专利名称：带灯丝分路的串联连接灯串的制作方法
灯串最普通用途之一是装饰和显示，尤其是在圣诞节和其他节日期间，用于装饰圣诞树和其它物品。或许是当前市场上最普及的灯具且具有广泛的用途，这种灯具包括一组或多组灯串，每组灯串有五十个小灯泡，每个小灯泡的额定工作电压一般为2.5V，这些灯泡的灯丝连接成串联电路。如果需要的整个灯具超过五十个灯泡，通常的做法是安排成多组五十个灯泡的灯串，每组灯串的灯泡串联连接，多组灯串连接成并联电路。由于每组灯串中各个灯泡串联连接，当一个灯泡由于某种原因不能照明时，整个灯串就不能发光，找到并替换有故障的灯泡是令人非常困惑和耗时的。往往在找到失效的灯泡之前不得不检查许多灯泡。事实上，在很多情况下，这种困惑和耗时是太大了，以致于人们在重新使用这种失效的灯串之前，就把这些灯串丢弃了，用新的灯串替换。当多个灯泡由于多种原因同时不能照明时，问题就变得更加复杂了，这些原因有一个或几个失效的灯泡，一个或几个不稳定的灯座连接，或一个或几个灯泡从其相应的灯座上脱落，等等。
目前市场上有多种装置和设备，用电学方法测试从灯座上卸下来的各个灯泡。市场上还有测试圣诞树灯泡的设备，把交流线电压传感器实际地放在待测具体灯泡的邻近。然而，这种设备只是电磁场强度检测设备，当待测的圣诞树具体灯泡位于此圣诞树另一个或几个灯泡邻近时，此设备可能总是指出“接通”状况。
事实上，灯泡制造商也企图解决坏灯泡的检测问题，不管什么原因造成灯泡烧坏时，灯串中每个烧坏灯泡设计成其灯丝形成短路，从而避免烧坏灯泡的灯座上形成开路的状况。然而，在实践中发现，灯泡内部的这种短路特征并不总是按照设想的方式形成，当一个灯泡烧坏时，整个灯串都熄灭。
在与本申请同一个申请人的专利申请序列号为08/335,506，申请日期为1994年11月7日，标题为“圣诞树灯具组的电路测试器”中，披露了一种新型的手持和电池供电设备，这种设备能够测试灯串中每个灯泡而不需要把灯泡从灯座上卸下来，从而方便地找到使整串灯泡熄灭的那个烧坏灯泡。
尽管上述的各种方法取得了某些成功，但是还没有哪一个设备和方法能够进一步解决整个灯串熄灭的其他问题，灯串熄灭的原因有失效的灯座，灯泡在灯座中安装不适当，灯泡中断折的灯丝，或当灯泡是有意地从其灯座上卸下或当挂在圣诞树上之后由于搬运灯泡仅仅从其灯座上脱离，尤其是在室外安装受到风或其他天气条件下造成的。
为了在由于某个原因造成一个或几个灯泡烧坏时保护其余灯泡免遭烧坏，专利4,450,382利用齐纳(Zener)二极管与每个串联的直流灯泡并联，这些灯泡用在卡车和其他车辆上，尤其是用在军用牵引车上。其中据称，利用单个或多个并联齐纳二极管并不保护额定电流流动造成的灯泡正常失效，但是保护因灯泡失效形成过大电流浪涌造成的故障。其中没有提到任何机理或技术，达到可以由本申请者用非常简单和经济的方法成功地解决问题的地步。
此前还提出过其他各种方法，利用与每个灯泡灯丝并联的各种类型分路，在一个灯泡烧坏时灯串仍继续照明，或者与此相反，提供开路条件。然而，据本申请者所知，没有任何一种装置曾经在市场上出现过。
这些装置的典型代表可以在以下专利中找到。美国专利RE34,717；1,024,495；2,072,337；2,760,120；3,639,805；3,912,966；4,450,382；4,682,079；4,727,449；5,379,214和5,006,724,以及英国专利12,398；瑞士专利427,021和法国专利884,370。
上述现有技术专利中，乍一看来，Fleck′449,Harnden′966，和瑞士′021专利在现有技术中是最有前途的，利用灯丝分流电路和/或各种类型装置指明灯串中失效的灯泡，这些装置的范围从多晶材料到粉末以及金属氧化物变阻器，等等，可以提供连续的电流流过灯串，但处在较高或较低的电平上。其理由是因为这样一个事实，出现在现有技术每个分路两端的电压降值与正常运行时白炽灯泡两端电压降值是大不相同的。这种现有技术的一些分路使串联灯串的电流减小，因为当一个灯泡不工作时，很高的电压降出现在这个分路的两端，这个灯泡不工作的原因有灯丝断开，灯泡失效，灯座失效，或只是因为灯泡在灯座上安装得不适当，或灯泡完全从其相应的灯座上取下或脱落。然而，其他一些分路装置因电流加大造成相反的效果。例如，当一个灯座两端的电压降减小时，较高电压加到灯串中所有其余的灯泡上，较高电压导致较大的电流通过，使灯串中其余灯泡的寿命期望值降低。而且，这种较高电压还会导致灯串中其余每个灯泡输出光量增大，这种结果在某些情况下是不希望有的。然而，当一个插座两端的电压降增大时，较低电压加到灯串中所有串联连接的其余灯泡上，较低电压导致较小的电流通过，相应地降低了灯串中其余每个灯泡的输出光量。这种不希望有的效果出现在全部现有技术的方法中，包括那些乍一看来最有前途的技术，尤其是在Fleck′449专利中，建议使用二极管与双向开关串联，或在上述Harnden′966专利中，建议使用金属氧化物变阻器，或在瑞士′021专利中，建议使用反向连接的整流器。
例如，在上述Fleck′449专利建议的装置中，串联电路中使用十个卤素灯泡，每个灯泡有12V最低额定工作电压。泡内卤素气体的存在就可以允许较大电流流过灯丝，其结果是在非常小尺寸的灯泡中获得较明亮的光。通常，十个12V卤素灯连接成一个串联灯串，当任何一个灯泡失效时，整个灯串熄灭，但并不指明哪个灯泡失效。为了改进这种不希望有的效果，Fleck提出在每个卤素灯泡两端加上由硅双向电压触发开关与二极管串联的分流电路，二极管对交流(即，“A.C.”)电压进行整流，从而使电流只在一半的时间内流过双向开关，即在A.C.电压每个半周期内有电流。据Fleck专利中所述，当一个灯泡烧坏时，其余灯泡就“减少”光输出，因为二极管几乎使有效电压降低一半，这是由于二极管在一个方向上阻止电流通过，只允许相反方向上电流通过。这种大大减少的光输出显然使人们注意到失效的灯泡以及避免加上更高的电压，更高的电压会使其余灯泡灯丝寿命缩短。然而，在实际使用中，观察到了亮度急剧下降，即，当一个灯泡熄灭时，从约314lux下降到约15lux。而且，据专利申请人称，上述替换烧坏灯泡的过程涉及到中断所加电压，为的是使开关断开并在替换灯泡以后恢复正常工作。(见第2栏，第19-22行)此外，这种装置不允许几个灯泡同时熄灭，某些附加的所需特殊效果，例如“闪烁”等等显然是不可能的。
在Harrnden′966专利建议的装置中，Harnden提出利用多晶金属氧化物变阻器作为分流器件，尽管有这样一个众所周知的事实根据，金属氧化物变阻器不是设计成让连续电流流过其中。因此，这种变阻器仅仅是一种用于保护目的所谓“一次作用”器件，即瞬时电压抑制器，其作用是吸收高频即快速电压尖峰信号，从而避免这种电压尖峰信号损坏相关的电路。这种变阻器设计成用作尖峰信号吸收器，而不是设计成用作电压调节器或稳态电流耗散电路。虽然金属氧化物变阻器可以出现在类似于背对背齐纳二极管的某些场合，但是这两种器件是不能互换的，按照其特殊用途功能大不相同。事实上，Harnden′966专利受让人以前曾是通用电气公司(General Electric Corporation)，现在显然是Harris半导体公司，在其申请说明9311中指出“金属氧化物变阻器对于耗散瞬时电压尖峰信号是十分优越的，但是不能耗散连续的低电平功率。”事实上，专利受让人还指出，他们的金属氧化物变阻器不能用作电压调节器，因为其功能是用作非线性阻抗器件。金属氧化物变阻器与背对背齐纳二极管的唯一相似处是，二者都是双向器件，除此以外，无共同点。在Harnden专利中还指出，变阻器最好具有的额定值为灯泡额定值的125％，这样的额定值会使串联线路上其余灯泡两端处在“减小的应力”下。正确的解释是，这个所谓“减小的应力”导致其余灯泡照度减小。例如，工作在A.C.120V下的50个灯泡灯串中，每个灯泡上的平均电压为2.4V rms(“均方根”)即，峰值电压3.39V。由于变阻器对峰值电压能响应，变阻器125％额定值就是4.24V，相当于3.0Vrms。2.4V与3.0V之差对于造成单个灯泡失效是至关重要的，尤其是在其他灯泡相继失效组合的情况下，例如，挂在户外灌木丛上的一组50个灯泡串，经受大风及其他的运动。因此，这种装置完全不适合本申请者想要达到的目的。
在瑞士′021专利中，Dyre披露一个双向分流器件，它有额定击穿电压值，超过此值时，该器件的电阻值下降到1 Ohm或更小。即使当仅仅一个灯泡由于上面提到的各种原因不能工作时，这个低值电阻就会使加在其余灯泡上的电压增加甚多。因此，当多个灯泡不能工作时，就会有更高的电压加在其余的灯泡上，从而又大大地增大这些灯泡的照度，所以，大大地缩短这些灯泡的期望寿命值。
与以上对比，利用本申请者建议的分路类型，在50个灯泡串中基本上全部灯泡由于上面提到的一些或全部原因不能工作时，其余灯泡的照明强度仅仅降低很少，这种情况是上述任一分路不可能实现的。此外，具有特殊意义的事实是，瑞士′21专利对于熟悉此专业的人来说已经过去30年，Harnden′966专利也已经过去二十几年了，Fleck′449专利又过去了八年多，但是，至今还没有任何一个专利或其组合在市场上形成商品。事实上，现在小型圣诞树灯泡仅仅依靠特殊设计的灯泡，这种灯泡在不能工作时就会短路，显然，这个方案不可能总是有效的，尤其是当灯泡从其灯座上卸下后或者搬运时损坏了，等等。其他一些人的极端想法是，绝对不允许灯泡从其灯座上脱落，这种想法包括利用灯座内侧边缘上形成的锁定槽与灯泡底座单元底部形成的相应凸缘啮合。虽然这种特殊锁定方法对于防止灯泡从其灯座上脱落是十分有效的，但是，普通使用者要替换失效的灯泡而不求助于机械夹钳，若非有时是不可能的，但也是极其困难的，这种夹钳实际上会损坏灯泡底座单元或灯座。
按照本发明，提供一种新颖的灯丝分流电路，用于连接一串串联连接的白炽灯泡，这种分流电路用非常简单、新颖和经济的方法完全克服了此前现有装置存在的问题，现有装置的设计主要是在线路中一个或几个灯泡不能工作时，仅仅多少维持一些电流流过整串灯泡，灯泡不能工作的原因有灯丝断了，一个或几个失效的灯泡，一个或几个失效的灯座，或者只是因为一个或几个灯泡没有适当地固定在其相应的灯座上，或者完整地从其相应的灯座上取下或脱落。
按照本发明，提供一串串联的白炽灯泡，每个灯泡在其两端有跨接的硅型分流器件，这种器件有一个预定的电压开关值，此电压开关值大于加在所述灯泡上的正常电压，只有当跨接在分流器件两端的峰值电压超过其所述预定的电压开关值时，该分流器件就完全导通，这种情况是在灯串中一个灯泡或几个灯泡或全部灯泡由于下列原因不能工作时发生的灯丝断了，失效或损坏的灯泡，失效的灯座，或者只是因为灯泡没有适当地固定在其相应的灯座上，或者完整地从其相应的灯座上取下或脱落；即使在灯串中所有灯泡中相当数量灯泡由于上述各种原因的任意组合而不能同时工作时，这种电路安排可以使额定电流持续地流过灯串中所有剩余的灯泡，以及灯串中那些剩余的工作灯泡中任一个灯泡输出的光仍有大致不变的照度。
所以，本发明的主要目的是，给多个串联连接的每个灯泡提供一条简单和廉价的硅型灯丝分路或旁路，所述灯丝分路有一个预定的电压开关值，此电压开关值略大于所述灯泡额定电压，每当加在分路两端的峰值电压超过其所述预定的电压开关值时，这条分路就导通，这种情况是在上述各种原因中任一条存在时发生的，这条分路可以使持续和不中断的额定电流流过灯串中每个剩余的灯泡，以及从其中输出的光有大致不变的照度。
本发明的另一个目的是，提供一种新颖和改进的串联连接灯泡串，具有上述提到的所需特征，且具有非常简单和经济的结构，在批量制造时相对地便宜，从而使最终产品的整体价格在市场上保持最低，不需要任何特殊设计的灯泡，而在当前市场上几乎所有的灯泡串要求在灯泡烧坏时形成短路。
本发明的另一个目的是，提供一种具有上述所有特征的串联连接灯泡串，其中从每个灯泡射出的光沿着整串灯泡可以任选地且独立地和连续地出现，消失和再现，从而创造一种十分引人注目，新颖和不寻常的闪烁效果。
图1是按照本发明第一个实施例构造的新颖灯串电路示意图；图2是按照本发明第二个实施例构造的新颖灯串电路示意图；图3是按照本发明第三个实施例构造的新颖灯串电路示意图；和图4是按照本发明第四个实施例构造的新颖灯串电路示意图。
参照图1中的示意图，按照本发明的第一个实施例包括输入端10和11，这两个输入端适合于连接到普通家庭和商店常用的110/120V交流电源适当装置。输入端10一般固定地连接到第一灯座的第一端，第一灯座内有效地插入第一电灯泡12。第一灯座的相邻端连接到第二灯座的相邻端，第二灯座内有效地插入第二电灯泡13，等等，直到整个灯串(不管是示意图所画出的总共10个灯泡，还是一般情况下总共50个灯泡)中每个灯泡有效地连接成输入端10与11之间串联电路。与第一灯座两个电气接点有效并联连接的，即与第一灯泡12两个电气接点连接的，是第一电压敏感开关22，这个开关用符号形式画出，其有效的功能是以下要描述的作为第一电压调整器件。同样地，与第二灯座两个电气接点有效并联连接的，即与第二灯泡13两个电气接点连接的，是第二电压敏感开关23，同样地其有效功能是作为电压调整器件，等等，直到其余的每个灯座，即其余串联的每个灯泡14至21，有与其两端有效并联连接的相应一个电压敏感开关24至31。
从实际应用来说，最好是，全部电压响应开关22至31都有相同的结构，理想地具有这样的特性，在导通时，即在“接通”或“闭合”状态下，其阻抗值等于相应的灯泡灯丝阻抗；在非导通时，即在“断开”或“阻塞”状态下，其阻坑值等于无限大。
我们发现，当两个熟知的称之为“齐纳”二极管的半导体器件背对背连接时(即，反向串联连接)，这两个半导体器件具有作为极好电压响应开关的所需特性，其功能基本上是按照本发明的电压调整器件，特别是由于这种背对背齐纳二极管在市场上可以用相对低的价格买得到，购买相对大批量时尤其如此。图1所示实施例的工作方式如下所述假设此灯串是含50个串联连接灯泡的典型50灯串，每个灯泡的额定电压为2.4V，整个灯串的有效额定电压由2.4V×50确定，其乘积等于120V。在每个灯泡的两端连接两个背对背反向串联连接的齐纳二极管(这两个齐纳二极管可以都做在灯座本身的内部)，每个齐纳二极管的额定电压为3.3V，当200mA电流通过时，每个灯泡两端的电压不可能超过约4.5V。当灯串中一个灯泡照明时(即“接通”)，那个灯泡两端的电压约为2.4V(或约3.4V，峰值)，当然，这个电压取决于那个特定时刻所加的线电压值。当两个齐纳二极管以背对背方式跨接在每个灯泡两端时，而每个齐纳二极管的额定电压为3.3V，则基本上没有电流通过任一个齐纳二极管，基本上全部电流通过每个串联连接的灯泡。当一个灯泡从其相应的灯座取下时，或烧坏时，等等，而灯泡内部没有短路机构，则那个特定灯泡两端的电压开始上升，朝着所加线电压值大小上升。然而，两个3.3V背对背连接的齐纳二极管跨接在那个特定灯泡上，在两个齐纳二极管开始导通之前，跨接在灯泡上面的电压只能上升到约4.5V。这仅仅超过相应灯泡导通时那个灯座两端电压降约1.1V峰值)。在这个灯串中的其余灯泡几乎没有受到齐纳电路中额外1.1V(峰值)电压降的影响。在这个灯串中每个余下的灯泡两端电压仅仅降低了约23mV(峰值)。因此，基本上没有电流在达到所需值之前通过分流机构。
上述实施例优于现有技术灯串的非寻常和所需特性是，灯串继续保持照亮，不管灯串中究竟有一个或几个灯泡烧坏，或从相应的灯座中脱落，或在相应的灯座上松动或插得歪斜。不管灯串中一个或几个灯泡发生了什么变化，灯串保持照亮。因此，背对背连接齐纳二极管保证电流继续在串联导线电路中通过，与分路两端特定的灯泡状况无关。然而，如果需要插入一个标准的“闪光”灯泡到一个灯座中，如同正常情况那样，在闪光灯泡每次改变状态时，整个灯串就会点亮和熄灭，有必要在一个灯座两端省去一对齐纳二极管，最好是最接近A.C.插头的那一个灯座，然后把闪光灯泡插入到那个特定灯座中。此后，灯串就会按照正常的方式闪光。
应当认识到和理解上述每个齐纳二极管的额定电压为3.3V，这意味着，每当某个齐纳二极管两端电压首先达到3.3V时，这个齐纳二极管就在反向开始导通。与此相反，当齐纳二极管在正向导通时，这个齐纳二极管两端的电压降约为0.7V。因此，当两个这样的齐纳二极管电路上连接成背对背的结构时，这一对齐纳二极管的有效额定击穿电压(以下称“有效额定电压”)约为4.0V(即，3.3V+0.7V)，因为这一对中的一个齐纳二极管正向导通，而这一对中的另一个齐纳二极管反向导通。因此，这一对齐纳二极管是极性对称的，即，两个方向上有相同的极性。在约200mA电流，即50个灯泡串中的平均电流流过其中以前，随着更大的电流通过这个背对背的齐纳二极管对，这个4.0V电压值会增大，此后，两个额定电压3.3V的背对背齐纳二极管两端的电压降达到4.4V。这种背对背齐纳二极管可以是市场上购得的ITT半导体公司生产的DZ89系列“双齐纳二极管”。有各种额定电压值，额定值往往用峰值电压表示，或有时表示成交流额定值。
由于熟知的“电流击穿”条件，每个背对背齐纳二极管对，即双齐纳二极管，能够避免自身烧坏，这是因为灯串中其余串联连接灯泡的电流限制效应，灯串中总电阻值决定流过其中的电流大小。例如，若全部灯泡从灯串中取下后，则120V(A.C.)或170V(峰值)电源电压加在50个分路两端。由于每个背对背齐纳二极管分路有效额定值为4.0V(峰值)，而每个分路两端的电压只有3.4V(峰值)，很小或没有电流在灯串中流过。
另一种较好的器件是双向硅触发开关(STS)，HS系列，这种器件现在可以从Siebe公司下属的Teccor电子公司购得，但是目前的价格略比背对背齐纳型开关贵些。与背对背齐纳型开关一样，所谓的“STS,HS系列”型开关有低的导通电压，安装成经济的DO-35组件，具有玻璃钝化平面结以提高可靠性。当所加电压，不管任一极性，超过导通电压时，“HS”器件就从阻塞模式转换到导通模式，这种器件不但是双向器件，而且，与背对背齐纳二极管一样，对于交流电应用来说也是非常对称的。如图2中示意图所画出的，所示每个双向硅触发开关22′至31′分别与串联连接的灯泡12至21中相应一个灯泡并联，其方式与前面图1中画出的一样。
图2所示硅触发开关实施例的工作方式基本上与图1所示背对背齐纳二极管实施例的相同。然而，在利用Teccor型HS-10硅触发开关作为分路的STS实施例中，额定触发电压约为10V，当STS导通时，基本上相同的约2.4V电压降再次出现在50个小型灯串的每个灯座上。当STS器件与每个灯座分路时，在相应的灯泡浇坏或从其灯座上取下之前，STS器件中没有电流。此后，在达到约10V以前，电压开始上升，此时，STS器件以“关断”状态转换到“导通”状态。在“导通”状态下，在200mA 50个灯泡灯串中STS器件两端的电压约为2.4V，此时50个灯泡灯串中大部分灯泡是工作的，这个电压值与相应的灯泡在其灯座中工作时相同。因此，不管灯串中一个或多个余下灯泡是否工作，每个余下灯泡两端的电压降基本上保持不变。STS实施例的另一个优点是，为了获得所需的“闪烁”或“闪烁闪光”效果，不需要从一个灯座上取下分路。然而，为了获得标准的“闪光”效果，灯串中出现“点亮”和“熄灭”的闪光，就需要从一个灯座上取下STS分路，最好是取下最靠近A.C.插座的那个分路。
例如，由于STS分路有很明显的阈值，把非闪光灯泡放在第一灯座(没有STS分路)中，把闪光灯泡放在其余所有的灯座中，这个灯串就会闪烁和闪光。当至少12个至13个灯泡同时处在“熄灭”状态时，才会发生闪烁灯串中的闪光。这是因为当STS器件两端电压达到约10V时，才转换到导通状态。所以，在120V电源线路上，在灯串熄灭之前要有12个至13个灯泡处在“熄灭”状态。当闪光灯恢复到其正常导通状态时，灯串再一次点亮并闪烁，直到12个至13个灯泡再同时处在“熄灭”状态。这种闪光“断开”和“接通”的周期性是闪光灯泡的功能。若闪光灯泡在大部分时间是点亮的，只有很短的时间周期处在“熄灭”状态，使12个至13个灯泡同时处在“熄灭”状态是偶尔的，就会导致闪光有较短的时间周期，闪烁有较长的时间周期。
图3所示实施例画出一种电路布置，除了工作电压源是通常60周两倍的脉动全波整流电压以外，这个电路的运行基本上与前面两个实施例的相同。如图3所示，STS器件22″至31″分别与灯泡12至21两端构成分路，这些灯泡最好是50个灯泡的小型灯泡串。最好是，电源线插座内做好了全波整流器9，在其两个线端6与7之间连接一个3.9μF电容器。有了这个特殊的电路布置，50个灯泡组中的灯泡只会闪烁，而不能如上所述的闪烁闪光。如前所指出的，整流器9和电容器8可以安装在A.C.插头内，或者做在分开的适配器插头内，电源线插头插入其中。这就可以把脉动和部分滤波的直流电(即，“D.C.”)加到灯串上。需要直流电以避免闪光灯泡处在“熄灭”状态时STS器件转换到“断开”，因为直流电压不会达到零伏使STS器件“断开”。在A.C.运行情况下，STS器件被触发“断开”和“导通”每秒120次。在STS器件“断开”状态下，约需要10V电压使它恢复到导通。这就是使用交流工作电压能够闪烁的灯泡数目受到限制的原因。然而，使用直流工作电压，在相关的闪光灯泡照亮之前，STS器件一直保持导通。所以，在这种灯串中灯泡数目不受限制。虽然使用直流电压作为工作电压，线路中能够闪烁的灯泡数目不受限制，但是应该提到另一个匹配条件的考虑。若仅仅使用一个桥式整流器，输出的脉动电压不加滤波，则灯串上的作用如同使用交流电压作为工作电压一样。这是因为STS器件会“导通”和“断开”每秒120次，即两倍的交流频率。在桥式整流器输出的两端安装一个整流器，在性能上就会有改进。然而，若电容器8太小，灯光强度就会忽隐忽现，尤其是灯串中正常灯泡中混合一些闪光灯泡。此外，线路中的电流也太小。若使用的电容器太大，通过灯泡的电流就过大，会缩短灯泡的寿命。所以，理想的电容量是使在通常50个小型灯泡灯串中通过灯泡的电流为通常的200m A。在这一电平下，电流的流动是稳定的，灯串工作正常。在50个小型灯泡灯串中，较合适的电容量约为3.3至4.7μF。若现在把一个或几个闪光灯泡插入到灯串中，每个闪光灯泡仍继续以其本身独立的频率“点亮”和“熄灭”。当放入更多的灯泡时，就需要更大的电容量。
在图4所示另一个实施例中，画出了一种电路布置，除了每个灯座只跨接单个齐纳二极管作为分路以外，这个电路的运行基本上与前面描述的几个实施例相同，最好是，电路中齐纳二极管总数的一半是朝向一个预定的方向工作，如灯泡12至16上画出的，而余下的另一半齐纳二极管朝向相反的方向工作，如灯泡17至21上画出的。
只是为了便于说明，假设图4中所示电路(如同图1至图3)包含总数为50个串联连接的白炽灯泡，便于说明只画出了灯泡12至21十个灯泡，输入工作电压约为交流120Vrms，相当于约交流170V峰值电压。在此情况下，若全部灯泡具有相同的额定值，通常情况也是这样，则每个灯泡上分配到的平均rms电压约为2.4V，或峰值电压约为3.4V。在每个灯泡两端跨接一个6.2V齐纳二极管作为分路，前25个分路用(22)至(26)表示，它们各自的极性按一个方向连接，如图所示，余下的25个分路用(27)至(31)表示，它们各自的极性按相反的方向连接，如图所示，每灯泡两端的电压降约为120V除以50，即，约为2.4Vrms或约为峰值电压3.4V。这是因为在输入电压交流周期的一半时间内，前25个分路正向偏置，每个分路两端出现约0.7至0.8V峰值电压，在前25个分路两端的峰值电压降总共约为17.5至20V。这些灯座上放置的每一个灯泡在工作电压的第一半周期内分配到的峰值电压约为0.7至0.8V，从而使亮度输出暂时下降。然而，交流电源峰值电压约为170V中余下的150至152.5V峰值电压加到另外的25个分路上。这就导致在所述交流电源电压第一半周期的时间内约6.0至6.1V峰值电压以反向偏置加到每个灯泡上，从而使这些灯座上放置的灯泡亮度输出暂时上升。在交流电源电压下一个半周期的时间内，各自的偏置条件都颠倒，即，在第一半周期内分配到正向偏置约0.7至0.8V峰值电压的那些灯泡在第二半周期内就分配到反向偏置约6.0至6.1V峰值电压，对于灯串中的其余灯泡，反之亦然。所以，在交流电一个完整的正负周期内每个灯泡上的平均电压降约为峰值电压3.4V，或峰一峰电压6.8V，这个电压相应于串联灯串中所用具体灯泡的额定值。这是因为，虽然在两种情况下峰值电压是相同的，但有效电压不相同。在正常情况下，波形是正弦的，而在齐纳二极管分路情况下，交流电波形是一半正弦波和一半方波。正弦波的那一半约为6.2V(峰值)，而余下的一半是方波，约为0.7V(峰值)。这个结果是rms值之差，而不是峰值之差。所以，峰值电压基本上相同，而rms电压不是基本上相同。除非降低输入交流工作电压，或者串联灯串中添加更多的灯泡，以上这种运行会导致灯泡寿命缩短。理论上讲，为了在普通交流电压约120Vrms下工作，这个电压相当于170V峰值电压，应当在线路中添加约三分之一灯泡，使线路中全部灯泡在正常亮度水平下照明。
在运行中，由于上面提到的各种原因，除了内部短路以外，仅仅有一个灯泡不能工作时，在那个相应齐纳二极管分路上的电压降在正向情况下峰值电压约为0.7至0.8V，在反向情况下峰值电压约为6.2V，这里假设选用6.2V齐纳二极管作为分路。因此，在所加工作电压一个完整周期内，那个特定灯泡灯座两端电压绝对值按顺序从约0V增加到峰值电压约6.2V，下降到峰值电压约0.7至0.8V，再回到约0V，因而平均的rms电压约2.44V，基本上与灯泡的额定值相同。事实上，在实验室测试中，我们发现，可以从50个灯泡串中取下49个灯泡，让唯一留下的灯泡继续照明，估计其亮度下降只有50％左右。
在不是50个灯泡串联连接的灯串中，只需要选择适当额定值的齐纳二极管作为分路，然后将半数齐纳二极管沿电路一个方向连接，余下的半数沿相反方向连接，不必考虑哪个分路或哪几个分路沿某个特定方向连接，只要上述的总体关系成立。例如，从制造观点考虑，可能要求交替地改变分路极性。此外，对于线路中奇数个灯泡情况，例如，35个灯泡，可以把极性分成两组，一组为17个，另一组为18个。
有效地利用这种新颖的“触发”型功率分配方式，就可以在实际使用中采用单个齐纳二极管作为唯一的开关元件，而不是图1中的两个背对背齐纳二极管，也不是图2中的双向硅开关，还能进一步降低整个灯串的制造成本，从当今市场的成本观点考虑是极其竞争力的，Sander等人′079专利中从一开始就企图只采用单个齐纳二极管以便在市场上有实际意义。从精确的制造成本观点考虑，据估计，在批量生产情况下，单个齐纳二极管的成本约为2.0美分，背对背齐纳二极管的单个制造成本约为2.3美分，而HS-10双向硅开关的成本约为5.0美分。
总而言之，采用“背对背”齐纳二极管或“一半对一半”单个齐纳二极管作为灯丝分路，当上述各种原因之一导致一个灯泡不能工作时，加在串联灯串中其余每个灯泡两端的电压只是略微下降一些，而若采用双向硅开关作为灯丝分路，则当上述任一原因导致一个灯泡不能工作时，加在串联灯串中其余每个灯泡两端的电压略微上升。情况就是这样，在整串灯泡马上要烧坏之前，基本上所有的灯泡都可以不工作。
Radio Shack半导体参考手册中展示了各种其他类型的电压敏感开关，采用Archer目录#276-405(1992)中具有上述类似特性的电压敏感开关可以获得相同或基本相同的效果，实际的选择是由器件的价格以及使用的场合所决定。
在优选实施例中已经描述和阐明了我的发明原理，所以，在所附权利要求书中覆盖了在以下权利要求书中范围和精神实质内的所有各种变化和改动。例如，熟悉此专业的人们显然知道，可以采用其他类似的器件而获得相同的效果，对于不同是灯泡，可以采用不同额定值的齐纳二极管。
权利要求
1．一种串联连接的圣诞树等的白炽灯泡灯串，这些灯泡可以用交流工作电压源提供能量，其改进之处为所述灯串中基本上全部灯泡灯丝两端分别有电对称的外部分流电路连接，这个分流电路包括双向硅型电压响应开关装置，此装置的有效功能是作为电压调整器，在灯串正常工作期间不起作用；只有在其两端所加电压至少等于其自身有效额定电压并超过所述灯泡额定电压时才起作用，这种情况是在有下列的一些故障时产生的灯泡灯丝断了，失效的灯泡，失效的灯泡座，灯泡没有正确地固定在其相应的灯座上，灯泡从其相应的灯座上取下或脱落，等等。此装置还提供基本上为额定电流的持续电流流动，通过灯串中所有余下的灯泡，即使在多个灯泡不起作用时，余下的灯泡仍有基本不变的照度，且仍有大致所述额定电流持续地通过。
2．按照权利要求1的设备，其中所述电压响应开关装置包括背对背齐纳二极管作为主要的功能元件。
3．按照权利要求1的设备，其中基本上全部所述灯泡是闪光型灯泡。
4．按照权利要求1的设备，其中全部能照明的灯泡即使在同一灯串中几乎所有灯泡不起作用时仍继续照明。
5．一种带工作电压源的串联连接白炽灯泡灯串，其改进之处为灯串中基本上全部灯泡灯丝都各自有外部和双向电对称硅型分流电路，这个分流电路包括电压响应开关装置，此装置在灯串正常工作期间不起作用；由于其相应灯泡的灯丝失效造成其两端电压升高且此电压至少等于有效额定电压时才起作用，所述灯串中最少灯泡数目是由所选所述开关装置的导通时电压降特性确定的，以保证其相应灯泡灯丝失效时在其两端的电压降基本保持不变，持续的电流通过余下的所述灯泡，即使在多个灯泡从其相应灯座上脱落后，还基本上维持其不变的照度。
6．按照权利要求5的设备，其中所述电压响应开关装置包括双向硅触发开关作为主要的功能元件。
7．按照权利要求5的设备，其中所述工作电压源是单向的电压源。
8．按照权利要求5的设备，其中全部能照明的灯泡即使在一个或几个其他灯泡失效时仍继续照明。
9．按照权利要求5的设备，其中基本上全部所述灯泡是闪光型灯泡。
10．一种新颖和改进的灯丝分路灯串，包括以下的组合多个互相连接成串联电路布置的电灯泡灯座，适合于由可连接到其输入端的电源提供能量，每个所述灯座适合于其中插入一个电灯泡，每当交流电压加到所述输入端时，这些灯泡能照明；在每个所述灯座两端并联连接的一个双向、电对称和硅型电压响应开关装置；和把所述输入端连接到交流电压源的装置，借此装置所述灯串中的全部能照明的灯泡持续地接收通过其中基本上额定的电压，即使灯串中相当数量灯泡不管什么原因不能照明时或从其相应的灯座上脱落后，能照明的灯泡仍继续照明。
11．一种利用电压源的串联连接白炽灯泡灯串装置，其改进之处为灯串装置中基本上全部灯泡灯丝各自有一条相应的外部分流电路，这个分流电路由硅型电压响应开关装置组成，此装置在灯串正常工作期间不起作用，由于其相应的灯泡失效造成其两端电压升高甚多时就起作用，起作用时，所述开关装置的阻抗转变到与其相应灯泡阻抗非常一致。当灯串中一个或几个其他灯泡不能工作时，每个能照明的灯泡两端电压降基本不变，基本上额定的电流持续地流过这些灯泡，且具有基本不变的亮度。
12．按照权利要求10的灯串，其中所述电压响应开关装置包括齐纳二极管，大致一半的齐纳二极管电连接成一个方向，余下的一半电连接成相反的方向。
全文摘要
一串串联连接的白炽灯泡(12－21),其中:这一灯具组内几乎所有灯泡灯丝都各自有一个分流元件(31),这个分流元件在灯具组处在正常运行期间并不工作,只有当分流元件两端的电压上升到超过预定值时,才有分流作用。
文档编号H05B39/00GK1220076SQ97195011
公开日1999年6月16日 申请日期1997年2月3日 优先权日1996年5月28日
发明者约翰·L·詹宁 申请人:约翰·L·詹宁