把阻值转换为基于该阻值的控制信号的装置 及包括该装置的电气设备 本发明涉及一种把可变电阻的阻值转换为控制信号的装置，该控制信号是基于这个阻值的，即让电流通过可变电阻而产生控制信号。
本发明还涉及包括这种装置的一种电气设备。
在三端双向可控硅开关和晶闸管的电力网同步触发电路中已知安装有这种装置，比如TDA 1024电路，这种三端双向可控硅开关和晶闸管用于由电力网供电的电机、发热元件及类似设备的电源控制电路中。
图1所示为一个三端双向可控硅开关控制的电路，用于像真空吸尘器这样电器中的串绕电机。功率是由三端双向可控硅开关的相角控制来控制的。该电路包括一个过零检测器2，一个锯齿波发生器4和一个比较器6，其中锯齿波发生器4在所用电力网的电压每次过零时都要被过零检测器2复位，比较器6比较的是锯齿波发生器4的锯齿波电压Us和控制电压Uc，该控制电压是通过可变电阻8来调整地，而在这种情况下可变电阻8是一个电位器，连接在一个由直流电压电源10提供的直流电压Vcc上。比较器6驱动三端双向可控硅开关12的栅极，该可控硅开关则与电机14串联在一起并连接到电源电压端子16和18上，其中一个端子接在信号地上。可变电阻8的滑片上的电压在0和Vcc之间可调。锯齿波电压Us在每次过零时都复位到0，然后再线性增加。经过电源的半个周期后锯齿波电压Us等于Vcc。一旦锯齿波电压Us超过控制电压Uc，比较器6的输出就变高，并且三端双向可控硅开关12启动。由于锯齿波电压Us的电压最大值等于Vcc，即控制电压Uc能被调整的最大值，因此电力网的半周期可以通过可变电阻8调整到0和180度之间的任何相角。这种已知的触发电路非常适合真空吸尘器，因为真空吸尘器的电源控制是受集尘器上可变电阻影响的。
为了操作简便，在某些真空吸尘器中可变电阻8安装在真空吸尘器胶皮软管的手柄上。胶皮软管上的两根连接线形成了手柄上可变电阻和集尘器中三端双向可控硅开关控制之间的电连接。由于胶皮软管是可旋转地连接在集尘器上的，需要两个滑动触点来把连接线连接到集尘器上。不能触摸这两个触点，因为它们与电力网高压电相连接。安全规定限制了滑动触点设计上的自由。手柄中的可变电阻也连接在电力网电压上，设计时同样需要遵守安全规定。
当不再需要遵守某些安全规定时，设计就会有更大的自由，并且可能会减少成本。对于真空吸尘器来说，这将导致在集尘器和胶皮软管之间使用比较简单和便宜的连接器，另外，胶皮软管内布线的安全规定也可以不再那么严格。本发明的一个目的就是通过使带开始段落中定义的可变电阻来使的装置可以安全触摸。因此，本发明的装置的特征在于包括：
一个具有第一线圈和第二线圈的变压器；
一个整流二极管，与第一线圈形成串联电路；
用于连接可变电阻和上述串联电路的装置；
一个通过端子与第二线圈连接的电流发生器，用它来向第二线圈提供周期性断续电流，整流二极管在电流中断时导通；和
一个峰值探测器，用于检测在电流中断时所产生的跨过第一线圈的电压峰值。
通过本发明的装置，可变电阻的阻值由一个变压器间接决定。可变电阻包含在一个连接于安全隔离变压器的单独线圈上的电路之中。跨越这个单独线圈的电压很低(特别安全低电压)而且该线圈的隔离效果非常好，以至于与该线圈连接的任何装置都是可以安全触摸的。这样做的一个好处在于，检查验收的权力机关会对滑动触点以及与这些触点连接的部件(比如胶皮软管和手柄)的触摸保护措施制定比较宽松的电气安全规定，甚至完全不必加以规定。其它以电力网电源供电的家用电器也可以获得类似的好处，比如太阳皮肤晒黑装置、头发烘干机、按摩装置等等可以遥控的设备。
电流发生器向变压器的第二线圈提供给定幅值的电流脉冲。一旦电流脉冲停止，第一线圈上的电压发生变化，同时整流二极管也导通。作为第一线圈和第二线圈之间磁耦合的结果，第二线圈的峰值电流转移到第一线圈中。这个峰值电流通过整流二极管流过可变电阻，并且在电阻上产生一个与可变电阻的阻值成正比的峰值电压。然后，可变电阻上的电压随一个时间常数成指数衰减，该常数是由第一线圈的电感和可变电阻的阻值决定的。可变电阻上的这个峰值电压由一个峰值探测器检测，该检测器把峰值电压转换为合适的控制信号。把可变电阻的阻值转换为控制信号的一个优点在于变压器的励磁电感在转换中不起作用。因此，可以使用小而轻的变压器。本发明装置的另一个优势在于它可以利用现有的如图1中所示的电子电路，只需对现有电路进行轻微的改动。
本发明装置的一个实施方案的特征在于变压器具有一个连接在峰值探测器上的第三线圈。作为第一线圈和第三线圈之间磁耦合的结果，在第三线圈上存在一个电压，该电压由卷绕比决定，并与可变电阻上的电压成正比，它与可变电阻上的电压完全电隔离。本发明装置的另一个实施方案的特征在于峰值探测器连接在第二线圈和电流发生器之间的端子上。并不需要附加第三个线圈，但是另一方面，连接在电流发生器和第二线圈上的供电电压值将影响控制电压。不过，该供电电压的容限可以通过采取适当的步骤保持在低的水平。
对于峰值探测器来说，有多种就其本身而言已知的电路可以使用。出于这个目的，本发明装置的一个实施方案的特征在于峰值探测器包括串联在一起的一个二极管和一个保持电容。这样的一个峰值探测器不仅非常简单，而且具有一个优点，即峰值探测器的二极管上的压降可以补偿整流二极管上的压降。
特别是当用在真空吸尘器中时，第一线圈和可变电阻之间的连接线可能相对较长，并使寄生电容和寄生电感增加。由于通过可变电阻的电流、从而通过胶皮软管中的连接线的电流具有脉动的按指数下降的波形，并带有一个陡的上升沿，这些寄生电容电感可能会引起振荡。这些振荡的结果是峰值探测器不是检测可变电阻上电压的纯峰值，而是检测该纯峰值和附加其上的振荡之和。为了解决这个问题，本发明装置的一个实施方案的特征在于装置中还包括了另一个电容，该电容与串联在一起的整流二极管和第一线圈相并联。与整流二极管相连的电容产生一个平滑的直流电压而加载到可变电阻上。该直流电压的大小由可变电阻的阻值决定，并在回程时，也就是当第二线圈上的电流中断时反映到峰值探测器。对于其余时间峰值探测器的检测保持不变。另一个好处是可以使用具有高阻值的可变电阻。由于电容的存在而使可变电阻和连接线上的电压由脉动电压变为直流电压，所以寄生电容和电感就不再起作用了。
由于提供了电容的缘故，电容上电压、以及由此而来的峰值探测器上控制信号的电压值，与可变电阻的阻值之间的关系不再是线性，这对于大多数的控制目的来说并不是个问题。但是，电容上的电压变得依赖于易于发生差别的一些参数，比如供电电压、变压器第二线圈的电感、电流发生器的开关频率或占空因数以及峰值电流等。为了排除这种易于发生差别的参数的影响，本发明装置的一个实施方案的特征在于该装置还包括一个箝位电路，它通过可变电阻进行调整从而来限制电容上出现的电压。
于是，电容上的直流电压被限定在一个仍然是由可变电阻的阻值所决定的数值上，但不再依赖于那些易于发生差别的参数。另一个好处是，只要箝位电路接受足够的偏置电流而正确工作，就不再需要用电流发生器产生一个精确的峰值电流。由于开关频率和占空因数都不起作用，使用一个具有固定占空因数的简单振荡器就足够了，这是一个可以由微控制器方便地完成的功能。
箝位可以受到来自各个方面的影响。就这方面而言，本发明装置的一个实施方案的特征在于，可调整的箝位电路包括一个齐纳二极管和一个具有主电流通路的晶体管，该晶体管与齐纳二极管串联起来跨接在电容上，并且具有与一个分压器相连的控制电极，而这个分压器包括两个电阻，其中一个就是上述可变电阻，该分压器也跨接在电容上。可变电阻上通过的电流是由齐纳电压和晶体管的结电压之和决定的。对于某些用途来说，这个电压和的差异以及该箝位电路所消耗的电流都太大了。为了能够允许这种情况，本发明装置的另一个实施方案的特征在于，可调整的箝位电路包括一个“可编程精度基准”。该基准具有一个跨接在电容上的主电流通路并具有一个连接到分压器的参考电极，这个分压器包括两个电阻，其中一个就是上述可变电阻，该分压器也跨接在电容上。这样一个基准就象一个具有齐纳电压的精确齐纳二极管，其上的齐纳电压是由参考极上的外部电压决定的。
一般来说，本发明中的用于将阻值转换为基于该阻值的控制信号的装置对于电力网供电的电气设备是适合的，这种电气设备包括协同工作的一个第一功能单元和一个第二功能单元，还包括一个能将阻值转换为基于该阻值的控制信号的装置，变压器、电流发生器以及峰值探测器是包含在第一功能单元中的，而可变电阻则包括在第二功能单元中。具体说，这种设备就是真空吸尘器，第一功能单元是集尘器而第二功能单元是一个抽吸部件，该抽吸部件与集尘器相连接并具有一个包括可变电阻在内的手柄。这个抽吸部件可能包括一个内有导电体的胶皮软管，该导电体的一端与可变电阻连接，而另一端则与串联在一起的可变整流二极管和变压器第一线圈相电连接。
包括本发明装置的这种电气设备的一个实施方案的特征在于控制信号加到一个直流控制的电源控制器的输入端上，该控制器控制负载的电源，而负载可以电连接在交流电压电力网上。
本发明的这些以及其它方面将参考以下各图来描述和阐明，其中：
图1所示为已有技术的三端双向可控硅开关控制；
图2所示为本发明中一种把可变电阻的阻值转换为控制信号的装置；
图3所示为在图2装置中出现的信号波形；
图4所示为使用三端双向可控硅开关的电源控制，包括本发明中一种把可变电阻的阻值转换为控制信号的装置；
图5所示为一台真空吸尘器，包括本发明中一种把可变电阻的阻值转换为控制信号的装置；
图6所示为一种脉宽控制的电源控制，包括本发明中一种把可变电阻的阻值转换为控制信号的装置；
图7所示为一种电灯使用的直流电压控制镇流电路，其电路中包括本发明中一种把可变电阻的阻值转换为控制信号的装置；
图8所示为本发明装置的一个替换实施方案的细节，该装置可以把可变电阻阻值转换为控制信号；
图9所示为本发明装置的一个替换实施方案的细节，该装置可以把可变电阻阻值转换为控制信号；
图10所示为本发明装置的一个替换实施方案的细节，该装置可以把可变电阻阻值转换为控制信号；
图11所示为本发明装置的一个替换实施方案的细节，该装置可以把可变电阻阻值转换为控制信号。
在这些图中具有相同功能或目的的部分或部件都使用统一的参考符号。
图2所示为一种装置的实施方案的电路图，该装置可以把可变电阻的阻值转换为控制信号。可变电阻8通过整流二极管20连接在变压器24的第一线圈22上。变压器24的第二线圈26连接在正向供电端子28和端子30之间，端子30连接在电流发生器32上。电流发生器32包括一个NPN开关晶体管34、一个敏感电阻36、一个参考电压源38、一个比较器40、一个时钟脉冲发生器46和一个双稳态多谐振荡器50，其中开关晶体管34的集电极与端子30连接，敏感电阻36连接在开关晶体管34的发射极和地之间，参考电压源38提供相对于地的参考电压Uref，比较器40的倒相输入端42连接在参考电压源38上，它的非倒相输入端44连接在敏感电阻36上，时钟脉冲发生器46的输出端48提供时钟脉冲，而双稳态多谐振荡器50的Q输出端52连接在开关晶体管34的基极上，它的置位输入端54连接在时钟脉冲发生器46的输出端48上，其复位输入端56连接在比较器40的输出端58上。变压器24还包括一个第三线圈60，该线圈连接在峰值探测器62上。峰值探测器62则包括一个二极管64、一个保持电容68和一个电阻70，其中二极管64的阳极连接在第三线圈60的一端，阴极连接在控制电压端子66上，而保持电容和电阻则连接在控制电压端子和地之间。第三线圈的另一端也是接地的。由于变压器24的缘故，可变电阻8与电路其他部分的地完全电隔离。图3所示为图2电路中出现的信号。在瞬间t0，开关晶体管34被来自的在双稳态多谐振荡器50的置位输入端54时钟脉冲发生器的时钟脉冲变为导通。第二线圈上的电压26是正的，端子30上的电压U2则基本为0。因为第一线圈22的卷绕方向是相反的(由一个点表示)，整流二极管20被切断并且可变电阻8上的电压UR为零。流过第二线圈26的电流I2从t0开始向某一峰值线性增加，该峰值是由敏感电阻36的阻值和参考电压源38的参考电压Uref决定的。当在敏感电阻36的压降超过参考电压Uref时，比较器40的输出58变高，从而引起双稳态多谐振荡器50的复位和开关晶体管34被关断。由于流过第二线圈的电流I2突然下降，第二线圈上的电压以及第一线圈上的电压22的极性因此都变反。此时将有一个电流流过整流二极管20和可变电阻8，该电流的初始值与流过第二线圈26的电流I2的峰值成正比。流过可变电阻8的电流及可变电阻8上的电压UR随一个时间常数成指数衰减，该常数是由第一线圈22的电感和可变电阻8的阻值决定的。第三线圈60和第一线圈22之间的磁耦合使电压UR可用峰值探测器62来检测，峰值探测器62在控制电压端子66上产生一个控制电压Uc，该控制电压与可变电阻8上电压Uc的峰值成正比。在与可变电阻8串接的整流二极管20上的压降被峰值探测器62的二极管64上的压降所补偿。当流过可变电阻8的电流下降到0以后，开关晶体管34在给定的瞬间t2重新导通，并且以上过程周而复始地进行循环，从而形成一个基本上连续的控制信号Uc。可变电阻8上的峰值电压以及控制电压Uc的大小都随可变电阻上的阻值设定而变化。
图2所示的测量电路经过细微的改动就可以被包括在参考图1所描述的三端双向可控硅开关的控制中。其结果如图4所示。这种三端双向可控硅开关的控制适合于控制像真空吸尘器串绕电机上这样的电源。其功率通过可变电阻是可以控制的，而可变电阻与三端双向可控硅开关的控制的其他部分电隔离，这其他部分是与电力网电压相连接的。
图5所示为一台包括图4中三端双向可控硅开关控制的真空吸尘器。在集尘器72中安装有电机14和印制电路板74，该电路板上安装有除可变电阻8以外的三端双向可控硅开关控制的元件，为了操作简便，该可变电阻8安装在抽吸部件78的手柄80里，并通过连线(未示出)连接在抽吸部件78的胶皮软管76中。集尘器72和抽吸部件78是互相协同工作的功能单元，它们也可以相互拆开。当胶皮软管76从集尘器72上卸下时，胶皮软管76上连接线的触点就暴露出来了。由于有了完全的电隔离，这些触点可以安全触摸，而且并不需要附加其他昂贵的部件来实现胶皮软管76和集尘器72之间的电连接。
图6所示为一个直流电机中脉宽控制电源控制的电路。该电路的安排和功能与图4所示的三端双向可控硅开关控制只是稍有不同。电源电压首先经过整流电桥82整流，如果有需要的话，再由平滑电容84进行平滑。直流电机86与续流二极管88相并联，用一个NMOS开关晶体管90来代替三端双向可控硅开关，该晶体管的门由比较器6控制。锯齿波发生器4此时受控于一个时钟脉冲发生器92，其时钟频率比如说是20KHz。通过用可变电阻8来改变控制电压UC，开关晶体管90门上的控制脉冲占空因数可以控制在0和100％之间。
图7所示为用于把可变电阻阻值转换为控制信号的装置的第三个用途，它用于电子镇流器94，这个镇流器可使与之相连的电灯(未示出)的光亮度受控于直流控制电压UC。镇流器通过整流电桥96从电源供电，该电桥是直接连接在电源上的。这样的电路可以用在太阳皮肤晒黑装置中。为了便于操作，可变电阻8通过一根引线安装在一个连在太阳皮肤晒黑装置上的遥控器中。由于有了完全的电隔离，这根引线可以薄而柔软，因为无需粗厚而双绝缘的连接线。
这就说明了可以把可变电阻阻值转换为控制信号的装置，它在各种电力网供电的设备中有广泛的应用范围，在这类设备中，由电力网直接供电的负载的电源受控于一个可变直流电压。
在图4、6和7中，连接可变电阻8的连接线是用虚线表示的，说明这种连接是可以拆除的。当如图5所示用于真空吸尘器中时，这些连接线会有一定的长度。连接线的寄生电容和电感会使图3c所示的脉冲型电压UR产生变形。电压UR的陡上升沿可能会引起振荡。因为这个振荡，峰值探测器62将检测电压UR峰值与叠加在其上振荡的和的峰值。
如图8所示，这种情况可以通过在串联在一起的整流二极管20和第一线圈22上跨接一个电容98来避免。这时可变电阻成为电容98上直流电压的可变负载。在回程期间t2-t1(见图3)，这个直流电压会又一次反映到另一个线圈上，并且同样可以被峰值探测器62检测。由于加在连接线上的电压现在已经变成了直流电压，就可以避免寄生振荡，而且可以使用长的连接线。
但是，电容98上的电压显得依赖于某些易于有差别的参数，例如电源电压Vcc、第二线圈22的电感、开关频率或者电流脉冲的周期以及峰值电流或者流过第二线圈26电流的占空因数等。对这些参数的依赖可以通过箝位来取消，即限制电容98上的直流电压到一个限定值，该限定值是可以通过可变电阻8进行调整的。在这种情况下使用一个带有简单的振荡器和一个固定占空因数的电流发生器就足够了，这是一个也可以由微控制器来完成的功能。
图9所示为上述箝位电路的第一实施方案。串联在一起的齐纳二极管100和PNP晶体管102的主电流通路跨接在电容98上，晶体管的发射极连接在齐纳二极管100上。而且，电阻104并联在晶体管102上，保证了流过齐纳二极管100上的最小电流。晶体管的基极接在一个分压器的抽头上，这个分压器同样跨接在电容98上。分压器包括电阻106和可变电阻8，其中电阻106并联在齐纳二极管100和晶体管102基极-发射极结上，而可变电阻则并联在晶体管集102电极-基极结上。流过电阻106的电流是恒定的，由齐纳二极管100的齐纳电压与晶体管102基极-发射极电压之和除以电阻106的阻值所得的商给出。这个恒定电流同样流过可变电阻8。电容98上的电压是齐纳二极管100的齐纳电压、晶体管102基极-发射极电压和可变电阻8上电压的总和。图9中的箝位电路也可以用NPN型晶体管代替PNP型晶体管来实现。在那种情况下，齐纳二极管100和电阻104也应互换。要互换的还有可变电阻8和电阻106。NPN晶体管的集电极应该连接到整流二极管20的阴极上，发射极连到电阻104和齐纳二极管100之间的结点上，基极则连到可变电阻8和电阻106之间的结点上。
晶体管102的基极-发射极电压以及齐纳二极管100上齐纳电压的差异程度对于某些用途来说可能太大了。图10中所示为一个带有“可编程精确基准”108的精确箝位电路，比如TL431，它的阴极端子K连到整流二极管20和电容98之间的结点上，阳极端子A则连到电容98和第一线圈22之间的结点上，参考端子R通过电阻110连到阳极端子A上，并且通过可变电阻8连到阴极端子K上。可编程精确基准108作为一个齐纳二极管而工作，它的齐纳电压是可以通过在参考端子R上的电压来进行调整的。
如图11所示，当峰值探测器62连接到第二线圈的端子30上时，变压器24的第三线圈60可省去。这时峰值探测器62检测电压U2的峰值(图3b)，电源电压Vcc出现在正向电源端子28上。为了使电源电压Vcc的波动最小，选择电容98上的直流电压大于电源电压是可取的。这同样会导致端子30上产生一个较大的峰值电压。通过把跨接在保持电容68上的电阻分为两个电阻112和114，可以衰减被检测的峰值电压。开关晶体管34从振荡器116接受控制脉冲，如前所述，该振荡器可以是简单的。
电路图中所示的双极晶体管可由单极MOS晶体管代替。图8、9和10中所示的变化在所有图2、4、6和7所示的实施方案中均可使用。
如果需要的话，峰值探测器62可以用其他电路和具有同样功能或效果的专用集成电路来实现。