TWI587614B - AC voltage adjustment device - Google Patents

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Description

交流電壓調整裝置
本發明係隸屬一種功率調整之技術領域，具體而言係指一種以橋式整流器加上單相閘來控制負載開關之交流電壓調整裝置，藉以能提供所需波型，並改善功率因數，從而增進其實用性。
按，很多使用交流電源的設備需要進行電壓或功率的調整，例如燈具之調光器、馬達之調速器、電熱設備之調溫器等。習知的調光器、調速器或調溫器之觸發電路設計有很多種，比如使用閘流元件(thyristor)，閘流元件可以是矽控整流器(SCR)、又或是三極閘流體(Triac)等等方式。而閘流元件之問世，使得早期使用電阻來改變負載電流所產生之大功耗缺點被大幅改善。
如第一圖所示，該閘流元件(11)可直接用於高功率電路中，作為調節負載(12)之交流電源(13)電流的關鍵元件，常見之應用不外乎有風扇、電熱器等。以電熱器來說，為使得其具有自動加熱或保持恆溫的功能，目前均設置有數位溫控電路調節加熱器的電流大小於加熱器係使用大功率之電源，而一般數位溫控電路的電源屬於小功率，故該數位溫控電路必須透過含有閘流元件(11)之功率調整模組與加熱器的交流電源迴路串聯，如此只要適當觸發功率調整模組之觸發端，即能控制其導通角大小，進而決定加熱器電流大小及加熱溫度的高低。
然而常見功率調模組包含有一類比觸發電路(15)，令該類比觸發電路(15)觸發該閘流元件(11)，因此功率調模組必須由類比觸發訊號加以驅動而觸發閘流元件(11)，由於該數位溫控電路無法直接驅動功率調整模組，而必須加設一高成本之數位類比轉換器才能轉換為高精準度的類比觸發訊號，而有效地控制加熱器的電流大小，因此不僅成本增高，且對於電路配置成本亦相對增加，有必要謀求解決方案。
另外，如第二、三圖所示，一般的交流電源(AC)的波型為正弦波(SIN wave)，需要使用電子零件控制負載開關，或功率比例(%)，通常係使用前述之閘流元件【如矽控整流器(SCR)或三極閘流體(Triac)】來控制負載，如要調整功率消耗比例，則要以相位切割方式來控制，例如第二圖是導通時間2ms的狀態，而第三圖是導通時間8ms的狀態，但是這類作法會更變原本交流電源的波型，變為不完整的正弦波，導致功率因數降低，同時由於需要計算導通角度，因此比例控制也較不容易；換言之，由於現有使用閘流元件【如矽控整流器(SCR)或是三極閘流體(Triac)】來做電壓或功率調整的做法分別存在有電路配置較複雜、成本高及控制不易等問題，造成功率因數不佳，且會造成電費增加，進一步甚至會造成電力設備受損，故有待進一步之改善。
基於上述習知交流電源之電壓或功率調整之缺點，本發明人乃秉持多年相關技術領域之開發及製作經驗，並針對現有交流電壓調整裝置的缺失予以研究改良，經長期不斷的試作，終於成功提供一種交流電壓調整裝置，以期克服現有調整效果不彰所造成的不便。
因此，本發明之主要目的係在提供一種架構簡單之交流電壓調整裝置，藉以能進行交流賈壓或電流的調節，而不需作相位切割，提升功率因數，有效的降低電費與設備受損的機率。
又，本發明之再一主要目的係在提供一種應用更為靈活之交流電壓調整裝置，能力便且容易地供數位控制電路調整負載的功率大小，藉以能增進其實用性。
而本發明主要係透過下列的技術手段，來具體實現前述的目的與效能：其包含有：一脈衝寬度調變器；一單向閘流體，其與脈衝寬度調變器連接；一橋式整流器，其電源輸入端與一交流電源連接，且該橋式整流器之交流輸出端並與一負載形成電氣連接，該負載另端則連接交流電源形成電氣迴路，又該橋式整流器之直流輸出端連接該脈衝寬度調變器與該單向閘流體，再者該橋式整流器之訊號輸入端並與前述之單向閘流體輸出端連接。
藉此，透過上述技術手段的具體實現，讓本發明交流電壓調整裝置可利用橋式整流器和負載串連，並在橋式整流器的直流輸出端加上單向閘流體，來控制負載(90)開關，使用高於交流電源頻率之脈衝寬度調變器來控制單向閘流體以調整負載功率比例，比例控制較為容易，能夠節省成本及配線時間，而同樣達到節能效果；又配合零相位檢知電路設計，更可避免單向閘流體於電源高壓時間點導通，單向閘流體的使用壽命可以增長，並增進操作的便利性，故本發明之交流電壓調整裝置在『提高功率因數、靈活性及實用性』等方面較現有者更具功效增進。
為使 貴審查委員能進一步了解本發明的構成、特徵及其他目的，以下乃舉本發明之若干較佳實施例，並配合圖式 詳細說明如后，同時讓熟悉該項技術領域者能夠依據本說明書具體實施。
(11)‧‧‧閘流元件
(12)‧‧‧負載
(13)‧‧‧交流電源
(15)‧‧‧類比觸發電路
(50)‧‧‧脈衝寬度調變器
(55)‧‧‧單向閘流體
(56)‧‧‧第一高頻濾波器
(60)‧‧‧橋式整流器
(62)‧‧‧第二高頻濾波器
(80)‧‧‧交流電源
(85)‧‧‧電源濾波器
(90)‧‧‧負載
第一圖：係習式之矽控整流器開關及相位切割的控制示意圖。
第二~三圖：係習式之矽控整流器的不間導通時間的波型切割示意圖。
第四圖：係本發明交流電壓調整裝置的架構示意圖。
第五圖：係本發明交流電壓調整裝置較佳實施例的電路配置示意圖，供說明各元件之態樣及其相對關係。
第六圖：係本發明交流電壓調整裝置另一較佳實施例的電路配置示意圖。
本發明係一種交流電壓調整裝置，隨附圖例示本發明之具體實施例及其構件中，所有關於前與後、左與右、頂部與底部、上部與下部、以及水平與垂直的參考，僅用於方便進行描述，並非限制本發明，亦非將其構件限制於任何位置或空間方向。圖式與說明書中所指定的尺寸，當可在不離開本發明之申請專利範圍內，根據本發明之具體實施例的設計與需求而進行變化。
而關於本發明交流電壓調整裝置的架構，則係如第四圖所揭示者，其至少包含有一脈衝寬度調變器(50)【Pulse Width Modulation，PWM】、一單向閘流體(55)及一橋式整流器(60)，供與一交流電源(80)及一負載(90)形成電氣連接；至於本發明交流電壓調整裝置的較佳實施例，則係 如第四、五圖所示，該脈衝寬度調變器(50)是將類比信號轉換為脈波的一種元件，其脈波的占空比會依類比信號的大小而改變，且該脈衝寬度調變器(50)具有大於交流電源頻率之頻率控制功能或單純交流電源開關功能，該脈衝寬度調變器(50)的其中一訊號輸出端並與前述之單向閘流體(55)的訊號輸入端連接，且該單向閘流體(55)可以選自電晶體【bipolar junction transistor，BJT】、金氧場效應電晶體(MOSFET)、或閘極絕緣雙接面電晶體(IGBT)，又該單向閘流體(55)的輸出端並透過至少一第一高頻濾波器(56)連接至前述橋式整流器(60)的訊號輸入端，且單向閘流體(55)的電源輸入端並透過前述之第一高頻濾波器(56)連接橋式整流器(60)的直流輸出端，而該橋式整流器(60)的交流輸出端進一步透過至少一第二高頻濾波器(62)連接負載(90)，又負載(90)係透過一電源濾波器(85)連接至該交流電源(80)，再者該交流電源(80)並連接至橋式整流器(60)的電源輸入端。又其中第一、二高頻濾波器(56、62)及電源濾波器(85)係由複數電感器(inductor)與複數電容器(Capacitor)並聯而成；如此一來本發明可透過脈衝寬度調變器(50)來控制單向閘流體(55)，以調整負載(90)功率比例，且利用第一、二高頻濾波器(56、62)及電源濾波器(85)使輸出波型仍為正弦波，以此方式制作出的變壓器、又或功率調整器，並可以透過數位方式線性控制該脈衝寬度調變器(50)，而達到數位調整交流電輸出之目的，使本發明之應用更為靈活。
藉此，讓組構成一靈活性佳、且不需作相位切割的交流電壓調整裝置者。
透過上述的結構設計，本發明於實際使用時，則係 如第四、五圖所示，於實際操作上，操作人員可透過線上數位作動或直接手動操控該脈衝寬度調變器(50)的方式，利用該脈衝寬度調變器(50)的頻率控制功能，控制該單向閘流體(55)進行負載(90)功率比例的調整，且使輸出波型仍為正弦波，而不需利用相位切割方式控制，進一步達到數位調整交流電輸出之目的，使本發明之應用更為靈活。
又當本發明應用於非高頻電路中時，則如第六圖所示，其中該單向閘流體(55)之輸出、入端可直接分別連接該橋式整流器(60)之輸入、出端，又該橋式整流器(60)之其他輸入、出端則分別直接連接交流電源(80)與負載(90)，如此一來本發明一樣可透過脈衝寬度調變器(50)來控制單向閘流體(55)，以調整負載(90)功率比例。
經由前述之說明，本發明之交流電壓調整裝置改用橋式整流器(60)和負載(90)串連，並在橋式整流器(60)的直流輸出端加上單向閘流體(55)，來控制負載(90)開關，使用高於交流電源頻率之脈衝寬度調變器(50)來控制單向閘流體(55)以調整負載功率比例，比例控制較為容易，如加上第一、二高頻濾波器(56、62)濾除較高頻率部分，則輸出波型仍為正弦波。再者，本發明可直接供數位控制電路使用，不必採用額外的數位類比轉換器來控制閘流元件的導通角大小，能夠節省成本及配線時間，而同樣達到節能效果；又，配合零相位檢知電路設計，更可避免單向閘流體(55)於電源高壓時間點導通，單向閘流體(55)的使用壽命可以增長；另外，本發明可以更細膩的輸出比率控制(可程式化)，或單純只做開關使用。又電源濾波後，輸入電壓、電流依舊可以維持SIN波，有效改善功率因數，使本發明之調整更為靈 活，且更具實用性。
藉此，可以理解到本發明為一創意極佳之發明，除了有效解決習式者所面臨的問題，更大幅增進功效，且在相同的技術領域中未見相同或近似的產品發明或公開使用，同時具有功效的增進，故本發明已符合發明專利有關「新穎性」與「進步性」的要件，乃依法提出申請發明專利。
(50)‧‧‧脈衝寬度調變器
(55)‧‧‧單向閘流體
(56)‧‧‧第一高頻濾波器
(60)‧‧‧橋式整流器
(62)‧‧‧第二高頻濾波器
(80)‧‧‧交流電源
(85)‧‧‧電源濾波器
(90)‧‧‧負載

Claims (9)

  1. 一種交流電壓調整裝置，其包含有：一脈衝寬度調變器；一單向閘流體，其與脈衝寬度調變器連接；一橋式整流器，其電源輸入端與一交流電源連接，且該橋式整流器之交流輸出端並與一負載形成電氣連接，該負載另端則連接交流電源形成電氣迴路，又該橋式整流器之直流輸出端連接該脈衝寬度調變器與該單向閘流體，再者該橋式整流器之訊號輸入端並與前述之單向閘流體輸出端連接；藉此，透過該脈衝寬度調變器來控制單向閘流體，以調整負載功率比例。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之交流電壓調整裝置，其中該交流電壓調整裝置可以透過數位方式線性控制該脈衝寬度調變器，而達到數位調整交流電輸出之目的。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之交流電壓調整裝置，其中該單向閘流體可以選自電晶體(bipolar junction transistor，BJT)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之交流電壓調整裝置，其中該單向閘流體可以選自金氧場效應電晶體(MOSFET)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之交流電壓調整裝置，其中該單向閘流體可以選自閘極絕緣雙接面電晶體(IGBT)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之交流電壓調整裝置，其中該單向閘流體與橋式整流器間設有至少一第一高頻濾波器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之交流電壓調整裝置，其中該橋式整流器與負載間設有至少一第二高頻濾波器。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之交流電壓調整裝置，其中該交流電源設有一電源濾波器。
  9. 如申請專利範圍第6或7或8項所述之交流電壓調整裝置，其中該等濾波器係由至少一電感器與至少一電容器並聯而成。
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