CN1308834A - 灯座 - Google Patents

Abstract

一种灯座具有一个内置的集成电路,用来为从电源插座上接收的交流电流整流并且限制产生的直流电流。这种灯座特别适用于低电流,低电压用途,例如是用来为一串装饰灯供电。集成电路具有一个改动了阴极的二极管,在对交流电流整流的同时还可以作为熔丝。阴极是由多个平行的导电体构成的。过电流会象烧断普通熔丝一样烧断至少是一部分这些导体。各种实施例还增加了其他限流元件,用来产生全波或近似全波整流的元件,以及用于在检测到外来电流时断开电路的元件。

Description

灯座

本发明是1997年3月24日提交的08/847,345号申请的后续申请。本发明涉及到用于装饰树的装饰性电灯串所需的小功率电源。本发明具体涉及到对来自AC电源的电流进行整流和限流的集成电路。

单个的小功率电灯串被广泛地用于装饰圣诞树。尽管此类装饰物受到许多人的欢迎，但是人们往往面临火灾的危险，每当圣诞节时都有悲剧发生。大多数这种120VAC的电灯串都要有至少120mA的工作电流。出于安全方面的考虑，这些电灯串都是用粗大直径的导线制成的，例如宁可用22也不用24。然而，即使是单独的一串电灯也可能引起火灾，按照习惯从一个墙头插座为串联的多个电灯串供电构成了这种电灯串固有的危险性。

除了圣诞树电灯串之外，对电源具有小功率需求的装置还有许多其它用途，特别是那些采用直流电流(DC)而不是交流电流(AC)的装置，这其中包括许多使用集成电路的装置，例如有计算器或是使用发光二极管的装置。AC或是高电压冲击会损坏此类的装置。

人们对圣诞树装饰物的安全问题已经作出了一些尝试。这其中包括在装饰物中安装烟火检测器。从授予White的美国专利US4075614和授予Bridges的美国专利US5396221中可以找到这方面的例子。Cheng在US4227228以及Lehmann等人在US3968398中提出了在电灯串的插头中安装熔丝的例子。然而，所有这些方式都不能解决此类电灯串的所有问题。

Smith等人的US4675575描述了一种采用发光二极管(LED)的电灯串，可以用脉冲DC电源来驱动，继而由家用AC电压为DC电源供电。采用可控硅整流器从AC输入产生脉冲DC电源。

对采用更加普通的白炽灯泡的圣诞树电灯使用DC电源的技术也是已知的。参见Wu在US5345147中提出的分段选择式圣诞树电灯控制器电路和Kramer在US3789211中提出的装饰灯系统。然而，DC电源在这两个例子都仅仅是用来实现特殊的发光效果而不是为灯泡本身供电。

附图1A，1B和1C简要地表示了电压和时间的关系曲线，在图中用纵坐标代表电压，用横坐标代表时间。

图1A表示一种交流电流(AC)，意味着电流的流向是翻转的。家用电源的变化范围大约是+60伏，每秒钟大约翻转60次。直流(DC)的幅值是可变的，但方向不变。图1B和1C都表示DC；图1B表示半波DC，而图1C表示全波DC。它们都是脉冲式的DC。

众所周知，可以用称作变换器或整流器的装置从AC产生半波和全波的DC。有些从AC到DC的整流装置是采用二极管的，这是一种能够正向传导但不能反向传导电流的固体电路元件。按照图1B所示的半波整流，可以用一个二极管除去负电压，而仅仅留下正电压。全波整流需要使用两个或四个二极管。

上述的有些专利在与电源有关的各种功能中采用了二极管，例如Smith等人的专利中所述。然而，小功率的装置和圣诞树电灯串的特殊性仍然需要有一种更好的供电方式。

按照本发明的最佳实施例和简要的说明，本发明是装在包含集成电路的一种电灯串上的一种灯座，用来为小电流，低电压负载例如是可以用来装饰圣诞树的电灯串和串联电灯串中的其余电灯提供DC输出。

在灯座内部采用了新颖和非显而易见的元件及其组合，在某些实施例中可以提供附带的保护，防止电流冲击和电流泄漏，并且减少能量消耗。另外，产生的光比AC供电的典型的白炽灯泡要亮。

本发明的一个主要优点在于它可以限制用包含灯座的电灯串串联而成的电灯串的数量，在灯座中包括集成电路。因为每年中许多火灾都是由于墙头插座过负荷造成的，限制串联电灯串的数量可以增加安全性。

本发明的另一个主要优点是它的工作电流很小，通常只有普通电灯串的电流的五分之一。这一优点可以降低温度，从而改善安全性，并且功率消耗很低-大约只有十分之一，在大量使用这种类型的电灯串时可以明显地节省费用。尽管需要的电流很小，灯的质量却改进了，可以发出更亮的光。

本发明的再一个主要优点是电路简单，因而制造成本低，实际上比使用粗大直径导线的普通电灯串的成本低得多。

本发明的另一个主要优点是出于安全原因包括了一些电路元件，例如下文将要详细描述的一种可以象熔丝一样使用的特殊二极管。这种电路还包括特殊的电流检测装置，能够在内部出现过电流状态和/或过载状态时切断电路将电灯断开，以及用来防止AC接入电灯的二极管。

另外，装在灯座中的这种电路不仅可以保护一串中的所有电灯，还可以保护任何串联的电灯串，即使是这些电灯串不包含这种电路。

小功率电源技术领域的熟练技术人员通过仔细阅读以下参照附图对最佳实施例的描述就可以理解本发明的其它特征及其优点。

在附图中，图1A，1B和1C分别用曲线表示了交流电流，半波脉冲直流电流和全波脉冲直流电流与时间的关系；

图2是按照本发明第一实施例的一个电路图；

图3是按照本发明第二实施例的一个电路图；

图4A和4B分别是按照本发明第三和第四实施例的电路图，它们分别是第一和第二实施例的变形；

图5是按照本发明第五实施例的一个电路图，它是图4A的第三实施例的一种变形；

图6的电路图表示可用于图2-5的第一到第五实施例中任意一款的一种电路；

图7是在按照本发明的一个实施例中具有包含电路的第一灯座的一个电灯串的外部正面透视图；

图8是在按照本发明的一个实施例中具有包含电路的第一灯座的一个电灯串的示意图。

本发明包括了几个方面，首先，本发明是一种在灯座中使用的电路，适合将从电源接收的交流电流变换成直流电流，同时可以监视电流大小，在过负荷时能够切断电源。这种装置还可以有其它用途，特别是在使用集成电路的应用中可以采用这种装在灯座中的电路，这对于本领域的技术人员是显而易见的。

本发明也是一种“电灯串”，它包括分别装在串联连接的一个灯座中的许多白炽灯泡，由灯座为灯泡中的灯丝提供电压，通过电阻发热使其发光，每个电灯可以由导线连接，用电路彼此串联和/或并联，并且具有包含在电灯串的第一灯座中的电路，这一灯座用电路连接到电源线和每一个灯泡。这种电灯串的末端可以采用一个插座式灯座，可以在电灯串上串联另外的电灯串。

在图2中表示了多种最佳实施例当中的一种。用数字10和12代表输入；用数字20和22代表集成电路18的输出。

集成电路18的输出是从120伏AC输入获得的半波的54伏整流DC，将其提供给一个负载，例如是电灯串28的一串灯座。

集成电路18内部有一个二极管24。二极管24的作用是一个半波整流器和熔丝，本发明人在此处将其称为固体整流器熔丝(SSRF)二极管或是“Gibboney”二极管。为了限制电流，这种二极管的N节与普通的二极管不同。如果超过了二极管24的设计电流，例如在一个周期中流过正电流的部分超过了100毫安，二极管24就会象熔丝一样断开。对二极管24的改动包括在其阴极上形成许多细小的导电条，合起来足以承受额定电流。这些条的宽度大约在一到十微米的量级。制成的二极管24可以达到一或几个安培的标称值，如果烧掉或是破坏其中的一些条，就可以就它的额定值降低到标称值以下，以适合特殊的用途。就此意义而言，它是可编程二极管。适合圣诞树电灯串的额定电流是150毫安。

图3表示本发明的另一个实施例。和图2所示的实施例一样有输入10和12，输出30和32，以及集成电路40。还有SSRF二极管24和电阻34，36和38。电路40的输出是全波整流的；然而，为了限制电流，第二半波的幅值比第一半波有所下降。电路40使用一周期中的负半波将低电压脉冲填补在正半波之间，维持灯丝不会冷却。为了获得这种结果，一周期中的正半波电压通过SSRF二极管24到达输出30。在一周期的负半波期间，电流流过电阻36和34，但是，在这两次电压降当中的第一个之后，一部分电流被接到输出32。输入周期的负半波中的输出电压电平是由电阻34与36的比例决定的，并且这些电阻的值确定了负载可以得到的电流量。如果连接到50而不是60周波频率的家用电源上，本实施例的电路可以避免图2的实施例或是其它任何半波实施例都必然会产生的闪烁现象。

图4A和4B表示的集成电路18和40有如下修改。然而，为了便于理解，图中与图2和3相同的元件采用了相同的编号。在图4A中，电路50处在输入10和12与输出20和22之间并与之成一直线。二极管24和26在电路50中的功能与其在电路18中的功能一样。然而，除了二极管24还有一个惯用的热敏电阻52或是其它限流器件，用来随着温度或电压改变电阻，其电阻通常是随着温度上升而增大。在超过热敏电阻52的额定电流之前，它的电阻一直很低。然而，一旦超过这一电流，热敏电阻52的温度就会明显上升，其电阻也明显增大到几兆欧姆，基本上相当于开路。在电流被遮断时，热敏电阻52很快冷却。

图4B表示的集成电路60与图3中包括输入10和12，输出30和32，二极管24，电阻34，36和38的电路40并联。电路60包括的热敏电阻52与电路50中的热敏电阻作用相同。

图5表示本发明的又一个实施例。在输入10和12与输出20和22之间有一个集成电路70，它包含与图2和4的实施例中相同的SSRF二极管24。另外，集成电路70还有一个与图4A和4B的实施例中相同的热敏电阻52。这些元件的功能与上述实施例中相同。集成电路70还具有由四个标准的二极管74构成的一个附加的全波二极管电桥72，用于通过SSRF二极管24馈入全波DC。

集成电路70还有一个可编程电压矩阵76，它是一个串联的标准电路元件，可以由使用者来确定输出电压，最好是由制造厂家来确定。矩阵76是一个分压器或者斩波器电路，可以根据应用所需的电流而定，这是本领域的技术人员所公知的。圣诞树电灯串最好是采用斩波器电路，其频率应该低于10千赫兹。

上述所有的集成电路18，40，50，60和70都可以和过电流负载断续器80组合使用，它可以通过电源提供的电流和负载所需的电流检测出回路中的泄漏电流。断续器80的输入82和84直接连接到每个集成电路的输出20和22。利用各自为一兆欧姆左右的精确匹配的小电阻86和88对流入断续器80每个输入端82和84的电流产生的电压降采样，并且提供给运算放大器90和92。运算放大器90和92的输出是一个加法放大器94的输入。只要是两个输入端的电流相同，运算放大器90和92输出到加法放大器94的电压就相同，其输出为零。

如果或多或少存在几个毫安的差别，加法放大器94的输出就会达到饱和，使控制逻辑元件96产生一个“on”输出，断开一个固体继电器或是开关器件例如是CMOS 98，从而切断电路的电源。控制逻辑元件96以至少一兆赫兹的频率对加法放大器94的输出采样，如果检测到过电流持续了六个时钟周期或小于一毫秒就切断电路。为了复位，包括断续器80的灯座首先断开电源，然后重新接通。断续器80可以使用DC或AC。

这些集成电路不管是有没有过电流负载断续器都可以适用于普通AC电灯串那样的各种小电灯，例如是C7s和C9s等等“微型”电灯，以及其它仅仅适用于DC的小电灯，这其中包括长度为1/8英寸到3/16英寸而直径为1/16英寸的“米粒”电灯。

图7和8分别表示本发明的具有串联电灯串的一个电灯串的正面透视图和用来表示适用于包括一串电灯的连接方法的示意图。首先将包括集成电路110的灯座100装置入外壳104，集成电路的导线102连接到插头120，插头再将电源(图7中未示出)连接到下一个灯座106和用来串联电灯串140的一个插座130。参见图8，电源150向低于灯座100提供交流电流，它的输出为后续的灯座105提供直流电流，并用于抽头为串联的电灯串140提供直流电流。

本领域的技术人员还可以对上述实施例的集成电路和低压电源进行各种各样的修改和变更，这一切都没有脱离权利要求书所限定的本发明的原理和范围。

Claims (20)

1.连接到用来提供交流电流的电源装置上的一种灯座，上述灯座适合作为一个电路的一部分，用来为一个电气负载提供直流电流，并且适合接收一个灯泡，上述灯座包括：

一个外壳；

伸入上述外壳的一对导线，用电路将上述灯座连接到上述电源装置和上述电气负载；

装在上述外壳内的一个固体整流熔丝二极管，用电路连接到上述电源装置和上述电气负载，用于整流和限制来自上述电源装置的上述交流电流，仅有直流电流能够流过上述电气负载，如果达到了预选的电流电平，上述二极管就会断开上述电路，停止向上述负载提供直流电流。

2.按照权利要求1的灯座，其特征是进一步包括连接在上述二极管和上述导线之间的装置，在上述导线连接到上述电气负载和上述二极管时用来检测上述导线中的电流之间的差别。

3.按照权利要求2的灯座，其特征是进一步包括响应上述检测装置的装置，在上述检测装置检测到差别时停止向上述负载提供直流电流。

4.按照权利要求1的灯座，其特征是进一步包括用来限制上述二极管的电流的装置。

5.按照权利要求4的灯座，其特征是上述限流装置是从热敏电阻和熔丝构成的组中选出的一种。

6.按照权利要求1的灯座，其特征是进一步包括连接在上述导线和上述二极管之间的一个全波整流电桥。

7.按照权利要求1的灯座，其特征是上述二极管在上述交流电流的每个周期中产生一个半波，上述半波具有第一幅值，并且进一步包括用电路连接在上述电源和上述二极管之间的一个装置，用于在每个上述周期中产生一个第二半波，上述第二半波的第二幅值等于或是小于上述第一幅值。

8.一种电灯串包括：

许多电灯泡；

各自适合接收一个灯泡的许多灯座，并且将第一灯座连接到提供交流电流的电源装置，上述第一灯座适合作为一个电路的一部分，用来为许多灯座中的第二个提供直流电流，上述第一灯座包括：

一个外壳；

伸入上述外壳的一对导线，用电路将上述第一灯座连接到上述电源装置和上述第二多个灯座中；

装在上述外壳内的一个固体整流熔丝二极管，用电路连接到上述电源装置和上述第二多个灯座中，用于整流和限制来自上述电源装置的上述交流电流，仅有直流电流能够流过上述第二多个灯座，如果达到了预选的电流电平，上述二极管就会断开上述电路，停止向上述第二多个灯座提供直流电流；

连接上述灯座的电连接器。

9.按照权利要求8的电灯串，其特征是上述电源装置是一个连接到电源插座上的一个插头。

10.按照权利要求8的电灯串，其特征是进一步包括一个具有第一和第二触点的电气插座，上述第二触点连接到上述电灯串中的最后一个灯座，而上述第一触点连接到上述第一灯座的输出。

11.按照权利要求8的电灯串，其特征是上述二极管在上述交流电流的每个周期中产生一个半波，上述半波具有第一幅值，并且进一步包括用电路连接在上述电源和上述二极管之间的装置，用于在每个上述周期中产生一个第二半波，上述第二半波的第二幅值等于或是小于上述第一幅值。

12.按照权利要求8的电灯串，其特征是进一步包括装在上述电路的上述电源和上述二极管之间的一个限流装置，用来限制上述二极管的电流。

13.按照权利要求8的电灯串，其特征是进一步包括装在上述电路的上述电源和上述二极管之间的一个整流电桥。

14.按照权利要求8的电灯串，其特征是进一步包括：

连接在上述二极管和上述电源装置之间的装置，用来检测用上述导线连接到上述许多灯座中的第二个的上述电源装置与上述二极管之间的电流差别；以及

响应上述检测装置的装置，在上述检测装置检测到差别时停止向负载提供直流电流。

15.按照权利要求14的电灯串，其特征是上述二极管在上述交流电流的每个周期中产生一个半波，上述半波具有第一幅值，并且进一步包括：

用电路连接在电源装置和上述二极管之间的装置，用于在每个上述周期中产生一个第二半波，上述第二半波的第二幅值等于或是小于上述第一幅值；以及

装在上述电路的上述电源装置和上述二极管之间的一个限流装置，用来限制上述二极管的电流。

16.用于一种电路的一种电路元件，上述电路元件包括一个具有阳极和阴极的二极管，上述阴极是由电路上相互并联布置的多个导体构成的，并且与阳极串联，如果上述二极管的电流超过了一个预选的限制，上述多个导体中的至少是有些导体就会断开，从而限制通过上述导体的电流。

17.按照权利要求16的电路元件，其特征是进一步包括用来断开一些上述导体的装置，从而改变上述二极管的预选的限制。

18.用于具有源极侧和漏极侧的一种电路的一种集成电路，上述源极侧具有第一电流，而上述漏极侧具有第二电流，上述集成电路元件包括：

用来检测上述第一和第二电流之间的差别的装置；

响应上述检测装置的装置，用于在检测到上述差别时断开上述电路。

19.按照权利要求18的集成电路元件，其特征是上述检测装置进一包括：

具有两个输入端的加法放大器；

两个运算放大器，每个运算放大器具有两个输入和一个输出，上述运算放大器的上述输出构成上述加法放大器的上述两个输入之一，用上述输入测量电路中一个小电阻上的电压降，一个运算放大器测量上述源极侧的电阻上的电压变化，另一个运算放大器测量上述漏极侧的电阻上的电压变化，用上述加法放大器比较上述源极侧和上述漏极侧的上述电压。

20.按照权利要求18的集成电路元件，其特征是上述检测装置进一步包括：

响应上述检测装置的逻辑装置，用来确定是否已经检测到一个差别；以及

响应上述逻辑装置的继电器装置，在上述逻辑装置检测到上述差别时断开上述电路。

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