电插头的制作方法

专利名称：电插头的制作方法
技术领域：
本发明涉及到诸如用于装饰树的观赏灯串的小瓦数电功率需求。本发明特别涉及到对AC电源的电流进行整流和限流的集成电路。
单独的小瓦数电灯串广泛用于装饰圣诞树。尽管这种装饰物受到大众的欢迎，但是还存在着火灾的危险，每当圣诞节时都会带来灾难。这些电灯串大多需要120VAC和至少200mA的电流。考虑到安全问题，这些电灯串需要采用较粗的22规格而不是24的金属线。
除了用于圣诞树的电灯串之外，还有许多其他的用途，例如是用于需要小功率供电的装置，特别是那些使用直流(DC)电流而不是交流(AC)电流的装置，例如许多使用集成电路的装置或是使用发光二极管的计算器或装置。AC或是高电压的冲击有可能损坏这些装置。
在圣诞树装饰物的安全问题上已经作了一些尝试，其中许多包括在装饰物上安装烟火检测器。这方面的例子有授予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，在电灯串的插头中装入熔断器。然而，这些方案都没有解决此类电灯串中的所有问题。
Smith等人在US4,675,575中提出了一种采用脉冲DC功率驱动的发光二极管(LED)构成的电灯串，用家用AC电压作为DC功率的电源。用一个可控硅整流器从AC输入产生脉冲DC。
在使用更普及的白炽灯泡照亮圣诞树方面采用DC的方式并不少见。参见Wu在US5,345,147中提出的分级选择式圣诞树灯光控制器电路和Kramer在US3,789,211中提出的装饰性照明系统。然而，两者的DC电源都是与本发明无关的，仅仅被用于获得特殊的照明效果而不是为灯泡本身供电。
转而参见

图1A，1B和1C，图中表示了电压对时间的关系曲线，在图中用纵坐标表示电压，用横坐标表示时间。图1A表示交流电流(AC)，也就是说，电流的流动方向是翻转的。所谓的家用电流是在大约+60伏之间变化，并且大约是每秒60次。直流电流(DC)不会改变方向，但是幅值可能有变化。图1B和1C表示的都是DC，图1B表示半波DC，而图1C表示全波DC。图1B和1C都是脉动的DC。
采用变换器或是整流器等装置从AC产生半波和全波DC的技术是公知的。用于将AC整流成DC的装置往往是采用二极管，它是一种只能正向传导电流而不能反向传导的固态电路元件。对于图1B所示的半波整流电路来说，一个二极管就能除去负电压，仅仅留下正电压。全波整流电路需要使用两个或是四个二极管。
上述的某些专利采用了各种功能的二极管，这其中包括与电源的关系，例如Smith等人的专利。然而仍然需要有更好的方式为圣诞树电灯串这样的低瓦数装置供电。
按照本发明的最佳实施例和简要说明，本发明是一种连接到电源插座上的插头，并且包含一个用来将DC输出提供给低电流低电压负载的集成电路，这种负载例如是可以用来装饰圣诞树的电灯串。在插头内部，新颖和非显而易见的元件，及其组合件为防止电流冲击和电流泄漏提供了有效的，在某些实施例中冗余的保护，并且能减少能量消耗。另外，这种灯比AC供电的普通白炽灯泡更亮。
本发明的主要优点在于它的工作电流很小，其电流只有普通电灯串的五分之一。这种优点可以通过降低工作温度而改善安全性能，并且消耗的功率很小-大约是十分之一，考虑到这种电灯串的使用量很大，这就意味着大大地降低了费用。尽管需要的电流很小，但却改进了灯的质量并且能发出更亮的光。
本发明的另一个重要优点是电路的简化带来了低制造成本，它的造价比使用较粗规格的金属线的普通电灯串要低得多。
本发明的其它特征在于为了安全采用了一些电路元件，例如有下文中将要详细说明的专用二极管，它的工作方式就象是一个熔断器。另外，本发明还包括专用的电流检测装置，如果由于某种内部和/或外部负载条件而出现过电流状态，这种装置就能断开电路使电灯关闭，并且用二极管防止AC到达电灯。
熟悉低瓦数电源技术的人员通过参照附图仔细地阅读本发明的最佳实施例还可以看出其它的特征和优点。
在附图中图1A，1B和1C分别表示交流电流，半波脉动直流电流和全波脉动直流电流跟时间的关系曲线；图2是按照本发明第一实施例的电路图3是按照本发明的第二个可供选择的实施例的电路图；图4A和4B分别是按照本发明第三和第四个可供选择的实施例的电路图，它们分别是第一和第二实施例的变种；图5是按照本发明第五个可供选择的实施例的电路图，它是图4A所示的第三实施例的一种变种；图6是一个电路图，表示可以和图2-5所示的第一到第五任一实施例配合使用的一种电路；图7是用于墙上插座的一个插头的外部正面透视图，它包含按照本发明的一个最佳实施例的电路；以及图8是图7所示插头背面的透视图，在图中切掉了插头的一部分外壳，以便显示出内部的按照本发明的集成电路。
本发明涉及到几个方面。首先，本发明是一种适合装在一个插头中的电路，插头可以连接到电源插座上，将插头的触点插入插座的孔中，用来为诸如一串圣诞灯那样的低瓦数低电压装置供电。熟悉此类装置的技术人员显然可以看出，其它用途，特别是使用集成电路的其它用途，可以采用装在这种插头中的电路。
本发明还涉及到一种“电灯串”，这意味着有许多白炽灯泡，一系列插座之一中的每个灯泡适于为灯泡中的灯丝提供电压，通过电阻发热使其发光，用导电的线路连接每一个灯，使其在电路上与其他灯串联和/或并联，并且在电灯串的一端设有改进的插头，将插头插入输送家用电流的墙上插座，插头通过导电的线路连接到每一个灯泡。
在图2中表示了许多可供选择的优选实施例当中的一个。在图中用标号10和12表示输入；用标号20和22表示集成电路18的输出。线路中的熔断器14和16可以分别安装在输入10和12与集成电路18之间，如果是这样，每一个熔断器的额定值应该是不超过180毫安。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，并且将其提供给作为负载的电灯串28。图中所示集成电路18内部的元件最好是制成一个整体。
在集成电路18内部有两个二极管24和26。二极管24起到整流器和熔断器的作用，在此处将其称为固态整流熔断(SSRF)二极管，本发明的发明人也将其称为“Gibboney”二极管。为了限制电流，这种二极管的N结与普通二极管是不同的。如果超过了二极管24的设计电流，例如是在一周期中正向电流流动部分的电流超过了100毫安，二极管24就会按照类似于熔断器的方式断开。对二极管24的修改包括在阴极上形成多个小导电条，将它们组合起来足以承受额定电流。这些条的宽度最好大约是在1到10微米量级。二极管24可以按照一到几安培的标称额定电流来制造，但是可通过烧掉或是破坏一些导电条，将其额定值从标称额定值向下调以作特定应用。从这一点来看，它是一种可以编程的二极管。圣诞树电灯串的电流额定值可以是150毫安。
二极管26是一个普通的二极管，其额定值是熔断器14和16的峰值半周期冲击电流的100倍，使输入12到输出20的电流分流，在集成电路18发生短路时防止AC到电灯或其他负载。二极管24和26并不需要熔断器14和16，特别是不需要熔断器14，但是，为了满足现行的工业标准，在图2-6中示出了熔断器14和16。另一方面，如果用一个普通二极管代替二极管24，就仍然需要熔断器14，也可能需要熔断器16。
图3表示本发明的另一个实施例。与图2所示的实施例一样，仍然有输入10和12，输出30和32，熔断器14和16以及集成电路40。电路中还有SSRF二极管24和电阻34，36和38。电路40的输出是全波整流；然而，第二半波的幅值与第一半波相比被降低了，以便限制电流。电路40使用负半周填补在具有较低电压脉冲的正半波之间，维持灯丝不会冷却。为了获得这种效果，正半周电压通过SSRF二极管24然后到达输出30。在负半周期，电流流过电阻36，然后流过电阻34，但是电压在前两个周期之后下降，一部分电流从输出32上分出。输入周期负半波的输出电压电平是由电阻34对36的比例决定的，并且这些电阻的值决定了负载可以得到的电流量。特别是在连接到频率为50而不是60的家用电源系统上时，这一实施例能够避免图2的实施例或是其它半波实施例必然会产生的闪烁效应。
图4A和4B表示按照下述方式修改后的集成电路18和40。然而，为了便于对附图的理解，与图2和图3中相同的元件采用了相同的标号。在图4A中，在输入10和12与输出20和22之间的线路中有一个电路50。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和26之外还有一个惯用的热敏电阻52或是其它限流器件，用来随着温度或是电压改变电阻，通常其电阻随着温度的上升而增大。在超过热敏电阻52的额定电流之前，它的电阻很低。然而，一旦超过这一电流，热敏电阻52的温度就会明显地上升，而电阻也会明显增大到兆欧姆的量级，实际上断开电路。当电流被中断时，热敏电阻会在一、两秒内冷却。
图4B表示与图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相并联的一个集成电路60。电路60中包括与上述电路50中作用相同的热敏电阻52。
图5表示本发明的另一个实施例。在输入10和12，熔断器14和16，以及输出20和22之间有一个集成电路70，它与图2和4的实施例一样包含SSRF二极管24和二极管26。另外，集成电路70还具有图4A和4B实施例中的热敏电阻52。这些元件的功能与上文所述相同。集成电路70还有一个由四个标准的二极管74构成的全波整流二极管桥式电路72用来通过SSRF二极管24提供全波DC。在使用桥式电路72的情况下不需要二极管26。
另外，集成电路70的线路中有一个可编程的电压矩阵76，它是一个标准的电路元件，可以由使用者确定其输出电压，但是最好是由制造商确定这一电压。矩阵76是一个分压器或是斩波器电路，可以根据具体的电流要求而定，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，并且其频率应该低于10千赫兹。
上述的所有集成电路18，40，50，60和70都可以和一个外部的电流负载断路器80组合使用，它可以通过检测电源所提供的电流和负载的要求额检测出电路中的漏电流。断路器80的输入82和84直接连接到集成电路的各个输出20和22上。采用各自最好为一兆欧姆量级的一对良好匹配的小电阻86和88，用运算放大器90和92对流经断路器80的每个输入82和84的电流产生的电压降进行采样。运算放大器90和92的输出输入到一个加法放大器94。只要两个输入上的电流是相同的，加法放大器94上的运算放大器90和92的输出电压就是相同的，并且其输出为零。如果存在一两个毫安以下的差别，加法放大器94的输出就会达到饱和，致使控制逻辑元件96产生一个“on”输出，断开一个固态继电器或是一个诸如CMOS 98的开关装置，切断电路的电源。由于控制逻辑元件96是以至少1兆赫兹的频率对加法放大器94的输出采样的，在检测到外部电流之后只需要大约六个时钟周期或是不到一毫秒就可以切断电路。必须将装有断路器80的插头从墙上插座上拔出并且重新插入才能使其复位。断路器80可以用DC或是AC操作。
带有或是没有外部电流负载断路器的这种集成电路可以适用于普通的AC电灯串使用的各种小灯泡，例如是“微型的”C7和C9，以及其它目前仅仅用于DC场合的小灯泡，包括所谓的“米粒”灯，它的长度是1/8英寸到3/16英寸，直径是1/16英寸。
图7和8分别表示本发明的插头的前、后透视图，它适合插入普通的二孔或是三孔电源插座(未示出)中。插头100包括一个不导电的外壳110，从上面延伸出两个电触头112和114。将触头112和114插入插座上的两个孔中。按照普通技术人员公知的方式，触头114比触头112稍宽一些，以便使插头100插入电源插座时的极性总能保证是正确的。
从外壳上还延伸出连接到负载124上的一对导电的绝缘线116，118。负载124可以是一串电灯泡，或者是其它低电压低电流装置，例如是一个计算器或是LED矩阵。
外壳110的内部还有熔断器120和122，它们分别对应着上述图2中所示的集成电路18的熔断器14和16。导线118连接到熔断器122；导线116通过集成电路130连接到熔断器116。集成电路130可以由集成电路18，40，50，60或是70单独构成，或者是与断路器80组合在一起。外壳110内部的元件支撑结构最好是与其模制成一个整体，为了简化，在图8中没有表示支撑结构。
在不脱离权利要求书所限定的本发明的精神和范围的条件下还可以对上述最佳实施例进行许多修改和替代，这一点对于集成电路和低电压电源领域的普通技术人员来说是显而易见的。
权利要求
1.一种适合连接到电源插座上用于接收交流电流的插头，所述插头可以是用来为电负载提供直流电流的电路的一部分，其特征在于，所述插头包括一个外壳；第一触头和与其相对的第二触头，所述第一和所述第二触头被装在所述外壳上并且向外延伸插入电源插座，将所述插头连接到所述插座上；连接到所述外壳内部的一对导线；以及装在所述外壳内的一个二极管，用电路连接到所述第一和第二触头和所述一对导线，用来整流和限制来自所述第一和第二触头的所述交流电流，仅仅让直流电流流过所述一对导线，如果达到了一个预定的电流电平，所述二极管就会断开所述电路，停止向所述负载提供直流电流。
2.按照权利要求1所述的插头，其特征在于进一步包括连接在所述二极管和所述导线之间的装置，当所述导线被连接到所述电气负载和所述二极管时，用来检测所述导线中流动的电流之间的差别。
3.按照权利要求2所述的插头，其特征在于进一步包括响应所述检测装置的装置，用来在所述检测装置检测到差别时切断流向负载的直流电流。
4.按照权利要求1所述的插头，其特征在于进一步包括一个短路二极管，用来防止交流电流导通到负载。
5.按照权利要求1所述的插头，其特征在于进一步包括用来限制所述二极管的电流的装置。
6.按照权利要求5所述的插头，其特征在于所述限制装置是一个限流装置。
7.按照权利要求1所述的插头，其特征在于进一步包括一个全波整流桥式电路。
8.按照权利要求1所述的插头，其特征在于所述二极管在所述交流电流的每个周期中产生一个半波，所述半波具有一个第一幅值，并且进一步包括用电路连接在所述第一和第二触头与所述二极管之间的一个装置，用于在每个所述周期中产生一个第二半波，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。
9.一种电灯串，其特征在于包括多个电灯泡；多个电灯插座，所述电灯插座当中的每个电灯插座适合接收所述多个电灯泡当中的一个电灯泡；用来互连所述每个插座的电连接器；用电路连接到所述电连接器上的一个插头，所述插头具有一个外壳，由所述外壳承载的一对触头，并且适合插入一个电源插座，由所述外壳承载的一个集成电路，用电路将其连接到所述电连接器和所述一对触头，以及所述集成电路中的一个用来整流和限制交流电流的二极管，这样当所述触头被插入电源插座时通过所述电连接器向所述灯泡提供直流电流。
10.按照权利要求9所述的电灯串，其特征在于所述二极管在所述交流电流的每个周期中产生一个半波，所述半波具有一个第一幅值，并且进一步包括用电路在所述第一和第二触头与所述二极管之间连接的装置，用于在每个所述周期中产生一个第二半波，所述第二半波所具有的第二幅值低于所述第一幅值。
11.按照权利要求9所述的电灯串，其特征在于所述集成电路中进一步包括装在所述触头和所述二极管之间的一个限流装置，用来限制所述二极管的电流。
12.按照权利要求9所述的电灯串，其特征在于所述集成电路中进一步包括装在所述触头和所述二极管之间的一个热敏电阻，用来限制所述二极管的电流。
13.按照权利要求9所述的电灯串，其特征在于所述集成电路中进一步包括装在所述触头和所述二极管之间的一个桥式整流电路。
14.按照权利要求9所述的电灯串，其特征在于进一步包括连接在所述二极管和所述电连接器之间的装置，当所述导线被连接到所述电气负载和所述二极管时用来检测所述电连接器中的电流之间的差别；以及响应所述检测装置的装置，用来在所述检测装置检测到差别时切断流向负载的直流电流。
15.按照权利要求14所述的电灯串，其特征在于所述二极管在所述交流电流的每个周期中产生一个半波，所述半波具有一个第一幅值，并且进一步包括用电路连接在所述第一和第二触头与所述二极管之间的装置，用于在每个所述周期中产生一个第二半波，所述第二半波所具有的第二幅值低于所述第一幅值；以及由所述集成电路携带的装在所述触头和所述二极管之间的一个限流装置，用来限制所述二极管的电流。
16.和一种电路配合使用的一种电路元件，其特征在于所述电路元件包括具有一个阳极和一个阴极的二极管，所述阴极包括用电路彼此并联并且与所述阳极串联的多个导体，这样如果所述二极管上的电流超过了一个预定的限制，所述多个导体中至少有一些导体就会断开，从而限制通过所述导体的电流。
17.按照权利要求16所述的电路元件，其特征在于进一步包括用来断开一些所述导体，从而改变所述二极管的预定限制的装置。
18.和具有一个源极侧和一个漏极侧的电路配合使用的一种集成电路元件，所述源极侧具有第一电流，而所述漏极侧具有第二电流，其特征在于所述集成电路元件包括用来检测所述第一和所述第二电流之间差别的装置；响应所述检测装置的装置，在检测到所述差别时断开所述电路。
19.按照权利要求18所述的集成电路元件，其特征在于所述检测装置进一步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，所述运算放大器的所述输出构成所述加法放大器的所述两个输入当中的一个输入，用所述输入测量电路中的一个小电阻上的电压降，用一个运算放大器测量所述源极侧的一个电阻两端的电压变化，用另一个运算放大器测量所述漏极侧的一个电阻两端的电压变化，所述加法放大器将所述源极侧和所述漏极侧的电压加以比较。
20.按照权利要求18所述的集成电路，其特征在于所述检测装置进一步包括响应所述检测装置的逻辑装置，用来确定是否已经检测到一定的差别；以及响应所述逻辑装置的继电器装置，用于在所述逻辑装置检测到所述差别时断开所述电路。
全文摘要
一种插头(100),它适合插入一个标准电源插座,并且具有一个内置的集成电路(18),用于对从插座上接收的交流电流整流并且限制产生的直流电流。插头(100)特别适合低电流低电压的用途,例如向一串装饰灯提供DC。集成电路(18)具有一个改动了阴极的二极管(24),它在对交流电流整流时可以起到一个熔断器的作用。这种阴极是由多个并联导体构成的。过电流至少会象对普通的熔断器一样熔断一些这种导体。各种实施例还增加了其它电流限制元件,用来产生全波或是近似全波整流的元件,以及用来在检测到外来电流时断开电路的元件。
文档编号H02H9/02GK1260081SQ97182265
公开日2000年7月12日 申请日期1997年7月30日 优先权日1997年4月24日
发明者小J·W·吉邦尼 申请人:文图文研究及发展公司