專利名稱：交流/直流調制轉換系統(tǒng)及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明揭示一種交流/直流調制轉換系統(tǒng)，其可調制可控式直流負載諸如可控式直流加熱器、可控式直流馬達或可控式直流燈具等的溫度、速度或亮度等。

背景技術：
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vi(t)；輸出電壓端Vo與輸出電壓參考端Vro連接至一交流負載；一可變電阻(variable resistor)R1與一電容C1組成一觸發(fā)延遲電路(firing delay circuit)；一電阻R2與一電容C2組成一低通濾波器(lowpass filter)；D1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D1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D1的跨壓高于其崩潰電壓|VB|(breakdown voltage)，D1導通；當流經(jīng)D1的電流小于其維持電流|IH|(holding current)，D1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-controlled rectifier，SCR)反向并聯(lián)。由特性曲線可知當Qc的柵極電流|IG|(gate current)愈大，其崩潰電壓|VB|愈低

當Qc的跨壓高于其崩潰電壓|VB|，Qc導通；當流經(jīng)Qc的電流小于其維持電流|IH|，Qc截止。
圖4顯示一正弦電壓截波器的輸出電壓vo(t)波形。于觸發(fā)延遲期間

C1跨壓低于D1的崩潰電壓VB；D1與Qc皆截止；vo(t)＝0。于導通期間

C1的跨壓等于或高于D1的崩潰電壓VB；D1與Qc皆導通；vo(t)＝vi(t)。負半周的波形對稱于(symmetric to)正半周的波形。
輸出電壓vo(t)的均方根(root-mean-squared)電壓Vrms可被表示為 其中T為周期(period)；

為角頻率(angular frequency)；0≤α≤π為觸發(fā)延遲角(firing delay angle)且Vpk為峰值電壓(peak voltage)。當R1減小，α減??；Vrms增大。當R1增大，α增大；Vrms減小。
一般而言，此傳統(tǒng)正弦電壓截波器可被應用于交流負載以控制溫度、速度、亮度等。當用以控制亮度，其亦稱為交流調光器(AC light dimmer)。在早期建筑物中，交流調光器被廣泛應用于交流燈泡諸如熒光燈(fluorescent lamp)、白熱燈(incandescent lamp)等的調光。然而，上述交流燈泡具有較低的發(fā)光效率(lightingefficiency)。為達節(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燈(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，故交流調光器無法直接被應用于直流燈具以控制亮度。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可適用于控制直流負載的交流/直流調制轉換系統(tǒng)(AC/DC modulation conversion system)。
該交流/直流調制轉換系統(tǒng)包含控制信號發(fā)射器、控制信號接收器與控制信號/調制信號轉換器。控制信號發(fā)射器感測(sense)其輸入電壓的振幅(amplitude)并發(fā)射控制信號，控制信號接收器接收控制信號以驅動控制信號/調制信號轉換器并將控制信號轉換成脈寬調制信號或直流電平調制信號以調制可控式直流負載電路。
本發(fā)明的有益技術效果是此交流/直流調制轉換系統(tǒng)可獨立控制或與一正弦電壓截波器配合以有效控制直流負載諸如可控式直流加熱器、可控式直流馬達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D1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顯示一先前技術的正弦電壓截波器的的輸出電壓波形。
圖5顯示依據(jù)本發(fā)明交流/直流調制轉換系統(tǒng)的架構。
圖6顯示依據(jù)本發(fā)明圖5所示的UT與UR的第一實施例的電路圖。
圖7顯示依據(jù)本發(fā)明圖5所示的UT與UR的第二實施例的電路圖。
圖8顯示依據(jù)本發(fā)明圖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(block diagram)。
圖10顯示依據(jù)本發(fā)明UT的輸入電壓波形與UC的輸出電壓波形。

具體實施例方式 圖5顯示依據(jù)本發(fā)明交流/直流調制轉換系統(tǒng)的架構，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/調制信號轉換器(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。
UR銜接UC。UR接收來自UT的一控制信號以驅動UC并將該控制信號轉換成脈寬調制信號(pulse width modulation signal)或直流電平調制信號(DC levelmodulation signal)。UC的輸出電壓端Vo與輸出電壓參考端Vro分別連接至一直流負載的正端與負端。
圖6顯示依據(jù)本發(fā)明UT與UR的第一實施例的電路圖。UT包含觸發(fā)延遲角調整元件(firing delay angle adjustment element)RT1、光二極管(optodiode)DT1與DT2，其中DT1與DT2先反向并聯(lián)再與RT1串聯(lián)。UR包含光敏晶體管(optotransistor)TR1，其連接至UC的輸入端。DT1、DT2與TR1組成一雙向光耦合器(bidirectionaloptocoupler)。RT1可以是電阻(resistor)或是可控式電流源(controllable currentsource)，本實施例中RT1為電阻。
于正半周期(positive half cycles)，DT1受輸入電壓順偏(forward-biased)而導通但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)DT2；DT1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。于負半周期(negative half cycles)，DT2受輸入電壓順偏而導通，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)DT1；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)iF(t)可被表示為 其中vi(t)為UT的輸入電壓且VF為DT1與DT2的順向電壓降(forward voltagedrop)。光敏晶體管TR1的集電極電流(collector current)iC(t)可被表示為 其中η為TR1對DT1與DT2的電流轉移比(current transfer ratio，CTR)。
因iC(t)相依于(dependent on)vi(t)，故TR1可被視為一相依電流源(dependentcurrent source)。
圖7顯示依據(jù)本發(fā)明UT與UR的第二實施例的電路圖。UT包含觸發(fā)延遲角調整元件RT1、橋式二極管整流器(bridge diode rectifier)BT1與光二極管DT1，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TR1，其連接至UC的輸入端。DT1與TR1組成一單向光耦合器(unidirectionaloptocoupler)。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RT1為電阻。
于正半周期，BT1的左上(upper left)與右下(lower right)二極管受輸入電壓順偏而導通；BT1的右上(upper right)與左下(lower left)二極管受輸入電壓逆偏而截止。于負半周期，BT1的右上與左下二極管受輸入電壓順偏而導通；BT1的左上與右下二極管受輸入電壓逆偏而截止。無論正半周期或負半周期，DT1恒受輸入電壓順偏而導通；輸入電流恒可流經(jīng)DT1；DT1恒受輸入電流激勵而發(fā)光。
光二極管DT1的順向電流iF(t)可被表示為 其中Vf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iC(t)可被表示為 其中η為TR1對DT1的電流轉移比。因iC(t)相依于vi(t)，故TR1可被視為一相依電流源。
須強調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(觸發(fā)延遲角α＝0)或正弦電壓截波器的輸出端(觸發(fā)延遲角0＜α≤π)。當α＝0，RT1須為可變電阻、可控式電流源或其組合以達直流調制的目的；當0＜α≤π，正弦電壓截波器中的可變電阻R1(圖1所示)已具有調整觸發(fā)延遲角的功能，RT1可改用固定電阻。由上說明可知，RT1可為固定電阻、可變電阻、可控式電流源或其組合以達直流調制的目的。
UT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0＜α≤π且依據(jù)本發(fā)明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光發(fā)射器(optotransmitter)與光接收器(optoreceiver)。
圖8顯示依據(jù)本發(fā)明UC的一實施例的電路圖。UC包含電阻RC2、RC3、RC4、RC5、RC6、濾波電容Co(非必需的，optional)、NPN雙極晶體管QC1、QC2與可編程穩(wěn)壓器(programmable voltage regulator)TC2(非必需的)。
須強調Co與TC2皆為非必需的(以上標＊標明)。當Co不存在但TC2存在，UC可將控制信號轉換成脈寬調制信號。當Co存在但TC2不存在，UC可將控制信號轉換成直流電平調制信號。為便于說明，本文假設Co不存在但TC2存在。
QC1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)VBE(sat)與一集電極-發(fā)射極飽和電壓(collector-emitter saturation voltage)VCE(sat)且充當一電壓反相器(voltage inverter)。
圖9顯示TC2的方塊圖(block diagram)。TC2充當一穩(wěn)壓器(voltage regulator)，其具有一參考端(reference)R、一正極(anode)A、一負極(cathode)K與一參考電壓(reference voltage)Vref。
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)到達太高值而破壞QC1的基極-發(fā)射極接面(base-emitter junction)。
RC3與RC4先串接(connected in cascade)于輸出電壓端Vo與輸出電壓參考端Vro再連接至QC1的基極且充當QC1的基極-發(fā)射極接面的一分壓器(voltagedivider)。
RC5連接至一獨立電壓源(independent voltage source)V1、QC1的集電極與QC2的基極。當QC1導通但QC2截止，RC5充當QC1的集電極電阻。當QC1截止但QC2導通，RC5充當QC2的基極電阻。
RC6連接至V1、QC2的集電極以及TC2的參考端與負極。當QC2導通，RC6充當QC2的集電極電阻；vo(t)＝VCE(sat)。當QC2截止，RC6充當TC2的上拉電阻(pull-upresistor)；vo(t)＝Vref。
一般而言，QC1的基極-發(fā)射極電壓vBE(t)可被表示為 其中vo(t)為UC的輸出電壓且iC(t)為TR1的集電極電流。由上式可知vBE(t)受控于iC(t)。亦即，vBE(t)受控于vi(t)。
圖10顯示依據(jù)本發(fā)明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vi(t)為一正弦電壓截波器的輸出電壓波形。于觸發(fā)延遲期間

|vi(t)|＜VF(UT的第一實施例)或|vi(t)|＜VF+2Vf(UT的第二實施例)；iC(t)＝0；vBE(t)＜VBE(sat)；QC1截止且QC2導通；vo(t)＝VCE(sat)。于導通期間

|vi(t)|≥VF(UT的第一實施例)或|vi(t)|≥VF+2Vf(UT的第二實施例)；

(UT的第一實施例)或

(UT的第二實施例)；vBE(t)＝VBE(sat)；QC1導通且QC2截止；vo(t)＝Vref。負半周的波形對稱于正半周的波形。當RT1減小，α減小；Vrms增大；脈寬增大。當RT1增大，α增大；Vrms減小；脈寬減小。因此，此交流/直流調制轉換系統(tǒng)可將交流調制信號轉換成直流調制信號以調制可控式直流負載電路諸如可控式直流加熱器的溫度、可控式直流馬達的速度或可控式直流燈具的亮度等。
須強調本發(fā)明所揭示的直流/交流調制轉換系統(tǒng)，其包含控制信號發(fā)射器、控制信號接收器與控制信號/調制信號轉換器，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發(fā)明的技術思想及特點，其目的在使熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，當無法以其限定本發(fā)明的專利范圍，即凡是根據(jù)本發(fā)明所揭示的精神所作的均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種交流/直流調制轉換系統(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/調制信號轉換器，連接該控制信號接收器、一獨立電壓源、一電壓參考端與一電壓輸出端，用以調制該控制信號為該電壓輸出端的一脈寬調制信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的交流/直流調制轉換系統(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)權利要求1所述的交流/直流調制轉換系統(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)權利要求1所述的交流/直流調制轉換系統(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極連接，該觸發(fā)延遲角調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)權利要求1所述的交流/直流調制轉換系統(tǒng)，其特征在于該控制信號/調制信號轉換器包含
一第一NPN雙極晶體管，其集電極與該獨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)權利要求5所述的交流/直流調制轉換系統(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)權利要求5所述的交流/直流調制轉換系統(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)壓器的負極，該可編程穩(wěn)壓器的負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)權利要求1所述的交流/直流調制轉換系統(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)生該交流調制信號。
9.根據(jù)權利要求1所述的交流/直流調制轉換系統(tǒng)，其特征在于其實施于一集成電路或一芯片上。
10.一種調光器，其特征在于，其是權利要求1所述的交流/直流調制轉換系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明是一種交流/直流調制轉換系統(tǒng)及其應用，該交流/直流調制轉換系統(tǒng)包含控制信號發(fā)射器、控制信號接收器與控制信號/調制信號轉換器?？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/調制信號轉換器將控制信號轉換成脈寬調制信號或直流電平調制信號。因此，此交流/直流調制轉換系統(tǒng)可被應用于可控式直流負載電路諸如可控式直流加熱器、可控式直流馬達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H02M3/155GK101753016SQ20081018631
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月11日 優(yōu)先權日2008年12月11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