專利名稱：用于便攜式照明設(shè)備的改進電路及便攜式可充電電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種便攜式電子設(shè)備，包括如手電筒的手持便攜式照明設(shè)備及其電路。
背景技術(shù)：
各種手持或便攜式照明設(shè)備，包括手電筒的設(shè)計，是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。手電筒通常包括具有正負(fù)電極的一節(jié)或多節(jié)干電池。在某些設(shè)計中，電池被串聯(lián)放置在可用于把持手電筒的筒體或外殼的電池腔內(nèi)。往往從一個電池電極開始、經(jīng)由和一個電極或燈泡電耦合的傳導(dǎo)裝置來形成一個電路。在經(jīng)過燈泡之后，該電路繼續(xù)經(jīng)過與所述傳導(dǎo)裝置電接觸的燈泡的第二個電極，所述傳導(dǎo)裝置進而與電池的另一個電極電接觸。白熾燈泡包括一個燈絲。通常，該電路包括一個用來斷開或閉合電路的開關(guān)。在采用白熾燈泡的情況下，啟動所述開關(guān)以閉合該電路能夠使電流流過燈泡和燈絲，從而發(fā)光。
傳統(tǒng)的手電筒使用一個機械開關(guān)來“打開”手電。這是通過使兩個觸點機械連接并允許電流從電池的正極端經(jīng)由燈泡流回電池的負(fù)極端來實現(xiàn)的。機械開關(guān)的一個缺點在于，它們?nèi)菀啄p和破裂，并且以物理方式接通和斷開電路的元件容易發(fā)生氧化。機械開關(guān)也不允許以自動的或受控的模式開啟和關(guān)閉手電。
傳統(tǒng)手電筒的另一個缺點是，當(dāng)它們被開啟時，其立刻使得大量電流從電池流過燈絲，從而對燈絲造成很大壓力。這種電涌的發(fā)生是由于當(dāng)燈絲很冷時，燈絲的電阻非常低。
重要的是，燈絲是一段導(dǎo)線，它最初起到短路的作用。當(dāng)燈絲加熱直至達到發(fā)光點時，形成了燈絲電阻。因此，當(dāng)手電筒最初被開啟時，電流量比燈泡被設(shè)計用來應(yīng)付流經(jīng)燈泡的電流所承受的電流量要大得多。盡管在這一短暫階段的電涌超過了燈泡的設(shè)計極限，但該短暫階段的持續(xù)時間非常短，足以使燈泡大體上能夠經(jīng)受住這種電涌。但隨著時間的流逝，這種電流的涌動會由于對燈絲施加壓力而損壞燈泡，最終導(dǎo)致燈絲的故障。實際上，在這一短暫階段期間往往會使燈絲最終發(fā)生故障。
傳統(tǒng)手電筒的另外一個缺點是，它們通常用堿性電池或干電池來供電。堿性電池或干電池當(dāng)用完時被丟棄，用戶不得不再去買新的電池來更換廢電池。更換電池不是很方便，并且會給手電筒用戶帶來附加的開銷。此外，堿性電池或干電池很重，因此會增加手電筒的總重量。
已經(jīng)開發(fā)出可充電的鉛酸蓄電池來代替堿性電池和干電池。這些電池類型具有可反復(fù)充放電以重復(fù)使用的優(yōu)點。但它們相對較大，并且必須在使用一段時間后用電解液來重新填充。由于它們具有很大的體積和重量，甚至比堿性電池/干電池還要重，可充電的鉛酸蓄電池通常和安裝在墻上的安全照明固定裝置、摩托車和汽車一起使用，但一般不會被考慮用于便攜式照明設(shè)備，如手電筒。
鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池已用被用于代替手電筒中的常規(guī)電池。鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池具有重量輕、便于使用以及可反復(fù)充放電的優(yōu)點。但是，這些電池的缺點是會產(chǎn)生重金屬污染。另外，鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池具有所謂的電池記憶效應(yīng)。因此，為了避免縮短電池壽命，需要在這種類型的電池被重新充電之前將未使用的電力放掉。
一種改進的用于便攜式電子設(shè)備的可充電能源是鋰離子電池。鋰離子電池比鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池具有更高的能量密度和更低的自我放電速度。鋰離子電池還比鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池具有更高的能量與重量之比。但是，當(dāng)鋰離子電池被充電超過其安全極限或者其端子被短接時可能會爆炸。此外，對鋰離子電池過度放電可能會持久地?fù)p壞鋰離子電池。因此，大多數(shù)鋰離子電池用在包含內(nèi)置保護電路的電池組中，所述內(nèi)置保護電路具有過度充電、過度放電和短路保護功能。當(dāng)檢測到短路時，這種電池組保護電路在內(nèi)部阻礙了電流從鋰離子電池組流出。這樣，如果在設(shè)備的重復(fù)充電觸點之間發(fā)生了短路，則所述電池組保護電路啟動，該電子設(shè)備將停止工作。
為了避免這種由于疏忽產(chǎn)生的中斷，由可充電的鋰離子電池組供電的便攜式電子設(shè)備的重復(fù)充電觸點使這些觸點位于很難接近或隱蔽的位置。不幸的是，這種配置需要使用插頭、專用插入物、對準(zhǔn)突出部或復(fù)雜的支架來對電池重復(fù)充電。但是，在設(shè)計上需要使充電觸點或充電環(huán)暴露出來的手電筒或其他可充電設(shè)備的情況下，阻礙接近重復(fù)充電觸點并不是一項可行的方案。
如果可重復(fù)充電的鋰離子電池被用在具有暴露充電環(huán)的手電筒中，并且用戶恰好在暴露的充電觸點和一個金屬物體、如他或她的汽車鑰匙之間造成了短路，則燈將關(guān)閉，直到形成短路的金屬物體被移走。當(dāng)用戶正在一個黑暗的區(qū)域中工作時，尤其是對執(zhí)法人員和應(yīng)對緊急情況的人員來說，這種由于疏忽造成的中斷可能會帶來危險。并且，盡管對于其他可充電化學(xué)電池，如鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池，可以在重復(fù)充電電路中放置一個簡單的二極管以避免在充電環(huán)或充電觸點之間形成意外短路，這種解決方案對于鋰離子電池組來說也是不可行的。簡單的二極管不能被用在這種情況下，因為充電鋰離子電池需要對端電壓進行非常嚴(yán)格的控制，而二極管的前向電壓降會發(fā)生很大變化。
考慮到上述情況，可重復(fù)充電的鋰離子電池技術(shù)還沒有被用于帶有暴露充電觸點的便攜式電子設(shè)備，如可充電的手電筒。因此，存在對用于在具有暴露充電觸點的可充電設(shè)備、如手電筒中提供改進的短路保護的裝置的需求。另外還存在對具有改善上述一個或多個問題的改進電路的手電筒的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決或至少改善上面提到的與手電筒和/或可充電設(shè)備相關(guān)的一個或多個問題。
因此，在本發(fā)明的第一個方面，提供了一種具有外部充電觸點和短路保護電路的便攜式可充電電子設(shè)備，如手電筒。當(dāng)充電觸點被短接在一起時，所述短路保護電路使暴露充電觸點中的一個充電觸點與用于該設(shè)備的可充電電源在電氣上斷開。不用斷開用于該設(shè)備的電源電路就能使該充電觸點斷開，因此，該設(shè)備可以在充電觸點被短接時繼續(xù)工作。用于該設(shè)備的電源可以是可重復(fù)充電的鋰離子電池組。
根據(jù)一個實施例，可充電電子設(shè)備包括一個主功率電路，其包含一個DC電源和一個耗電負(fù)載；第一個充電觸點，其經(jīng)由第一條電氣路徑電氣耦合到所述電源的第一個電極；第二個充電觸點，其經(jīng)由第二條電氣路徑耦合到所述電源的第二個電極；以及一個短路保護電路，其被配置為當(dāng)?shù)谝粋€充電觸點和第二個充電觸點被短接到一起時，在一個并非位于主功率電路內(nèi)的位置處斷開第一條電氣路徑。
所述短路保護電路最好包括一個開關(guān)，這個開關(guān)在一個并非位于主功率電路內(nèi)的位置處插入到第一個充電觸點和第一個電極之間的第一條電氣路徑中。所述短路保護電路可以被配置為當(dāng)?shù)谝缓偷诙€充電觸點被短接到一起時斷開所述開關(guān)。所述開關(guān)例如可以是一個晶體管，其既可以是場效應(yīng)晶體管也可以是雙極性晶體管。所述開關(guān)最好是一個p溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
所述短路保護電路也可以包括一個比較裝置，其適用于將第一個輸入信號的電壓與第二個輸入信號的電壓進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果斷開或閉合開關(guān)。第一個信號的電壓可以和第一個充電觸點與地之間的電壓差成正比，而第二個信號的電壓可以和電源的電壓成正比。所述比較裝置例如可以包括比較器、運算放大器、ASIC或處理器。當(dāng)?shù)谝粋€充電觸點和地之間的電壓降大約等于或大于電池電壓時，所述比較裝置命令所述開關(guān)處于“開”位置。結(jié)果，當(dāng)該設(shè)備位于其充電器中時，能量可以從該充電觸點流到電源。當(dāng)?shù)谝粋€充電觸點與地之間的電壓降為零時，命令所述開關(guān)處于“關(guān)”位置。因此，如果在這兩個充電觸點間發(fā)生了短路，則開關(guān)將被調(diào)到“關(guān)”或者被斷開。其結(jié)果是，電源避免了充電觸點間的短路，并可以繼續(xù)為耗電負(fù)載供電。
所述可充電設(shè)備可以是一個手電筒，而所述DC電源可以是一個可重復(fù)充電的鋰離子電池組。在充電觸點間發(fā)生短路的情況下，所述短路保護電路可以被配置為比鋰離子電池組的內(nèi)置短路電路保護更快地檢測并清除短路狀態(tài)。這樣，所述短路保護電路確保了當(dāng)外部充電觸點間發(fā)生短路時該設(shè)備的工作不會被中斷。在可充電設(shè)備是一個手電筒時這是特別有利的。
在另外一個實施例中，提供了一種可充電的手電筒，它包括一個電源、一個經(jīng)由主功率電路電耦合到所述電源的燈、一個經(jīng)由第一條電氣路徑電耦合到電源的第一個電極的第一個充電觸點，一個經(jīng)由第二條電氣路徑電耦合到電源的第二個電極的第二個充電觸點，以及一個邏輯電路，所述邏輯電路控制一個在并非處于主功率電路內(nèi)的位置處插入到第一條電氣路徑中的開關(guān)。所述邏輯電路被配置為當(dāng)?shù)谝缓偷诙€充電觸點被短接在一起時向所述開關(guān)給出信號以使其斷開。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種便攜式照明設(shè)備，它包括一個用于調(diào)節(jié)流過該設(shè)備的燈的電流的電路。所述電路最好減小當(dāng)燈被打開時流過燈的初始電涌。在照明設(shè)備采用白熾燈泡的情況下，這種電路可以用來減少當(dāng)該照明設(shè)備被打開時燈泡上的負(fù)擔(dān)。
根據(jù)一個實施例，所述照明設(shè)備包括一個主功率電路和一個功率控制電路，所述主功率電路包括一個電源、一個光源和一個電子功率開關(guān)。所述功率控制電路電耦合到所述電子功率開關(guān)，并適用于響應(yīng)一個控制信號來調(diào)節(jié)流經(jīng)電子功率開關(guān)的電流。所述功率控制電路可以在照明設(shè)備被打開時調(diào)節(jié)電子功率開關(guān)，以便在主功率電路達到一個穩(wěn)定狀態(tài)之前限制流經(jīng)主功率電路的峰值電流。所述電子功率開關(guān)可包括一個晶體管，并且所述光源可包括一個燈絲。所述電子功率開關(guān)最好包括一個n溝道MOSFET，并且所述功率控制電路將一個修正后的控制信號施加到MOSFET的柵極。所述照明設(shè)備可以包括一個手電筒。
在一個優(yōu)選的實施例中，所述照明設(shè)備還包括一個微處理器和一個用于斷開和閉合電源與微處理器之間的電氣路徑的機械開關(guān)。所述微處理器響應(yīng)于從所述機械開關(guān)接收到的激活信號向功率控制電路提供控制信號，功率控制電路對該控制信號進行修正，并將修正后的控制信號施加到點子功率開關(guān)。當(dāng)照明設(shè)備被打開時，控制信號的電壓可根據(jù)一個階梯函數(shù)而變化，而修正后的控制信號可具有隨著照明設(shè)備被打開后的時間而增長的電壓。修正后的控制信號的電壓最好在照明設(shè)備被打開后呈指數(shù)增長。
根據(jù)另一個實施例，所述照明設(shè)備包括一個具有主功率電路和功率控制電路的手電筒，所述主功率電路包括一個電源、一個燈以及一個電子功率開關(guān)，而所述功率控制電路電耦合到所述電子功率開關(guān)，并適用于在手電筒打開時向電子功率開關(guān)提供一個信號。在本實施例中，電子功率開關(guān)能夠傳導(dǎo)到主功率電路中的電流量取決于提供給電子功率開關(guān)的信號的電壓，并且所述功率控制電路被配置為以下述方式改變信號電壓，即在手電筒被打開時一段預(yù)定時間內(nèi)增大可流經(jīng)功率開關(guān)的電流量。
所述的預(yù)定時間最好被設(shè)定為大于當(dāng)手電筒打開后主功率電路達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間。如果燈包含燈絲，則所述的預(yù)定時間最好大于燈絲的熱力學(xué)時間常數(shù)。典型地，預(yù)定的時間是10毫秒或更長；更為優(yōu)選的是，預(yù)定的時間是40毫秒或更長。
在一種實施方式中，所述功率控制電路根據(jù)指數(shù)函數(shù)、最好是增長的指數(shù)函數(shù)來改變信號電壓。優(yōu)選的是，該指數(shù)函數(shù)的時間常數(shù)由功率控制電路中包含的電阻值和電容值來確定。
所述電子功率開關(guān)可包括一個晶體管，如場效應(yīng)晶體管或雙極性晶體管。優(yōu)選地，所述電子功率開關(guān)包括MOSFET。如果電子功率開關(guān)包括場效應(yīng)晶體管，則信號被施加到該晶體管的柵極。
手電筒還可包括一個微處理器和一個用于斷開和閉合電源與微處理器之間的電氣路徑的機械開關(guān)。所述微處理器響應(yīng)于從機械開關(guān)接收到的激活信號向功率控制電路提供一個控制信號，并且功率控制電路對該控制信號進行修正，以生成施加到電子功率開關(guān)的信號。當(dāng)手電筒打開時，控制信號的電壓根最好根據(jù)一個階梯函數(shù)而變化，而施加到電子功率開關(guān)的信號最好根據(jù)指數(shù)函數(shù)隨時間增長。
在本發(fā)明的另一個單獨的方面，試圖將本發(fā)明的上述各方面的要素組合起來。
本發(fā)明的其他方面、目標(biāo)、適當(dāng)特征及優(yōu)點將在下面結(jié)合附圖的描述中更好地理解，在附圖中以舉例的方式示出了本發(fā)明所公開的不同實施例。但是應(yīng)該清楚的是，附圖僅僅出于說明的目的，不應(yīng)當(dāng)被作為對本發(fā)明的限制。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一個實施例的手電筒的透視圖。
圖2為圖1中的手電筒沿2-2所示平面截取的剖面圖。
圖3為圖1中的手電筒沿2-2所示平面截取的前面部分的剖面圖。
圖4為圖3所示剖面圖的透視圖。
圖5為圖1所示手電筒的電路圖，其中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電子電路關(guān)系。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的手電筒中可采用的瞬時開關(guān)的反跳電路的一個實施例的電路圖。
圖7為根據(jù)本發(fā)明的手電筒中可采用的微控制器的一個實施例的電路圖。
圖8為根據(jù)本發(fā)明的手電筒中可采用的功率控制電路的一個實施例的電路圖。
圖9A為根據(jù)本發(fā)明的短路預(yù)防電路的一個實施例的電路圖。
圖9B為圖9A所示短路預(yù)防電路中采用的比較裝置的電源電路的一個例子的電路圖。
圖10A示出了三種示波器描跡，反映了(1)當(dāng)手電筒最初被打開時，來自圖1所示手電筒的微控制器的控制信號的電壓如何隨時間變化，(2)來自功率控制電路的信號的電壓如何響應(yīng)于微控制器的控制信號而變化，以及(3)提供給手電筒的燈的電流如何響應(yīng)于來自功率控制電路的信號而變化。
圖10B示出了對于不包含根據(jù)本發(fā)明的功率控制電路的手電筒的三種示波器描跡，但是該手電筒的其他方面與獲得圖10A所示示波器描跡的手電筒相同。圖10B中所示的三種描跡反映了(1)當(dāng)手電筒最初被打開時，來自不具有功率控制電路的手電筒的微控制器的控制信號的電壓如何隨時間變化，(2)電子功率開關(guān)的柵極至源極電壓如何響應(yīng)于控制信號的電壓而變化，以及(3)提供給手電筒的燈的電流如何響應(yīng)于施加到電子功率開關(guān)的電壓而變化。
圖11A為示出了當(dāng)手電筒最初被打開時，裝配有根據(jù)本發(fā)明的功率控制電路的手電筒的主功率電路中隨時間變化的電流的示波器描跡。
圖11B為示出了當(dāng)手電筒最初被打開時，不具有根據(jù)本發(fā)明的功率控制電路的手電筒的主功率電路中隨時間變化的電流的示波器描跡。
圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的手電筒在選通模式下操作的三種示波器描跡。這三種描跡反映了(1)來自微處理器的控制信號的電壓，(2)由功率控制電路生成的修正后的控制信號的電壓，以及(3)流經(jīng)電子功率開關(guān)的電流。
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的手電筒在節(jié)能模式下操作的三種示波器描跡。這三種描跡反映了(1)來自微處理器的控制信號的電壓，(2)由功率控制電路生成的修正后的控制信號的電壓，以及(3)流經(jīng)電子功率開關(guān)的電流。
具體實施例方式
為了便于對本發(fā)明的描述，一幅附圖中代表某個元件的附圖標(biāo)記代表其他附圖中的相同元件。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的手電筒10在圖1中以透視圖的方式示出。該手電筒10中結(jié)合了本發(fā)明的多個獨特的方面。盡管這些獨特的方面都已經(jīng)結(jié)合到手電筒10中，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于這里所描述的手電筒10。實際上，本發(fā)明涉及下面單獨和結(jié)合起來描述的手電筒的每一種具有創(chuàng)造性的特征。此外，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明的公開內(nèi)容后所理解的那樣，本發(fā)明的一個或多個方面也可以結(jié)合到其他電子設(shè)備中，包括移動電話、便攜式無線電設(shè)備、玩具、以及其他非便攜式的照明設(shè)備。
參照圖1-4，手電筒10包括通過一個后蓋22在后端封閉、通過一個燈頭及開關(guān)組件23在前端封閉的筒體21。
筒體21最好由鋁制成。正如本領(lǐng)域已知的，筒體21可以沿著其軸向延伸方向設(shè)置有帶有網(wǎng)紋的表面27，最好是以經(jīng)過機械加工的壓花的形式。
在本實施例中，筒體21被配置為裝入可充電的鋰離子電池組60。電池組60可包括一個或多個鋰離子電池。電池組60最好包括至少兩個鋰離子電池，它們在物理上串接放置，或者端對端排列，同時在電氣上并聯(lián)連接。在其他實施例中，可能希望兩個電池在電氣上串聯(lián)連接。此外，筒體21也可被配置為容納電池組60，該電池組包括兩個或更多個鋰離子電池，這些電池根據(jù)手電筒的設(shè)計需要在物理上平行或并排設(shè)置，同時在電氣上串聯(lián)或并聯(lián)連接。此外，盡管鋰離子電池組60被用作所述手電筒10的實施例的電源，但也可以采用其他直流電源，例如包括干電池，以及其他類型的可充電電池。
可充電的鋰離子電池組60最好包括內(nèi)置的電路保護電路86，該電路在圖5中可以很清楚地看到。這種類型的電池組已經(jīng)在市場由許多供應(yīng)商所提供，如BYD有限公司，并且，如果電池組的電極被短接在一起，則來自電池組的電流將被中斷。
后蓋22最好也是由鋁制成的，并被配置為與筒體21內(nèi)部設(shè)置的匹配線相嚙合，如現(xiàn)有技術(shù)中通常所采取的那樣。然而，也可以用其他適當(dāng)?shù)拇胧⒑笊w22附加到筒體21上。如在圖2中可以清楚看到的那樣，可以在后蓋22和筒體21之間的交界處設(shè)置一個單向閥68，如唇形密封，以提供防水的密封。然而，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，也可以采用其他方式的密封元件，如O形環(huán)，以代替單向閥68形成防水密封。一個單向閥68留在后蓋22內(nèi)形成的環(huán)形通道中。另一個單向閥68如此被定向，以避免水從外部流入到手電筒10內(nèi)部，同時允許手電筒內(nèi)的過壓逸出或排出到外界空氣中。
手電筒中的單向閥的設(shè)計和使用在授予Anthony Maglica的美國專利No.5113326中更為詳細(xì)地披露，該專利文獻在此引入作為參考。
如果筒體和后蓋都是由鋁制成的，除了那些用于和其他金屬表面形成電接觸以形成手電筒電路的表面之外，筒體21和后蓋22的表面最好經(jīng)過陽極化處理。在本實施例中，通過傳導(dǎo)元件72和彈簧74在筒體21和鋰離子電池組60的外殼電極61之間形成一個電氣路徑。除了在筒體和外殼電極之間形成電氣路徑的部分之外，彈簧74還向前擠壓電池組60，使得電池組60的中央電極63被擠壓到彈簧偏置導(dǎo)體76的一端中，它由固定銷57來保持，并穿過該固定銷延伸。
本實施例中的燈頭及開關(guān)組件23包括一個支撐結(jié)構(gòu)28，多個其它元件可安裝到這個支撐結(jié)構(gòu)上，這些元件例如包括燈頭24、正面燈帽25、充電觸點44、印刷電路板46、套筒50、開關(guān)52及可移動的燈組件100。為了便于制造，支撐結(jié)構(gòu)28最好由注模塑料制成。另一方面，燈頭24、正面燈帽25和套筒50最好由經(jīng)過陽極化處理的鋁制成。
在本實施例中，支撐結(jié)構(gòu)28是一個中空的支撐結(jié)構(gòu)，其包括一個前端部分31、一個中間部分33和一個后端部分35。前端部分33包括一個通常為杯狀的接納區(qū)域37。從前端部分31向后延伸的中間部分33包括一個通常為圓柱狀的內(nèi)表面39。并且，從中間部分33向后延伸的后端部分35包括兩個相對的、帶有弓形線紋的指狀物55(從圖2-4的剖面圖中只能看到其中的一個指狀物)。
正面燈帽25保留了透鏡26和相對于支撐結(jié)構(gòu)28的反射鏡30。在本實施例中，正面燈帽25被配置為安裝到在支撐結(jié)構(gòu)28的前端部分31上提供的外部線紋29上。但在其他實施方式中也可采用其他接合方式。如圖所示，反射鏡30位于支撐結(jié)構(gòu)28的前端部分31的杯狀接納區(qū)域37內(nèi)。相應(yīng)的對準(zhǔn)措施32、34可以分別在反射鏡30的外表面和支撐結(jié)構(gòu)28的內(nèi)部匹配表面上提供，以確保反射鏡30與支撐結(jié)構(gòu)28之間能正確對準(zhǔn)。
燈頭24的直徑大于筒體21和套筒50的直徑。燈頭24也可以被配置為外形上與筒體21和套筒50的外表面成為一體。燈頭24的內(nèi)表面36被配置為在選定的位置處與支撐結(jié)構(gòu)28的外表面相匹配，從而使燈頭24相對于正面燈帽25和支撐結(jié)構(gòu)28被適當(dāng)?shù)囟ㄎ弧Ｒ粋€可壓縮的保持環(huán)40，如橡膠O形環(huán)，可以被安放在圍繞支撐結(jié)構(gòu)28的外表面延伸的通道41中，從而在支撐結(jié)構(gòu)38和設(shè)置在燈頭24的內(nèi)表面36上的措施(如環(huán)形唇緣42)之間形成干涉配合。可壓縮的保持環(huán)40還避免了潮氣和灰塵進入到支撐結(jié)構(gòu)28和燈頭24的前端之間的燈頭組件內(nèi)。
外部充電觸點44和48被設(shè)置在手電筒10的前端部分處。盡管在本實施例中充電觸點44和48以充電環(huán)的形式被提供，以簡化反復(fù)充電過程，但在其他實施例中觸點44和48也可以采取其他形式。在本實施例中，印刷電路板46插入到充電觸點44和48之間。印刷電路板46被配置為與充電觸點44和48電氣連通，同時將充電觸點44和48隔開以避免通過電路在它們之間形成直接的電氣連通。印刷電路板46與充電觸點44、48之間的電氣連通可通過在印刷電路板46與每個充電觸點之間形成的接口處提供導(dǎo)電線路來建立。
外部充電觸點44最好是設(shè)置在支撐結(jié)構(gòu)28的外表面38上的鋁環(huán)，最好朝向中間部分33的后端。如果筒體21由經(jīng)過陽極化處理的鋁制成，則通過機械加工筒體的一部分以去除充電觸點48的位置處的陽極化處理，或者通過在對筒體21進行陽極化處理之前遮蓋充電觸點48的位置，外部觸點48可以在筒體21中整體形成。在本實施例中，充電觸點48位于筒體21的前端。
如上所述，燈頭及開關(guān)組件23最好可包括一個套筒50。套筒50被設(shè)置在支撐結(jié)構(gòu)28的外表面38的上方，使其從充電觸點44向前延伸到位于燈頭24的后緣53下方的位置處。套筒50最好由經(jīng)過陽極化處理的鋁制成，但是也可以由其他金屬或塑料制成。上述構(gòu)造的結(jié)果是除了由印刷電路板48和開關(guān)52所形成的外表面之外，根據(jù)本實施例的手電筒20的所有外表面均可以由金屬、最好是鋁制成。
套筒50帶有一個孔51，開關(guān)52的開關(guān)蓋54穿過這個孔延伸。圍繞著開關(guān)蓋54的套管50的外表面可以是傾斜的，以便于手電筒10的觸摸操作。套筒50也可以在其周邊、在燈頭24的后緣53之前的位置處具有一個槽56，用于定位密封元件58，如O形環(huán)，從而在燈頭24和套筒50之間形成防水密封。如圖3和4中可以清楚地看到的，開關(guān)蓋54最好被配置為避免潮氣和灰塵經(jīng)由孔51進入到燈頭及開關(guān)組件23中。
在本實施例中，燈59以可取下的方式安裝在燈頭及開關(guān)組件53內(nèi)，從而穿過在其中提供的中心孔延伸到反射鏡30中。特別地，燈59被安裝在可移動的燈組件100上，所述燈組件順次可滑動地安裝在支撐結(jié)構(gòu)28的中間部分33之內(nèi)。
盡管燈59可以是任意能發(fā)光的適當(dāng)裝置，在本實施例中，燈59最好是一個白熾燈泡，更為優(yōu)選地是一個雙腳白熾燈泡。但在本發(fā)明的其他實施方式中，燈59例如也可以包括LED燈或弧光燈。
在本實施例中，可移動的燈組件100包括一個可調(diào)節(jié)的球狀外殼102、一個球形的可調(diào)燈泡固定器104、一個端部燈帽106、一個保持器108、保持彈簧110、一個彈簧偏置的導(dǎo)體112、彈簧114、導(dǎo)體柱116和凸輪隨動組件117。
如圖3和4所示，燈59由所述球形的可調(diào)燈泡固定器104來固定。球形的可調(diào)燈泡固定器104順次可調(diào)節(jié)地安裝在可調(diào)節(jié)的球狀外殼102內(nèi)。鑒于此，可調(diào)節(jié)的球狀外殼102在其前端部分地被壁103所封閉。壁103包括一個凹入的匹配表面118，球形的燈泡固定器104被可調(diào)節(jié)地保持在這個凹入表面內(nèi)。適合于在可調(diào)節(jié)的球狀外殼102內(nèi)滑動的保持器108包括一個凹入表面120，其被設(shè)計為可滑動地與球形的可調(diào)燈泡固定器104的相對一側(cè)相匹配。端部燈帽106封閉了可調(diào)節(jié)的球狀外殼102的后端，并以與之固定的關(guān)系被安裝。保持彈簧104介于固定的端部燈帽106和可滑動的保持器108之間，從而使保持器108向著手電筒的前端偏置，直到凹入表面120與球形的可調(diào)燈泡固定器104相嚙合。其結(jié)果是，球形的可調(diào)燈泡固定器104可調(diào)地被固定在壁103的凹入表面118和保持器103的凹入表面120之間。
球形的可調(diào)燈泡固定器104包括一個金屬部分122、一個第一觸點固定器124和一個第二觸點固定器126。在本實施例中，金屬部分122包括一個帶有通孔的球形區(qū)域。第一觸點固定器124和第二觸點固定器126由不導(dǎo)電的材料制成，如塑料，并被配置為在金屬部分122的通孔內(nèi)產(chǎn)生干涉配合。第二觸點固定器126包括一個形狀近似于球球的一個扇區(qū)的頭部，使得通過與金屬部分122相結(jié)合，為球形的可調(diào)燈泡固定器104提供一個基本上為球形的外表面。
燈59的電極延伸到第一觸點固定器122中，其中它們最好分別與正電極觸點和負(fù)電極觸點(未示出)摩擦接觸。電極觸點中的一個，在本實施例中為負(fù)電極觸點，被配置為在第一和第二觸點固定器124、126的匹配表面之間延伸，并與球形的可調(diào)燈泡固定器104的金屬部分122形成電連接。另一個電極觸點，在本實施例中為正電極觸點，穿過第一和第二觸電固定器124、126延伸，并包括一個用于和彈簧偏置的導(dǎo)體112相匹配的表面。
可移動的燈組件100的結(jié)構(gòu)參照2004年3月16日提交的待決美國專利申請No.10/802265的圖6-18詳細(xì)描述，該申請在此并入作為參考。
球形的可調(diào)燈泡固定器104的金屬部分122與最好也是由金屬制成的可調(diào)節(jié)的球狀外殼102電氣連通?？烧{(diào)節(jié)的球狀外殼102順次與簧片導(dǎo)體128電氣連通，所述簧片導(dǎo)體的一部分與可調(diào)節(jié)的球狀外殼102的外表面形成可滑動的接觸。簧片導(dǎo)體128還在印刷電路板46的接觸墊62處與印刷電路板46電氣連通。
接觸柱116穿過端部燈帽106和開關(guān)外殼80延伸。接觸柱116由開關(guān)外殼80以摩擦方式保持，使得其后端在通路64處與印刷電路板46電氣連通。在本實施例中，通路64穿過印刷電路板46的中央延伸。在其前端，接觸柱116被可滑動地支撐在端部燈帽106中提供的通孔內(nèi)。設(shè)置在接觸柱116的前端上的杯狀部分130被配置為固定住彈簧114的一端，而彈簧114的另一端強制彈簧偏置導(dǎo)體112與穿過球形的可調(diào)燈泡固定器104的第二觸點保持器126延伸的電極觸點的暴露部分形成接觸。在本實施例中，彈簧偏置導(dǎo)體112也是杯狀的，其直徑略微大于杯狀部分130的直徑，使得它以可滑動的方式適配在杯狀部分130的外表面上，并將彈簧114保持在它們之間。
燈頭及開關(guān)組件23借助于兩個形成了支撐結(jié)構(gòu)28的后端部分35的帶有弓形線紋的指狀物55連接到筒體21。這兩個帶有弓形線紋的指狀物55穿過印刷電路板46延伸。帶有弓形線紋的指狀物55既具有內(nèi)部的線紋也具有外部的線紋。所述外部線紋與筒體21前端內(nèi)設(shè)置的相應(yīng)內(nèi)部線紋相匹配。一旦燈頭及開關(guān)組件23被旋入到筒體21中，則固定銷57被旋入到帶有弓形線紋的指狀物55的內(nèi)部線紋中。固定銷57最好包括一個逐漸變細(xì)的軸59，它被配置為展開所述帶有弓形線紋的指狀物55，從而將燈頭及開關(guān)組件23鎖定到筒體中。
彈簧偏置導(dǎo)體76被可壓縮地固定在印刷電路板46與端壁67之間的固定銷57的中央空腔66內(nèi)。彈簧偏置導(dǎo)體76還將印刷電路板46上的通路64電耦合到可充電鋰離子電池組60的中央電極63上。
圖5是手電筒10的電路圖，簡要示出了根據(jù)本發(fā)明的電子電路的一個優(yōu)選實施例。如圖5所示，手電筒10包括一個主功率電路400、一個開關(guān)52、一個反跳電路500、一個微處理器控制電路600、一個功率控制電路700、充電觸點44和48、以及一個短路保護電路800。在本實施例中，反跳電路500、微處理器控制電路600、功率控制電路700和短路保護電路800都形成在印刷電路板46上。但在其他實施方式中，其他的配置也是可能的。
本實施例的主功率電路400包括可充電鋰離子電池組60、電氣路徑402、燈59、電氣路徑404、以及電子功率開關(guān)702。
如圖5中清楚看到的，可充電鋰離子電池組60包括內(nèi)置的短路保護電路86。內(nèi)置的短路保護電路86與鋰離子電池組60內(nèi)的鋰離子電池88串聯(lián)設(shè)置。在所示的實施例中，所述短路保護電路被設(shè)置在鋰離子電池88的負(fù)電極和電池組60的負(fù)電極之間。但所述短路保護電路也可以被設(shè)置在鋰離子電池88的正電極和電池組60的正電極之間。
電氣路徑402將可充電鋰離子電池組60的中央電極63連接到燈59的正電極。在圖1-4所示的手電筒中，電氣路徑402包括下列元件彈簧偏置導(dǎo)體76、通路64、導(dǎo)體柱116、彈簧114、彈簧偏置導(dǎo)體112、以及設(shè)置在球形的可調(diào)燈泡固定器104內(nèi)的正電極觸點。
電氣路徑402將燈59的負(fù)電極連接到可充電鋰離子電池組的外殼電極61。此外，電氣路徑404通過電子功率開關(guān)702被斷開和閉合，以連通和中斷主功率電路400，所述電子功率開關(guān)將在下面詳細(xì)描述。在圖1-4所示的手電筒中，電氣路徑404包括設(shè)置在球形的可調(diào)燈泡固定器104內(nèi)的負(fù)電極觸點、可調(diào)節(jié)的球狀外殼102、簧片導(dǎo)體128、接觸墊62、導(dǎo)電線路406、電子功率開關(guān)702、導(dǎo)電線路408、筒體21、后蓋22中的導(dǎo)電元件72、以及彈簧74。
盡管在本實施例中電子功率開關(guān)702位于印刷電路板46上，電子功率開關(guān)702也可以位于手電筒10中的其他位置。
電子功率開關(guān)702通過導(dǎo)電線路406電耦合到接觸墊62，所述導(dǎo)電線路406也設(shè)置在印刷電路板46上。電子功率開關(guān)702還通過導(dǎo)電線路408電耦合到筒體21，所述導(dǎo)電線路408在印刷電路板46上從電子功率開關(guān)702延伸到印刷電路板46與筒體21之間的交界處。
需要注意的是，除了電子功率開關(guān)702之外，電氣路徑402、404的構(gòu)成元件對于根據(jù)本發(fā)明的這個方面操作功率電路400來說并不是嚴(yán)格限定的，適用于形成特定手電筒設(shè)計的功率電路的電氣路徑的任意元件組合均可以采用。
電子功率開關(guān)702有選擇性地斷開和閉合燈59與可充電鋰離子電池組60的外殼電極61之間的電氣路徑404。當(dāng)電子功率開關(guān)702閉合時，允許電流流過主功率電路400。
在本實施例中，電子功率開關(guān)702的斷開和閉合受到開關(guān)52、微控制器電路600和功率控制電路700的控制。
操縱開關(guān)52生成一個信號，該信號確定了電子功率開關(guān)702斷開還是閉合，或者以后面要描述的方式重復(fù)地斷開和閉合。
在本實施例中，開關(guān)52是一個瞬時開關(guān)。當(dāng)開關(guān)52被按下時，開關(guān)52的撞針桿69推動導(dǎo)體82的吸合圓頂84，使其與導(dǎo)體柱116電氣連通。然后來自電池組60的信號通過接觸墊65被傳送到印刷電路板46。當(dāng)這個信號被傳送到印刷電路板46時，可以向電子功率開關(guān)702給出信號使其斷開或閉合電氣路徑404，從而允許手電筒10被相應(yīng)地打開或關(guān)閉。
與現(xiàn)有技術(shù)中已知的機械開關(guān)不同的是，開關(guān)52并不是把電流傳導(dǎo)到燈59。相反，開關(guān)52僅僅是提供一個激活或禁止信號。在本實施例中，所述激活或禁止信號被發(fā)送到微控制器電路600，該電路順次通過功率控制電路700向電子功率開關(guān)702給出信號，使其相應(yīng)地斷開或閉合。本實施例中的主功率電路400從而通過用戶操縱開關(guān)52而被間接地激活或禁止。
由于從可充電鋰離子電池組600到燈59的電流經(jīng)過電子功率開關(guān)702，而并非經(jīng)過開關(guān)52，因此開關(guān)52可以被設(shè)計為在非常低的電流下工作。
在圖5所示的示例性實施例中，開關(guān)52、反跳電路500、微控制器電路600、功率控制電路700、以及電子功率開關(guān)702全都電氣連通。當(dāng)開關(guān)52最初被按下時，一個信號經(jīng)由反跳電路500被發(fā)送到微控制器電路600。作為響應(yīng)，微控制器電路600將一個信號經(jīng)由功率控制電路700發(fā)送到電子功率開關(guān)600。作為響應(yīng)，電子功率開關(guān)702允許電流在一段預(yù)定的時間內(nèi)以受控的增長率從鋰離子電池組60流到燈59。對反跳電路500、微控制器電路600、功率控制電路700和電子功率開關(guān)702的更為詳細(xì)的描述將在下面結(jié)合圖6、7和7來討論。
圖6是本發(fā)明中可采用的反跳電路500的一個實施例的詳細(xì)圖示。反跳電路500可用于降低從開關(guān)52發(fā)送到微控制器電路600的信號的噪聲、電流和電壓。
當(dāng)用戶操縱開關(guān)52以使撞針桿69迫使吸合圓頂84與導(dǎo)體柱116相接觸時，用于打開或關(guān)斷燈59的信號經(jīng)由接觸墊65進入反跳電路500。這種操縱的結(jié)果是，一個信號通過反跳電路500經(jīng)由接觸墊65被發(fā)送。在輸出端507處提供了反跳電路500的輸出，該輸出端與圖7所示的微控制器電路600電氣連通。
在反跳電路500的一個實施例中，電容502、504、505和電阻503并聯(lián)耦合到接觸墊65和輸出端507，同時電阻506串聯(lián)連接在接觸墊65和輸出端57之間，最好是連接在電容502和電阻503的并聯(lián)支路的下行方向上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員知道如何設(shè)計反跳電路500以實現(xiàn)對于微控制器電路600來說適當(dāng)?shù)男盘栯娖?。但在圖6所示的設(shè)計中，可以看到電阻506的阻值是10KΩ，電阻503的阻值是1KΩ，電容502、504和505的電容值分別是0.1μF。
圖7是微控制器電路600的示意圖。在本實施例中，微控制器電路600包括一個微控制器601，其具有一個輸入端602和兩個輸出端604、606。此外，微控制器601的GND管腳直接連接到地，而微控制器601的Vcc管腳經(jīng)由導(dǎo)電線路608電連接到電池組60，并通過電容610經(jīng)由導(dǎo)電線路612連接到地。在線路608上提供的信號也可以是一個已經(jīng)由二極管濾波后的電池信號，但這種濾波并不是必需的。如果執(zhí)行了這種濾波，則該濾波可以如下所述在短路保護電路800中執(zhí)行。
來自反跳電路500的輸出端507的信號通過輸入端管腳602進入微控制器601。微控制器601可以被編程，從而為不同的用戶提供可選的功能，功能的選擇可以在輸入端管腳602上接收的輸入信號的特性來控制。這樣，例如，如果手電筒10處于關(guān)閉狀態(tài)而開關(guān)52被按下和釋放，則微控制器601可以被編程為在輸出端管腳606上提供一個信號以打開手電筒10。微控制器601還可以被編程為使得手電筒10在第二次按下開關(guān)52時保持在打開狀態(tài)，直到開關(guān)52被第二次釋放。其他功能也可以在微控制器601中被編程。例如，微控制器601可以被編程為使得用戶可以通過按下開關(guān)52并保持開關(guān)被按下兩秒鐘來選擇一個節(jié)電模式，或者通過按下開關(guān)52并保持開關(guān)被按下四秒鐘來選擇一個選通模式。
如果手電筒10處于關(guān)閉狀態(tài)，微控制器601將響應(yīng)于通過輸入端管腳602接收的信號，經(jīng)由輸出端管腳606發(fā)送一個控制信號輸出。來自輸出端管腳606的控制信號被提供到功率控制電路700的輸入端707，在該控制信號在線路708上被提供給電子功率開關(guān)702以使電子功率開關(guān)702響應(yīng)于該控制信號被逐漸閉合之前，該控制信號以所期望的方式在所述功率控制電路的輸入端處被修正，從而限制了最初流經(jīng)燈59的電流的涌入。
與在微控制器601中編程的其他工作模式相關(guān)地，可能希望以一種作為替代的方式來修正由微控制器601所生成的控制信號。因此，在所示的實施例中，微控制器601還包括了一個第二輸出端604，用于向功率控制電路700提供一個第二控制信號。來自輸出端管腳604的控制信號被提供到功率控制電路700的輸入端709。在來自輸出端管腳604的控制信號在線路708上被提供給電子功率開關(guān)702以使功率開關(guān)702響應(yīng)于在微控制器601的輸出端管腳604上提供的控制信號以一個不同的速率被閉合之前，該控制信號在功率控制電路700內(nèi)被修正。
圖7是功率控制電路700的示意圖，該功率控制電路經(jīng)由導(dǎo)電線路708被耦合到電子功率開關(guān)702。選擇一個電子功率開關(guān)702，以響應(yīng)于在線路708處提供的不同信號電平允許不同的電流電平流過主功率電路400。在本實施例中，電子功率開關(guān)702包括一個n溝道MOSFET 7605。這個MOSFET的柵極電連接到線路708，漏極經(jīng)由輸入端703連接到電池組60的中央電極63，而源極連接至地(例如電池組60的外殼電極61)。由于n溝道MOSFET的傳輸特性，即當(dāng)柵極至源極電壓低于大約0.75伏時漏極電流為零(即電子功率開關(guān)702斷開)，它在本發(fā)明中能夠很好地工作。
盡管本實施例中采用了n溝道MOSFET，但本領(lǐng)域技術(shù)人員從本發(fā)明公開內(nèi)容中可以很清楚地得知，本發(fā)明中也可以采用其他類型的電子功率開關(guān)。例如，如果電子功率開關(guān)702被提供在主功率電路400的較高一側(cè)(即位于燈59之前)，則可以使用p溝道MOSFET來代替n溝道MOSFET。類似，也可以采用其他類型的晶體管來作為電子功率開關(guān)702，包括其他場效應(yīng)晶體管，如JFET或DE MOSFET，以及雙板結(jié)晶體管。
如上所述，功率控制電路700對從微控制器601的輸出端管腳604、606接收的控制信號進行修正。特別地，功率控制電路700被設(shè)計為修正該控制信號，使得這些控制信號基于所采用的電子功率開關(guān)702的傳輸特性以及電子功率開關(guān)702閉合的速率隨時間而變化。優(yōu)選地，功率電路700修正從微控制器601接收到的控制信號中的至少一個，使得當(dāng)該控制信號到達電子功率開關(guān)702時，電子功率開關(guān)702隨時間被逐漸閉合，而不是瞬時閉合。
當(dāng)手電筒10處于關(guān)閉狀態(tài)時，輸入端707和709處的信號均為高阻信號，因此它們并非功率控制電路700的有效部分。此外，電阻703的值被如此選擇，使得當(dāng)手電筒10處于關(guān)閉狀態(tài)時，電阻703將MOSFET 705的柵極電壓經(jīng)由電阻701拉至零伏，使電子功率開關(guān)702斷開。
在所示的實施例中，電子功率開關(guān)702閉合的程度以及允許流入主功率電路400中的電流量最終由電壓跨接電容710來控制，它也對應(yīng)于MOSFET 705的柵極至源極電壓。當(dāng)在輸入端707或709上提供一個控制信號時，電壓跨接電容710將根據(jù)等式Vc＝E(1-e-t/T)呈指數(shù)增長，直至達到該控制信號的最大電壓。在上述等式中，E是施加到輸入端707或709上的控制信號的電壓，T是電路的時間常數(shù)，由等式T＝RC來確定。此外，當(dāng)取電容被完全充電之前大約5T的周期時，在1T的時間內(nèi)，電壓跨接電容710將達到從微控制器601所施加的控制信號電壓的大約63％。這樣，通過適當(dāng)選擇對應(yīng)于輸入端707和709的每個電路路徑的R和C，可以控制柵極至源極電壓增長的速率以及在從微控制器601提供控制信號之后電子功率開關(guān)702多快閉合。
如上所述，當(dāng)手電筒10最初被打開時，從微控制器601的輸出端管腳606向功率控制電路700的輸入端707提供一個控制信號。其結(jié)果是，輸入端707處的信號從高阻瞬時變?yōu)槔?伏的信號。但是，電壓跨接電容710以及柵極至源極電壓將根據(jù)上面給出的公式呈指數(shù)增長到3伏。通過以上述方式使控制信號的電壓逐漸增長、經(jīng)由線路708到達電子功率開關(guān)702，允許流到燈59的電流能夠以受控的速率增長。順次地，通過以受控的速率增大發(fā)送到燈59的電流量，能夠允許燈59以受控的、降低的速率實現(xiàn)其穩(wěn)定狀態(tài)，從而保護燈59免于當(dāng)打開手電筒時受到來自電池組60的通常很大的初始電涌。
在一個優(yōu)選的實施例中，電阻701的阻值是470KΩ，電阻703的阻值是1KΩ，而電容710的電容值是0.1μF。電阻701和電容703的這種結(jié)合形成了一個時間常數(shù)為47ms(470000×0.000001＝0.047秒或47毫秒)的低通濾波器。在這段時間內(nèi)，電容710將被充電至在輸入端707上提供的控制信號電壓的大約63％(或者0.63*5伏＝3.15伏)。這意味著MOSFET 705的柵極至源極電壓要用大約47ms才能從晶體管的截止區(qū)經(jīng)由限流區(qū)進入到線性區(qū)。在這段時間內(nèi)，燈59的燈絲被加熱，同時將電流的涌入限制到一個更為適合的水平。
如上所述，在微控制器601的輸出端604上提供的控制信號可以被提供到輸入端709，其目的是以和通過輸入端707處提供的控制信號實現(xiàn)的速率不同的速率來閉合電子功率開關(guān)702。例如，電阻704可以被設(shè)置為1.0KΩ，而電容710仍然被設(shè)置為0.1μF的電容值。這種組合得到了時間常數(shù)為0.0001秒(0.1ms)的低通濾波器電路。這樣，在這種配置之下，電容710將在0.1ms內(nèi)被充電至輸入端709處所提供的控制信號電壓的大約63％(或者在本實施例中為3.15伏)。
因此，在功率控制電路700的輸入端709處所提供的控制信號可以被用于以比輸入端707處提供的控制信號高得多的頻率來閉合和斷開電子功率開關(guān)702。這種特性對于某些用戶可選的功能來說可能是適用的，如節(jié)電模式。例如，如果用戶通過按下開關(guān)52一段適當(dāng)?shù)臅r間來選擇節(jié)電模式，則微控制器601可以從輸出端管腳606向輸入端707發(fā)出一個初始控制信號，從而像上面所述那樣相對較慢地為燈59提供能量。當(dāng)燈59已經(jīng)被打開、且燈絲已經(jīng)被加熱使得它處于或近似處于其穩(wěn)態(tài)阻抗之后，微控制器601可以從輸出端管腳604向功率控制電路700的輸入端709發(fā)出一個經(jīng)過方波脈沖調(diào)制后的控制信號，如圖13中所示的信號，并停止發(fā)出輸出端606上的控制信號。
基于0.1ms的時間常數(shù)，從微控制器601的輸出端管腳604發(fā)出的經(jīng)過脈沖調(diào)制后的信號可以以大約5kHz和100Hz之間的頻率被調(diào)制，并仍然處于比60Hz的可見閃爍頻率高得多的頻率。此外，由于每個脈沖之間的短暫周期時間，燈59的燈絲不會在這些周期之間充分冷卻，因此開、關(guān)周期的高頻率會導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)呢?fù)荷。其結(jié)果是，手電筒10能夠以這樣的方式工作其中在一段給定的時間內(nèi)允許燈59以例如一半的功率工作，從而消耗其正常工作時一半的電能。
盡管已經(jīng)用一個RC電路描述了本實施例中的功率控制電路，用于修正提供給電子功率開關(guān)702的控制信號，在功率控制電路700中也可以采用其他具有時間常數(shù)的電路形式，如RL和RLC電路。另外，生成線性波形、正弦波形、鋸齒波形或三角形波形的電路也可以用于功率控制電路700。此外，功率控制電路700的好處可以在這樣一種手電筒中實現(xiàn)其中提供給功率控制電路的控制信號直接來自一個機械開關(guān)，而不是微控制器，或者其中用任何形式的直流電源來代替電池組60。
圖10A以圖示方式說明了當(dāng)手電筒10最初被打開時功率控制電路700可能提供給燈59的有利的阻尼效應(yīng)。相反，圖10B以圖示方式說明了當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的功率控制電路700并沒有控制提供給電子功率開關(guān)702的信號時流經(jīng)電子功率開關(guān)702的電流變化速率和峰值電流要大得多。
圖10A示出了三條示波器描跡1002、1004、1006。圖10A中的示波器描跡是從具有一個功率控制電路700的手電筒獲得的，該功率控制電路如上面結(jié)合圖8所描述的，用于驅(qū)動一個包含MOSFET 705的電子功率開關(guān)702。此外，電阻701的值為470KΩ，電容710的值為0.1μF。因此該功率控制電路的時間常數(shù)為47ms。
圖10B中的示波器描跡是當(dāng)手電筒從關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)時獲得的，其分別反映了(1)當(dāng)手電筒最初被打開時，來自手電筒的微控制器601的控制信號的電壓如何隨時間變化，(2)來自功率控制電路700的信號電壓以及MOSFET 705的柵極至源極電壓如何響應(yīng)于微控制器的控制信號而變化，以及(3)經(jīng)由MOSFET 705傳輸、并提供給手電筒的燈59的電流如何響應(yīng)于來自功率控制電路的信號而變化。
圖10A中的x軸代表時間，以毫秒為單位，并且在穿過x軸的每條垂直網(wǎng)格線之間的距離代表40毫秒。另一方面，圖10A中的y軸代表信號或曲線所參照的不同單位或數(shù)值。
在圖10A中，描跡1002是當(dāng)手電筒10最初被打開時從微控制器601輸出的控制信號電壓的示波器描跡。描跡1002中穿過y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2伏。如圖所示，控制信號1002的電壓基本對應(yīng)于一個階躍波。因此，當(dāng)手電筒10被打開時，控制信號的電壓從0伏的低電平狀態(tài)變?yōu)?伏的高電平狀態(tài)。
描跡1004是當(dāng)控制信號經(jīng)由輸入端707通過功率控制電路700傳遞之后從微控制器601輸出的控制信號電壓的示波器描跡。因此，它對應(yīng)于MOSFET 705的柵極至源極電壓。像信號1002一樣，描跡1004中穿過y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2伏。如上所述，這種修正過的控制信號的電壓表現(xiàn)為指數(shù)增長函數(shù)。被發(fā)送到電子功率開關(guān)702的信號電壓的這種指數(shù)增長以受控的速率閉合功率開關(guān)702。因此，流經(jīng)MOSFET 705和燈59的電流變化速率和峰值電流得以降低。這可以通過比較描跡1006和圖10B中所示的相應(yīng)描跡1012而看到，這兩者在下面討論。
圖10A中的描跡1006是流經(jīng)MOSFET 705以及燈59的電流的示波器描跡，它是從以描跡1004所示方式控制的柵極至源極電壓得到的。描跡1006中穿過y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2安培。圖11A示出了描跡1006，但時間標(biāo)尺更大。圖11A中所用的時間標(biāo)尺是圖10A中所用的時間標(biāo)尺的10倍；因此，圖11A中的每條垂直網(wǎng)格線之間的間距代表4毫秒。另一方面，圖11A中y軸上的電流標(biāo)尺與圖10A中描跡1006的電流標(biāo)尺相同。
在本發(fā)明的這個例子中，當(dāng)手電筒10被打開時允許流過燈59的峰值電流被確定為3.75安培。通過測量曲線1006中峰值電流相對于其基準(zhǔn)線的高度，該峰值電流可以從圖10A和11A中所示的曲線1006來確定。但是，由于圖11A用比圖10A所示時間標(biāo)尺更大的時間標(biāo)尺來表示流經(jīng)MOSFET 705的電流，由圖11A可以對峰值電流進行更為精確的測量。
圖10B示出了三條示波器描跡1008、1010、1012。用于獲得圖10B所示描跡的手電筒與用于獲得圖10A所示描跡的手電筒相同，不同之處是它經(jīng)過了修改，使得來自微處理器601的控制信號被直接饋送到MOSFET 705的柵極中，從而旁路掉了本發(fā)明所述的功率控制電路。像圖10A一樣，圖10B所示的示波器描跡是當(dāng)手電筒從關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榇蜷_狀態(tài)時所取的，并分別反映了(1)當(dāng)手電筒最初被打開、且控制信號被直接饋送到MOSFET 705的柵極從而旁路掉功率控制電路700時，來自手電筒的微控制器的控制信號的電壓如何隨時間變化，(2)MOSFET 705的柵極至源極電壓如何響應(yīng)于這種情況下控制信號的電壓而變化，以及(3)流經(jīng)電子功率開關(guān)、并提供給手電筒的燈的電流如何響應(yīng)于施加到電子功率開關(guān)的柵極的電壓而變化。
圖10B中的x軸代表時間，以毫秒為單位，并且在穿過x軸的每條垂直網(wǎng)格線之間的距離代表40毫秒。因此，這里的x軸采用了與圖10A中相同的標(biāo)尺。與圖10A中的y軸一樣，圖10B中的y軸代表信號或曲線所參照的不同單位或數(shù)值。
在圖10B中，描跡1008是當(dāng)手電筒最初被打開時從微控制器601輸出的控制信號電壓的示波器描跡。與圖10A中一樣，描跡1002中穿過y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2伏。如圖所示，控制信號1002的電壓基本對應(yīng)于一個階躍波。因此，當(dāng)手電筒10被打開時控制信號的電壓從0伏的低電平狀態(tài)變?yōu)?伏的高電平狀態(tài)。但是，值得注意的是，控制信號1008的前導(dǎo)信號沿略微變得圓滑。這是在手電筒被打開的瞬間該對比例子中流經(jīng)燈59時出現(xiàn)的電流大量涌入的結(jié)果。這種電流涌入在瞬間顯著降低了電池組的電壓。在曲線1002中可以觀察到類似的控制信號電壓的驟降。然而，在曲線1002中，這種驟降從控制信號的前導(dǎo)信號沿被移開，因此它并沒有這么大。這是因為流經(jīng)燈59的峰值電流在使用本發(fā)明所述的功率控制電路700的手電筒中被延遲并被減小。
描跡1010是MOSFET 705的柵極至源極電壓的示波器描跡。與信號1008一樣，穿過y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2伏。在本對比例子中，柵極至源極電壓與微控制器所提供的控制信號1008的電壓相同，因為手電筒的功率控制電路已經(jīng)被旁路掉了。在微控制器601和電子功率開關(guān)702之間沒有接入功率控制電路700的結(jié)果是，功率開關(guān)702被瞬時從無傳導(dǎo)狀態(tài)驅(qū)動到MOSFET 705的傳輸特性曲線上的一個位置，它允許比實際流過主功率電路400的電流大得多的電流流過MOSFET 705。換句話說，當(dāng)手電筒從關(guān)閉狀態(tài)變換到打開狀態(tài)時，流經(jīng)主功率電路400的電流變化速率和峰值電流沒有受到功率開關(guān)702的限制。這從而導(dǎo)致大量的電流涌入到燈59，在圖10B的描跡1012中觀察到很大的電流沖擊。
圖10B中的描跡1012是當(dāng)柵極至源極電壓沒有由功率控制電路所控制時流經(jīng)MOSFET 705以及燈59的電流相對于時間的示波器描跡。描跡1012中穿過y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2安培。圖11B示出了描跡1012，但時間標(biāo)尺更大。圖11B中所用的時間標(biāo)尺是圖10B中的時間標(biāo)尺的10倍；因此，圖11B中的每條垂直網(wǎng)格線之間的間距代表4毫秒，并且圖11B與圖11A的時間標(biāo)尺相同。另一方面，圖11B中的y軸上的電流標(biāo)尺與圖10B中的描跡1012以及圖11A中的描跡1006的相同。
這個對比例子中流經(jīng)MOSFET 705和燈59的峰值電流大約為7.8安培。因此，圖10A和11A中的曲線1006與圖10B和11B中的曲線1012的比較表明，當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的上述例子的功率控制電路700被用于控制電子功率開關(guān)702閉合的速率時，提供給燈59的峰值電流減小了大約4.05安培，或者略微超過50％。曲線1006和1012的比較還表明，曲線1006中的電流峰值比曲線1012中的電流峰值寬得多，也平緩得多。這是由于流經(jīng)電子功率開關(guān)702的電流變化速率在采用本發(fā)明所述功率控制電路700的手電筒中被大大降低而引起的。
需要認(rèn)識到的是，圖10A和11A中所示的電流曲線1006僅僅是如何控制提供給燈59的電流的一個例子。實際上，如果使用具有不同時間常數(shù)或特性的功率控制電路700、具有不同傳輸特性的電子功率開關(guān)702、或者具有不同特性的燈，可能會得到不同的曲線，從而影響所得到的阻尼效應(yīng)的程度。
圖12中的示波器描跡是從用于獲得圖10A的相同手電筒得到的。但是當(dāng)記錄圖12中的示波器描跡1002、1004和1006時，該手電筒工作在選通模式下。該選通模式通過按下開關(guān)52大約4秒來選擇，從而為微控制器601提供一個用于選通模式的激活信號。
與圖10A一樣，圖12中的描跡1002、1004和1006分別對應(yīng)于來自微處理器601的輸出端管腳606的控制信號的電壓、由功率控制電路700所生成的修正后的控制信號的電壓、以及流經(jīng)MOSFET 705的電流。曲線1002、1004和1006中的每條曲線的y軸標(biāo)尺均對應(yīng)于圖10A中相應(yīng)曲線的y軸標(biāo)尺。但是，圖12中的x軸標(biāo)尺是圖10A中所用標(biāo)尺的十分之一；因此，圖12中每條垂直網(wǎng)格線之間的間距對應(yīng)于400毫秒。使用小標(biāo)尺可以觀察到一系列選通周期。
如圖12所示，控制信號1002的電壓在選通模式操作期間根據(jù)一個方波來調(diào)制。方波的每個周期約等于1.6秒。在半個周期期間內(nèi)，控制信號的電壓約為3.6伏，而在另外半個周期期間內(nèi)，控制電壓的電壓為0伏。每個“開”周期之間為800毫秒，這比燈59的燈絲冷卻所需的時間要大得多，在最初上電時再次起到短路的作用。
描跡1004是當(dāng)控制信號經(jīng)由輸入端707通過功率控制電路700之后從微控制器601輸出的控制信號電壓的示波器描跡，因此對應(yīng)于MOSFET 705的柵極至源極電壓。這種修正后的控制信號的電壓在每個脈沖的前導(dǎo)信號沿表現(xiàn)為指數(shù)增長函數(shù)，而在每個脈沖的曳尾信號沿表現(xiàn)為指數(shù)衰減函數(shù)。所述指數(shù)增長函數(shù)是由于由電阻701和電容710組成而成的RC電路的47ms的時間常數(shù)。所述指數(shù)衰減函數(shù)也具有大約47ms的時間常數(shù)，因為電阻703僅為1KΩ。
由于提供給電子功率開關(guān)702的信號1004的電壓在每個脈沖的前導(dǎo)信號沿處與圖10A中的信號1004的增長方式一樣呈指數(shù)增長，功率開關(guān)702以上面結(jié)合圖10A所述的相同受控速率被閉合。實際上，如果圖12中的時間標(biāo)尺增大到圖10A或11A中所使用的標(biāo)尺，則圖12中的描跡1006所示的每個電流脈沖的前導(dǎo)信號沿看起來和其他附圖中的描跡1006所示的電流脈沖的前導(dǎo)信號沿是一樣的。因此，在選通模式期間，每次燈被上電時流經(jīng)MOSFET 705和燈59的電流的變化速率和峰值電流都會減小，從而減小了在一個周期內(nèi)每次燈被上電時施加到燈59的燈絲上的負(fù)荷。即使當(dāng)每個周期的“關(guān)”部分期間燈絲被冷卻到再次使燈絲表現(xiàn)為短路的溫度，仍然會是這樣。
由于在具有本發(fā)明所述的功率控制電路的手電筒中，每次燈被上電時施加到燈的燈絲上負(fù)荷都會減小，因此燈的預(yù)期使用壽命得以延長。當(dāng)手電筒在選通模式下被操作時這是特別有利的，此時隨著燈的每次脈沖，施加到燈絲上的負(fù)荷會迅速累積。
從圖12中可以看到，即使在控制信號1002已經(jīng)從高電平狀態(tài)切換到低電平狀態(tài)之后，電流仍繼續(xù)流過燈59。這是因為描跡1004中每個脈沖的曳尾信號沿表現(xiàn)為指數(shù)衰減函數(shù)。因此，電子功率開關(guān)702將繼續(xù)傳導(dǎo)電流，直到修正后的控制信號的電壓下降到一個足以允許MOSFET 705導(dǎo)通的電平。由于在本例中用于功率電路700的衰減路徑的時間常數(shù)約為47ms，在每次控制信號1002從高電平狀態(tài)變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)之后，MOSFET 705繼續(xù)傳導(dǎo)電流大約40至50ms。
圖13示出了所示實施例的手電筒10在節(jié)電模式下的操作。通過按下開關(guān)52大約2秒來選中所述節(jié)電模式。圖13示出了三條示波器描跡1014、1016、1018。圖13中的示波器描跡是從具有上面結(jié)合圖8所述的功率控制電路700的手電筒獲得的，該功率控制電路用于驅(qū)動一個包括MOSFET 705的電子功率開關(guān)702。電阻701的值為470KΩ，電阻703和704的值為1KΩ，電容710的值為0.1μF。因此，對應(yīng)于功率控制電路700的輸入端707的時間常數(shù)為47ms，而輸入端709的時間常數(shù)為0.1ms。
圖13中的示波器描跡是當(dāng)手電筒從正常的“開”狀態(tài)切換到節(jié)電狀態(tài)時獲得的，分別反映了(1)當(dāng)手電筒在節(jié)電模式下工作時，圖1中所示的手電筒的微控制器的控制信號電壓如何隨時間而變化，(2)來自功率控制電路700的信號電壓以及MOSFET 705的柵極至源極電壓如何響應(yīng)于微控制器的控制信號而變化，以及(3)流經(jīng)MOSFET 705并進而施加到手電筒的燈59上的電流如何響應(yīng)于來自功率控制電路的信號而變化。
圖13中的x軸代表時間，以毫秒為單位，并且在穿過x軸的每條垂直網(wǎng)格線之間的距離代表40毫秒。但圖13中的y軸代表信號或曲線所參照的不同單位或數(shù)值。
描跡1014是當(dāng)手電筒10從正常的“開”模式變換到節(jié)電模式時，從微控制器601的輸出端管腳604輸出的控制信號電壓的示波器描跡。手電筒最初通過從輸出管腳606向功率控制電路700的輸入端707發(fā)出一個控制信號而被打開，從而如上所述相對較慢地為燈59提供能量。但是，一旦燈達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，微控制器就停止向輸出端管腳606輸出控制信號，并開始從輸出端管腳604向功率控制電路700的輸入端709輸出控制信號。圖13所示示波器描跡中所反映的時間周期在這種轉(zhuǎn)換發(fā)生之后進行的。
穿過描跡1014的y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2伏。因此，如圖13所示，在轉(zhuǎn)換到節(jié)電模式之前，控制信號1014的電壓處于大約3伏的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)手電筒轉(zhuǎn)換到節(jié)電模式之后，控制信號1014的電壓對應(yīng)于一個方波。方波的每個周期大約等于8毫秒。在半個周期期間，控制信號的電壓約為3.6伏，而在另外半個周期期間，控制信號的電壓約為0伏。
描跡1016是當(dāng)控制信號經(jīng)由輸入端709通過功率控制電路700之后控制信號電壓的示波器描跡。描跡1016也對應(yīng)于MOSFET 705的柵極至源極電壓。
和信號1014一樣，描跡1016中穿過y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2伏。由于控制信號1014通過具有非常小的0.1ms時間常數(shù)的功率控制電路700的一部分被傳輸，因此曲線1018所示的修正后的控制信號的電壓非常接近地跟隨著控制信號。
圖13中的描跡1018是流過MOSFET 705以及燈59的電流的示波器描跡，它是由以描跡1016所示的方式控制的柵極至源極電壓得到的。描跡1016中穿過y軸的每條網(wǎng)格線之間的間距代表2安培。
由曲線1018可以觀察到，在每個周期的“開”部分期間，不會觀察到電流沖擊。相反，每次當(dāng)信號1016變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)時，流經(jīng)MOSFET 705和燈59的電流返回到大約1安培的穩(wěn)態(tài)電平。這是因為在每個周期之外僅僅有大約4ms時間燈絲沒有被上電。這不足以使燈59的燈絲冷卻到再次表現(xiàn)為短路的點。由于燈以大約125Hz的頻率被驅(qū)動，人類觀看者將不會覺察到燈59的任何閃爍，盡管燈59看起來會暗一點。
燈59看起來會比較暗是因為燈59以其正常穩(wěn)態(tài)功率的一半來工作。在節(jié)電模式期間手電筒的峰值功率與手電筒在正常模式下工作時一樣。但是，由于在節(jié)電模式期間燈僅僅被上電每個周期的一半，因此其平均功率是其峰值功率的一半。此外，燈只消耗在其正常工作時所用能量的一半。
值得注意的是，描跡1016中每個脈沖的曳尾信號沿并不是像圖12中的脈沖1004那樣表現(xiàn)為時間常數(shù)為47ms的指數(shù)衰減函數(shù)。這是因為當(dāng)手電筒在節(jié)電模式下工作時電容710并沒有通過電阻703被漏電。實際上，當(dāng)手電筒在節(jié)電模式下工作時，通過微控制器601提供了另一條接地的路徑，從而使輸入端709的衰減函數(shù)的時間常數(shù)保持在大約0.1ms。如果希望以高于大約10Hz的速率驅(qū)動燈59，則這種替代的接地路徑是必要的，這個速率大致是通過基于本例中使用的電阻值的電阻701、703的衰減路徑的極限，并且顯著低于在所示例子中燈59被實際驅(qū)動的頻率125Hz。
本發(fā)明的另一個區(qū)別方面涉及提供一種改進的用于暴露的充電觸點的短路保護電路。
如圖1和5中可以清楚看到的，充電觸點44和48用作手電筒10的重復(fù)充電單元和可充電鋰離子電池組60之間的接口。盡管這里并沒有示出，應(yīng)當(dāng)理解的是，重復(fù)充電單元的支架應(yīng)當(dāng)以這樣的方式被造型，使得與外部充電觸點44和48形成電接觸，并在進行充電時把手電筒10保持在位置上。但是，由于充電觸點44和48圍繞著手電筒10的整個外表面延伸，可使用具有簡單支架設(shè)計的重復(fù)充電單元。例如，可以采用這樣一種支架，其設(shè)計允許將手電筒10以相對于其縱軸的任意軸向定位放置到重復(fù)充電單元內(nèi)，并且仍然能夠與重復(fù)充電單元的充電觸點相接觸。這樣，手電筒10不需要被按入到充電單元中，使得隱藏的插頭或突起部可以插入到手電筒中，從而與重復(fù)充電單元的充電觸點相接觸。
但是，由于充電觸點44和46暴露在外部，它們可能會在操作時被用戶手上的金屬物體所短路。為了避免在這種情況下觸發(fā)設(shè)置在鋰離子電池組60中的短路保護電路86，最好在充電觸點44、48中的至少一個與可充電的鋰離子電池組60之間電氣接入一個短路保護電路800。
在圖5所示的實施例中，充電觸點44電連接到短路保護電路800上，該短路保護電路順次通過導(dǎo)體821和通路64連接到電氣路徑402和電池組60的中央電極63上。充電觸點48也耦合到短路保護電路800上。另外，它還通過筒體21、傳導(dǎo)元件72和彈簧74連接到電池組60的外殼電極61上。
盡管在本實施例中，短路保護電路800位于印刷電路板46上，但短路保護電路800也可以在物理上位于手電筒10內(nèi)的任意適當(dāng)位置上。
如果在充電觸點44和48之間檢測到短路，則短路保護電路800工作，在電池組60和充電觸點44、48中的至少一個之間產(chǎn)生一個開路。這樣，可以安全地操作手電筒10，而不必?fù)?dān)心在手電筒工作期間，在充電觸點44、48上由于疏忽而造成的短路會中斷從電池組60流向燈59的電流。
下面結(jié)合圖9A和9B詳細(xì)描述短路保護電路800的一個實施例。
圖9A中所示的短路保護電路800基本上作為外部充電觸點44和電池組60之間的自動開關(guān)來工作。
電路800包括一個由比較裝置812來控制的開關(guān)816。在本實施例中，開關(guān)816接入到充電觸點44與電池組60的正電極63之間的一條電氣路徑內(nèi)。特別地，導(dǎo)體820和823將開關(guān)816的一側(cè)連接到充電觸點44，并且導(dǎo)體821和824將開關(guān)816的另一側(cè)連接到電池組60的中央電極。
在所示的實施例中，開關(guān)816是一個p溝道MOSFET，但是也可以采用其他的電子開關(guān)設(shè)備。例如，開關(guān)816可以采用其他類型的晶體管，包括雙板結(jié)晶體管和其他場效應(yīng)晶體管，如JFET和DEMOSFET。
本實施例中的比較裝置812包括一個電壓比較器。比較裝置812也可以使用功率放大器、微處理器或特定用途集成電路(ASIC)。
用于比較裝置812的電源電路的一個例子在圖9B中示出。如圖9B所示，比較裝置812的Vcc管腳連接到電池組60的正極端，而比較裝置812的GND管腳連接至地。盡管并不是必要的，但Vcc管腳最好通過一個肖特基二極管830連接到電池組60的正極端，從而對來自電池的信號提供基本的濾波。一個最好是0.1μF的電容與比較裝置的Vcc和GND管腳并聯(lián)設(shè)置。由肖特基二極管830濾波后的電池信號可以通過線路608提供給微控制器601的Vcc管腳，從而為微控制器供電。
比較裝置812對在輸入端802上提供的信號電壓和在輸入端804上提供的信號電壓進行比較。根據(jù)所做的比較，以及根據(jù)比較裝置的傳輸特性，在輸出端817上提供一個輸出信號以控制開關(guān)816。但是，由于在所示實施例中開關(guān)816是一個p溝道MOSFET，需要一個負(fù)的柵極至源極電壓來使開關(guān)816傳導(dǎo)電流。
在本實施例中，如果輸入端804上的信號電壓高于輸入端802上的電壓，則比較裝置812將在輸出端817上生成一個具有正電壓的信號，它基本上等于或高于電池組60在導(dǎo)體824上產(chǎn)生的電壓。其結(jié)果是，包括開關(guān)816的MOSFET被截止，在充電觸點44與電池組60的中央電極63之間的電路路徑將被斷開。另一方面，如果輸入端802上的信號電壓高于或等于輸入端804上的信號電壓，則比較裝置812在輸出端817上不會輸出信號(或者輸出0伏信號)。在這種情況下開關(guān)816將被啟動，從而在充電觸點44和電池組60的中央導(dǎo)體63之間傳導(dǎo)電流，這是因為MOSFET的柵極至源極電壓為負(fù)。
在圖9A所示的實施例中，輸入端802上的信號電壓對應(yīng)于在充電觸點44和電池組60的外殼電極或地之間提供的電阻811兩端的電壓降。為了確保能夠?qū)崿F(xiàn)電池組60的完全充電，電阻811的電阻值最好被選為稍稍大于電阻810的電阻值，使得在充電過程期間，在電阻811兩端發(fā)生的電壓降大于電阻810兩端的電壓降。電阻811的電阻值最好大于電阻810、811組合起來的總電阻的50％，并且小于或等于總電阻的大約60％。
在輸入端804上提供的信號電壓對應(yīng)于電容815上存儲的電壓，其又取決于電氣路徑819中電阻813和814各自的電阻值。特別地，由于電容815與電阻814并聯(lián)設(shè)置，存儲在電容815上的電壓等于電阻814兩端的電壓降。優(yōu)選地，電阻813和814被選為具有相同的值，使得后面的均衡電容815具有的電荷對應(yīng)于電池組60的電壓的大約一半。
作為舉例說明，電阻810、813和814的電阻值分別為100KΩ，而電阻811的電阻值可以是120KΩ。電容815的電容值可以是0.1μF。采用這些值，當(dāng)電容816被充電并在電路中實現(xiàn)均衡時，輸入端804上的信號電壓大約為電池組60的電壓的一半。另一方面，電阻811兩端的電壓降以及輸入端802上的信號電壓大約是充電觸點44與地之間的電壓降的55％。
當(dāng)手電筒10被放置到它的充電單元中時，外部充電觸點44、48與充電單元的相應(yīng)充電觸點相接觸，使能量可以流入到電池組中。基于短路保護電路800的上述配置，只要充電觸點44上的電壓大于或等于電池組60的電壓，則可以確定手電筒10處于充電模式下，開關(guān)816被啟動以允許電流通過。這是因為在這種情況下電阻811兩端的電壓降高于存儲在電容815上的電壓。其結(jié)果是，在本實施例中作為電壓比較器的比較裝置812向開關(guān)816發(fā)出信號使其閉合，從而允許能量從充電觸點44沿線路820、823、824和821流向電池組60，并對電池組60進行充電。
此外，在本實施例中，一旦手電筒從充電支架中被取出，開關(guān)816將保持?jǐn)嚅_。這是因為只要開關(guān)816斷開，充電觸點44就處于和中央電極63相同的電位，因此輸入端802上的信號電壓仍然大于輸入端804上的信號電壓。
然而，如果充電觸點44和48被短接在一起，則充電觸點44和地之間的電壓將迅速下降到零伏，就像電阻811兩端的電壓降一樣。作為響應(yīng)，比較裝置812檢測到充電觸點44處于比電池更低的電壓，并通過經(jīng)由輸出端817向開關(guān)816發(fā)送一個具有很大的正電壓的信號使開關(guān)816斷開。比較裝置812響應(yīng)于檢測到的短路，比能夠檢測和清除短路的內(nèi)部短路保護電路86更快地使開關(guān)816截止。由于在這種情況下內(nèi)部短路保護電路86沒有被觸發(fā)，因此電池組60能夠繼續(xù)向燈59提供能量，而不會由內(nèi)置的短路保護電路86所中斷。
在短路保護電路800的這個實施例中，一旦在充電觸點44和48之間檢測到了短路，只有當(dāng)短路被消除且充電觸點44與地之間的電壓降約等于或大于電池組60的電壓時，開關(guān)816才會再次斷開。換句話說，只有當(dāng)手電筒10被放入到它的相應(yīng)充電單元中時開關(guān)816才會再次斷開。
除了手電筒之外，短路保護電路800也可以有利地被應(yīng)用在充電觸點暴露出來的其他可充電設(shè)備中。此外，盡管當(dāng)用于便攜式電子設(shè)備的電源是可充電鋰離子電池組時短路保護電路800是特別有用的，短路保護電路800也可以具有優(yōu)點地用在由其他可充電直流電源供電的可充電設(shè)備中。
盡管在上面的內(nèi)容中已經(jīng)描述了一種改進的手電筒及其相應(yīng)元件的多種實施例，大量的改進、變化、替代實施例和替代材料也可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員所實現(xiàn)，并且可用來完成本發(fā)明的各個方面。例如，這里所述的功率控制電路和短路保護電路可以共同應(yīng)用在一個手電筒中，也可以分別被采用。此外，所述短路保護電路可用于除手電筒之外的可充電電子設(shè)備中。因此，很容易理解，本說明書僅僅是作為示例，而不是對下面要求保護的發(fā)明保護范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種可充電電子設(shè)備，包括主功率電路，包括直流電源和耗電負(fù)載；第一充電觸點，通過第一條電氣路徑電耦合到所述電源的第一個電極；第二充電觸點，通過第二條電氣路徑電耦合到所述電源的第二個電極；以及短路保護電路，被配置為當(dāng)所述第一充電觸點和所述第二充電觸點被短接在一起時，在一個并非位于主功率電路之內(nèi)的位置處斷開所述第一條電氣路徑。
2.如權(quán)利要求1所述的可充電電子設(shè)備，其中所述短路保護電路包括在一個并非位于主功率電路之內(nèi)的位置處接入到所述第一充電觸點和所述第一個電極之間的第一條電氣路徑中的開關(guān)，并且其中所述短路保護電路被配置為當(dāng)?shù)谝缓偷诙潆娪|點被短接在一起時斷開所述開關(guān)。
3.如權(quán)利要求2所述的可充電電子設(shè)備，其中所述短路保護電路包括比較裝置，所述比較裝置對第一個輸入信號的電壓和第二個輸入信號的電壓進行比較，并根據(jù)所述比較斷開或閉合所述開關(guān)。
4.如權(quán)利要求3所述的可充電電子設(shè)備，其中第一個信號的電壓與第一充電觸點和地之間的電壓降成正比，第二個信號的電壓與電源的電壓成正比。
5.如權(quán)利要求4所述的可充電電子設(shè)備，其中當(dāng)?shù)诙€信號的電壓高于或等于第一個信號的電壓時，所述比較裝置向所述開關(guān)發(fā)出信號以使其斷開。
6.如權(quán)利要求5所述的可充電電子設(shè)備，其中第一個信號的電壓高于第一充電觸點和地之間的電壓降的50％，并低于或等于該電壓降的約60％，第二個信號的電壓是電源電壓的約50％。
7.如權(quán)利要求2所述的可充電電子設(shè)備，其中所述開關(guān)是晶體管。
8.如權(quán)利要求2所述的可充電電子設(shè)備，其中所述開關(guān)是p溝道MOSFET。
9.如權(quán)利要求3所述的可充電電子設(shè)備，其中所述比較裝置是電壓比較器。
10.如權(quán)利要求3所述的可充電電子設(shè)備，其中所述比較裝置是ASIC。
11.如權(quán)利要求3所述的可充電電子設(shè)備，其中所述比較裝置是處理器。
12.如權(quán)利要求1所述的可充電電子設(shè)備，其中所述設(shè)備是手電筒。
13.如權(quán)利要求1所述的可充電電子設(shè)備，其中所述直流電源包括可充電鋰離子電池組。
14.一種可充電手電筒，包括電源；燈，通過一個主功率電路電耦合到所述電源；第一充電觸點，通過第一條電氣路徑電耦合到所述電源的第一個電極；第二充電觸點，通過第二條電氣路徑電耦合到所述電源的第二個電極；以及邏輯電路，控制在一個并非位于主功率電路內(nèi)的位置處接入到第一條電氣路徑中的開關(guān)，當(dāng)所述第一和第二充電觸點被短接在一起時，所述邏輯電路對所述開關(guān)發(fā)出信號使其斷開。
15.如權(quán)利要求14所述的可充電手電筒，還包括一個筒體，其中所述筒體容納著所述電源，并且所述第二充電觸點包括所述筒體的至少一部分。
16.如權(quán)利要求14所述的可充電手電筒，其中所述邏輯電路包括比較裝置，所述比較裝置對第一個輸入信號的電壓和第二個輸入信號的電壓進行比較，并根據(jù)所述比較斷開或閉合所述開關(guān)。
17.如權(quán)利要求16所述的可充電手電筒，其中第一個信號的電壓與第一充電觸點和地之間的電壓降成正比，第二個信號的電壓與電源的電壓成正比。
18.如權(quán)利要求17所述的可充電手電筒，其中當(dāng)?shù)谝粋€信號的電壓低于或等于第二個信號的電壓時，所述比較裝置向所述開關(guān)發(fā)出信號以使其斷開。
19.如權(quán)利要求18所述的可充電手電筒，其中第一個信號的電壓高于第一充電觸點和地之間的電壓降的50％，并低于或等于該電壓降的約60％，第二個信號的電壓是電源電壓的約50％。
20.如權(quán)利要求14所述的可充電手電筒，其中所述開關(guān)是晶體管。
21.如權(quán)利要求14所述的可充電手電筒，其中所述開關(guān)是p溝道MOSFET。
22.如權(quán)利要求16所述的可充電手電筒，其中所述比較裝置包括從電壓比較器、功率放大器、ASIC和處理器構(gòu)成的組中所選出的一個裝置。
23.如權(quán)利要求14所述的可充電手電筒，其中所述電源包括可充電鋰離子電池組。
24.一種便攜式照明設(shè)備，包括主功率電路，包括電源、光源和電子功率開關(guān)；功率控制電路，電耦合到所述電子功率開關(guān)，并適用于響應(yīng)于一個控制信號來調(diào)節(jié)流過所述電子功率開關(guān)的電流。
25.如權(quán)利要求24所述的便攜式照明設(shè)備，其中當(dāng)所述便攜式照明設(shè)備被打開時，所述功率控制電路調(diào)節(jié)所述電子功率開關(guān)，以限制在主功率電路達到穩(wěn)定狀態(tài)之前流經(jīng)主功率電路的峰值電流。
26.如權(quán)利要求25所述的便攜式照明設(shè)備，還包括一個微處理器和一個用于斷開和閉合所述電源與所述微處理器之間的電氣路徑的機械開關(guān)，其中所述微處理器的輸出端耦合到所述功率控制電路，所述微處理器響應(yīng)于從所述機械開關(guān)接收到的激活信號向所述功率控制電路提供控制信號，并且所述功率控制電路對該控制信號進行修正，并將修正后的控制信號提供給所述電子功率開關(guān)。
27.如權(quán)利要求26所述的便攜式照明設(shè)備，其中當(dāng)所述便攜式照明設(shè)備被打開時，所述控制信號的電壓基本上根據(jù)一個階躍函數(shù)而變化，并且所述修正后的控制信號的電壓隨時間而增長。
28.如權(quán)利要求27所述的便攜式照明設(shè)備，其中所述修正后的控制信號的電壓隨時間呈指數(shù)增長。
29.如權(quán)利要求26所述的便攜式照明設(shè)備，其中所述電子功率開關(guān)是晶體管。
30.如權(quán)利要求27所述的便攜式照明設(shè)備，其中所述電子功率開關(guān)是n溝道MOSFET，并且所述功率控制電路將所述修正后的控制信號提供到所述MOSFET的柵極。
31.如權(quán)利要求24所述的便攜式照明設(shè)備，其中所述光源包括燈絲。
32.如權(quán)利要求24所述的便攜式照明設(shè)備，其中所述便攜式照明設(shè)備包括手電筒。
33.一種手電筒，包括主功率電路，包括電源、燈和電子功率開關(guān)；以及功率控制電路，電耦合到所述電子功率開關(guān)，并適用于當(dāng)手電筒被打開時向所述電子功率開關(guān)提供一個信號，其中所述電子功率開關(guān)能夠傳導(dǎo)到主功率電路中的電流量取決于提供給所述電子功率開關(guān)的信號的電壓；并且所述功率控制電路被配置為以下述方式改變信號的電壓，即在手電筒被打開后一段預(yù)定的時間內(nèi)增大可流經(jīng)所述功率開關(guān)的電流量。
34.如權(quán)利要求33所述的手電筒，其中所述預(yù)定的時間大于10毫秒。
35.如權(quán)利要求33所述的手電筒，其中所述預(yù)定的時間大于40毫秒。
36.如權(quán)利要求33所述的手電筒，其中所述預(yù)定的時間大于手電筒被打開后主功率電路達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間。
37.如權(quán)利要求33所述的手電筒，其中所述功率控制電路根據(jù)指數(shù)函數(shù)來改變所述信號的電壓。
38.如權(quán)利要求37所述的手電筒，其中所述信號的電壓呈指數(shù)增長。
39.如權(quán)利要求33所述的手電筒，其中所述電子功率開關(guān)包括晶體管。
40.如權(quán)利要求39所述的手電筒，其中所述電子功率開關(guān)包括場效應(yīng)晶體管，并且所述信號被提供到所述晶體管的柵極。
41.如權(quán)利要求40所述的手電筒，其中所述電子功率開關(guān)是MOSFET。
42.如權(quán)利要求33所述的手電筒，其中所述燈包含燈絲。
43.如權(quán)利要求33所述的手電筒，還包括一個微處理器和一個用于斷開和閉合所述電源與所述微處理器之間的電氣路徑的機械開關(guān)，其中所述微處理器的輸出端耦合到所述功率控制電路，所述微處理器響應(yīng)于從所述機械開關(guān)接收到的激活信號向所述功率控制電路提供控制信號，并且所述功率控制電路對該控制信號進行修正，并將修正后的控制信號提供給所述電子功率開關(guān)。
44.如權(quán)利要求43所述的手電筒，其中當(dāng)手電筒被打開時，所述控制信號的電壓根據(jù)一個階躍函數(shù)而變化，并且提供給所述電子功率開關(guān)的信號隨時間而增長。
45.如權(quán)利要求44所述的手電筒，其中所述信號的電壓隨時間呈指數(shù)增長。
46.如權(quán)利要求45所述的手電筒，其中所述功率控制電路包括一個RC電路。
47.如權(quán)利要求46所述的手電筒，其中所述電子功率開關(guān)是晶體管。
48.如權(quán)利要求49所述的手電筒，其中所述電子功率開關(guān)是n溝道MOSFET，并且所述功率控制電路將所述信號提供到所述MOSFET的柵極。
49.如權(quán)利要求43所述的手電筒，其中所述燈包含燈絲。
全文摘要
公開了一種便攜式可充電電子設(shè)備，如手電筒，具有外部充電觸點和短路保護電路。當(dāng)充電觸點被短路時，短路保護電路使暴露的充電觸點中的一個與該設(shè)備的可充電電源電氣上斷開。不必斷開該設(shè)備的電源電路就可以使所述充電觸點斷開；這樣，當(dāng)充電觸點被短接時該設(shè)備可以繼續(xù)工作。該設(shè)備的電源可以是可充電鋰離子電池組。還提供了一種手電筒，其具有用于當(dāng)手電筒被打開時減小通過燈絲發(fā)送的初始電涌的電路。該電路減小了當(dāng)燈泡被打開時施加到燈泡上的負(fù)荷，從而延長了燈泡的預(yù)期使用壽命。還公開了一種具有電子開關(guān)的手電筒。
文檔編號H02H3/00GK101076766SQ200580042026
公開日2007年11月21日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者斯泰西·韋斯特 申請人:美光工具公司