专利名称：过电压保护电路的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及电气装置的功率控制，特别是一种适用于诸如架空式投影仪灯泡之类过激励光源的过电压保护电路。
架空式投影仪(OHP’S)是众所周知的技术，一般包括带光源的底座、位于光源上方并放置图像透明软片的透明平台和将通过透明软片的光线聚集起来并投射到墙壁或屏幕上去的投影头。为了保证投影图像清晰和色彩艳丽，最好配备一种高亮度光源；这也使得听众能够在光线更明亮的房间里阅读其它材料。在OHP’S同液晶显示面板(LCD)一起使用时，光强甚至变得更加重要，因为这些面板都采用在光通过时极大地削弱其光强的偏振器。
对于一个给定的OHP系统，基本上有两种提高投影图像整体亮度的方法，即，增加光源的光通量，或者更有效地把光线向平台聚集。就前者而言，有好几种增加光源光通量的技术。这些技术包括(i)提供多个光源，把各个光源的输出相加，(ii)使用不同类型的光源，诸如卤素灯或弧光灯，以及(iii)过激励灯(即超出制造厂家制定的额定电压)。当然，这些办法可以一起使用。但是，如果采用后一种技术，由于电源的微小起伏(交流电压的瞬时升高)可能导致灯被过度地过激励，因而灯失效的危险会更大。
例如，普通的EVD白炽卤素灯，厂商标定的最大电压额定值为36伏，而“熄灭”电压约为40伏(即40伏的上冲将烧断灯丝)。对于典型的外部交流电源(平均值为120伏)，振幅可在承受极限内偏离±10％，所以OHP中普通的电源/调压器可能产生最高为39.6伏的灯电压，处于其极限，但仍处于熄灭电压之下。但是如果灯已经过激励，臂如说是38伏，那么这样一种上冲将把灯电压推高到熄灭电压之上，十之八九会烧断灯丝。虽然过激励灯会缩短其寿命，但是只要灯能经受住这种瞬时上冲，那么这不失为一种提高发光度的权宜之计。
虽然有多种常规的过电压保护方法，但已有技术的投影系统并没有任何用于过激励光源的过电压保护措施。实际上，现在还没有这类商用过激励OHP’S，部分原因在于很难提供适当的过电压保护。缺乏这种保护的原因是在交流电压被调节的系统中，无法以电压过激励的方式(或在商业上不可行)利用已有的电路。例如，许多先前技术的保护电路局限于调节直流输出电压。美国专利No.4,815,052描述了一种用在由变速三相交流发电机产生直流电的系统中的自动过电压保护电路。该系统采用三套可控硅整流器(SCR’S)来调节选通型三相整流器桥路的触发信号。美国专利No.4,916,085描述了一种金属一氧化物半导体(MOS)功率管结构中的集成过电压保护方法。普通的双极型晶体管的发射极、集电极和基极分别与MOS管的栅极、漏极和源极相连；另外可以采用齐纳二极管作过电压阻塞二极管；美国专利No.4,914,540讨论了用于开关元件的过电压保护装置，其中MOSFET管具有一个能使开关高频短路的寄生电容。在美国专利No.5,122,726中，通过去除任何一个失效的电源，包括其输出线(直流)被驱动到过电压状态的故障，对一排冗余的并联电源实行保护。美国专利No.5,130,883揭示了另一种涉及用于类似场效应晶体管(FET’S)的半导体器件的过电压保护装置的发明。在那种构造中，电路将输入线转接到一个使FET栅极保持偏压状态、不受上冲影响的电容器。美国专利No.5,225,958中的装置将继电器和二极管组合使用以减少CCD元件上的过电压。美国专利No.5,233,497阐述一种使用齐纳二极管和SCR(或晶闸管)来截断低能量过电压脉冲和短路高能量脉冲从而实现过电压保护的电路；这些情况也可见之于美国专利Nos.5,243,488、5,245,499和5,243,205。一种等同的寄生SCR示于美国专利No.5,235,489中，它为电源线电压在半导体衬底上提供了一个可控的击穿电压。前述设计中没有一个能够容易地为交流灯供电所接受。因此，有必要也值得去设计一种用于OHP灯的电源，使它既允许过激励灯，又能防止可能出现超过其熄灭电压的过电压。
本发明提供了一种展示系统，一般包含具有底座的架空式投影仪、平台区、光源、安装在所述基座上包括将来自平台区的光聚集起来、并把聚集的光投射出去的装置的光学元件和新型光源电源，电源包括过激励光源装置和过电压保护电路，以对在过激励时出现的瞬时上冲或持续的高交流线路电压状态进行保护。过电压保护电路包括一个用来将输入交流电压和2条输出线路之中的一条连接起来的继电器。这些输出线路以这样一种方式耦合到负载线(通向OHP灯)上，即当加载到第一输出线时，交流电压源将在灯上产生一个较之加载于第二输出线时为低的电压，因此当继电器将输入线连接至第二输出线时就过激励灯。通常采用多抽头的变压器耦合这些线路。继电器由一个将输入交流电压转换为直流输出电压并与设定的阈值相比较的电压传感电路间接控制。在较好的实施例中，电压传感电路包括一个能自动调整设定阈值的磁滞元件，避免电压在阈值电压附近仅有微小偏离时频繁地切换电压传感电路的输出。电压传感电路的输出是双极性的，在输入线路上指示出低压或高压状态。第一套跳线用来根据不同国家所用的标准电压手动调节阈值电压。采用另一套跳线和电位器在出厂前对开关点进行附加的调整。可以采用目视指示器指示输入电压的状况。过电压保护电路作为通常用来指示线路是否处于低压或高压状态的电路具有更为广泛的应用。
借助于附图将对本发明有最佳理解，其中
图1是按照本发明构造的架空式投影仪的透视图2A和2B是在过激励电路中采用本发明的过电压保护电路的不同的实施例；图3是本发明的过电压保护电路的实施例的框图；图4是本发明的过电压保护电路目前较优的实施例的详细原理图；以及图5是包含一排按照本发明的过电压保护电路的电路框图。
现在参照附图，特别是参照图1，描述一个按照本发明构造的展示系统10，其通常包括架空式投影仪(OHP)12和可选用的液晶显示(LCD)面板14。OHP12具有普通架空式投影仪的全部特征，包括一个基座18和通过臂22附接在基座18上的投影头20。普通的调节装置24用来升降投影头20，即移向或移离基座18。所描述的OHP12的实施例是一种透光型投影仪，但是该技术领域的那些技术人员将会注意到本发明对于反射式OHP’S同样有用，或者说同样可以移植到便携式(折迭式)OHP’S中去。基座18容纳有光源26、光源26的电源28和相应的用以引导、聚集并使光线瞄准平台34(一透明平板，如玻璃)的光学元件(诸如镜面30和菲涅耳透镜32)。当图像呈现在LCD面板14上或图像透明薄膜放在平台34上时，图像通过装在投影头20内的普通的光学元件被聚集起来并投影至附近的投影屏幕或墙壁。投影头20可以采用变焦透镜(未画出)，此时可以省略调节装置24。LCD面板14可以是任何一种普通的液晶显示面板。一种示范性的LCD面板由明尼苏达采矿和制造公司(3M-本发明的受让者)的视觉系统分部出售，型号为4180。
本发明的目的是设计一种具有特别明亮输出的OHP12。因此，光源26的较好形式是诸如EVD白炽卤素灯泡的高光强灯。现在使用的特种灯泡，厂商标称的额定电压为36伏，这意味着其瓦数和平均寿命取决于电压源。但是，本发明为了达到更高的瓦数，灯泡电压被过激励。如上所述，过激励灯通常会缩短其寿命，但是只要灯能承受住瞬时的上冲或持续的高交流线路电压状况，这是可以接受的。通过在不同的如图2A和2B的实施例所示的电源28和28’中提供过电压保护电路36，OHP12可以防护这种上冲。
在每一个实施例中，标准交流电源40的带电线路38与过电压保护电路36的输入端相连(要理解的是，线路38和电源40并不构成本发明的一部分，而是属于外部，如墙上的电气插座)。如下面将要进一步解释的，电路基本上起着继电器的作用，以切换与输出42和44直接连接的交流电源。这些输出以这样一种方式与灯26耦合，当电流流过输出42时，向灯提供一低的标称电压，但当电流流过输出44时，提供一高的标称电压。这里的“标称”电压指的是当交流电源40的有效电压值近似于电源的额定电压时电源28、28’产生的电压。例如，在设计用于美国的一种系统中，通过输出42加载的120伏交流信号产生36伏电压向灯26输送，但是通过输出44加载的同样的120伏交流信号却产生38伏的输出。
在图2A的实施例中，通过提供一个输出引线与灯26连接而电路36的输出42和44连接到其不同插头位置上的自耦变压器46来使灯26过激励。图2B表示许多不同电路中的一个电路，它通过两个不同输出端加载同一个电压产生不同的负载电压。在图中，不是将输出42和44与变压器上的不同位置连接，而是把两个输出端都与一个变压器输入端相连，但是沿输出42的低压路径提供一电阻48。自耦变压器46也已被替换成隔离变压器46。
现在参照图3，过电压保护电路36的基本单元是电压检测电路和继电器控制电路50和52。如下面结合图4进行解释的那样，电压检测电路50检测输入线路38上是否存在高压状态，其输出是双极性的，指示低于或高于设定阈值电压或窗口。虽然过电压保护电路36的主要目的是控制线路上的上冲，但它也可被用来确定现在利用的是两种可用电压的哪一种。如下面所述，许多国家的供电不止一种电压。若使用本发明的新型过电压保护电路36，由于能根据检测的电压值使电力移向两种不同的电力调整电路，任何电气装置都增加了额外的灵活性。
电压检测电路50和继电器控制电路52采用由交流/直流转换器54提供的恒定直流电压。在较好的实施例中，对电路36配备了输入保护56，以使在诸如雷击等灾难性上冲时对其进行保护，并对由交流/直流转换器故障引起的可能的短路进行处理。继电器58可以包括指示电流通过输出42还是通过44的目视指示器。一个选用的国别选择电路60通过调节电压检测电路50来满足不同国家的不同电压要求，从而赋予其额外的灵活性。
过电压保护电路36的一个实施例的详细原理图示于图4。输入保护电路56包括保险丝62、电阻器64和变阻器66，变阻器66同电阻器64形成分压网络，以在极高压上冲时进行分流。保险丝62除了在电涌时给予附加的保护外，还能在交流/直流转换器54出现故障时给予保护。交流/直流转换器54可以是提供直流稳定电压的任何一种性能可靠的装置，如美国电活电报公司出售的型号为2406的转换器(21伏输出)。转换器54经串联电阻器68与输入保护电路56连接。电容器70用于处理瞬变过程。齐纳二极管72提供反馈以调整直流输出，而滤波电容器74进一步平滑电压。
电压检测电路50包括用来设定电路的开关点或阈值的几个电阻器76，下面将作进一步讨论。用电压跟随器78和检波器80构成峰值检测器。电容器82平滑峰值检测器的输出，该输出为大小正比于交流电源40的峰值电压的直流信号。峰值检测器输出馈送入非调节电压检测器84，在输入低于设定阈值时提供低电平输出，而在高于阈值时提供高电平输出。介入电位器86对开关点作进一步的调节，即升降与电压检测器84设定阈值相对应的峰值检测器的输出。在较好的实施例中，选取的电阻值使开关点大约设置在123.5伏左右(美国设置)。附加的二极管(未画出)可以与峰值检测器的输出并联来保证热稳定。可以在网络中随电位器86一起放置另一个电阻器(也未画出)来进一步补偿热漂移。有效值电压检测器可以用来替代峰值检测器。
检测器84的优点是具有改善电压检测电路50性能的滞后特征。一旦检测器84检测到已经超出初始阈值电压，它会暂时地把阈值复位到一个较低值，所以直到交流电源40的峰值电压已经明显地跌至初始阈值以下后它才返回低电平状态。这就避免了当电源在阈值附近仅有微小变化时检测器输出的频繁切换。较优的实施例采用Seiko仪器制造的型号为S-806(L)的电压检测器。该装置的滞后约0.115伏直流。对于一个运行在120伏左右的美国系统来说，这相当于约7伏的滞后。
检测器84的输出馈送至第一晶体管88的栅极，晶体管88与由电阻器90和电容器92组成的延迟网络相连。延迟网络使内部电路稳定，并在第一次激励该单元时将流向灯的电涌电流减至最小。电阻器94用来偏置检测器84的输出。当晶体管88未被激励时，它对螺线管98赋能，而螺线管98控制着电路58中的继电器100。检波器102抑制螺线管的反电动势。选择继电器100，输出端42处于去能状态时闭合触点，从而当过电压保护电路36出现任何故障时，它总是回复到向灯26提供低电压的安全状态。
两个目视指示器(较好的是发光二极管(LED’S))104和106分别与输出线路42和44相连，以指示继电器状态。只要激励继电器100，即当交流电源的电压低于阈值时，绿色LED104发光。在OHP12的应用中，这意味着电路切换至输出44并过激励灯。如果交流电源的电压超过阈值，红色LED106发光，指示交流电源处于过电压状态，并切换至输出42以暂时中止过激励灯。检波器108和电阻器110用来限制LED上的电压。二端交流开关管112和114如同保险丝116一样，对LED提供了额外的保护。可以提供测试插座117使现场技术人员能将类似LED106的另一个LED通过长的导线连接，这样就可以把它放置到OHP外部并在按下开启/关闭电源开关时对其进行检查。这使技术人员能判断出电路运行是否正常。
提供根据不同国家的标准电源插座的电压选择不同的开关点的装置，使得过电压保护电路36的灵活性增加。在较好的实施例中，这是通过提供一个具有电阻器118、120和122及检波器123的国别选择电路60实现的，其中的一个电阻器利用跳线或对接触元件选择。某一个电阻器，例如118，可以选用于标准电压为120伏的美国系统。另一个电阻器，如120，可以选用于标准电压为230伏的美国以外的系统。一种特殊的跳线可以配用在采用不止一种电压额定值的国家。例如，在韩国选择电阻器122来辨别使用的电压是100伏还是200伏。在这方面，本领域的技术人员将会注意到图4的基本电路可以在非过激励状态下使用。在韩国使用时，该电路实际上是当作有一个传感器用来确定当前的电压，随后它通过引向两个不同的电源调节电路的相应输出线路42或44，指示电源动作。例如通过最后出厂前调试，对选择的一种其电阻器124、126和128不同组合的分压网络使用另一根跳线，可以提高灵敏度。较好的PCB(印刷电路板)布局提供的跳线连接，其缺省设置(即不出现跳线)导致所有电阻器124、126和128都简单地串接起来(这种设置与最低开关点值相关联，即最安全设置)。过电压保护电路36成本相对低廉，容易检测出90—260伏之间高、低电压。整个电路易于封装(罐装)以免受环境影响，尤其是热稳定性好。
虽然已经借助于特定的实施例描述了本发明，但是这种描述并非限定意义上的解释。对公开的实施例的修改，与本发明的不同实施例一样，借助于本发明的描述，对于那些本领域内的技术人员来说都是显而易见的。例如，图5描述了本发明的一种令人感兴趣的应用，其中提供的一排过电压保护装置用以产生两极以上状态的选择，即可以检测并排定较大的电压范围，由此提供不同的最终输出。因此应该考虑到可以在不超出由所附权利要求限定的本发明的精神和范围进行这种修改。
权利要求
1.一种检测交流电压源的高压情况的装置，其特征在于，包括一条与交流电压源相连的输入线路；一条第一输出线路；一条第二输出线路；用于将所述第一输出线路或所述第二输出线路有选择地连接至所述输入线路的切换装置；产生其电压基于交流电压源的直流输出的装置；将所述直流输出电压与设定的阈值电压进行比较的装置；以及与所述比较装置相连、控制所述切换装置的装置。
2.如权利要求1所述的适于在两种不同电压下激励负载的装置，其特征在于进一步包括一条负载线；以及将所述第一和第二输出线耦合到所述负载线的装置，交流电压源当加载到所述第一输出线时，将在所述负载线上产生比交流电压源加载到所述第二输出线时更低的电压，所述切换装置有一种去激状态，其中所述输入线与所述第一输出线相连，并有一种受激状态，其中所述输入线与所述第二输出线相连，所述切换装置在所述直流输出电压超过所述设定阈值电压时受激。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述比较装置初始把设定阈压设置为第一电压电平，随后当所述直流输出电压超过所述第一电压电平时，把所述设定阈值电压设定为低于所述第一电压电平的第二电压电平。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包含将设定阈值电压手动调节至多个不同电压电平的某一电压电平的装置。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包含目视指示所述输入线已经连接至所述第一输入线还是所述第二输入线的装置。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述耦合装置包括具有多个抽头的变压器、和与不同抽头相连的所述第一和第二输出线。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述比较装置在所述直流输出电压跌到低于所述第二电压电平时，把所述设定阈值电压复位到所述第一电压电平。
8.一种适于向负载提供两种不同的交流电压的电源，其特征在于，包括一条与外部交流电压源相连的输入线；一条第一输出线；一条第二输出线；将所述第一输出线或所述第二输出线有选择地连接至所述输入线的切换装置；产生其电压基于交流电压源的直流输出的装置；在所述直流输出电压超过设定阈值电压时，驱动所述切换装置以将所述输入线连至所述第一输出线的装置；一条负载线；以及将所述第一和第二输出线耦合到所述负载线的装置，交流电压源当加载到所述第一输出线时，将在负载线上产生一个比当交流电压源加载到第二输出线时更低的电压。
9.如权利要求8所述的电源，其特征在于，所述切换装置有一种去激状态，其中所述输入线与所述第一输出线相连，并有一种受激状态，其中所述输入线与所述第二输出线相连，所述切换装置在所述直流电压超过所述设定阈值电压时受激。
10.如权利要求8所述的电源，其特征在于，所述驱动装置包括用于确定所述直流输出电压是否高于设定阈值电压的装置，所述确定装置具有低和高状态，当所述直流输出电压低于所述设定阈值电压时出现所述低状态，当所述直流输出电压高于所述设定阈值电压时出现所述高状态；以及包括与所述确定装置相连接用来控制所述切换装置的装置。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括将所述设定阈值电压手动调节至与标准电源插座有关的多个不同电压电平中的一个电压电平。
12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括用以目视指示所述输入线是切换至所述第一输出线还是所述第二输出线的指示装置。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述耦合装置包括具有多个抽头的变压器、与不同的抽头相连的所述第一和第二输出线。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述确定装置包括当装置在一预定时间内第一次被激励时用以在所述状态之间延迟切换的装置。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述确定装置起初把所述设定阈值电压设置在第一电压电平上，随后当所述直流输出电压超过所述第一电压电平时，把所述设定阈值电压设置在低于第一电压电平的第二电压电平上。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述确定装置在所述直流输出电压跌到低于所述第二电压电平时，将所述设定阈值电压复位到所述第一电压电平。
17.一种示范系统，包括一带基座、平台区、使光射向所述平台区的光源、用于所述光源的电源和安装在所述基座上的投影头，所述基座包含将来自所述平台区的光聚集起来并投射出去的装置，其特征在于，所述电源包括一条与外部交流电压源相连的输入线；一条第一输出线；一条第二输出线；将所述第一输出线或所述第二输出线与所述输入线有选择地相连的切换装置；产生其电压基于交流电压源的直流输出的装置；将所述直流输出电压与设定阈值电压进行比较的装置；以及与所述比较装置相连以控制所述切换装置的装置；一条与所述光源相连的负载线；以及将所述第一和第二输出线耦合到所述负载的装置，交流电压源当加载到所述第一输出线时，将在所述负载线上产生比交流电压源加载到所述第二输出线上时更低的电压，所述切换装置有一种去激状态，其中所述输入线与所述第一输出线相连，并有一种受激状态，其中所述输入线与所述第二输出线相连，所述切换装置在所述直流输出电压超过所述设定阈值电压时受激。
18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，还包括将所述设定阈值电压手动调节至与标准电源插座有关的多个不同电压电平中的某一个电压电平。
19.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述耦合装置包括一个具有多个抽头的变压器、与不同抽头相连的第一和第二输出线。
20.如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述比较装置将所述设定阈值电压起初设置在第一电压电平上，随后当所述直流输出电压超过所述第一电压电平时，把所述设定阈值电压设置为低于所述第一电压电平的第二电压电平，而且当所述直流输出电压跌到低于所述第二电压电平时，所述比较装置将所述设定阈值电压复位到所述第一电压电平。
全文摘要
一种能使光源处于过激励状态并在此状态下保护其免受电涌影响的电源，包括输入线、两根输出线和继电器。继电器由电压检测电路间接控制，该电路检测结果决定了输出线与输入线之间的连接方式。即当电路未检测到输入线上存在浪涌时，继电器将输入线与第二输出线相连，此时灯处于过激励态；反之，继电器则将输入线切换至第一输出线。电压检测电路还有一自动调整阈值的滞后元件以避免电压在阈值附近微小起伏引起其输出频繁切换。
文档编号H02H11/00GK1118530SQ9510646
公开日1996年3月13日 申请日期1995年6月16日 优先权日1994年7月11日
发明者米歇尔C·斯沃顿 申请人:美国3M公司