負載控制裝置的製作方法
2024-03-25 15:10:05
專利名稱：負載控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於控制例如應用於電動工具的電動機之類的負載的負載控制裝置，尤其涉及一種能根據電源頻率的變更來修正以相位控制方式控制的開關元件的導通角的改進負載控制裝置。
參照
圖16，在該圖中示出了用於控制電動工具中採用的AC(交流)電動機的速度的傳統電動機控制電路的原理圖。AC電動機和控制該電動機速度的可控矽SCR串接在AC電源「e」的兩端。跨接在AC電源「e」上的是可變電阻VR和電容C的串聯電路，以提供可控矽SCR的半波的相位控制電路。
在電容C上經過二極體D跨接可控矽SCR的柵極和陰極。在可控矽SCR上跨接短路該可控矽SCR用的通斷開關SW，以便給AC電動機M施加全速旋轉用的AC電源的滿電壓。
當從AC電源「e」施加正半周電壓121時，電容C上的充電電壓按照由該電容C與可變電阻VR組成的時間常數而變化，如曲線122所示。一旦電容C的充電電壓達到可控矽SCR的柵極觸發電壓Vg，可控矽SCR就被接通，此後把正半周中的劃斜線區域表示的電源加到電動機M使其轉動。
當改變可變電阻VR以增大或減小電阻值時，時間常數改變，使得電容C的充電曲線122向下或向上地改變傾斜度，因此流過可控矽SCR的電流的導通角減小或增大(使在正半周的劃斜線區域作減小或增大的變化)，從而控制AC電動機的轉速。
上述使用由可變電阻VR和電容C組成的相位控制電路的電動機傳統控制電路的缺點是當AC電源「e」的線路頻率在50Hz和60Hz之間變更時，電容C的充電特性(時間常數)不變，但是可控矽SCR的導通角隨線路頻率的變更而變更，因此不能期望有穩定的電動機速度控制。
如圖18(a)所示，在60Hz線路頻率電壓波形131和50Hz線路頻率電壓波形132各自的正半周期，電容C的充電曲線133保持不變，與線路頻率無關，但是可控矽SCR的導通角卻變了。當電容C上的充電電壓達到可控矽SCR的柵極觸發電壓Vg時，圖18(c)所示的50Hz可控矽SCR導通區域變得大於圖18(b)所示的60Hz可控矽SCR導通區域。
因此，由於為改變其電阻值而施加給可變電阻VR的操作量相同，AC電動機在50Hz的轉速大於在60Hz的轉速。同一電動工具隨線路頻率的變更而改變特性在操作上是不利的。例如，當隨著在電動工具中使用的開關的行程操作而聯動地連續改變可變電阻VR的阻值以控制電動機M的轉速時，在線路頻率60Hz和50Hz的電動機轉速和開關行程的關係示於圖19中。
60Hz和50Hz線路頻率的轉速變化範圍出現了大的差別，所以開關的行程操作必須隨線路頻率而變更，這就造成了電動工具的不方便操作。
因此，本發明的主要目的在於提供一種改進的負載控制裝置，該裝置能隨電源頻率的變更而對控制負載導通的開關元件的導通角進行修正以提供具有電源頻率變更調節特性的穩定電源。
按照本發明的第一方面，提供一種負載控制裝置，用於控制通過開關元件與AC電源連接的負載中的電流，該負載控制裝置具有負充電電路，用於在每個周期以負方向充以AC電源的負半周電壓以在AC電源的正半周期間觸發該開關單元；還具有正充電電路，用於在每個周期從負充電電路結束負半周時起以正方向充以AC電源的正半周電壓以在已充電壓達到開發元件的觸發電壓時觸發開關元件。
按照這一方面，負充電電路在每個周期以負方向充以AC電源的負半周電壓，正充電電路在每個周期從負充電電路結束負半周時起以正方向充以AC電源的正半周電壓以在已充電電壓達到開關元件的觸發電壓時觸發開關元件，因而開關元件的導通角可按照線路頻率的變更而修正，由線路頻率變更引起的供應功率的變化可得到調節。當負載是電動機時，可期望得到穩定地控制轉速。
按照本發明的第二方面，提供一種按照第一方面的負載控制裝置，其中負充電電路包括限制負已充電壓的限幅器電路。
按照這一方面，避免了對任何超過負充電電路耐壓的負電壓充電，因而負充電電路受到避免損壞的保護，該電路的耐受能力可達到最低。
按照本發明的第三方面，提供一種按照第一或第二方面的負載控制裝置，其中正充電電路包括恆電壓電路以保持在AC電源電壓低落時正充電電路正方向的恆電流充電。
按照這一方面，即使電源電壓下降，供給負載的功率仍是穩定的。當負載是AC電動機時，其轉速得到穩定的控制，不受電壓變動的影響。
按照本發明的第四方面，提供一種按照第一或第三方面的負載控制裝置，其中正充電電路包括一可變電阻。
按照本發明的第五方面，提供一種按照第一或第四方面的負載控制裝置，其中正充電電路包括以對數方式改變電阻值的電路，而改變的電阻值包括可變電阻的電阻值。
按照本發明的第四或第五方面，負載的驅動特性可以是非線性的.例如，如果負載是AC電動機，則電動機轉速具有下彎特性，在這種特性下電動機起動時的速度變化率可以不大，因而可以改進其電動工具的操作。
按照本發明的第六方面，提供一種按照第一方面的負載控制裝置，其中的開關元件由主開關元件和輔助開關元件組成，主開關元件用於開關負載的電源電路，而輔助開關元件用於接通主開關元件。
按照本發明的這一方面，開關元件的柵極電流被減至最小，正充電電路消耗的電流從而降低以減少由其引起的發熱。
按照本發明的第七方面，提供一種按照第六方面的負載控制裝置，其中由正充電電路的充電電壓導通的觸發元件被用於觸發開關元件。
按照這一方面，開關元件的柵極電流被減至最小，正充電電路消耗的電流從而降低，由其引起的發熱減少。
按照本發明的第八方面，提供一種按照第一方面的負載控制裝置，它進一步包括給開關元件施加導通基準電壓的電容，在該裝置中，負充電電路包括其方向連接成用負電壓對電容充電的二極體，正充電電路包括其方向連接成用正電壓對電容充電的二極體和包括其基極端與開關元件柵極端連接的晶體三極體。
按照這一方面，用簡化的電路結構來向負載施加很少受電源頻率變更影響的穩定電源。當負載是電動機時，使穩定地控制轉速成為可能。在由負充電電路充以AC電源的負半周電壓之後以正方向充以AC電源的正半周電壓以便根據正的已充電電壓觸發開關元件，但是，反過來也可以在以正方向充以電源的正電壓之後以負方向充以負電壓以便根據負的已充電電壓觸發開關元件。
按照本發明的第九方面，提供一種控制通過雙向開關元件連接到AC電源的AC電動機轉速的電動機控制裝置，該裝置包括第一正充電電路，用於在每一周期以正方向充以所述AC電源的正半周；第一負充電電路，用於在每一周期從第一正充電電路結束正半周充電之時起以負方向充以AC電源的負半周以便當已充電電壓達到雙向開關元件的柵極觸發電壓時觸發雙向開關元件；第二負充電電路，用於在每一周期以負方向充以所述AC電源的負半周；以及第二正充電電路，用於在每一周期從第二負充電電路結束負半周充電之時起以正方向充以AC電源的正半周以便當已充電電壓達到雙向開關元件的柵極觸發電壓時觸發雙向開關元件，從而在AC電源的正負半周都觸發雙向元件。
按照這一方面，第一負充電電路在每一周期從第一正充電電路結束正半周充電之時起以負方向充以AC電源的負半周，第二正充電電路從第二負充電電路結束以負方向的AC電源負半周充電之時起以正方向充以AC電源的正半周，而且雙向開關元件在各已充電電壓到達雙向元件的各觸發電壓時的導通角處被與正負半周波形同步地觸發，從而雙向開關元件的導通角隨電源頻率的變更而得到修正，且實現了對AC電動機轉速的穩定控制而不受電源頻率對轉速的影響。
本發明的其他目的和優點將從結合以下各圖的以下詳細描述中變得更為明顯。
圖1是作為本發明第一實施例的負載控制裝置的電路原理圖；圖2(a)至(c)表示在圖1裝置各處的波形；圖3表示行程與由本控制裝置控制的電動機轉速之間的關係；圖4是作為本發明第二實施例的負載控制裝置的電路原理圖；圖5(a)至(e)表示在圖4裝置各處的波形；圖6是作為本發明第三實施例的負載控制裝置的電路原理圖；圖7(a)和(b)表示可變電阻與由圖6控制裝置控制的電動機轉速之間的關係；圖8是作為本發明第四實施例的負載控制裝置的電路原理圖；圖9是作為本發明第五實施例的電動機控制裝置的電路原理圖；圖10(a)至(e)表示在圖9電動機控制裝置各處的波形；圖11表示行程與由圖9電動機控制裝置控制的電動機轉速之間的關係；圖12是作為本發明第六實施例的電動機控制裝置的電路原理圖13表示可變電阻與由圖12電動機控制裝置控制的電動機轉速之間的關係，圖14是作為本發明第七實施例的電動機控制裝置的電路原理圖；圖15(a)至(e)表示在圖14電動機控制裝置各處的波形；圖16是用於控制電動工具所使周的AC電動機的轉速的傳統電動機控制裝置的電路原理圖；圖17表示說明在傳統電動機控制裝置中工作情況的波形；圖18(a)至(c)表示在圖16電動機控制裝置各處的波形；以及圖19表示行程與由圖16傳統電動機控制裝置控制的電動機轉速之間的關係。
現在參照圖1，該圖示出作為本發明第一實施例的負載控制裝置的電路原理圖，在該圖中，AC電源1通過代表控制轉速用的開關元件的可控矽2與代表裝置中負載的AC電動機3連接。
在可控矽2的陽極和陰極之間經過電容4並聯連接負充電電路5從而在每一周期以反方向給電容4充以AC電源1的負電壓，還經過電容4並聯連接正充電電路6從而給電容4以正方向充以AC電源1的正電壓。
負充電電路5由電阻R1和二極體D1的串聯電路組成。正充電電路6由可變電阻R2、二極體R2和發射極及集電極接在電阻R2和電容4之間的PNP電晶體Tr1組成。電晶體Tr1的基極接至可控矽2的柵極，電阻R3接在可控矽2的柵極和陰極之間。
當電動機控制裝置使用電源頻率50Hz的AC電源1控制電動機3時，電源1的電壓波形由圖2(a)實線所示的正弦波形表示。當電源電壓V1處於負半周(在時間T0和T2之間)時，負充電電路5的二極體D1導通，充電電流「ia」流動路徑為AC電源1→電容4→電阻R1→二極體D1→AC電動機3→AC電源1。
電容4由充電電流「ia」負方向充電，如圖2(b)實線描繪的充電曲線21所示，但是充電電流「ia」不轉動AC電動機3。
當電源電壓V1處於正半周(在時刻T2和T6之間)時，正充電電路6的二極體D2和電晶體Tr1導通，充電電流「ib」流動路徑為AC電源1→AC電動機3→二極體D2→電阻R2→電晶體Tr1→電容4→AC電源1。
電容4由充電電流「ib」從最大已充電電壓(時刻T2)起正方向充電，如圖2(b)實線描繪的充電曲線22所示，其中基極電流從電晶體Tr1流過電阻R3，但是該電流太小不足以觸發可控矽2的柵極。充電電流「ib」不轉動AC電動機3。
隨著電容4的已充電電壓V2在正半周以正方向上升併到達可控矽2的柵極觸發電壓Vg(時刻T4)，可控矽被接通以從時刻T4至時刻T6給AC電動機3供應正半周電壓。AC電動機3被供給具有圖2(c)實線描繪的波形23的電壓V3，並以對應于波形23所示導通角區域的功率的速度轉動。
隨著可變地操作正充電電路6的可變電阻R2電阻值減少，在電源電壓V1正半周的時間常數減小，使得到達可控矽2柵極觸發電壓Vg的電容4充電時間縮短，充電曲線22以箭頭標示方向上升。結果，流過可控矽2的電流的導通角增加。即，可控矽2的導通時刻由T4移到T2，使得電動機3的轉速隨導通角區域的增加而增大。
當操作可變電阻R2增加其阻值時，在電源電壓V1正半周的時間常數隨之增加，使得達到可控矽2柵極觸發電壓Vg的電容4的充電時間變長，充電曲線22以箭頭標示的相反方向下降。結果，流過可控矽2的電流的導通角減小。即，可控矽2的導通時刻由T4移向T6，使得電動機3的轉速隨導通角區域的減少而減小。
當電動機控制裝置通過使用電源頻率60Hz控制電動機3時，電源1的波形由圖2(a)虛線所示的正弦波形來表示。當電源電壓V1處於負半周(在時刻T0和T1之間)時，負充電電路5的二極體D1導通，充電電流「ia」流動路徑為AC電源1→電容4→電阻R1→二極體D1→AC電動機3→AC電源1。電容4由充電電流「ia」負方向充電，如由圖2(b)虛線描繪的充電曲線24所示，但是充電電流「ia」不轉動AC電動機3。60Hz的負充電時間(負半周)較短，與50Hz的相比，最大負的已充電電壓較淺。
當電源電壓V1處於正半周(在時刻T1和T5之間)時，正充電電路6的二極體D2和電晶體Tr1導通，充電電流「ib」流動路徑為AC電源1→AC電動機3→二極體D2→電阻R2→電晶體Tr1→電容4→AC電源1。電容4由充電電流「ib」從最大已充電電壓(時刻T1)起正方向充電，如圖2(b)虛線描繪的充電曲線25所示，其中基極電流從電晶體Tr1流過電阻R3，但是該電流太小不足以觸發可控矽2的柵極。充電電流「ib」不轉動AC電動機3。
隨著電容4的已充電電壓V2在正半周以正方向上升併到達可控矽2的柵極觸發電壓Vg(時刻T3)，可控矽被導通以從時刻T3至時刻T5給AC電動機3供應正半周電壓。到達柵極觸發電壓Vg的時間短，因為最大負電壓淺。
AC電動機3被供給具有圖2(c)虛線描繪的波形26的電壓V3，並以對應于波形26所示導通角區域的功率的速度轉動。
隨著可變地操作正充電電路6的可變電阻R2電阻值減少，在電源電壓V1正半周的時間常數減小，使得到達可控矽2柵極觸發電壓Vg的電容4充電時間縮短，充電曲線25以箭頭標示方向上升.結果，流過可控矽2的電流的導通角增加。即，可控矽2的導通時刻由T3移到T1，使得電動機3的轉速隨導通角區域的增加而增大。
當操作可變電阻R2增加其阻值時，在電源電壓V1正半周的時間常數隨之增加，使得達到可控矽2柵極觸發電壓Vg的電容4的充電時間變長，充電曲線25以箭頭標示的相反方向下垂。結果，流過可控矽2的電流的導通角減小。即，可控矽2的導通時刻由T3移向T5，使得電動機3的轉速隨導通角區域的減少而減小。
如上所述，通過把負和正充電電路5和6應用到可控矽2的相位控制電路，可以根據市電或其他電源的頻率變更而修正可控矽2的導通角。於是，在電源頻率50Hz和60Hz，可控矽2的導通角保持幾乎相等。
當本實施例的電動機控制裝置應用於擰螺栓之類的電動工具的電動機控制電路時，可變電阻R2的阻值與在電動工具中為控制電動機轉速而使用的開關的行程操作聯動地變化。開關行程與在電源頻率50Hz和60Hz的電動機轉速的關係示於圖3，其中在50Hz和60Hz的可變速度區域幾乎相同。因此，開關的行程操作不必隨電源頻率而改變，電動工具的可操作性得到改進。
圖4是作為本發明第二實施例的負載控制裝置的電路原理圖，其中電動機3是該裝置的負載。與圖1相對應的部件由相同標號給出，除不同的部件外，將略去對這些部件的結構和工作的說明。
在本實施例中，限幅器電路7並行地連接在電容4的兩端，正充電電路6包括恆電壓電路8，包括輔助可控矽2a和因輔助可控矽2a的接通而導通的主可控矽2b的開關元件連接到電動機3的電源電路。
限幅器電路7包括具有與負半周電壓相反極性的齊納二極體ZD1和與該齊納二極體ZD1串聯的反接二極體D3，以限制由負半周電壓以反方向充在電容4上的電壓，使得已充電電壓不超過電容4的耐壓。二極體D3防止當電容4正向充電時齊納二極體ZD1正嚮導通。
恆電壓電路8包括連在正充電電路6的可變電阻R2和二極體D2之間的電阻R5，還包括通過電阻R4連接在電阻R5和可變電阻R2的接點與電源1負端之間的齊納二極體ZD2，以保持當AC電源電壓低落時對電容4正向充電的電壓恆定。
電阻R3和R6組成的串聯電路連接在電晶體Tr1的基極與AC電源1的負端之間，主可控矽2b的陰極和柵極跨接在電阻R3兩端，輔助可控矽2a的陰極和柵極跨接在電阻R6兩端。
當增加可變電阻R2的阻值時，由正半周電壓以正方向給電容4充電的已充電電壓V2的上升傾斜度變得平緩，以減小主可矽控2b和輔可控矽2a的導通角，其中當電阻R2的阻值繼續增加時，導通角甚至變成零，電容4的端電壓不再回到正值而向負方向增加。
當電容4的負方向端電壓大於齊納二極體ZD1的齊納電壓時，齊納二極體ZD1導通以通過二極體D3和齊納二極體ZD1以負方向洩放電容4的已充電電壓。因此防止了電容4存儲超過其耐壓能力的負電壓，保護了電容4不受損壞，電容4的耐受能力可以降低，因為不必具有任何過高的耐受能力。
如果正充電電路6不配備恆電壓電路8，當電源1的電源電壓V1從圖5(a)的實曲線低落為虛線時，電容4的負方向充電曲線24的傾斜度變得平緩，但是正方向充電曲線25的傾斜度也變得平緩，因而正方向的已充電電壓V2在同一時刻T2到達可控矽的柵極觸發電壓Vg，如圖5(b)所示。
然而，當如實線所示電源電壓V1高時，隨著可控矽在時刻T2的導通，供給AC電動機3的電壓V3具有如圖5(c)實線所示的導通區域。當電源電壓V1低時，電壓V3具有如圖5(c)虛線所示的導通區域，所以AC電動機3的轉速變得比電源電壓高時的轉速低。
如果正充電電路6配備恆電壓電路8，當電源電壓低落時，電容4由用齊納二極體ZD2和電阻R4、R5規定的恆電流正方向充電。
因此，如圖5(d)所示，電源電壓低時電容4正向充電曲線的傾斜度與電源電壓高時電容4正向充電曲線的傾斜度相同，而電源電壓低時正向已充電電壓V2到達可控矽柵極觸發電壓Vg的時刻T1早於時刻T2。因此，電源電壓低時以(e)虛線描繪的導通區域幾乎和電源電壓高時以圖(e)實線描繪的導通區域相同。結果，當電源電壓朝較低方向變動時，可以防止電動機3轉速的降低。
在本第二實施例中採用了輔助可控矽2a接通主可控矽2b和主可控矽2b接通AC電動機3電源電路的二級結構，使得可控矽的柵極電流可以設計得小，因此可變電阻R2和電晶體Tr1消耗的電流可以減小，從而減少由此產生的熱量。
參照圖6，該圖示出作為本發明第三實施例的電動機控制裝置的電路原理圖。與圖1和4相應的部件用相同標號表示，對它們結構和工作的說明將予以省略，不同的部件除外。
如圖6所示，本第三實施例的特點在於可控矽2的柵極觸發元件9採用雙向擊穿二極體(DIAC)，該柵極觸發元件9連接在可控矽2的柵極和設在正充電電路6中的電晶體Tr1的基極之間，一對二極體D4和D5串接在電容4的正端和電晶體Tr1基極與柵極觸發元件9的連接點之間，在正充電電路6中電阻R8和可變電阻R2並聯，以提供由這兩個電阻共同組成的按對數變化的電阻，使電動機轉速具有下彎特性。
如果正充電電路6中的控制電阻只使用阻值線性變化的可變電阻R2，則可控矽R2的導通角作線性變化，但是AC電動機3的轉速同可變電阻R2阻值變化的關係具有如圖7(a)所示的上彎特性，因為加到電動機3上的電源是AC電源。因此，當電動機3起動時，轉速改變率大，這對於擰螺栓用的電動工具的應用是不希望的。
但是，本第三實施例的結構是可變電阻R2與電阻R8並聯，因此當電阻R2的阻值線性地變化時，它與電阻R8的組合電阻按對數方式變化，使得AC電動機3的轉速具有如圖7(b)所示的下彎特性。如此，當電動機3起動時，轉速變化率小，轉速緩慢增加，這對擰螺栓以把它固定在位置上的電動工具是適宜的。
由於在本實施例中採用雙向擊穿二極體作為觸發可控矽2的柵極觸發元件9，所以當電容4的正向已充電壓到達柵極觸發元件9的擊穿電壓時，柵極觸發元件9導通，其負阻允許脈衝電流在可控矽2的柵極流動以接通該可控矽。於是減小了正充電電路中電阻R5、可變電阻R2和電晶體Tr1消耗的電流，也減小了由此產生的熱量，但是保持可控矽最大的柵極電流不變。
圖8是作為本發明第四實施例的電動機負載控制裝置的電路原理圖。與圖1對應的部件用相同標號表示。在圖8中，配置具有運算放大器OP1和OP2的相位控制單元90以控制充當AC電動機3的速度控制開關元件用的可控矽2的相位。這兩個運算放大器和包括電阻R10至R13、齊納二極體ZD、電容C1、二極體D10和D12之類在內的有關部件提供圖1所示的負充電電路和正充電電路。在本實例中，除可控矽1、電容4和可變電阻VR外，相位控制單元的部件可以製作到集成電路中去。
如果在圖1、4和6中可控矽2、2a和2b以相反極性和電源連接，則在這些圖中的二極體D1至D5和齊納二極體ZD1和ZD2應當相應地以相反極性連接，電晶體Tr1應當使用NPN電晶體。如果希望的話，在以上各實施例中的開關元件可使用諸如MOS電晶體之類的半導體元件來代替可控矽.
必須理解，在以下各實施例中，與以上實施例相同的標號和符號給於了不和以上實施例部件對應的若干部件。
圖9是作為本發明第五實施例的電動機控制裝置的電路原理圖。它包括AC電源1；控制速度用的雙向開關元件(TRIAC)2；AC電動機3；第一和第二電容4和5，用於在電源1的負和正半周中保存已充電電壓以觸發雙向開關元件2；由第一正充電電路6、第一負充電電路7、第二負充電電路8和第二正充電電路9組成的全波相位控制電路。
AC電源1通過雙向開關元件2與AC電動機3連接。第一電容4通過二極體D1和電阻R2跨接在電源1兩端。第一電容4、二極體D1和電阻R2提供在每一周期以正向給第一電容4充以電源1的正半周的第一正充電電路6。
包括由NPN電晶體Q1、二極體D3和可變電阻VR組成的串聯電路的第一負充電電路7從第一正充電電路6結束正半周充電之時起以負(相反)方向給第一電容4充以電源1的負半周。當已充電電壓到達元件2的柵極觸發電壓時，第一負充電電路7觸發雙向開關元件2。第一負充電電路7連接在第一正充電電路6中第一電容4和二極體D1的接點與開關元件2的陽極之間。
第二電容5通過二極體D2和電阻R2跨接在AC電源1的兩端。第二電容5、二極體D2和電阻R2提供在每一周期以負方向給第二電容5充以電源1的負半周的第二負充電電路8。
包括由PNP電晶體Q2，二極體D4和可變電阻VR組成的串聯電路的第二正充電電路9從第二負充電電路8結束負半周充電之時起以正(相反)方向給第二電容C5充以電源1的正半周。當已充電電壓到達元件2的柵極觸發電壓時第二正充電電路9觸發雙向開關元件2。第二正充電電路9連接在第二負充電電路8中第二電容5和二極體D2的接點與開關元件2的陽極之間。
雙向觸發元件2的柵極與電晶體Q1和Q2的基極連接。保護電容C1和電阻R1並聯連接在雙向開關元件2的柵極和陽極之間。
當如此構成的電動機控制裝置使用電源頻率50Hz的AC電源1控制電動機3時，電源1的電壓波形由圖10(a)實線所示的正弦波形表示。當在圖9中P處的AC電源電壓V1處於正半周(在圖10的時刻T0和T4之間)時，第一正充電電路6的二極體D1導通，充電電流流動路徑為AC電源1→電阻R2→二極體D1→電容4→AC電源1。電容4由該充電電流以正方向充電，如圖10(b)實線描述的充電曲線21所示。
當在圖9中P處的電源電壓V1處於負半周(在圖10的時刻T4和T8之間)時，第一負充電電路7的二極體D3和電晶體Q1導通，充電電流流動路徑為AC電源1→電容4→電晶體Q1→二極體D3→可變電阻VR→AC電動機3→AC電源1。第一電容4被該充電電流從最大已充電電壓以負方向反向充電，如圖10(b)實線描繪的充電曲線22所示，其中基極電流流過電晶體Q1，但是它太小不足以觸發雙向開關單元2的柵極。該充電電流不轉動AC電動機3。
隨著第一電容4由負半周電壓反方向充電和已充電電壓V2按照由可變電阻VR的阻值規定的時間常數逐漸減小以進入負區域併到達雙向開關元件2的柵極觸發電壓-Vg(時刻T6)，通過給開關元件2的柵極施加圖10(d)實線所示的負觸發電壓，開關元件2被接通。因此，從時刻T6至負半周結束的時刻T8，AC電動機3被供給圖10(e)實線描繪的波形23的電流。
當在圖9中P處的AC電源電壓V1處於正半周(在圖10的時刻T0和T4之間)時，第二正充電電路9的二極體D4和電晶體Q2導通，充電電流流動路徑為AC電源1→AC電動機3→可變電阻VR→二極體D4→電晶體Q2→電容5→AC電源1。第二電容5與由該充電電流以正方向充電，如圖10(c)實線描繪的充電曲線24所示。因此，基極電流流入電晶體Q2，但是它太小不足以觸發雙向開關單元2的柵極。該充電電流也不轉動AC電動機3。
隨著第二電容5由正半周電壓正方向充電和已充電電壓V2根據由可變電阻VR的阻值規定的時間常數逐漸增加以進入正區域併到達雙向開關元件2的柵極觸發電壓Vg(時刻T2)，通過給開關元件2的柵極施加圖10(d)實線所示的正觸發電壓，開關元件2被接通。因此，從時刻T2至正半周結束的時刻T4，AC電動機3被供給圖10(e)實線描繪的波形26的電流。於是，AC電動機3以對應于波形26和23兩者的導通角區域的功率的速度轉動。
當在圖9中P處的AC電源電壓V1處於負半周(在圖10的時刻T4和T8之間)時，第二負充電電路8的二極體D2導通，充電電流流動路徑為AC電源1→電容5→二極體D2→電阻R2→AC電源1。第二電容5由該充電電流以負方向反向充電，如圖10(c)實線描繪的充電曲線25所示。當處於正半周時，第二正充電電路9的工作和以上描述過的相同。
當可變電阻VR的阻值由第一負充電電路7和第二正充電電路9中的可變操作減少時，在正或負半周中的時間常數變小，使得第二電容5或第一電容4到達柵極觸發電壓Vg或-Vg的充電時間變短，充電曲線24或22沿箭標方向上升。結果，雙向開關元件中電流的導通角增加以增大轉速.
當可變電阻VR的阻值由可變操作增大時，電源電壓正或負半周中的時間常數變大，使得第二電容5或第一電容4到達柵極觸發電壓Vg或-Vg的充電時間變長，充電曲線24或22沿箭標方向的反方向移動。結果，雙向開關元件中電流的導通角減少以減低轉速。
往下，當如此構成的電動機控制裝置使用電源頻率60Hz的AC電源1控制電動機3時，電源1的電壓波形由圖10(a)虛線所示的正弦波形表示。當在圖9中P處的AC電源電壓V1處於正半周期(在圖10的時刻T0和T3之間)時，第一正充電電路6的二極體D1導通，充電電流流動路徑為AC電源1→電阻2→二極體D1→電容4→AC電源1。電容4由該充電電流以正方向充電，如圖10(b)虛線描繪的充電曲線27所示。
當在圖9中P處的AC電源電壓V1處於負半周(在圖10的時刻T3和T7之間)時，第一負充電電路7的二極體D3和電晶體Q1導通，充電電流流動路徑為AC電源1→電容4→電晶體Q1→二極體D3→可變電阻VR→AC電動機3→AC電源1。第一電容4被該充電電流從最大已充電電壓以負方向反向充電，如圖10(b)虛線描繪的充電曲線28所示，其中基極電流流過電晶體Q1，但是它太小不足以觸發雙向開關單元2的柵極。該充電電流不轉動AC電動機3。
隨著第一電容4由負半周電壓反方向充電和根據由可變電阻VR的阻值規定的時間常數已充電電壓V2逐漸減小以進入負區域併到達雙向開關元件2的柵極觸發電壓-Vg(時刻T5)，通過給開關元件2的柵極施加圖10(d)虛線所示的負觸發電壓，開關元件2被接通。因此，從時刻T5至負半周結束的時刻T7，AC電動機3被提供給圖10(e)虛線描繪的波形29的電流。
當在圖9中P處的AC電源電壓V1處於正半周(在圖10的時刻T0和T3之間)時，第二正充電電路9的二極體D4和電晶體Q2導通，充電電流流動路徑為AC電源1→AC電動機3→可變電阻VR→二極體D4→電晶體Q2→AC電源1。第二電容5由該充電電流以正方向充電，如圖10(c)虛線描繪的充電曲線30所示。因此，基極電流流入電晶體Q2，但是它太小不足以觸發雙向開關單元2的柵極。該充電電流也不轉動AC電動機3。
隨著第二電容5由正半周電壓正方向充電充電和已充電電壓V2根據由可變電阻VR的阻值規定的時間常數逐漸增加以進入正區域併到達雙向開關元件2的柵極觸發電壓Vg(時刻T1)，通過給開關元件2的柵極施加圖10(d)虛線所示的正觸發電壓，開關元件2被接通。因此，從時刻T1至正半周結束的時刻T3，AC電動機3被供給圖10(e)虛線描繪的波形32的電流。於是，AC電動機3以對應于波形32和29兩者的導通角區域的功率的速度轉動.
當在圖9中P處的AC電源電壓V1處於負半周(在圖10的時刻T3和T7之間)時，第二負充電電路8的二極體D2導通，充電電流流動路徑為AC電源1→電容5→二極體D2→電阻R2→AC電源1。第二電容5由該充電電流以負方向反向充電，如圖10(c)虛線描繪的充電曲線31所示。當處於正半周時，第二正充電電路9的操作和以上描述過的相同。
當可變電阻VR的阻值由第一負充電電路7和第二正充電電路9中的可變操作減少時，在正或負半周中的時間常數變小，使得第二電容5或第一電容4到達柵極觸發電壓Vg或-Vg的充電時間變短，充電曲線30或28沿箭標方向上升。結果，雙向開關元件中電流的導通角增加以增大轉速。
當可變電阻VR的阻值由可變操作增大時，電源電壓正或負半周中的時間常數變大，使得第二電容5或第一電容4到達柵極觸發電壓Vg或-Vg的充電時間變長，充電曲線30或28沿箭標方向的反方向移動。結果，雙向開關元件中電流的導通角減少以減低轉速。
如此，通過把第一正充電電路6，第一負充電電路7、第二負充電電路8和第二正充電電路9合成開關元件2的全波相位控制電路，可以根據電源頻率的變更而修正雙向開關元件2的導通角。即，雖然電源頻率是50Hz或60Hz，雙向開關元件2的導通角幾乎不變。
當本實施例的電動機控制裝置應用於擰螺栓之類的電動工具的電動機控制電路時，可變電阻VR的阻值與電動工具中為控制電動機轉速而使用的開關的行程操作聯動地變化，開關行程與在電源頻率50Hz和60Hz的電動機轉速的關係示於圖11。如圖11所示，在電源頻率50Hz和60Hz的可變速度區域幾乎相同，使得無多大必要隨電源頻率改變行程操作，因此改進了電動工具的操作。
圖12是作為本發明第六實施例的電動機控制裝置的電路原理圖，與圖9對應的部件用相同標號給出，將省略對它們結構和工作的說明，不同的部件除外。
如圖12所示，本第六實施例的特點是在第一正充電電路6中第一限幅器電路10與第一電容4並聯，在第二負充電路中第二限幅器電路11與第二電容5並聯，雙向開關元件2包括由小的柵極電流接通的輔助雙向開關元件2b和隨輔助雙向開關元件2b的接通而接通的主雙向開關元件2a，第一負充電電路7和第二正充電電路9的可變電阻VR與電阻R3並聯使得它們的組合電阻以對數方式變化以給AC電動機3提供下彎的轉速特性。
主雙向開關元件2a置於電動機3和電源1之間，輔助雙向開關元件2b接在主雙向開關元件2a的柵極和它的一個終端之間。電容C11和電阻R11並接在主開關元件2a的另一終端和柵極之間，電容C12和電阻R12並接在主開關元件2a的柵極和輔助開關元件2b的柵極之間。
第一限幅器電路10包括對正半周電壓反接的齊納二極體ZD1與該齊納二極體ZD1串聯的反接二極體D5以限制在每個周期由正半周電壓充在電容4上的正極性電壓低於該電容4的耐壓。二極體D5防止當第一電容4負向充電時齊納二極體ZD1的正嚮導通。
第二限幅器電路11包括對負半周電壓反接的齊納二極體ZD2與該齊納二極體ZD2串聯的反接二極體D6以限制在每個周期由負半周電壓充在第二電容5上的負極性電壓低於該電容5的耐壓。二極體D6防止當第二電容5正向充電時齊納二極體ZD2的正嚮導通。
隨著第一負充電電路7中可變電阻VR阻值的增大，由負半周電壓以負方向充在第一電容4上的充電電壓V2的向下傾斜率變得平緩，主開關元件2a和輔開關元件2b的導通角變小。當導通角變零並且可變電阻VR的阻值進一步增加時，第一電容4的端電壓V2不再到達任意負電壓而是以正方向增加。
當第一電容4的正方向端電壓變得大於齊納二極體ZD1的齊納電壓時，齊納二極體ZD1導通，以正方向充在電容4上的電壓通過二極體D5和齊納二極體ZD1放電。結果，第一電容4不被超過其耐壓的正電壓充電和損壞，因此其耐受能力不必過高。
同樣，隨著第二正充電電路9中可變電阻VR阻值的增大，由正半周電壓以正方向充在第二電容5上的電壓V2的向上傾斜率變得平緩，主開關元件2a和輔開關元件2b的導通角變小。當導通角變零並且可變電阻VR的值進一步增加時，第二電容5的端電壓V2不再達到正電壓而是以負方向增加。
當第二電容5的負方向端電壓變得大於齊納二極體ZD2的齊納電壓時，齊納二極體ZD2導通，以負方向充在電容5上的電壓通過二極體D6和齊納二極體ZD2放電。結果，第二電容5不被超過其耐壓的負電壓充電和損壞，其耐受能力不必過高。因此，可使第二電容5的耐受能力為最小。
如果可變地操作可變電阻VR，則可變電阻VR和電阻R3的組合電阻按對數變化，如圖13的曲線51所示。如此，通過操作可變電阻VR，AC電動機具有如圖13曲線52的下彎轉速特性。AC電動機3起動時的轉速變化率小，然後緩慢地增加。因此本實施例的電動機控制裝置適用於擰螺栓以將其固定在位置上的電動工具。
AC電動機3的電源電路由雙向開關元件2表示，該雙向開關元件2具有主雙向開關元件2a和接通主雙向開關元件2a用的輔雙向開關元件2b的兩級結構，使雙向開關元件中的柵極電流最小，因而使充電電路中電阻R3、可變電阻VR和電晶體Q1和Q2消耗的電流最小，減少了它們的發熱量。
圖14是作為本發明第七實施例的電動機控制裝置的電路原理圖，與圖9和12對應的部件用同樣的標號給出，除不同部件外，將略去對它們結構和工作的說明。
如圖14所示，本第七實施例的特點是使用第一和第二柵極限幅器電路12和13來觸發雙向開關元件，以及為第一負充電路7和第二正充電電路9配備共同的恆電壓電路14。
第一柵極觸發電路12包括NPN電晶體TR1、PNP電晶體TR2、電容C1和C2、二極體D7以及齊納二極體ZD5，該第一柵極觸發電路12由在第一負充電電路7中第一電容4上的已充電電壓導通，以在負半周觸發雙向開關元件2。第二柵極觸發電路13包括PNP電晶體TR3、NPN電晶體TR4、電容C3和C4、二極體D8以及齊納二極體ZD6，該第二柵極觸發電路13由在第二正充電電路9中第二電容5上的已充電電壓導通，以在正半周觸發雙向開關元件2。
恆電壓電路14包括以相反極性串接的齊納二極體ZD3和ZD4，該恆電壓電路14連接在電源1的地端和經過電阻R4後的可變電阻RV的一端之間。當電源1的電壓低落時，恆電壓電路14以正方向給第一電容4充電和以負方向給第二電容5充電。
下面來描述恆電壓電路14的工作。如果在第二負充電電路8和第二正充電路9中不設恆電壓電路14，則當電源1的電壓V1如圖15(a)所示地由實曲線低落到虛曲線時，電容器5負向充電曲線31的斜率變平緩，其正向充電曲線30的斜率也變平緩，但是，即使電源電壓低落，正向已充電電壓V2到達柵極觸發電壓Vg的時刻T2也保持相同。
當可控矽在時刻T2被接通時，如果電源電壓高，則在圖15(c)實線描繪的導通區域中供給AC電動機3的電壓V3大；如果電源電壓低，在圖15(c)虛線描繪的導通區域中供給AC電動機3的電壓V3小。結果，低電源電壓狀態的AC電動機轉速變得比高電源電壓狀態的轉速低。
如果使用恆電壓電路14，則在電容5上的已充電電壓由齊納二極體ZD3和電阻R4調節為恆定值，從而即使電源電壓低落，電容5仍被恆電壓正向充電。因此，電源電壓低時電容5的正向充電曲線30的斜率與電源電壓高時電容5的正向充電曲線25的斜率相同，電源電壓低時正向已充電電壓V2到達雙向開關元件2的柵極觸發電壓Vg的時刻T1變得早於時刻T2。結果，如圖1 5(d)所示，電源電壓低時虛線描繪的導通區域與電源電壓高時實線描繪的導通區域相同。因此，在本實施例中，即使在電源電壓低落時，也避免了AC電動機轉速的任何降低。
恆電壓電路14的這一功能同樣地在第一正充電電路6和第一負充電電路7中執行，即使電源電壓以減低方向變動，也防止了電動機轉速的降低。
配備第一和第二柵極觸發電路12和13以在電源1的正和負半周觸發雙向開關元件2，這使得柵極電流減小，各充電電路消耗的電流小以減少由此產生的熱量。
本發明的雙向開關元件不局限於TRIAC，也可使用諸如MOS電晶體之類的半導體。
如此，按照本發明，負充電電路在每一周期以負方向充以AC電源的負半周電壓，正充電電路在每一周期從負充電電路結束負半周充電之時起以正方向充以AC電源的正半周電壓以在已充電電壓到達開關元件的柵極觸發電壓時觸發開關元件，從而可根據電源頻率的變更修正開關元件的導通角，從而可提供幾乎不受電源頻率變更影響的穩定的負載控制。
當配備限幅器電路以限制負充電電路中的負已充電壓時，避免了充以任何超過負充電電路耐壓的負電壓，從而保護了負充電電路不受損壞，電路的耐受能力可以為最小。
如果配備恆電壓電路以使AC電源電壓低落時正充電電路中的正向充電電流保持恆定，則即使電源電壓以減少方向變動，也可以不受電源電壓變動影響而穩定地控制供給負載的電源。
當正充電電路包括以對數方式改變含可變電阻阻值在內的電阻值的電路時，負載的驅動特性可以是非線性的。如果負載是AC電動機，則可給電動機轉速提供下彎特性，其中在電動機起動時的速度變化率可以最小，電動工具的操作可以改進。
當開關元件由開關負載電源電路的主開關元件及接通主開關元件的輔助開關元件組成時，開關元件的柵極電流為最小，由正充電電路消耗的電流被減小以減少由其產生的熱量。
當使用由正充電電路已充電電壓導通的柵極觸發元件以觸發開關元件時，保證了開關元件的最大柵極電流，而且使正充電電路消耗的電流為最小，從而減少由其產生的熱量。
雖然本發明用一些給出滿意結果的實施例作了描述和圖示，本領域的技術人員在理解本發明的目的之後應當明白，可以作出各種其他的變化和修改而不脫離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於控制經過開關元件與AC電源連接的負載中的電流的負載控制裝置，包括負充電電路，用於在每一周期以負方向充以所述AC電源的負半周電壓以在所述AC電源的正半周期間觸發所述元件；以及正充電電路，用於在每一周期從所述負充電電路結束負半周之時起以正方向充以所述AC電源的正半周電壓以在已充電電壓達到所述開關元件的觸發電壓時觸發所述元件。
2.按照權利要求1所述的負載控制裝置，其中所述負充電電路包括用於限制負充電電壓的限幅器電路。
3.按照權利要求1或2所述的負載控制電路，其中所述正充電電路包括恆電壓電路，用於在所述AC電源電壓低落時保持所述正充電路的正向充電電流恆定不變。
4.按照權利要求1或3所述的負載控制裝置，其中所述正充電電路包括可變一個電阻。
5.按照權利要求1或4所述的負載控制裝置，其中所述正充電電路包括以對數形式改變含所述可變電阻的電阻值在內的電阻值的電路。
6.按照權利要求1所述的負載控制裝置，其中所述開關元件由開關所述負載的電源電路用的主開關元件和接通所述主開關元件用的輔助開關元件組成。
7.按照權利要求6所述的負載控制裝置，進一步包括用於觸發所述開關元件的由所述正充電電路的充電電壓導通的觸發元件。
8.按照權利要求1所述的負載控制裝置，進一步包括給所述開關元件施加導通基準電壓的電容，其中所述負充電電路包括以用負電壓對所述電容充電的方向連接的二極體，所述正充電電路包括以用正電壓對所述電容充電的方向連接的二極體和基極端與所述開關元件的柵極端連接的電晶體。
9.按照權利要求1所述的負載控制裝置，其中所述開關元件是雙向開關元件，並且所述負載控制裝置包括第二正充電電路，用於在每一周以正方向在所述AC電源的正半周期間充電以在所述AC電源的正和負半周觸發所述雙向開關元件；以及第二負充電電路，用於在每一周從所述第二正充電電路結束正半周充電時起以負方向在所述AC電源的負半周期間充電以當已充電電壓到達所述雙向開關元件的柵極觸發電壓時觸發所述雙向開關元件。
全文摘要
一種用於控制經過轉速控制可控矽連接到AC電源的AC電動機轉速的電動機控制裝置,包括:負充電電路,用於在每一周以負方向充以AC電源的負半周電壓以在AC電源的正半周期間觸發可控矽;以及正充電電路,用於在每一周從負充電路結束負半周充電之時起以正方向充以AC電源的正半周電壓以當已充電電壓到達可控矽的觸發電壓時觸發可控矽。
文檔編號H02P25/02GK1175815SQ9711610
公開日1998年3月11日 申請日期1997年7月31日 優先權日1996年8月2日
發明者飛田孝吉, 大博之, 梶谷和則 申請人:歐姆龍公司