專利名稱：交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型揭示一種交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其可調(diào)制可控式直流負(fù)載諸如 可控式直流加熱器、可控式直流馬達(dá)或可控式直流燈具等的溫度、速度或亮度等。
背景技術(shù)：
圖1顯示一正弦電壓截波器(sinusoidal voltage chopper)的電路圖，其中輸入
電壓端Vi與輸入電壓參考端Vri連接至一正弦電壓源v'^);輸出電壓端V。與輸出 電壓參考端Vr。連接至一交流負(fù)載； 一可變電阻(variable resistor) R,與一電容Q 組成一觸發(fā)延遲電路(firing delay circuit); —電阻R2與一電容C2組成一低通濾 波器(lowpass filter) ; D,為一交流二極管(Diode for Alternating Current, DIAC) 且Qc為一交流三極管(Triode for Alternating Current, TRIAC)。
圖2A與圖2B顯示D,的等效電路與特性曲線。一個交流二極管等效于兩個肖 克利二極管(Shockley diode)反向并聯(lián)(in anti-parallel)。由特性曲線可知當(dāng)
D,的跨壓高于其崩潰電壓l (breakdown voltage) ， 導(dǎo)通；當(dāng)流經(jīng)D,的電流小
于其維持電流l" (holding current) ， D j截止。
圖3A與圖3B分別顯示Qc的等效電路與特性曲線。一個交流三極管等效于兩 個硅控整流器(silicon-controlledrectifier, SCR)反向并聯(lián)。由特性曲線可知當(dāng)
Qc的柵極電流I" ( gate current )愈大，其崩潰電壓^愈低 (lU^c'MUkl^l—^IHM);當(dāng)Qc的跨壓高于其崩潰電壓KI， Qc導(dǎo)通；
當(dāng)流經(jīng)Qc的電流小于其維持電流l^1， Qe截止。
圖4顯示一正弦電壓截波器的輸出電壓v。(,)波形。于觸發(fā)延遲期間G ^ s ^ ，
C,跨壓低于D,的崩潰電壓^; D,與Qe皆截止；V。W=Q。于導(dǎo)通期間^ —f —^，
C,的跨壓等于或高于D,的崩潰電壓、D,與Qc皆導(dǎo)通；v。(,)=v'(《負(fù)半周的波 形對稱于(symmetricto)正半周的波形。
輸出電壓v力)的均方根 (root-mean-squared )電壓L'可被表示為—2;r
其中r為周期(period);下為角頻率(angular frequency) ; 0S"《;r為 觸發(fā)延遲角(firing delay angle)且^為峰值電壓(peak voltage)。當(dāng)R,減小，" 減??；^ 增大。當(dāng)R,增大，"增大；^，減小。
一般而言，此傳統(tǒng)正弦電壓截波器可被應(yīng)用于交流負(fù)載以控制溫度、速度、 亮度等。當(dāng)用以控制亮度，其亦稱為交流調(diào)光器(AC light dimmer)。在早期建筑 物中，交流調(diào)光器被廣泛應(yīng)用于交流燈泡諸如熒光燈(fluorescentlamp)、白熱燈
(incandescent lamp)等的調(diào)光。然而，上述交流燈泡具有較低的發(fā)光效率(lighting efficiency)。為達(dá)節(jié)能減碳的目的，具有較高發(fā)光效率的直流燈具諸如鹵素?zé)?br> (halogen lamp)、發(fā)光二極管(light emitting diode)等相繼問世。因直流燈具須 以直流電壓/電流為能源，故交流調(diào)光器無法直接被應(yīng)用于直流燈具以控制亮度。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種可適用于控制直流負(fù)載的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)(AC/DC modulation conversion system)。
本實用新型提供一種交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于包含 一控制信號 發(fā)射器，接收一交流調(diào)制信號并發(fā)射一控制信號； 一控制信號接收器，接收該控制 信號；以及一控制信號/調(diào)制信號轉(zhuǎn)換器，連接該控制信號接收器、 一獨(dú)立電壓源、 一電壓參考端與一電壓輸出端，用以調(diào)制該控制信號為該電壓輸出端的一脈寬調(diào)制 信號。
本實用新型的有益技術(shù)效果是此交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可獨(dú)立控制或與一 正弦電壓截波器配合以有效控制直流負(fù)載諸如可控式直流加熱器、可控式直流馬達(dá) 或可控式直流燈具等以控制其溫度、速度或亮度等。


圖1顯示一先前技術(shù)的正弦電壓截波器的電路圖。
圖2A與圖2B分別顯示圖1所示的D,的等效電路圖與特性曲線圖。
圖3A與圖3B分別顯示圖1所示的Qc的等效電路與特性曲線。
圖4顯示一先前技術(shù)的正弦電壓截波器的的輸出電壓波形。
圖5顯示依據(jù)本實用新型交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的架構(gòu)。
圖6顯示依據(jù)本實用新型圖5所示的Ut與UK的第一實施例的電路圖。圖7顯示依據(jù)本實用新型圖5所示的Ut與UR的第二實施例的電路圖。 圖8顯示依據(jù)本實用新型圖5所示的Uc的一實施例的電路圖。 圖9顯示圖8所示的T2的方塊圖(blockdiagram)。 圖10顯示依據(jù)本實用新型UT的輸入電壓波形與Uc的輸出電壓波形。
具體實施方式
圖5顯示依據(jù)本實用新型交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的架構(gòu)，其包含控制信號發(fā) 射器(control signal transmitter) UT、控制信號接收器(control signal receiver) UR 與控制信號/調(diào)制信號轉(zhuǎn)換器(control signal/modulation signal converter) Uc。
UT的輸入電壓端Vi與輸入電壓參考端Vri可連接至交流電源或正弦電壓截波
器的輸出端。UT感測其輸入電壓的振幅并發(fā)射控制信號。
Uk街接Uc。 Uk接收來自UT的一控制信號以驅(qū)動Uc并將該控制信號轉(zhuǎn)換成 脈寬調(diào)制信號(pulse width modulation signal)或直流電平調(diào)制信號(DC level modulation signal) 。 Uc的輸出電壓端V。與輸出電壓參考端Vr。分別連接至一直流 負(fù)載的正端與負(fù)端。
圖6顯示依據(jù)本實用新型UT與UK的第一實施例的電路圖。UT包含觸發(fā)延遲
角調(diào)整元件(firing delay angle adjustment element) RT1、光二極管(optodiode) DT1 與DT2，其中DT1與Dn先反向并聯(lián)再與RTi串聯(lián)。UR包含光敏晶體管(叩totransistor) TR1，其連接至Uc的輸入端。DT1、 Dn與TR,組成一雙向光耦合器(bidirectional optocoupler) 。 RT,可以是電阻(resistor)或是可控式電流源(controllable current source)，本實施例中Rn為電阻。
于正半周期(positive half cycles) ， D"n受輸入電壓順偏(forward-biased)而 導(dǎo)通但DT2受輸入電壓逆偏(reverse-biased)而截止；輸入電流可流經(jīng)DT1但無法 流經(jīng)Dn; DT!受輸入電流激勵(excited)而發(fā)光，但DT2未受輸入電流激勵而不 發(fā)光。于負(fù)半周期(negative half cycles) ， DT2受輸入電壓順偏而導(dǎo)通，但DT1受
輸入電壓逆偏而截止；輸入電流可流經(jīng)DT2.但無法流經(jīng)DT,; DT2受輸入電流激勵
而發(fā)光但DT1未受輸入電流激勵而不發(fā)光。
光二極管DT1與DT2的順向電流(forward current) ^可被表示為 <formula>formula see original document page 6</formula>其中v,W為ut的輸入電壓且^為Dt!與DT2的順向電壓降(forward voltage dr叩)。光敏晶體管TR!的集電極電流(collector current) !'c(^可被表示為
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中"為TR1對DT1與DT2的電流轉(zhuǎn)移比(current transfer ratio ， CTR)。 因^(0相依于(dependent on) v'^，故TR1可被視為一相依電流源(dependent current source)。
圖7顯示依據(jù)本實用新型UT與UR的第二實施例的電路圖。UT包含觸發(fā)延遲 角調(diào)整元件R^、橋式二極管整流器(bridge diode rectifier) Bt,與光二扱管Dtp 其中BT1的交流輸入端與RT1串聯(lián)；BT1的直流輸出端與DT1并聯(lián)。Ur包含光敏晶 體管T^，其連接至Uc的輸入端。Dt,與Tw組成一單向光耦合器(unidirectional optocoupler)。同圖6所示的實施例，RT1可以是電阻或是可控式電流源，本實施 例中R^為電阻。
于正半周期，Bt,的左上(upperleft)與右下(lowerright) 二極管受輸入電壓 順偏而導(dǎo)通；Bn的右上(upperright)與左下(lower left) 二極管受輸入電壓逆偏 而截止。于負(fù)半周期，BT1的右上與左下二極管受輸入電壓順偏而導(dǎo)通；BT1的左 上與右下二極管受輸入電壓逆偏而截止。無論正半周期或負(fù)半周期，Dt,恒受瑜入 電壓順偏而導(dǎo)通；輸入電流恒可流經(jīng)DT,; DT,恒受輸入電流激勵而發(fā)光。
光二極管DTi的順向電流^(,)可被表示為
/F(,)"|v,(,〗-(^"+2&)," ",I" 、f^^;醇Ff+27,
一
其中^為BT1的單個二極管的順向電壓降。光敏晶體管TR1的集電極電流z'cM 可被表示為
、 ；卜々《+2^ i
其中"為T^對DTM的電流轉(zhuǎn)移比。因^(,)相依于^)，故T^可被視為一相 依電流源。
須強(qiáng)調(diào)UT的輸入電壓端Vi與輸入電壓參考端、i可連接至交流電源(觸發(fā)延
遲角《 = 0)或正弦電壓截波器的輸出端(觸發(fā)延遲角0<"^")。當(dāng)"=0， Rti
須為可變電阻、可控式電流源或其組合以達(dá)直流調(diào)制的目的；當(dāng)0<0^"，正弦電壓截波器中的可變電阻R!(圖1所示)已具有調(diào)整觸發(fā)延遲角的功能，Rt!可改用固 定電阻。由上說明可知，Rn可為固定電阻、可變電阻、可控式電流源或其組合以 達(dá)直流調(diào)制的目的。
U丁與UR間的通信(communication)可為但不受限于(can be but not limited to) 光耦合、磁耦合或電耦合等。為便于說明，本文假設(shè)(x"^"且依據(jù)本實用新型的 所有實施例以光耦合實現(xiàn)。UT中的光二極管與UR中的光敏晶體管分別充當(dāng)光發(fā)射 器(optotransmitter)與光接i]夂器(optoreceiver)。
圖8顯示依據(jù)本實用新型Uc的一實施例的電路圖。Uc包含電阻Rc2、 Rc3、 RC4、 RC5、 RC6、濾波電容C。(非必需的，optional) 、 NPN雙極晶體管Qc,、 QC2 與可編程穩(wěn)壓器(programmable voltage regulator) TC2 (非必需的)。
須強(qiáng)調(diào)C。與Tc2皆為非必需的(以上標(biāo)*標(biāo)明)。當(dāng)C。不存在但Ta存在， Uc可將控制信號轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制信號。當(dāng)C。存在但Tc2不存在，Uc可將控制信號 轉(zhuǎn)換成直流電平調(diào)制信號。為便于說明，本文假設(shè)C。不存在但Tc2存在。
Qci與Qc2皆具有一基極(base) B、 一發(fā)射極(emitter) E、 一集電極(collector) C、 一基極-發(fā)射極飽和電壓(base-emitter saturation voltage) 7朋"—與一集電極-發(fā) 射極飽和電壓(collector-emitter saturation voltage) ^"加)且充當(dāng)一電壓反相器 (vo ltage inverter)。
圖9顯示Tc2的方塊圖(block diagram )。Tc2充當(dāng)一穩(wěn)壓器(voltage regulator), 其具有一參考端(reference) R、 一正極(anode) A、 一負(fù)極(cathode) K與一參 考電壓(reference voltage) 「re/ 。
QC1的基極通過Rc2連接至TR1的發(fā)射極。 一旦TR1的集電極與發(fā)射極短路， Rc2可防止QC1的基極-發(fā)射極電壓(base-emitter voltage)到達(dá)太高值而破壞Qa 的基極-發(fā)射極接面(base-emitterjunction)。
Rc3與Rc4先串接(connected in cascade)于輸出電壓端V。與輸出電壓參考端 Vr。再連接至QC1的基極且充當(dāng)QC1的基極-發(fā)射極接面的一分壓器(voltage divider)。
Rcs連接至一獨(dú)立電壓源(independent voltage source) QC1的集電極與QC2 的基極。當(dāng)Qd導(dǎo)通但Qc2截止，Rcs充當(dāng)Qc,的集電極電阻。當(dāng)Qc,截止但Qc2
導(dǎo)通，Rc5充當(dāng)Q。的基極電阻。RC6連接至V,、 Qc2的集電極以及Tc2的參考端與負(fù)極。當(dāng)QC2導(dǎo)通，RC6充當(dāng)
Qc2的集電極電阻；v。(^-^M。當(dāng)Qc2截止，&6充當(dāng)Ta的上拉電阻(pull-up resistor) ; v。(。-「re/ 。
一般而言，Qcn的基極-發(fā)射極電壓^s(,)可被表示為
v』=V。(^C4i ,C(機(jī)3"C4 &3 + ^C4&3 + &4
其中v。(0為Uc的輸出電壓且^^)為T^的集電極電流。由上式可知^eW受 控于/c(/)。亦即，v朋(0受控于v'W。
圖10顯示依據(jù)本實用新型UT的輸入電壓波形與Uc的輸出電壓波形，其中
UT的輸入波形v'々)為一正弦電壓截波器的輸出電壓波形。于觸發(fā)延遲期間
"￡:， kW<^ (UT的第一實施例)或lv'々b^+^/ (Ut的第二突施例)；
''cOO; VmW<^M; Qd截止且Qc2導(dǎo)通；v。W=「C￡—)。于導(dǎo)通期間"-l:，
kW W《Ut的第一實施例)或lV'W ^ ^ + (UT的第二實施例)；C
(UT的第一實施例)或e (UT的第二實施例)；V"^=
Qd導(dǎo)通且Qc2截止；V。(。=PV。負(fù)半周的波形對稱于正半周的波形。當(dāng)Rt,減小，
"減小；^w增大；脈寬增大。當(dāng)Rt,増大，"增大；「""'減??；脈寬減小。因此，
此交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可將交流調(diào)制信號轉(zhuǎn)換成直流調(diào)制信號以調(diào)制可控式直 流負(fù)載電路諸如可控式直流加熱器的溫度、可控式直流馬達(dá)的速度或可控式直流燈 具的亮度等。
須強(qiáng)調(diào)本實用新型所揭示的直流/交流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其包含控制信號發(fā)射器、
控制信號接收器與控制信號/調(diào)制信號轉(zhuǎn)換器，可用離散零件(discrete components)、 集成電路(integrated circuits)或系統(tǒng)芯片(system on chip, SOC)等實現(xiàn)。
以上所述的實施例僅是為了說明本實用新型的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在使 熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，當(dāng)無法以其限定本實 用新型的專利范圍，即凡是根據(jù)本實用新型所揭示的精神所作的均等變化或修飾， 仍應(yīng)涵蓋在本實用新型的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于包含一控制信號發(fā)射器，接收一交流調(diào)制信號并發(fā)射一控制信號；一控制信號接收器，接收該控制信號；以及一控制信號/調(diào)制信號轉(zhuǎn)換器，連接該控制信號接收器、一獨(dú)立電壓源、一電壓參考端與一電壓輸出端，用以調(diào)制該控制信號為該電壓輸出端的一脈寬調(diào)制信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于該控制信號發(fā) 射器與該控制信號接收器間的通信為磁耦合、電耦合或光耦合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于該控制信號發(fā) 射器與該控制信號接收器形成一雙向光耦合器，該控制信號發(fā)射器包含一觸發(fā)延遲 角調(diào)整組件、 一第一光二極管與一第二光二極管，該第一光二極管與該第二光二極 管跨接于該旋光性隔離式控制信號發(fā)射器的二輸入端間且極性相反，該觸發(fā)延遲角 調(diào)整組件串接于二輸入端其中之一，該控制信號接收器為一光敏晶體管，該觸發(fā)延 遲角調(diào)整組件為一固定電阻、 一可變電阻、 一可控式電流源或其組合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于該控制信號發(fā) 射器與該控制信號接收器形成一單向光耦合器，該控制信號發(fā)射器包含一觸發(fā)延遲 角調(diào)整組件、 一橋式二極管整流器與一光二極管，該光二極管的陽極與陰極分別與 該橋式整流器的正極與負(fù)極連接，該觸發(fā)延遲角調(diào)整組件串接于該橋式二極管整流 器的交流輸入端或交流輸出端，該控制信號接收器為一光敏晶體管，該觸發(fā)延遲角 調(diào)整組件為一固定電阻、 一可變電阻、 一可控式電流源或其組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于該控制信號/調(diào) 制信號轉(zhuǎn)換器包含一第一NPN雙極晶體管，其集電極與該獨(dú)立電壓源間連接一第一電阻，其發(fā) 射極連接該電壓參考端，其基極與其發(fā)射極間連接一第二電阻，其基極與該電壓輸 出端間連接一第三電阻與該控制信號接收器；以及一第二NPN雙極晶體管，其集電極與該獨(dú)立電壓源間連接一第四電阻，其發(fā) 射極連接該電壓參考端，其基極連接該第一NPN雙極晶體管的集電極，其集電極 連接該電壓輸出端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于還包含一濾波 電容跨接于該電壓輸出端間與該電壓參考端間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于還包含一可編 程穩(wěn)壓器，該可編程穩(wěn)壓器的參考端連接該可編程穩(wěn)壓器的負(fù)極，該可編程穩(wěn)壓器 的負(fù)極與正極分別連接該電壓輸出端與該電壓參考端。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于還包含一正弦 電壓截波器連接該控制信號發(fā)射器，用以產(chǎn)生該交流調(diào)制信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于其實施于一集 成電路或一芯片上。
專利摘要本實用新型是一種交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及其應(yīng)用，該交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包含控制信號發(fā)射器、控制信號接收器與控制信號/調(diào)制信號轉(zhuǎn)換器?？刂菩盘柊l(fā)射器發(fā)射控制信號，控制信號接收器接收控制信號，控制信號/調(diào)制信號轉(zhuǎn)換器將控制信號轉(zhuǎn)換成脈寬調(diào)制信號或直流電平調(diào)制信號。因此，此交流/直流調(diào)制轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可被應(yīng)用于可控式直流負(fù)載電路諸如可控式直流加熱器、可控式直流馬達(dá)或可控式直流燈具等以分別控制其溫度、速度或亮度等。
文檔編號H02M1/08GK201378794SQ20082018173
公開日2010年1月6日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者余金生, 呂宜昌, 李馨怡 申請人:洋鑫科技股份有限公司