專利名稱：電插頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到諸如用于裝飾樹的觀賞燈串的小瓦數(shù)電功率需求。本發(fā)明特別涉及到對AC電源的電流進行整流和限流的集成電路。
單獨的小瓦數(shù)電燈串廣泛用于裝飾圣誕樹。盡管這種裝飾物受到大眾的歡迎，但是還存在著火災(zāi)的危險，每當(dāng)圣誕節(jié)時都會帶來災(zāi)難。這些電燈串大多需要120VAC和至少200mA的電流?？紤]到安全問題，這些電燈串需要采用較粗的22規(guī)格而不是24的金屬線。
除了用于圣誕樹的電燈串之外，還有許多其他的用途，例如是用于需要小功率供電的裝置，特別是那些使用直流(DC)電流而不是交流(AC)電流的裝置，例如許多使用集成電路的裝置或是使用發(fā)光二極管的計算器或裝置。AC或是高電壓的沖擊有可能損壞這些裝置。
在圣誕樹裝飾物的安全問題上已經(jīng)作了一些嘗試，其中許多包括在裝飾物上安裝煙火檢測器。這方面的例子有授予White的US4,075,614和授予Bridges的US5,396,221。按照Cheng在US4,227,228中和Lehmann等人在US3,968,398中提出的方案，在電燈串的插頭中裝入熔斷器。然而，這些方案都沒有解決此類電燈串中的所有問題。
Smith等人在US4,675,575中提出了一種采用脈沖DC功率驅(qū)動的發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成的電燈串，用家用AC電壓作為DC功率的電源。用一個可控硅整流器從AC輸入產(chǎn)生脈沖DC。
在使用更普及的白熾燈泡照亮圣誕樹方面采用DC的方式并不少見。參見Wu在US5,345,147中提出的分級選擇式圣誕樹燈光控制器電路和Kramer在US3,789,211中提出的裝飾性照明系統(tǒng)。然而，兩者的DC電源都是與本發(fā)明無關(guān)的，僅僅被用于獲得特殊的照明效果而不是為燈泡本身供電。
轉(zhuǎn)而參見

圖1A，1B和1C，圖中表示了電壓對時間的關(guān)系曲線，在圖中用縱坐標(biāo)表示電壓，用橫坐標(biāo)表示時間。圖1A表示交流電流(AC)，也就是說，電流的流動方向是翻轉(zhuǎn)的。所謂的家用電流是在大約+60伏之間變化，并且大約是每秒60次。直流電流(DC)不會改變方向，但是幅值可能有變化。圖1B和1C表示的都是DC，圖1B表示半波DC，而圖1C表示全波DC。圖1B和1C都是脈動的DC。
采用變換器或是整流器等裝置從AC產(chǎn)生半波和全波DC的技術(shù)是公知的。用于將AC整流成DC的裝置往往是采用二極管，它是一種只能正向傳導(dǎo)電流而不能反向傳導(dǎo)的固態(tài)電路元件。對于圖1B所示的半波整流電路來說，一個二極管就能除去負(fù)電壓，僅僅留下正電壓。全波整流電路需要使用兩個或是四個二極管。
上述的某些專利采用了各種功能的二極管，這其中包括與電源的關(guān)系，例如Smith等人的專利。然而仍然需要有更好的方式為圣誕樹電燈串這樣的低瓦數(shù)裝置供電。
按照本發(fā)明的最佳實施例和簡要說明，本發(fā)明是一種連接到電源插座上的插頭，并且包含一個用來將DC輸出提供給低電流低電壓負(fù)載的集成電路，這種負(fù)載例如是可以用來裝飾圣誕樹的電燈串。在插頭內(nèi)部，新穎和非顯而易見的元件，及其組合件為防止電流沖擊和電流泄漏提供了有效的，在某些實施例中冗余的保護，并且能減少能量消耗。另外，這種燈比AC供電的普通白熾燈泡更亮。
本發(fā)明的主要優(yōu)點在于它的工作電流很小，其電流只有普通電燈串的五分之一。這種優(yōu)點可以通過降低工作溫度而改善安全性能，并且消耗的功率很小-大約是十分之一，考慮到這種電燈串的使用量很大，這就意味著大大地降低了費用。盡管需要的電流很小，但卻改進了燈的質(zhì)量并且能發(fā)出更亮的光。
本發(fā)明的另一個重要優(yōu)點是電路的簡化帶來了低制造成本，它的造價比使用較粗規(guī)格的金屬線的普通電燈串要低得多。
本發(fā)明的其它特征在于為了安全采用了一些電路元件，例如有下文中將要詳細(xì)說明的專用二極管，它的工作方式就象是一個熔斷器。另外，本發(fā)明還包括專用的電流檢測裝置，如果由于某種內(nèi)部和/或外部負(fù)載條件而出現(xiàn)過電流狀態(tài)，這種裝置就能斷開電路使電燈關(guān)閉，并且用二極管防止AC到達電燈。
熟悉低瓦數(shù)電源技術(shù)的人員通過參照附圖仔細(xì)地閱讀本發(fā)明的最佳實施例還可以看出其它的特征和優(yōu)點。
在附圖中圖1A，1B和1C分別表示交流電流，半波脈動直流電流和全波脈動直流電流跟時間的關(guān)系曲線；圖2是按照本發(fā)明第一實施例的電路圖3是按照本發(fā)明的第二個可供選擇的實施例的電路圖；圖4A和4B分別是按照本發(fā)明第三和第四個可供選擇的實施例的電路圖，它們分別是第一和第二實施例的變種；圖5是按照本發(fā)明第五個可供選擇的實施例的電路圖，它是圖4A所示的第三實施例的一種變種；圖6是一個電路圖，表示可以和圖2-5所示的第一到第五任一實施例配合使用的一種電路；圖7是用于墻上插座的一個插頭的外部正面透視圖，它包含按照本發(fā)明的一個最佳實施例的電路；以及圖8是圖7所示插頭背面的透視圖，在圖中切掉了插頭的一部分外殼，以便顯示出內(nèi)部的按照本發(fā)明的集成電路。
本發(fā)明涉及到幾個方面。首先，本發(fā)明是一種適合裝在一個插頭中的電路，插頭可以連接到電源插座上，將插頭的觸點插入插座的孔中，用來為諸如一串圣誕燈那樣的低瓦數(shù)低電壓裝置供電。熟悉此類裝置的技術(shù)人員顯然可以看出，其它用途，特別是使用集成電路的其它用途，可以采用裝在這種插頭中的電路。
本發(fā)明還涉及到一種“電燈串”，這意味著有許多白熾燈泡，一系列插座之一中的每個燈泡適于為燈泡中的燈絲提供電壓，通過電阻發(fā)熱使其發(fā)光，用導(dǎo)電的線路連接每一個燈，使其在電路上與其他燈串聯(lián)和/或并聯(lián)，并且在電燈串的一端設(shè)有改進的插頭，將插頭插入輸送家用電流的墻上插座，插頭通過導(dǎo)電的線路連接到每一個燈泡。
在圖2中表示了許多可供選擇的優(yōu)選實施例當(dāng)中的一個。在圖中用標(biāo)號10和12表示輸入；用標(biāo)號20和22表示集成電路18的輸出。線路中的熔斷器14和16可以分別安裝在輸入10和12與集成電路18之間，如果是這樣，每一個熔斷器的額定值應(yīng)該是不超過180毫安。集成電路18的輸出是從120伏AC輸入獲得的半波的54伏整流DC，并且將其提供給作為負(fù)載的電燈串28。圖中所示集成電路18內(nèi)部的元件最好是制成一個整體。
在集成電路18內(nèi)部有兩個二極管24和26。二極管24起到整流器和熔斷器的作用，在此處將其稱為固態(tài)整流熔斷(SSRF)二極管，本發(fā)明的發(fā)明人也將其稱為“Gibboney”二極管。為了限制電流，這種二極管的N結(jié)與普通二極管是不同的。如果超過了二極管24的設(shè)計電流，例如是在一周期中正向電流流動部分的電流超過了100毫安，二極管24就會按照類似于熔斷器的方式斷開。對二極管24的修改包括在陰極上形成多個小導(dǎo)電條，將它們組合起來足以承受額定電流。這些條的寬度最好大約是在1到10微米量級。二極管24可以按照一到幾安培的標(biāo)稱額定電流來制造，但是可通過燒掉或是破壞一些導(dǎo)電條，將其額定值從標(biāo)稱額定值向下調(diào)以作特定應(yīng)用。從這一點來看，它是一種可以編程的二極管。圣誕樹電燈串的電流額定值可以是150毫安。
二極管26是一個普通的二極管，其額定值是熔斷器14和16的峰值半周期沖擊電流的100倍，使輸入12到輸出20的電流分流，在集成電路18發(fā)生短路時防止AC到電燈或其他負(fù)載。二極管24和26并不需要熔斷器14和16，特別是不需要熔斷器14，但是，為了滿足現(xiàn)行的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在圖2-6中示出了熔斷器14和16。另一方面，如果用一個普通二極管代替二極管24，就仍然需要熔斷器14，也可能需要熔斷器16。
圖3表示本發(fā)明的另一個實施例。與圖2所示的實施例一樣，仍然有輸入10和12，輸出30和32，熔斷器14和16以及集成電路40。電路中還有SSRF二極管24和電阻34，36和38。電路40的輸出是全波整流；然而，第二半波的幅值與第一半波相比被降低了，以便限制電流。電路40使用負(fù)半周填補在具有較低電壓脈沖的正半波之間，維持燈絲不會冷卻。為了獲得這種效果，正半周電壓通過SSRF二極管24然后到達輸出30。在負(fù)半周期，電流流過電阻36，然后流過電阻34，但是電壓在前兩個周期之后下降，一部分電流從輸出32上分出。輸入周期負(fù)半波的輸出電壓電平是由電阻34對36的比例決定的，并且這些電阻的值決定了負(fù)載可以得到的電流量。特別是在連接到頻率為50而不是60的家用電源系統(tǒng)上時，這一實施例能夠避免圖2的實施例或是其它半波實施例必然會產(chǎn)生的閃爍效應(yīng)。
圖4A和4B表示按照下述方式修改后的集成電路18和40。然而，為了便于對附圖的理解，與圖2和圖3中相同的元件采用了相同的標(biāo)號。在圖4A中，在輸入10和12與輸出20和22之間的線路中有一個電路50。二極管24和26在電路50中的功能與其在電路18中的功能一樣。然而，除了二極管24和26之外還有一個慣用的熱敏電阻52或是其它限流器件，用來隨著溫度或是電壓改變電阻，通常其電阻隨著溫度的上升而增大。在超過熱敏電阻52的額定電流之前，它的電阻很低。然而，一旦超過這一電流，熱敏電阻52的溫度就會明顯地上升，而電阻也會明顯增大到兆歐姆的量級，實際上斷開電路。當(dāng)電流被中斷時，熱敏電阻會在一、兩秒內(nèi)冷卻。
圖4B表示與圖3中包括輸入10和12，輸出30和32，二極管24，電阻34，36和38的電路40相并聯(lián)的一個集成電路60。電路60中包括與上述電路50中作用相同的熱敏電阻52。
圖5表示本發(fā)明的另一個實施例。在輸入10和12，熔斷器14和16，以及輸出20和22之間有一個集成電路70，它與圖2和4的實施例一樣包含SSRF二極管24和二極管26。另外，集成電路70還具有圖4A和4B實施例中的熱敏電阻52。這些元件的功能與上文所述相同。集成電路70還有一個由四個標(biāo)準(zhǔn)的二極管74構(gòu)成的全波整流二極管橋式電路72用來通過SSRF二極管24提供全波DC。在使用橋式電路72的情況下不需要二極管26。
另外，集成電路70的線路中有一個可編程的電壓矩陣76，它是一個標(biāo)準(zhǔn)的電路元件，可以由使用者確定其輸出電壓，但是最好是由制造商確定這一電壓。矩陣76是一個分壓器或是斬波器電路，可以根據(jù)具體的電流要求而定，這是本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的。圣誕樹電燈串最好是采用斬波器電路，并且其頻率應(yīng)該低于10千赫茲。
上述的所有集成電路18，40，50，60和70都可以和一個外部的電流負(fù)載斷路器80組合使用，它可以通過檢測電源所提供的電流和負(fù)載的要求額檢測出電路中的漏電流。斷路器80的輸入82和84直接連接到集成電路的各個輸出20和22上。采用各自最好為一兆歐姆量級的一對良好匹配的小電阻86和88，用運算放大器90和92對流經(jīng)斷路器80的每個輸入82和84的電流產(chǎn)生的電壓降進行采樣。運算放大器90和92的輸出輸入到一個加法放大器94。只要兩個輸入上的電流是相同的，加法放大器94上的運算放大器90和92的輸出電壓就是相同的，并且其輸出為零。如果存在一兩個毫安以下的差別，加法放大器94的輸出就會達到飽和，致使控制邏輯元件96產(chǎn)生一個“on”輸出，斷開一個固態(tài)繼電器或是一個諸如CMOS 98的開關(guān)裝置，切斷電路的電源。由于控制邏輯元件96是以至少1兆赫茲的頻率對加法放大器94的輸出采樣的，在檢測到外部電流之后只需要大約六個時鐘周期或是不到一毫秒就可以切斷電路。必須將裝有斷路器80的插頭從墻上插座上拔出并且重新插入才能使其復(fù)位。斷路器80可以用DC或是AC操作。
帶有或是沒有外部電流負(fù)載斷路器的這種集成電路可以適用于普通的AC電燈串使用的各種小燈泡，例如是“微型的”C7和C9，以及其它目前僅僅用于DC場合的小燈泡，包括所謂的“米粒”燈，它的長度是1/8英寸到3/16英寸，直徑是1/16英寸。
圖7和8分別表示本發(fā)明的插頭的前、后透視圖，它適合插入普通的二孔或是三孔電源插座(未示出)中。插頭100包括一個不導(dǎo)電的外殼110，從上面延伸出兩個電觸頭112和114。將觸頭112和114插入插座上的兩個孔中。按照普通技術(shù)人員公知的方式，觸頭114比觸頭112稍寬一些，以便使插頭100插入電源插座時的極性總能保證是正確的。
從外殼上還延伸出連接到負(fù)載124上的一對導(dǎo)電的絕緣線116，118。負(fù)載124可以是一串電燈泡，或者是其它低電壓低電流裝置，例如是一個計算器或是LED矩陣。
外殼110的內(nèi)部還有熔斷器120和122，它們分別對應(yīng)著上述圖2中所示的集成電路18的熔斷器14和16。導(dǎo)線118連接到熔斷器122；導(dǎo)線116通過集成電路130連接到熔斷器116。集成電路130可以由集成電路18，40，50，60或是70單獨構(gòu)成，或者是與斷路器80組合在一起。外殼110內(nèi)部的元件支撐結(jié)構(gòu)最好是與其模制成一個整體，為了簡化，在圖8中沒有表示支撐結(jié)構(gòu)。
在不脫離權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍的條件下還可以對上述最佳實施例進行許多修改和替代，這一點對于集成電路和低電壓電源領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種適合連接到電源插座上用于接收交流電流的插頭，所述插頭可以是用來為電負(fù)載提供直流電流的電路的一部分，其特征在于，所述插頭包括一個外殼；第一觸頭和與其相對的第二觸頭，所述第一和所述第二觸頭被裝在所述外殼上并且向外延伸插入電源插座，將所述插頭連接到所述插座上；連接到所述外殼內(nèi)部的一對導(dǎo)線；以及裝在所述外殼內(nèi)的一個二極管，用電路連接到所述第一和第二觸頭和所述一對導(dǎo)線，用來整流和限制來自所述第一和第二觸頭的所述交流電流，僅僅讓直流電流流過所述一對導(dǎo)線，如果達到了一個預(yù)定的電流電平，所述二極管就會斷開所述電路，停止向所述負(fù)載提供直流電流。
2.按照權(quán)利要求1所述的插頭，其特征在于進一步包括連接在所述二極管和所述導(dǎo)線之間的裝置，當(dāng)所述導(dǎo)線被連接到所述電氣負(fù)載和所述二極管時，用來檢測所述導(dǎo)線中流動的電流之間的差別。
3.按照權(quán)利要求2所述的插頭，其特征在于進一步包括響應(yīng)所述檢測裝置的裝置，用來在所述檢測裝置檢測到差別時切斷流向負(fù)載的直流電流。
4.按照權(quán)利要求1所述的插頭，其特征在于進一步包括一個短路二極管，用來防止交流電流導(dǎo)通到負(fù)載。
5.按照權(quán)利要求1所述的插頭，其特征在于進一步包括用來限制所述二極管的電流的裝置。
6.按照權(quán)利要求5所述的插頭，其特征在于所述限制裝置是一個限流裝置。
7.按照權(quán)利要求1所述的插頭，其特征在于進一步包括一個全波整流橋式電路。
8.按照權(quán)利要求1所述的插頭，其特征在于所述二極管在所述交流電流的每個周期中產(chǎn)生一個半波，所述半波具有一個第一幅值，并且進一步包括用電路連接在所述第一和第二觸頭與所述二極管之間的一個裝置，用于在每個所述周期中產(chǎn)生一個第二半波，所述第二半波所具有的第二幅值等于或是低于所述第一幅值。
9.一種電燈串，其特征在于包括多個電燈泡；多個電燈插座，所述電燈插座當(dāng)中的每個電燈插座適合接收所述多個電燈泡當(dāng)中的一個電燈泡；用來互連所述每個插座的電連接器；用電路連接到所述電連接器上的一個插頭，所述插頭具有一個外殼，由所述外殼承載的一對觸頭，并且適合插入一個電源插座，由所述外殼承載的一個集成電路，用電路將其連接到所述電連接器和所述一對觸頭，以及所述集成電路中的一個用來整流和限制交流電流的二極管，這樣當(dāng)所述觸頭被插入電源插座時通過所述電連接器向所述燈泡提供直流電流。
10.按照權(quán)利要求9所述的電燈串，其特征在于所述二極管在所述交流電流的每個周期中產(chǎn)生一個半波，所述半波具有一個第一幅值，并且進一步包括用電路在所述第一和第二觸頭與所述二極管之間連接的裝置，用于在每個所述周期中產(chǎn)生一個第二半波，所述第二半波所具有的第二幅值低于所述第一幅值。
11.按照權(quán)利要求9所述的電燈串，其特征在于所述集成電路中進一步包括裝在所述觸頭和所述二極管之間的一個限流裝置，用來限制所述二極管的電流。
12.按照權(quán)利要求9所述的電燈串，其特征在于所述集成電路中進一步包括裝在所述觸頭和所述二極管之間的一個熱敏電阻，用來限制所述二極管的電流。
13.按照權(quán)利要求9所述的電燈串，其特征在于所述集成電路中進一步包括裝在所述觸頭和所述二極管之間的一個橋式整流電路。
14.按照權(quán)利要求9所述的電燈串，其特征在于進一步包括連接在所述二極管和所述電連接器之間的裝置，當(dāng)所述導(dǎo)線被連接到所述電氣負(fù)載和所述二極管時用來檢測所述電連接器中的電流之間的差別；以及響應(yīng)所述檢測裝置的裝置，用來在所述檢測裝置檢測到差別時切斷流向負(fù)載的直流電流。
15.按照權(quán)利要求14所述的電燈串，其特征在于所述二極管在所述交流電流的每個周期中產(chǎn)生一個半波，所述半波具有一個第一幅值，并且進一步包括用電路連接在所述第一和第二觸頭與所述二極管之間的裝置，用于在每個所述周期中產(chǎn)生一個第二半波，所述第二半波所具有的第二幅值低于所述第一幅值；以及由所述集成電路攜帶的裝在所述觸頭和所述二極管之間的一個限流裝置，用來限制所述二極管的電流。
16.和一種電路配合使用的一種電路元件，其特征在于所述電路元件包括具有一個陽極和一個陰極的二極管，所述陰極包括用電路彼此并聯(lián)并且與所述陽極串聯(lián)的多個導(dǎo)體，這樣如果所述二極管上的電流超過了一個預(yù)定的限制，所述多個導(dǎo)體中至少有一些導(dǎo)體就會斷開，從而限制通過所述導(dǎo)體的電流。
17.按照權(quán)利要求16所述的電路元件，其特征在于進一步包括用來斷開一些所述導(dǎo)體，從而改變所述二極管的預(yù)定限制的裝置。
18.和具有一個源極側(cè)和一個漏極側(cè)的電路配合使用的一種集成電路元件，所述源極側(cè)具有第一電流，而所述漏極側(cè)具有第二電流，其特征在于所述集成電路元件包括用來檢測所述第一和所述第二電流之間差別的裝置；響應(yīng)所述檢測裝置的裝置，在檢測到所述差別時斷開所述電路。
19.按照權(quán)利要求18所述的集成電路元件，其特征在于所述檢測裝置進一步包括具有兩個輸入端的加法放大器；兩個運算放大器，每個運算放大器具有兩個輸入和一個輸出，所述運算放大器的所述輸出構(gòu)成所述加法放大器的所述兩個輸入當(dāng)中的一個輸入，用所述輸入測量電路中的一個小電阻上的電壓降，用一個運算放大器測量所述源極側(cè)的一個電阻兩端的電壓變化，用另一個運算放大器測量所述漏極側(cè)的一個電阻兩端的電壓變化，所述加法放大器將所述源極側(cè)和所述漏極側(cè)的電壓加以比較。
20.按照權(quán)利要求18所述的集成電路，其特征在于所述檢測裝置進一步包括響應(yīng)所述檢測裝置的邏輯裝置，用來確定是否已經(jīng)檢測到一定的差別；以及響應(yīng)所述邏輯裝置的繼電器裝置，用于在所述邏輯裝置檢測到所述差別時斷開所述電路。
全文摘要
一種插頭(100),它適合插入一個標(biāo)準(zhǔn)電源插座,并且具有一個內(nèi)置的集成電路(18),用于對從插座上接收的交流電流整流并且限制產(chǎn)生的直流電流。插頭(100)特別適合低電流低電壓的用途,例如向一串裝飾燈提供DC。集成電路(18)具有一個改動了陰極的二極管(24),它在對交流電流整流時可以起到一個熔斷器的作用。這種陰極是由多個并聯(lián)導(dǎo)體構(gòu)成的。過電流至少會象對普通的熔斷器一樣熔斷一些這種導(dǎo)體。各種實施例還增加了其它電流限制元件,用來產(chǎn)生全波或是近似全波整流的元件,以及用來在檢測到外來電流時斷開電路的元件。
文檔編號H02H9/02GK1260081SQ97182265
公開日2000年7月12日 申請日期1997年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月24日
發(fā)明者小J·W·吉邦尼 申請人:文圖文研究及發(fā)展公司