專利名稱：電氣裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電氣裝置，尤其涉及一種轉換直流電源電壓的裝置。
背景技術：
近年來，出現(xiàn)和開發(fā)了機動車、汽艇和其它大件設備使用的寬范圍的電子附件。這些電子附件中包括照明燈、加熱裝置等，最近還出現(xiàn)了更為復雜的遠程通信設備。許多附件都不用承載它們自己的電源，而是趨向于從大件設備的電池電源中取得能量，因此，它們被設計成與汽車內(nèi)標準的12伏電池相兼容。但事實上，許多電子附件最佳的輸入電壓為13.8伏。
不幸的是，其它工業(yè)、軍用、商業(yè)、航空、海運以及其它應用領域中所用的直流電源形式存在很大的不同。例如，大型汽車隨著使用直流電源的裝置數(shù)量的增加，需要在更長的電纜上輸送電力。
因此，如果，把直流電的電壓從標稱的12伏倍增到24伏，盡管總的有效功率沒有變化，電流要求就減半。
例如，大型商場或重型汽車一般使用以標稱24伏電壓為中心的較高的直流電壓形式。
因此，這就需要有能接收這些高直流電壓形式的輸出，并以可接收的形式把電流提供給12伏形式的電子附件的轉換器，也就是說，轉換器能夠例如從在23.3伏至27.6伏變化的電源提供13.8伏恒定的電源。
應當理解，這種轉換器可能必須提供幾瓦、幾十瓦，甚至幾百瓦的電源，因此，遇到的問題是在微電子電源轉換系統(tǒng)中沒有相應的轉換器。例如，US-A-4827205揭示了一種片上10伏電壓源，它通過10k電阻輸送電流，把電源輸出限制在毫瓦的數(shù)量級上。在這里，效率是不重要的，熱產(chǎn)生也不會引起明顯的問題。
早期常錯叫成“降壓器”的直流電源轉換器以線性轉換器為基礎，也就是說，是一種主要利用晶體管對電壓源進行降壓和穩(wěn)壓的裝置。然而，已了解到這種裝置完成任務的功率轉換效率低到不能接受。而且，沒有找到能使線性轉換器提供具有足夠穩(wěn)定性的輸出電壓的設計方案，尤其在要求輸出電流增加到較大程度的時候。
汽車、船舶、航空工業(yè)或其它設備中用作附件的許多裝置都需要有適當平滑和穩(wěn)定的直流電壓。
因此，直流電源轉換器最近的發(fā)展集中到直流電源的轉換方法上，其中，直流電源向常常放置在載重汽車的儀表板下的振蕩電路提供電力，以在降壓變壓器的兩端產(chǎn)生振蕩電壓。然后對變壓器的輸出進行整流平滑和穩(wěn)壓，以提供所要求的電源，通常標稱為12伏。令人驚訝的是，這種方法的改進使裝置的效率達到75％，并且，這種系統(tǒng)被非常廣泛地應用。
然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，基于振蕩的電源轉換器至少存在兩個嚴重的缺點。
許多基于開關模式(振蕩)的轉換器的第一個缺點是當轉換器被誤用時，例如把其輸出端直接進行電連接，它們的電路都非常可能受發(fā)熱的損壞。實際上，在轉換器工作的使用壽命期內(nèi)，用不正確的保險絲替換安全保險絲(即轉換器提供的保險絲)，或更糟的是完全旁路保險絲。這會導致嚴重火災的危險。
第二，由于它們的屬性，會產(chǎn)生強大的電磁輻射，這常被稱為無線電頻率干擾，這種輻射方式常常影響電力、電子設備，更經(jīng)常影響轉換器局部區(qū)域的通信設備。
這種現(xiàn)象廣泛出現(xiàn)，雖然在設計時許多裝置都聲明具有適當?shù)臑V波功能，但這問題仍繼續(xù)存在。
在輻射影響完全遙控的并且既沒有固定也沒有連接到安裝在上述汽車或設備上的轉換器的裝置和/或通信設備的用戶時，這一問題可能更嚴重。
在許多場合中，轉換裝置的用戶并不了解它可能干擾外界。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尋求克服電磁輻射和/或過載情況下出現(xiàn)的問題，無論相對于相關的保險額定值具有外部保護，本發(fā)明尤其適用于私人、商用和軍用汽車，私人、軍用和商用船只或小船、航空業(yè)、普通工業(yè)以及其它設備中。
一般地說，本發(fā)明提出的轉換器具有控制直流電壓轉換的第一部分和與第一部分分開的第二部分，其中產(chǎn)生的熱量是安全的。
因此，在第一方面，本發(fā)明提供一種直流電源轉換器，它具有與直流穩(wěn)壓電路串聯(lián)的輸入電阻裝置，直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓低于輸入到轉換器的輸入電壓，電阻裝置能設置在遠離所述穩(wěn)壓電路的地方。
在第二方面，本發(fā)明提供一種直流電源轉換器，包含與直流穩(wěn)壓電路串接的輸入電阻裝置，直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓低于輸入到轉換器的輸入電壓，電阻裝置和穩(wěn)壓電路設置在各自不同的殼體內(nèi)。
在第三方面，本發(fā)明提供一種直流電源轉換器，包含與直流穩(wěn)壓電路串接的輸入電阻裝置，直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓低于輸入到轉換器的輸入電壓，電阻裝置和穩(wěn)壓電路適宜于安裝在一部機器的各自不同的位置上。
根據(jù)本發(fā)明任一方面的轉換器較佳地是能至少輸送一瓦的電力，更佳的是能輸送達幾十或幾百瓦的電力。
輸入電阻裝置的電阻器的值通常不大于10歐姆，較佳的為0.1至5歐姆，最佳的為0.5至1.5歐姆。
使用時打算把轉換器連接到大件設備，例如載重汽車的電池電源上，把電阻裝置安裝在設備的主體上，例如載重汽車的底盤上，以使熱量可以向遠離穩(wěn)壓電路的主體上散發(fā)。
雖然穩(wěn)壓電路可以使用振蕩電路，但較佳的是使用線性轉換器，以在輸出電源上基本上不產(chǎn)生電噪聲。在這種情況下，可以克服上述線性轉換器的兩個缺點，至少能減輕這些缺點，這是因為可以把穩(wěn)壓電路選擇成在使用時電壓轉換器產(chǎn)生的熱量的主要部分，例如至少60％，較佳地為至少70％的熱量在遠離穩(wěn)壓電路的電阻裝置內(nèi)產(chǎn)生。這種布置顯著地減少了電路高效進行電源轉換的必要性，這是由于在穩(wěn)壓電路本身的位置上產(chǎn)生的熱量小，因此，能把穩(wěn)壓電路選成使輸出穩(wěn)定性和穩(wěn)壓性最佳，而無論是否取用輸出電流。在這種應用中，由于在指定的應用中電源電流容量和電池容量非常大，所以總體電力轉換效率并不是最重要的。
還較佳地把穩(wěn)壓電路選擇成限制從轉換器中可以取出的電流，例如把輸出電流限制在低于上限，或者在轉換器檢測到從轉換器取出的電流不均勻時，簡單地停止提供輸出電壓，這種技術稱為折疊(fold back)。較佳地是不用諸如保險絲或斷路器等可能受損壞的斷續(xù)器來實現(xiàn)。
較佳地，電阻裝置適宜于安裝在大件機器的主體上，它們之間有良好的導熱性，因而電阻裝置內(nèi)產(chǎn)生的熱量將快速導離。較佳地，穩(wěn)壓電路安裝在形成有大表面面積的散熱器上，以通過例如對流來提高其把穩(wěn)壓電路產(chǎn)生的熱量傳輸給外界空氣的能力。
穩(wěn)壓電路的散熱器較佳的是具有大表面積且縱向對稱。它可以安裝成與其縱向軸垂直，所以當它變熱時，氣流沿著它垂直流動，因而改善了散熱器向大氣傳輸穩(wěn)壓電路產(chǎn)生的熱量的能力。
穩(wěn)壓電路較佳地為選擇成當電路溫度上升到高于預定值時停止傳送電力。這種“熱切斷”是一種有用的安全特性，即使與上述的折疊特征結合，這是由于觸發(fā)折疊的狀態(tài)不一定與故障同時發(fā)生。而且，可能過熱而沒有電過載，例如，如果穩(wěn)壓電路位于對散熱片良好工作來說顯得太熱的位置上。附圖概述在下面參照附圖的對較佳典型實施例的詳細描述中將解釋本發(fā)明的目的和優(yōu)點，其中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的直流轉換器第一實施例的電路圖；圖2示出了直流轉換器第二實施例的電路圖；
圖3示出了直流轉換器第三實施例的電路圖；圖4示出了直流轉換器第四實施例的電路圖；圖5示出了直流轉換器第五實施例的電路圖；圖6圖示了直流轉換器的第三和第五實施例的散熱器溫度與輸出電流之間的關系；圖7是適合本發(fā)明使用的散熱器的端視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明結合到圖7所示散熱器中的穩(wěn)壓電路的剖視圖；圖9示出了圖7散熱器的透視圖；圖10示出了用于根據(jù)本發(fā)明轉換器的電阻單元的透視圖；以及圖11圖示了根據(jù)本發(fā)明的直流轉換器的安裝圖。
本發(fā)明的實施方式首先參見圖1，本發(fā)明直流轉換器的第一實施例具有輸入端1、2，用于分別連接到一件設備的外部電池的端子上，例如載重汽車的24V電池上。穩(wěn)壓電路設置在穩(wěn)壓單元3內(nèi)，后者具有接收電源的輸入端8、10和連接到電子附件的電源輸入端上的輸出端5、6。轉換器降低電池的直流電壓，使其輸入端1、2之間的電壓差大于例如輸出端5、6之間的電壓差的兩倍。與電池端子1、2之間的穩(wěn)壓單元3串接的是電阻單元4，它包含電阻器R1和保險絲FS1。
電阻單元4通過電纜9連接到穩(wěn)壓單元3上，電纜9的長度至少為幾厘米，較佳地應達幾米，以使電阻單元4能遠離穩(wěn)壓單元。電阻單元4適宜于安裝在諸如載重汽車的底盤等設備的厚重部分上，以使其產(chǎn)生的熱傳輸?shù)降妆P上。穩(wěn)壓單元3設置在載重汽車另外的地方，或是底盤的其它位置上，或是例如載重汽車儀表板下方，并使它與適宜于把穩(wěn)壓單元3產(chǎn)生的熱量傳輸給周圍空氣的散熱器達到良好的熱接觸。
在穩(wěn)壓單元3中，電流在阻值都與電阻器R1同一量級(但并不是必須相等)且相等的電阻器R2、R3、R4、R5和R6之間均分。利用5個穩(wěn)壓IC1至IC5，把輸出端5和6之間的電壓保持在12伏上，每個穩(wěn)壓IC的規(guī)格為3安培，它們的工作受電阻器R7和R8以及電容器C1、C2和C3控制。在這種使用標準元件的方法中，可以把輸出電流維持在高達15安培，這顯著地高于傳統(tǒng)轉換器的電流輸出。
較佳地把穩(wěn)壓IC1和IC5選成當穩(wěn)壓器達到預定溫度時穩(wěn)壓單元3停止提供電源。例如，穩(wěn)壓器可以是集成電路KA350，它具有這種特性。
在提供正確的24伏至12伏轉換的元件值的一種選擇方案中，R1值取0.5歐姆，而電阻器R2至R6的電阻值各為0.015歐姆；C1為1000μF/35V的電解電容器；C2為100μF/16V的電解電容器。IC1至IC5可以是8V/3A的穩(wěn)壓器，在這種情況下，R7和R8的值分別為220歐姆和150歐姆。另一種方案是，IC1至IC5可以是5V/3A穩(wěn)壓器，在這種情況下，R7和R8的值分別為500歐姆和860歐姆。在另一實施例中，穩(wěn)壓器IC1至IC5為12伏穩(wěn)壓器，把R7和R8分別選擇成480和72歐姆可以使電路輸出電壓為13.8伏。C3為2200μF/16V的電解電容器。
在該實施例中，F(xiàn)S1和FS2為分別具有25安培和15安培容量的片狀保險絲(blade fuse)。FS3、FS4和FS5也是三個片狀保險絲，它們的總值不超過15安培；通常每個保險絲的容量為5安培。
圖2示出了本發(fā)明第二實施例，是第一實施例的改進。由于第二實施例制造更便宜更簡單，所以它優(yōu)于第一實施例。它被設計成輸出5安培，并在電過載或過熱時自動停止供電。當除去故障情況或者溫度降低到允許程度時，轉換器將自動地重新開始正常工作。
在該實施例中，輸入側的電阻單元4由包括連接器插頭和插座組件9”的多根電纜線9’與穩(wěn)壓單元3分開。
在該電路中，元件的值為IC6，IC7＝LM350型集成電路C4＝47μF/35V電解電容器C5，C6＝100μF/16V電解電容器D1＝IN4001二極管R1’＝1.5歐姆線繞電阻器R9＝120歐姆線繞電阻器R1O＝1.2K歐姆線繞電阻器圖3所示的第三實施例使用與第一實施例相當?shù)碾娮杵鲉卧?，但使用不同的穩(wěn)壓電路，在該穩(wěn)壓電路中，電流主要流過電阻器R2。電路元件的規(guī)格如下TR1＝MJ15004PNP晶體管(TO3)TR2＝BD744PNP晶體管(TO220)IC8＝L7808CP型集成電路穩(wěn)壓器C4＝2200μF/16V電解電容器R1＝0.5歐姆/100瓦線繞電阻器R11＝0.05歐姆/25瓦線繞電阻器R12＝220歐姆/1瓦金屬膜電阻器R13＝3.3歐姆/2.5瓦線繞電阻器R14＝150歐姆/1瓦金屬膜電阻器C7＝1000μF/35V電解電容器C8＝1μF/35V電解電容器
C9＝1000μF/35V電解電容器C10＝2000μF/16V電解電容器如熟練人員所理解的，上面選擇IC8意味著當其溫度達到預定值時，電路就停止輸送電壓。因此，在該溫度上進行熱切斷。
圖4圖示了本發(fā)明第四實施例，它是第三實施例的改進。由于它制造更便宜更容易，所以第四實施例優(yōu)于第三實施例。它被設計成輸出可達15安培。
如第二實施例一樣，穩(wěn)壓單元3通過電阻單元4連接到輸入端，通過引線9’和插頭和插座組件9”連接到輸出端。
所示元件值如下D2＝N4001型二極管IC9＝LM350型集成電路TR3＝MJE15004型晶體管TR4＝BD744C型晶體管ZD1＝IN5355B型齊納二極管C11＝47μF/35V電解電容器C12，C13＝100μF/16V電解電容器C14＝0.47μF/63V電解電容器R1＝0.5歐姆線繞電阻器R15＝120歐姆線繞電阻器R16＝1.2K歐姆線繞電阻器R17a-d＝各為27歐姆R18＝0.05歐姆線繞電阻器在圖5所示的實施例中，電流也主要通過電阻器R19流到輸出端5、6。利用型號為L123CT的穩(wěn)壓集成電路IC9進行穩(wěn)壓。該轉換器的特點是當電路受到嚴重的電流波動時(這可以是例如如果把電路的輸出端連接在一起引起的)，IC9使輸出電壓降低，一直到它復位，這種電流限制技術稱為“折疊”。
電路中的元件值如下TR4＝2N3771NPN晶體管(TO3)TR2＝BD743C PNP晶體管(TO220)IC10＝L123CT型集成電路穩(wěn)壓器C15＝1000μF/35V電解電容器C16＝10μF/16V電解電容器C17＝2200μF/16V電解電容器C18＝4.7μF/35V電解電容器
C19＝470pF/100V陶瓷電容器R1＝0.5歐姆/100瓦線繞電阻器R19＝0.05歐姆/25瓦線繞電阻器R20＝6.8千歐/0.25瓦金屬膜電阻器R21＝3.6千歐/0.25瓦金屬膜電阻器R22＝7.5千歐/0.25瓦金屬膜電阻器其它元件的值與電壓轉換器的第三實施例中的相應元件相同。
圖6示出了散熱器溫度與從圖3或圖5的電壓轉換器的輸出端取出的電流之間的關系。兩條曲線分別表示電壓轉換器的輸入為23.3伏(它是從載重汽車的電池中一般能取得的最低電壓)和27.6伏(它可以在電池正在充電時得到)的情況。理想的情況是，轉換器工作在兩曲線之間的電流范圍內(nèi)。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明上述的第一、第三和第五實施例實現(xiàn)了下列性能輸出電壓-13.8伏直流輸出電流-0至15安培輸入電壓-23.3伏至27.6伏直流最大輸入電壓過壓-35伏直流，短期故障情況，汽車電源電流過載保護-在15安培時，2型電流限制(1型也是)-在15安培時，3型電流折疊工作溫度范圍-優(yōu)于-40℃至+40℃*在+40℃時，散熱器溫度為86℃/15安培。
第二和第四實施例分別提供5和15安培，或者最大瓦特數(shù)分別達到60或180瓦特。
圖7是適合于用作穩(wěn)壓單元散熱器的散熱器14的端視圖。散熱器14通過適當鋁擠壓成形的。它是縱向對稱的，安裝成與其縱向軸垂直，以通過傳導最大地散熱。
圖8圖示了穩(wěn)壓電路可以如何安裝到圖7所示的的散熱器14里以提供散熱單元。通過印刷電路板19連接的穩(wěn)壓電路的元件17設置成與散熱器14的中央表面15接觸，所以在元件17與表面15之間獲得了良好的導熱性。然后，把電路裝入到導熱封裝復合物21內(nèi)，該復合物為電路板19提供機械支持。穩(wěn)壓電路不是沿散熱器14的整個長度延伸，而是留下表面15的端部不覆蓋。因此，當沿散熱器14的整個長度加上封裝復合物時，穩(wěn)壓電路整個被封裝復合物環(huán)繞，除了元件17與散熱器14接觸的部分。因此，穩(wěn)壓電路被完全保護而免受有形的干擾，也避免了與散熱器接觸的濕氣接觸。封裝復合物還與導線密封接觸，導線通過它伸向穩(wěn)壓電路，因此保證了濕氣不滲漏到穩(wěn)壓電路。較佳地，把散熱單元制成完全防水，或者至少防水濺。
封裝復合物21的上表面用板22覆蓋。因此散熱器14和板22構成穩(wěn)壓電路的殼體25。
第二塊板23在散熱器的另一側封閉腔體。兩塊板22和23用具有頂蓋25、26的銷24固定在一起。在板23與散熱器14的中央?yún)^(qū)域15之間形成的腔體用封裝復合物27填充。
本實施例中所用的封裝復合物21、27較好地是導熱的，例如，它可以是諸如Electrolube提供的ER2/83混合物。
圖9是圖8所示的單元的透視圖。支架30通過螺釘31、33固定到散熱單元上，并適合用孔35、37連接到機器的主體上，例如連接到載重汽車的儀表面板下或底盤上。對散熱單元的電輸入是通過引線38和插頭39進行的。
圖10圖示了電阻單元45的透視圖，它含有根據(jù)本發(fā)明轉換器實施例的電阻器(R1，R1’)。電阻器用其插腳41、43可以電連接到轉換器的架座上。電阻單元45的電阻器由包括板47和49的殼體的筒形部分46環(huán)繞，并與之電絕緣。殼體是鋁擠壓件。板47和49設置有孔51，用于把殼體固定到例如載重汽車的底盤上，以在電阻器與底盤之間獲得極佳的導熱性。筒形部分46為外部呈肋狀，以幫助慣常的散熱，但一般在50瓦與100瓦之間使用的是把熱傳導到底盤上。
圖11示出了把根據(jù)本發(fā)明的轉換器安裝到載重汽車的駕駛室50的情況。把散熱單元51以與其縱向軸垂直的形式放置到蓋艙(bonnet bulkhead)內(nèi)。鎮(zhèn)流電阻器53放置在底盤內(nèi)。轉換器還包含駕駛艙內(nèi)的保險絲盒55、也在駕駛艙內(nèi)的多個連接件57以及安裝在儀表板上的LED59全套元件。
對于該技術領域的熟練人員來說，在本發(fā)明的范圍內(nèi)對上述實施例作許多改動是明顯的。例如雖然較好的穩(wěn)壓電路不一定是線性轉換形式，但使用基于振蕩操作的穩(wěn)壓電路的另一實施例也是可以接受的。轉換器還可以用于不同于載重汽車的其它汽車，例如船舶，或者甚至可以用于不便運輸?shù)暮兄绷麟娫吹臋C器。
權利要求
1.一種直流電源轉換器，它具有與直流穩(wěn)壓電路串接的輸入電阻裝置，穩(wěn)壓電路的輸出電壓低于轉換器的輸入電壓，電阻裝置(4)設置在遠離穩(wěn)壓電路(3)的位置上。
2.如權利要求1所述的轉換器，其特征在于，電阻裝置和穩(wěn)壓電路位于單獨的各自的殼體(4，3；45，14)內(nèi)。
3.一種直流電源轉換器，包含與直流穩(wěn)壓電路串接的輸入電阻裝置，穩(wěn)壓電路的輸出電壓低于轉換器的輸入電壓，電阻裝置(4)和穩(wěn)壓電路(3)適宜于安裝在設備上不同各自的位置上。
4.如上述權利要求之一所述的轉換器，其特征在于，穩(wěn)壓電路使用線性轉換器。
5.如上述權利要求之一所述的轉換器，其特征在于，把穩(wěn)壓電路選擇成使用時轉換器產(chǎn)生的熱量的主要部分由電阻裝置產(chǎn)生。
6.如上述權利要求之一所述的轉換器，其特征在于，把穩(wěn)壓電路選擇成使用時限制從轉換器取得的電流。
7.如上述權利要求之一所述的轉換器，其特征在于，電阻裝置至少適宜于安裝在設備的主體上，它們之間有良好的導熱性。
8.如上述權利要求之一所述的轉換器，其特征在于，電阻裝置和穩(wěn)壓電路中的一個或兩個都設置有把其內(nèi)產(chǎn)生的熱傳輸給外界空氣的裝置。
9.如上述權利要求之一所述的轉換器，其特征在于，穩(wěn)壓電路不含有振蕩電路，它基本上不產(chǎn)生無線電頻率電磁輻射。
10.如上述權利要求之一所述的轉換器，其特征在于，把穩(wěn)壓電路選擇成當穩(wěn)壓電路至少一部分的溫度高于預定值時，停止提供輸出電壓。
11.如上述權利要求之一所述的轉換器，其特征在于，輸入電阻裝置的阻值范圍在約0.1至約10歐姆內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種對直流電源輸入進行降壓的轉換器，提供電壓較低的直流電源。轉換器包括穩(wěn)壓單元(3)，與其輸入電阻器(4)串聯(lián)。使用時，電阻器(4)與穩(wěn)壓單元(3)分開，安裝在機器的主體上，所以其內(nèi)產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)皆摍C器上，不會影響穩(wěn)壓單元(3)的工作。穩(wěn)壓單元(3)使用線性轉換電路，產(chǎn)生穩(wěn)定的直流輸出，但，與傳統(tǒng)的直流—直流轉換器不同，它基本上不產(chǎn)生雜散電磁場。
文檔編號G05F1/565GK1168180SQ96191429
公開日1997年12月17日 申請日期1996年1月9日 優(yōu)先權日1995年1月13日
發(fā)明者基思·菲利普·帕克 申請人:自動電子工程國際有限公司