專利名稱：低功率螺線管驅(qū)動電路的制作方法
低功率螺線管驅(qū)動電路
本申請是申請?zhí)枮?00510066785. 3、申請日為2005年4月30 日、標(biāo)題為"低功率螺線管驅(qū)動電路"的中國專利申請的分案申請。
背景技術(shù)：
螺線管廣泛地用于將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械運(yùn)動，并且，由于其效用， 被用于廣泛的應(yīng)用，從時間要求高的閥到汽車的動力鎖到簡單的門 鈴。
簡要地，螺線管包括電線，通常循環(huán)地纏繞形成線圏。在線圏中 放置磁傳導(dǎo)的桿。當(dāng)電流通過線團(tuán)時，形成磁場，其導(dǎo)致桿相對于線 圏運(yùn)動。在許多實(shí)施例中，使用偏置部件，諸如彈簧，來在電流停止 流動通過線團(tuán)時，使該桿返回到其不活動狀態(tài)。
螺線管的一個簡單的例子是傳統(tǒng)的門鈴。當(dāng)使用者驅(qū)動門鈴時， 該動作將繞成線團(tuán)的線連接到電源，從而在繞成線團(tuán)的線內(nèi)形成磁 場。此場導(dǎo)致磁傳導(dǎo)的活塞運(yùn)動并且通常打擊金屬調(diào)音板，其形成通 常聽到的第一聲"叮"聲。在門鈴已經(jīng)被釋放后，諸如彈簧的偏置部 件使活塞返回到其不活動位置。在一些門鈴中，活塞打擊第二金屬調(diào) 音板，形成第二聲"冬"聲。這些相同的原理適用于更復(fù)雜的應(yīng)用， 諸如閥。在該實(shí)施例中，活塞的運(yùn)動通常使得在通常狀態(tài)下被活塞阻 塞的開口露出，從而打開閥。
由于應(yīng)用的多樣性，驅(qū)動這些螺線管有多種不同的方法。在一些 情況中，成本是最重要的因素，而在另一些中，功率消耗或速度可以 是最重要的因素。
市場上可以買到螺線管驅(qū)動電路的許多不同的實(shí)施例。事實(shí)上， 一些廠商制造集成電路，其可以以單獨(dú)的芯片執(zhí)行此功能。為了節(jié)約 功率， 一些實(shí)施例調(diào)節(jié)驅(qū)動通過繞成線圏的線的電流的量。用于做這 個的一個常見的技術(shù)為，使用被稱為"斬波"的技術(shù)來改變供給到螺 線管的電壓，以確保電流保持恒定。電壓通常以鋸齒狀的模式改變， 以將電流限制到預(yù)定的值。
在其它實(shí)施例中，使用雙能量等級驅(qū)動系統(tǒng)。螺線管的眾所周知
3的特性為，觸發(fā)螺線管并且導(dǎo)致桿的運(yùn)動所需要的能量大于將桿保持 在此活動狀態(tài)所需要的能量。因此， 一些電路使用兩個不同等級的電
流或電壓來驅(qū)動螺線管；需要第一，或較高的等級來"設(shè)置"螺線管 和需要第二，或較低的等級來"保持"螺線管。
然而，在當(dāng)前的實(shí)施例中，這些功率節(jié)約機(jī)制導(dǎo)致螺線管的定時 不確定或不穩(wěn)定。例如， 一些應(yīng)用要求在螺線管被觸發(fā)的時間和能量 供給到線圖的時間之間的關(guān)系精確。通過使用在特定的使能信號有效 時供給電壓的簡單的電路，可以獲得此可預(yù)知性，但是這種方法功率 效率不高。
通過"斬波"電壓來控制電流的電路降低總的功率消耗，但是， 由于供給到螺線管的斬波的電壓的變化，對于到螺線管的功率使能和 該螺線管觸發(fā)之間的時間是不可預(yù)知。
類似地，實(shí)現(xiàn)兩個不同的電壓或電流等級的電路同樣經(jīng)受定時變 化。通常，這些電路使用使能信號來指示應(yīng)該供給"設(shè)置"電壓。使 用傳統(tǒng)的定時延遲機(jī)制，等級隨后轉(zhuǎn)換到較低的"保持"電壓。然而， 因?yàn)樵陔娐氛谑鼓軙r較高的等級正在供給，可能發(fā)生紊亂情況，其 中，電路使能和較高的電壓的應(yīng)用的順序是不確定的。在一些情況中， 較高的電壓將在電路使能時存在，導(dǎo)致快的開啟時間。在另一些情況 中，較高的電壓將不會在電路使能時存在，而是將在從那以后一段時 間之后存在，導(dǎo)致較慢的開啟時間。
在一些應(yīng)用中，在螺線管在關(guān)位置中時，電容器充電。當(dāng)需要觸 發(fā)螺線管時，電容器的電荷增加到可利用的源電壓，通過形成高峰值 電流，以確保螺線管快速切換。對于此方法，只有當(dāng)觸發(fā)之間的間歇 相對于電容器充電速率較長時，螺線管的定時才可以預(yù)知。
在許多應(yīng)用中，由這些功率節(jié)約機(jī)制導(dǎo)致的定時的微小差異不會 影響使用螺線管的系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。然而，存在應(yīng)用，諸如在集成電路生 產(chǎn)中控制對時間要求高的閥，其中在電路使能和螺線管觸發(fā)之間有可 以預(yù)知的時間間隔是必要的。在這些應(yīng)用中，由于不能接受功率節(jié)約 技術(shù)導(dǎo)致的定時不穩(wěn)定，電路通常不使用任何功率節(jié)約技術(shù)。
因此，本發(fā)明的一個目的為提供用于控制螺線管的系統(tǒng)和方法， 其使得電路使能和螺線管觸發(fā)之間的不穩(wěn)定最小，同時實(shí)現(xiàn)雙能量等 級驅(qū)動設(shè)計(jì)，以降低功率消耗。

發(fā)明內(nèi)容
通過本發(fā)明，克服了現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了用于控制螺線管的 系統(tǒng)和方法，其確保精確的定時，同時提供雙能量等級驅(qū)動設(shè)計(jì)，以 降低功率消耗。本發(fā)明使用單個的使能信號并且向螺線管供給兩個不 同的能量等級，較高的"設(shè)置"等級和較低的"保持"等級。這兩個 等級基于使能信號產(chǎn)生，并且保證當(dāng)觸發(fā)螺線管時存在較高的"設(shè)置" 等級，從而使定時不穩(wěn)定最小化。
根據(jù)一個方面，提供一種響應(yīng)于輸入信號驅(qū)動螺線管的系統(tǒng)，包
括
功率開關(guān)，具有第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)，使得所述第一觸點(diǎn)和第二 觸點(diǎn)之間的電流傳遞由所述輸入信號的狀態(tài)確定，所述第二觸點(diǎn)與所
述螺線管相連，使得所述輸入信號的有效允許電流流過所述螺線管；
和
電路，用于選擇施加到所述第一觸點(diǎn)的電壓，所述電路允許在所 述輸入信號的所述有效之前選擇第一電壓以設(shè)置所述螺線管，并且在 所述有效后的一個延遲之后，允許選擇比所述第一電壓低的第二電 壓，其中所述選擇的電壓與所述第一觸點(diǎn)相連。
根據(jù)另一個方面，提供一種響應(yīng)于輸入信號驅(qū)動螺線管的系統(tǒng)，
包括
功率開關(guān)，具有第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)，使得所述第一觸點(diǎn)和第二 觸點(diǎn)之間的電流傳遞由所述輸入信號的狀態(tài)確定，所述第二觸點(diǎn)與所 述螺線管相連，使得所述輸入信號的有效允許電流流過所述螺線管；
和
電路，用于選擇施加到所述第一觸點(diǎn)的電流，所述電路允許在所 述輸入信號的所述有效之前選擇第一電流以設(shè)置所述螺線管，并且在 所述有效后的一個延遲之后，允許選擇比所述第一電流低的第二電 流，其中所述選擇的電流路徑與所述第一觸點(diǎn)相連。


圖1為示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例的示意圖； 圖2為示出了本發(fā)明的電氣運(yùn)轉(zhuǎn)的時序圖；及圖3為示出了本發(fā)明的制藥流體分配系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例的示意圖?？梢栽诓黄x本發(fā)明的 精神的情況下改變此電路。該電路的優(yōu)選的實(shí)施例具有功率輸入11、 信號輸入12和輸出信號13。
功率輸入，11，為電路10中的幾個部件和螺線管20供給電壓。 可以使用任何適合的電源(沒有示出)來為電路10供給需要的功率 輸入。供給的電壓的量也不是特別限定的，并且可以包括24、 12和 5伏特，并且優(yōu)選為12伏特。
該電路具有單個的用于使能螺線管20的輸入信號12。在此實(shí)施 例中，電路10使得，當(dāng)使能信號12為邏輯高時，電壓可以通過輸出 信號13傳遞到螺線管20。替換的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解， 該電路可以設(shè)計(jì)為使得當(dāng)使能信號12為邏輯低時螺線管20被驅(qū)動。
電路10具有單個的輸出信號13,其與螺線管20相連。在此輸 出信號13存在電壓允許螺線管20關(guān)閉，而在輸出信號13沒有電壓 導(dǎo)致螺線管20打開。
在此實(shí)施例中，功率輸入11供給電壓到電壓調(diào)整器Ul。此調(diào)整 器U1產(chǎn)生第二較低的電壓101，螺線管20使用該電壓以保持在關(guān)閉 位置。電容器Cl與電壓調(diào)整器的輸出相連，以幫助改進(jìn)輸出電壓的 穩(wěn)定性。雖然優(yōu)選的電壓調(diào)整器U1為5V開關(guān)調(diào)整器，其具有高效率 以最小化功率損失和發(fā)熱，其它實(shí)施例也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如， 雖然發(fā)熱性可能高得多，第二較低的電壓101可以使用線性調(diào)整器產(chǎn) 生。替換地，電路IO可以具有在設(shè)計(jì)中在別處形成的第二功率輸入， 其供給較低的電壓，不需要在該電路內(nèi)產(chǎn)生該電壓。
在電壓調(diào)整器Ul的輸出和功率開關(guān)Q2的輸入之間串聯(lián)了 二極管 D2， 二極管D2的陽極與電壓調(diào)整器Ul相連，二極管D2的陰極與功 率開關(guān)Q2相連。二極管D2的陰極還與功率開關(guān)Ql的輸出相連，標(biāo) 示為104。功率開關(guān)Q1和Q2代表優(yōu)選的實(shí)施例，盡管其它實(shí)現(xiàn)也是 可能的。例如，可以使用分立的場效應(yīng)晶體管和其相關(guān)的保護(hù)電路來 執(zhí)行同樣的功能。在此實(shí)施例中，二極管D2為肖特基二極管，以最 小化正向電壓降，但是可以使用任何二極管來實(shí)現(xiàn)此電路。
6具有施密特觸發(fā)器型輸入的反相器是這樣一種反相器，其中，保 證輸出開關(guān)在一個方向時的輸入電壓可測量出比輸出開關(guān)在另一個 方向時的電壓高。換句話說，使用12V供給的典型的施密特觸發(fā)器型 反相器可以導(dǎo)致，當(dāng)輸入升高到大約7.0伏特以上時，輸出切換到低 狀態(tài)。然而，直到輸入下降到大約4.7伏特以下時，輸出才會返回到 高狀態(tài)。這些值之間的差異保證當(dāng)輸入電壓緩慢增加或減少時，設(shè)備 的輸出不會振蕩。電容器C2的另一個引線連接到地。電阻器R1的另一個引線與二 極管Dl的陽極相連。反相器U2的輸出，標(biāo)示為103，與電阻器R3的一個引線相連。 電阻器R3的相對的引線與功率開關(guān)Ql的使能輸入相連。最后，二極管Dl的陰極與輸入信號12和與電阻器R4的一個引 線相連。電阻器R4的另一個引線與功率開關(guān)Q2的使能輸入相連。功 率開關(guān)Q2的輸出與螺線管20相連?，F(xiàn)在將對于以上描述的布局描述該電路的電氣運(yùn)轉(zhuǎn)。假定信號輸入12位于其低狀態(tài)，在該狀態(tài)其電壓為0伏特或接 近0伏特。此低電壓促使功率開關(guān)Q2不活動，有效地將其輸入從其 輸出斷開。在此情況下，沒有電壓通過電路IO供給到輸出信號13, 輸出信號13不活動。另外，輸入信號12的低狀態(tài)導(dǎo)致電流流過二極 管D1和電阻器R1，從而耗盡來自電容器C2的電荷。在穩(wěn)定狀態(tài)， 反相器U2的輸入處的電壓可以表示成V=0. 7V+ ( 12V-0. 7V) *R1/ ( Rl+R2 )，其中，0. 7V為通過二極 管Dl的正向電壓降。在反相器的輸入處的此電壓102充分低，以保證反相器U2的輸 出處于高狀態(tài)，其導(dǎo)致功率開關(guān)Q2使能，從而將在其輸入處的電壓， 12V，傳遞到其輸出。由于此電壓比電壓調(diào)整器U1的輸出高得多，二 極管D2不傳導(dǎo)。因此，在關(guān)狀態(tài)時，雖然功率開關(guān)Q2不活動，12V 供給到其輸入。圖2中在時間200示出了在此點(diǎn)電路中變化的電壓的狀態(tài)。當(dāng)輸入信號12從0伏特切換到12伏特時，功率開關(guān)Q2使能， 從而將在其輸入處的電壓傳遞到其輸出。如之前描述的，當(dāng)功率開關(guān)首先使能時，其輸入為12伏特。這在圖2中在時間201示出。輸入信號12的高電壓導(dǎo)致二極管Dl停止傳導(dǎo)電流，從而切斷電 容器C2的放電通路。由于二極管D1不再傳導(dǎo)，由于電容器C2通過 電阻器R2從輸入電壓接收電流，電容器C2開始充電。當(dāng)電容器充電 時，反相器U2的輸入處的電壓增加，增加的速率通過R2和C2的值 確定。充電速率計(jì)算得充分長，以確保較高的電壓供給到螺線管的時 間足夠長，以使其完全進(jìn)入"設(shè)置"位置，包括可能的機(jī)械反彈和其 它現(xiàn)象。等于或大于此值的充電速率是優(yōu)選的。當(dāng)電壓到達(dá)充分高的 等級時，反相器U2的輸出變低，從而使功率開關(guān)Ql不活動。由于功 率開關(guān)Q1不活動，其不再將12伏特信號供給到其輸出。由于此電壓 不再存在，二極管D2傳導(dǎo)，允許電壓調(diào)整器Ul的輸出放置在功率開 關(guān)Q2的輸入。由于功率開關(guān)Q2使能，此低電壓直接流到螺線管20。 這在圖2中在時間202示出。該電路保持在此狀態(tài)直到輸入信號12再次轉(zhuǎn)變。當(dāng)輸入信號12 轉(zhuǎn)變回到低狀態(tài)時，功率開關(guān)Q2將立即切斷，因?yàn)槠洳换顒?，如?圖2中在時間203示出的。二極管Dl將開始傳導(dǎo)電流，從而放電電 容器C2。放電速率通過R1和C2的值確定，并且將通常選擇為允許 電容器快速放電，同時觀測驅(qū)動輸入ll的設(shè)備的最大負(fù)栽電流額定 值。當(dāng)電容器充分放電時，反相器U2的輸入充分低，以導(dǎo)致反相器 U2的輸出轉(zhuǎn)變到其高狀態(tài)，從而使能功率開關(guān)Q1。這使得輸入電壓 11可以傳遞到功率開關(guān)Q2的輸入，為輸入信號12的下一次轉(zhuǎn)變作 準(zhǔn)備。這在圖2中在時間204示出。雖然此實(shí)施例使用兩個不同的電壓等級來設(shè)置和保持螺線管，本 發(fā)明不限于僅此實(shí)施例。例如，用兩個不同的電流源來替換兩個電壓 等級在本技術(shù)的技巧之內(nèi)，并且可以獲得同樣的效果。在這里描述的本發(fā)明用于制藥流體分配系統(tǒng)，其中無菌的液體以 高精確度測量和分配。在圖3中示出了典型的系統(tǒng)。此系統(tǒng)使用一對 節(jié)流閥來測量在一次性的部件中的液體體積。這些節(jié)流閥由螺線管驅(qū) 動。該應(yīng)用對節(jié)流閥的定時要求高，因?yàn)槠浯_定液體體積。即使是微8小的波動也能夠影響分配的體積。因?yàn)槁菥€管定時對供給的電壓敏 感，必須供給恒定的標(biāo)稱電壓來激勵該閥螺線管。然而，由于溫度也 影響螺線管定時，必須最小化在活動狀態(tài)的閥的自熱。因此，雙電壓 運(yùn)轉(zhuǎn)變得必要。由于通過螺線管激勵的閥的精確性是最重要的標(biāo)準(zhǔn)，在需要時， 供給穩(wěn)定的電壓是必要的。不能容忍斜面上升延遲。在本發(fā)明的實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，已經(jīng)證明閥的發(fā)熱可以保持在充分低的 等級，而不會由于電壓轉(zhuǎn)換在閥定時上產(chǎn)生任何負(fù)面影響。參考圖3，以110示出了通常的制藥流體分配系統(tǒng)。系統(tǒng)110包 括流體腔室112，其從流體源118通過供給管路116填充。水平控制 器122監(jiān)控腔室112中的流體的水平，并且，如果該水平降低到預(yù)定 的閾值以下，控制器(沒有示出)通過驅(qū)動供給螺線管121來打開供 給閥120。腔室112包括出口 124和入口 138?？刂破?沒有示出)驅(qū)動螺 線管131，其又打開出口螺線管130。排出管126與注入管136和排 出閥128連通。注入管136在入口 138、腔室112和出口 124之間形 成閉環(huán)，從而消除了對通風(fēng)的需要。排出閥128控制制藥流體的精確 釋放，并且通過排出螺線管129控制，其通過控制器(沒有示出)驅(qū) 動。由于需要的精確度的等級，排出螺線管129和供給螺線管131通 過本發(fā)明驅(qū)動，如參考圖l所描述的。在優(yōu)選的實(shí)現(xiàn)中，供給閥130 和排出閥128以電驅(qū)動閥的形式與它們各自的螺線管131和129形成 整體。在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明用于獨(dú)立地驅(qū)動多達(dá)八個閥，只需要一個 電源和一個調(diào)整器。本發(fā)明的一個特征為，當(dāng)必須操作多于一個螺線 管時，電壓切換的定時與每個電路無關(guān)。通過增加相應(yīng)的電路，可以 驅(qū)動任意數(shù)量的螺線管。相關(guān)的專利為Denis Keyes等人的美國專利5680960和5480063， 描述了體積流體分配設(shè)備，其披露內(nèi)容在這里作為參考加入。
權(quán)利要求
1.一種響應(yīng)于輸入信號驅(qū)動螺線管的系統(tǒng)，包括功率開關(guān)，具有第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)，使得所述第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)之間的電流傳遞由所述輸入信號的狀態(tài)確定，所述第二觸點(diǎn)與所述螺線管相連，使得所述輸入信號的有效允許電流流過所述螺線管；和電路，用于選擇施加到所述第一觸點(diǎn)的電壓，所述電路允許在所述輸入信號的所述有效之前選擇第一電壓以設(shè)置所述螺線管，并且在所述有效后的一個延遲之后，允許選擇比所述第一電壓低的第二電壓，其中所述選擇的電壓與所述第一觸點(diǎn)相連。
2. —種響應(yīng)于輸入信號驅(qū)動螺線管的系統(tǒng)，包括 功率開關(guān)，具有第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)，使得所述第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)之間的電流傳遞由所述輸入信號的狀態(tài)確定，所述第二觸點(diǎn)與所 述螺線管相連，使得所述輸入信號的有效允許電流流過所述螺線管； 和電路，用于選擇施加到所述第一觸點(diǎn)的電流，所述電路允許在所 述輸入信號的所述有效之前選擇第一電流以設(shè)置所述螺線管，并且在 所述有效后的 一個延遲之后，允許選擇比所述第 一 電流低的第二電 流，其中所述選擇的電流路徑與所述第一觸點(diǎn)相連。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于控制螺線管的系統(tǒng)和方法，其確保在驅(qū)動電路使能和螺線管觸發(fā)之間的精確定時，同時提供雙能量等級驅(qū)動設(shè)計(jì)，以降低功率消耗。本發(fā)明使用單個的使能信號并且向螺線管供給兩個不同的能量等級，較高的“設(shè)置”等級和較低的“保持”等級。這兩個等級基于使能信號產(chǎn)生，并且保證當(dāng)觸發(fā)螺線管時存在較高的“設(shè)置”等級，從而使不希望有的定時不穩(wěn)定最小化。具體而言，提供一種響應(yīng)于輸入信號驅(qū)動螺線管的系統(tǒng)，包括功率開關(guān)，具有第一觸點(diǎn)和第二觸點(diǎn)；和電路，用于選擇施加到所述第一觸點(diǎn)的電壓。
文檔編號H02P25/02GK101677238SQ20091016467
公開日2010年3月24日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月4日
發(fā)明者M·約恩斯 申請人:米利波爾有限公司