其步骤是使点 火电容器充电至预定电压，从而使得在所述点火电容器中储存足够激活 电路单元的能量(激发能)；以及在可调的延续时间之后响应释放信号， 所述点火电容器与所述电路单元连通以将其激活，从而使得全部的所述 激发能通过所述电路单元流走，其中如果所述点火电容器达到了额定电
压，产生所述释》t信号
这种方法已具有前述装置时提到的 一些优点。所以此处不必再作赘述。
本发明的其他优点和布置可从说明书和附图中获知。
当然，在不脱离本发明框架的条件下，前述的和下面将说明的特点 并不是只用在已陈述的方案中，在其他的方案中也可以采用。
下面将参照附图中示出的实施方案对本发明作详细说明。在附图中
图1为本发明的装置示意图2A为在图1中^f吏用的DIAC-等效电^各的方块示意图； 图2B为在图2A中示出的时间单元的方块示意图； 图3为显示了点火电容器上的电压运行的非比例图； 图4为才艮据本发明的装置的电i 各图；及
图5为根据本发明的、与在图4中示出的装置相比有扩展的装置的 电路图。
在图1中，功率控制装置(以下简称相位控制器)用方块图的方式 描述，并用附图标号10表示。相位控制器通过对交流电压的相位进行控 制，控制馈送到电子用电设备的功率，例如电机，尤其是吸尘器用的电 机。这样的相位控制器基本上是公知的，所以不必在此就它的作用原理 作进一步的阐述。
相位控制器10包括电^各元件12,它在实施方案中作为TRIAC 14组 合。TRIAC 14串联至要供电的用电设备16 (其为通用电机)。由TRIAC 14和电机16组成的串联电路与交流电压的电源连接。通常交流电压为 230V, 50Hz。
与TRIAC 14并联了由电阻20和22组成的串耳关电^各。电阻20在本 实施例中由3个单电阻21组成。这些单电阻21可作为一皮称为0.25 W功 率的SMD-电阻4吏用。当然，这些单电阻21的数量是可变的。比示出 的凄史量可多一些，也可少一些。
电容器22可用作所谓的点火电容器。点火电容器上具有电压Uz。 与点火电容器22并联的是由齐纳二极管24A和24B组成的串联电
路。它们极性相反地设置。就是说，要为电源电压的每个半波(长)，沿
着电流方向配置两个齐纳二才及管中的一个。齐纳二极管24A，24B可将存 置在电容器22上的电压Uz限制在额定值上，优选为22V。
电阻20和点火电容器22之间连接了一个DIAC-等效电路。它成为 与TRIACS 14的控制端(栅极)25的连接件。
最后还设置了一个电阻27 。它布置在栅极25和TRIACS14的漏极 28之间。
采用DIAC等效电路30涉及插件板。它在图2A中用方块图示出。 它的主要用处是在给定的时点启动TRIAC 14,即，使其进入导电状态 给电机16供电。在迄今为止的相位控制器中，这一功能都采用DIAC。
DIAC-等效电路30示出有多个功能组。在图2A中示出了其中的三个。
DIAC-等效电路30包括开关元件32。它成为两个接点34之间的连 接件。在密封的开关元件32中，点火电容器22顺序地与TRIACS 14的 4册才及25连接。
此外，这个DIAC-等效电路30包括有释放电路36,它由接点34和 点火电容器22上的电压Uz供电。要监控这个电压，使之在达到基准电 压后就发出释放信号。如果点火电容器上的电压不再升高，即便不与基 准电压比较也能发出释放信号。
最后提供了一个定时元件38。它可以在设定的可调的时间周期运行 完后连通或再断开开关元件32。时间周期At可通过调节控制元件39来 调节。相位控制器10的所谓相(位)角可借助调节控制元件39来调节。 定时元件38又附加了 一个软起动电路35。它可以在启动阶段緩慢地将相 (位)角转变成调定的相(位)角。
定时器38的结构在图2B中有显示。它包括一个可随电源电压的每 个半波(长)的开始产生斜坡电压的斜坡发生器51。斜坡的斜度要优选 确定。
将斜坡电压馈送给比较器53以与阈值进行比较。可通过调节控制元 件39来调节阈值。
当斜坡电压达到阈值时，就会产生激活开关元件32的信号。比较器53还设有释方t/禁止输入端。该输入端与释放电路36的输出 端连接。因此可先将比较器53释放至特定的点，以此避免可能出现的提 前点火。
接下来解释有关图3中的相位控制器10的功能，尤其是DIAC-等效 电路30的功能。
在电源电压的每个半波(长)开始时，点火电容器22是通过电阻20 充电。此时，电压Uz会连续地升至时点tl。在此时点，会达到并联的齐 纳二极管24A及24B的齐纳电压。这个电压优选22V。尽管电源电压还 在继续升高，但有了齐纳二极管就可让电压Uz恒定在22V 。
在DIAC-等效电路中再流经释放电路36时，电压Uz要与基准值(同 样优选为22V)进行比较。在达到22V时就产生释放信号。这个释》文信 号被馈送给比较器53，在时点tl时将其释放。
在比较器53上， 一方面存置了一个可调的阈值电压，另一方面还有 一个由斜坡发生器51生成的斜坡电压。斜坡电压达到阈值电压后，比较 器53就会产生控制信号，以此来调控开关元件32。
图3示出的是在时点tl时比较器被释放，而在时点t2，也就是经过 时间At运行完后生成控制信号。接着在时点t2时再将开关元件32调至 关闭。
在关闭了开关元件32之后，点火电容器22及其存置的点火电压Uz 置于TRIACS 14的栅极25上，依据选定的电压值，让TRIACS 14点火。 通过这个接点，点火电容器22在点火结束时就可以释出几乎全部的电能。 在剩余电压约为2V时，开关元件32会重新开启。这样，随着下一个电 源电压的半波(长)开始，前述过程又重新运行。
如通常公知的那样，TRIAC 14是在电源电压的通过下一零点时，也 就是在下个半波(长)开始时闭锁。如此一来，通用电机16最终只能在 达到交流电压的达到零点时，在时点t2处充电。
通过推迟时点t2,并因此延长到下个零点通过的间隔时间，让功率产 生变化。就是说，可以通过改变时间周期At来调节功率。
在图4中示出了一个相位控制器10，特别地示出了 DIAC-等效电路 30的具体实施方案。在图1, 2A和2B中用相同附图标号示出的元件将
不再重新解释。
DIAC-等效电路被示出出为包括由4个二极管D5， D6组成的桥式整 流器。它的作用是，在DIAC-等效电路之内，且在电源电压的每个半波 (长)的两个电压支线41和42具有同样的极性。
开关元件32在DIAC-等效电路内是由晶体管T5和T2-B，电阻R18, R13, R6, R14和电容器C6构成的。晶体管T5 (NPN-晶体管)与两个支 线41和42之间的电阻R18串联。由电阻R6，R13,以及电容器C6构成的 串联电^各就与电阻18并联。晶体管T2-B与两个支线41， 42之间的电阻 R14串联。晶体管T2-B可作为pnp-晶体管构成。它的基础是与两个电阻 R6,R13的连接点相联。晶体管T2-B的集电才及与晶体管T5的基才及和电阻 R14连接。
如果通过电阻R13来调控晶体管T2-B,那就可以通过电阻T5和电 容器C6来调节动态的电路。电阻R18此时会限制最大电流。开关元件 32,即两个晶体管T2-B和T5，在电压回落到约2V时才会重新关断。也 就是点火电容器22会快速地完全放电。
定时器38主要由电容器C8、电阻R15和npn-晶体管组成。它可调 控激活开关元件32。
如图4中所示，电阻R15是与电容器C8串联，组成了RC-器件。晶 体管Tl-A的基极是通过电阻Rl与RC-器件R15, C8的中心抽头连接。
RC-器件R15，C8的用处是，在晶体管T1-A的基极产生一个斜面电 压，为的是在达到设定的阈值后接通晶体管Tl-A。
为调节阈值和时间延续At设置了一个具有电位器P3的调节装置。 这个电位器通过另一个电位器把晶体管Tl-A的发射极与支线42连接。 电位器P3的中心抽头通过电阻R2与电容器C8连接。通过调整电位器 P3就可以修改在其达标时被接通的阈值。
通过分压器R8和R7,再经晶体管Tl-B就生成了一个内部的基准电 压。作为基准它即可用于通过电位器P3组成的调节装置，也可用于斜坡 电压的生成。与电阻R8并行地提供了电容器C2。它可用于提高基准电 压，让点火电容器22内的电压稳定，以杜绝'提前点火，。这个电3各部件 因此构成释放电路36。
DIAC-等效电路示出了一个由T3-A和T3-B构成的软起动电路。T3-A 的作用是电流放大器，可超过调整电压。电压通过R2就会示出规定的 最低阻抗。电容器C9规定软起动随它的吸收电流一起运行。这个吸收电 流是通过R3确定的。基极-放射极-连接通聘4皮T3-B反向驱动(约6V )。 晶体管T2-A可作一个带有很小的反向电流的二极管用。这个连接通路给 电容器C7周期性地充约22V的电。R4向C7放电。以至于经约四次半 波(长)断电后，电容器的C9流经晶体管T3-B产生的强力放电就会受 到影响，这样就可以在电压中断后干净地重复4欠起动。
所以软起动电路的作用基本上有了 一个时间延续At，也就是在启动 后，第一次半波(长)可被调到所需的数值以内的斜面高度。
在图5中示出了相位控制器10，特别地示出了 DIAC-等效电路30 的细化布置。它基本上相当于在图4中示出的布置。所以，对用相同附 图标号示出的部件在此不必重复，请参阅先前的叙述。
在图5中示出的电路唯一的不同是开关元件32示出有两个另外的 部件，即用参考标号50标示的二极管D1，和用参考标号52标示的电容 器C14。
二极管Dl置于晶体管T2-B的集电极上，而电容器则与晶体管T2-B 的集电极-放射极-旁路以及其后的电阻R14并联。
与在图4中示出的电路变化不同，在通电时，对减緩开关颤动的影 响会有作用。如果在通电时开关震颤，会造成意外点火。其后果是最 初的一、二和三次半波(长)大量电流流出，可能导致触发保险装置， 在电动机上发出敲击噪声。
由于附加了部件D1和D14，这些影响几乎^1消除了。
显然，前述的DIAC-等效电路的实施方案仅为例选，其他的示出方 案也是可能的。此外，要明确的是DIAC-等效电路并非必须配置软起动 电路。
相位控制器IO有一个优点就是 一个4艮小的，可调的最低电压在以 前的电路中都是可以的。此外，最大的电压要高出大约IV至2V。软起 动的时间就可以在一个宽泛的限界内变化。最终，该电路的热稳定性会 有明显的改善。从-20。C到120。C的温度范围内，在70V的电机电压下时，
电^各的产生误差约+/-5V。
权利要求
1.一种控制装置，用于控制与交流电源相连的电用电设备的功率，包括电路单元(12，TRIAC)，与所述用电设备串联并具有控制输入；点火装置，用于控制所述电路单元和执行相位控制操作；以及点火电容器，它与所述点火装置耦合，并提供激活所述电路单元所需的能量；其特征在于，所述点火装置包括开关元件(32)，在激活时在所述点火电容器与所述电路单元之间建立连接；释放元件(36)，将施加到所述点火电容器的电压与基准值进行比较，产生释放信号；以及定时元件(38)，与所述释放元件连接，并在预定延续时间之后响应所述释放信号，激活所述开关元件(32)，从而使得存储在所述点火电容中的能量全部用于对所述电路单元(12，TRIAC)点火。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，与所述点火电容器(22) 并联设置有电压限制元件(24),用于限制所述点火电容器上的额定最大 电压值。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压限制元件(24) 包括两个极性相反的齐纳二极管(24A, 24B )。
4. 根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，可确定延 续时间来确定所述电路单元(12,14)的启动时间(点火角度)。
5. 才艮据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述定时元件:没有可 生成斜坡电压的RC-部件和调节阈值的可调电阻(39),在所述的釗-坡电压达到阈值时，激活所述开关元件(32)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还"i殳置有电 压比较器(53 ),向所述电压比较器(53 )馈送所述斜坡电压和所述阈值，接的释放输入端。
7.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述点火 装置(30)包括软起动电路。
8.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述点火 电容器(22)与至少一个电阻(20，21)串联，而所串联的电路与所述电路单元 并联，其中所述电阻(21)为SMD-电阻组合。
9.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述开关 元件(32)至少包括一个晶体管(T5，T2-B)，优选为两个晶体管。
10.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述释放 元件(36)包括电容器(C4)和晶体管(Tl-B)串联的电路，以及与所串 联的电路并联的分配器，所述分配器由第一和第二电阻(R8,R7)组成， 所述晶体管的基极与所述分配器的中心抽头连接，电容器(2)则与所述 分配器的第 一 电阻(R8)并联，这样，当所述分配器上的电压达到基准值时， 产生释放信号。
11.根据前述任意一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述点火 装置包括桥式整流器(D5， D6 )。
12.用于控制与交流电源相连的电用电设备的功率的方法，包括 使点火电容器(22)充电至预定电压，从而使得在所述点火电容器中储 存足够激活电路单元(12, 14)的能量(激发能)；以及在可调的延续时间之后响应释放信号，所述点火电容器与所述电路 单元连通以将其激活，从而使得全部的所述激发能通过所述电路单元流 走，其中如果所述点火电容器达到了预定电压，产生所述释放zf言号。
全文摘要
本发明涉及用于控制连接到交流电的用电设备的功率的设备，包括电路单元(12，TRIAC)，与所述用电设备串联并具有控制输入；点火装置，用于控制所述电路单元和执行相位控制操作；以及点火电容器，它与所述点火装置耦合，并提供激活所述电路单元所需的能量；其特征在于，所述点火装置包括开关元件(32)，在激活时在所述点火电容器与所述电路单元之间建立连接；释放元件(36)，将施加到所述点火电容器的电压与基准值进行比较，产生释放信号；以及定时元件(38)，与所述释放元件连接，并在预定延续时间之后响应所述释放信号，激活所述开关元件(32)，从而使得存储在所述点火电容中的能量全部用于对所述电路单元(12，TRIAC)点火。
文档编号H02M1/08GK101171738SQ200680014762
公开日2008年4月30日 申请日期2006年4月26日 优先权日2005年4月27日
发明者德特勒夫·舒尔茨 申请人:格哈德·库尔策