專利名稱：帶有電容器充電電路的電子組合鎖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與發(fā)明名稱為“螺線管(Solenoid)控制的鎖簧控制電子鎖”的由Mas-Hamilton Group申請，申請?zhí)枮閁S SN08/852,854相關(guān)申請。
本發(fā)明涉及一種電子組合鎖，更具體地說，是涉及一種用在自主式電子組合鎖中的電容器充電電路。
自主式電子組合鎖的出現(xiàn)已經(jīng)有一段時間，而最近，電子自主式組合鎖已經(jīng)在美國專利5,061,923中被公開并由James C.Miller等人獲得了專利權(quán)。一種成功的自主式變安全度的電子鎖在1992年問世，這種鎖由Mas-Hamilton Group經(jīng)銷，命名為X-07鎖。Mas-Hamilton X-07電子組合鎖從一個發(fā)電裝置得到電能，該發(fā)電裝置是通過用手轉(zhuǎn)動組合鎖的撥盤來驅(qū)動。因此產(chǎn)生了用于鎖操作的電能。由該發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能從一個交流電源轉(zhuǎn)換并調(diào)節(jié)為直流電壓并依次通過相應(yīng)的電路施加到一個電容上。由于電容被充電，電子鎖得到電能并響應(yīng)所能得到的在電容中儲存的能量進行操作。
Mas-Hamilton Group的X-07鎖采用了大容量的電容器，其電荷還用于對電子部件和步進電機供電，其根據(jù)在電子部件中微處理器的命令來調(diào)整驅(qū)動齒輪機構(gòu)中的機械部件將鎖打開。電子部件和步進電機的設(shè)計和尺寸使得其在每一個操作中均能消耗最小的電能。自主式鎖要求可獲得的電能應(yīng)當是寬范圍的并且是有保留地分配的，這是因為，一般而言，缺少多余的可獲得的電能。因此，許多電氣元件實質(zhì)上是不能選用和用于自主式鎖的，因為可獲得的電能不足以可靠地驅(qū)動這些電氣裝置。這種電氣裝置的一個例子就是螺線管，其消耗的電能太大，以致于無法作為自主式鎖的現(xiàn)有技術(shù)中的元件。但是，如果螺線管是驅(qū)動鎖裝置中某個部分的首選機構(gòu)，那么就需要向螺線管提供足夠的電能以保證其可靠地操作。
一種用于控制鎖的開啟的典型的螺線管幾乎要消耗掉在一般的儲能電容中所儲存的所有電能，這樣，可用的電能將減至一個水平，在此水平上在鎖和鎖簧操作期間電子控制無法可靠地操作。這是無法接受的，因為一旦電壓泄漏至低于電子部件的操作電壓特別是低于控制電子部件的微處理器的操作電壓時，微處理器操作的可靠性就不能保證。因為當電壓泄漏至低于微處理器的操作電壓時微處理器可能正處于操作當中，鎖就可能在其某個操作點上掉電或關(guān)閉，從而使所有需要在存儲器中保持記錄的處理過程未能完成；這種掉電的可能結(jié)果是當再次上電時電子部件不能正常工作而鎖就不能正常地完成其功能。
因此，需要對鎖的電子控制部分包括微處理器維持足夠的電能，同時向螺線管提供足夠的電壓和電流，以保證當有信號要求時螺線管可靠地操作。
如果螺線管在其操作期間有將儲存在其電源中的電能泄漏至一個低水平的副效應(yīng)，只要螺線管完成了操作，且螺線管的銜鐵已經(jīng)走完了其設(shè)定的行程，則當電源維持在能夠操作微處理器和鎖的其它電子控制裝置的水平時螺線管的能量損失就無關(guān)緊要了。如果掉電至少是在微處理器完成其操作后發(fā)生的，則微處理器的掉電將不會破壞其以后的操作。
因此，對于鎖的可靠操作、尤其是螺線管的操作，必須使螺線管可得到一個較高電壓的電源，其以高電壓電容器形式和一個大容量的低電壓電容為電子控制裝置提供電力，每個電容彼此隔離。在驅(qū)動螺線管電容上的較高電壓的電荷提供了一個螺線管可以使用的較大的電流源。
類似地顯而易見，單個的充電發(fā)電裝置必須給螺線管和電子控制電容器提供不同電壓的電能，同時將步進電機/發(fā)電裝置所需的人工操作程度減至最小，由此不需要操作者用更長的時間去轉(zhuǎn)動撥盤。
具有螺線管的鎖一般要求一個穩(wěn)定可用的電流來按照要求操作螺線管。由用戶線路或電池提供的這種電流使得許多自主式鎖的長處無法實現(xiàn)。
自主式鎖一般以較低的電壓進行操作，在自主式鎖如Mas-HamiltonGroup的X-07中的人工操作的發(fā)電裝置能夠產(chǎn)生的開路電壓足以對電容器充電到一個電平，該電平比控制鎖的電子電路所需的電平要高。大容量電容器如用于對電子部件供電的一類電容器當由人工操作的單相發(fā)電裝置充電時充電速度較慢。
當多個電容器被充電時，特別是要改變充電電壓電平的情況時，充電周期及發(fā)電裝置人工操縱的量由此在對最大容量的電容器充電時可變得非常顯著，從而很費人工。
一些可用作發(fā)電裝置的步進電機不是單相的，因而適于同時將分立的電容器分別充電至不同的電壓。
但是，當多個電容器被充電時，為了保證最高電平的電容器得到完整的充電，在被同時充電的多個電容器中充電是按最高電平來進行的。
本發(fā)明的一個目的是要克服現(xiàn)有的電容器充電電路中的缺陷。
本發(fā)明的另個目的是能對兩個不同的電容器同時進行更為有效的充電。
本發(fā)明的再一個目的是以最小的發(fā)電裝置的動作將兩個電容器高效地充電至不同的電壓電平。
本發(fā)明的還有一個目的是使用一個兩相發(fā)電機盡可能高效地對兩個電容器充電至不同的預(yù)定電壓電平。
下面描述的電路克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，實現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
設(shè)置了一個兩相步進電機，該步進電機的每一相與兩個整流器橋中的一個相連。整流器橋的輸出進一步與兩個電容器連接，并通過一個齊納二極管網(wǎng)絡(luò)接至地。齊納二極管網(wǎng)絡(luò)的作用是保護具有最低設(shè)計電壓電平的電容器并將充電電能由高電壓電容器分流以對較低電壓的電容器進行充電。較高電壓的電容器的充電電平跟隨較低電壓電容器的充電電壓，其中較低電壓的電容器有相當大的電容，從而充電的時間就非常地長。
當電子控制供電電容器的充電電平達到與之并聯(lián)的齊納二極管電壓門限的最大值，且螺線管供電電容器被充電至其電壓與齊納二極管網(wǎng)絡(luò)中的齊納二極管電壓門限之和相同時，發(fā)電機的輸出通過齊納二極管支路接地，以防止電容器過充電和由此導(dǎo)致的破壞性結(jié)果。
即使是人工操作的情況，步進電機/發(fā)電裝置在以足夠高的操作速度運轉(zhuǎn)時，可以產(chǎn)生一個比對電容器充電所需電壓高的開路電壓。所產(chǎn)生的電壓對每個電容器充電，直到它們都被完全充電到齊納二極管網(wǎng)絡(luò)所限制的水平為止。
發(fā)電機的每一相與一電容器相連以對該電容器充電。來自整流器橋的兩條輸出線與串聯(lián)的一對齊納二極管相連，齊納二極管以不同的端連接，由發(fā)電裝置的電壓反向偏置。發(fā)電裝置的一相與兩個串聯(lián)的齊納二極管之間的節(jié)點相連接。
該網(wǎng)絡(luò)中的一些其它元件將在后面更詳細地說明，該網(wǎng)絡(luò)控制電容器的充電電能，以便一個電容器非常快地充電，而多余的充電電能則分流與其它相的發(fā)電裝置輸出合在一起對較大容量的電容器充電，這樣就減少了充電時間和將兩個電容都完全充電所需的發(fā)電裝置的操作。
該電子電路的其余部分可與電容器充電電路連接，并由此從發(fā)電裝置提供的電壓或是電容器電壓得到它們的操作電壓。
參考附圖和后面對本發(fā)明的詳細說明可對本發(fā)明有更完整的理解。


圖1是電容器充電電路及與電子部件連接連接的電路，在充電時其由電容器供電。
圖2是電子鎖的示意圖及其電子和機械部件的關(guān)系。
參考圖1，一種人工操作的發(fā)電裝置10如圖所示，其具有一個撥盤12，用于人工進行銜鐵或磁環(huán)14的轉(zhuǎn)動。撥盤12與分段的環(huán)形磁體14連接并在其被用手轉(zhuǎn)動時使分段的環(huán)形磁體14隨撥盤12一起轉(zhuǎn)動。發(fā)電裝置10還包括置于磁環(huán)14附近的多個線圈16，每個線圈16有兩個輸出端與整流器電路18和19相連接。整流器電路18和19依次具有兩個輸出連接；一個是地連接20，而另一個是電壓輸出22或24。整流器電路輸出22或電壓輸出22輪流與齊納二極管26的負極連接。類似地，整流器電路19的整流器電壓輸出24與齊納二極管28的負極連接。齊納二極管26和齊納二極管28串聯(lián)，而電壓輸出線24的連接位于齊納二極管26和28之間的結(jié)點。整流器電路19和與齊納二極管26和28之間的結(jié)點27的連接是連接線29，其與電容器30相連，其還輪流接地。
類似地，齊納二極管28與地相連。與電壓輸出線24相連的電容器30優(yōu)選地是一個大容量電容器，其電壓水平例如為6伏特。電容器30的尺寸設(shè)計為向電子組合鎖的電子部件提供所需的電流。
電壓輸出線22載有整流器電路18的輸出電壓V1，其與肖特基二極管32的正極相連，另外肖特基二極管32的負極還與一電阻34串聯(lián)，然后與電容器36和螺線管控制電路38的連接結(jié)點相連。電容器36類似地接地。
電容器36有一個較小的電容，但有一個較高的設(shè)計電壓極限，這是對螺線管54提供短時間的充足的電流以使螺線管54激勵所需要的。電容器30的電容相當大，但電壓門限較低。為了向電子鎖控制41(包括微處理器42、鍵盤48、顯示器50和向螺線管控制電路38提供的信號)的電子電源40提供低電壓，所以需要較低的電壓門限。即使對電容器36要求較高的電壓門限，電容器36的充電由于其電容量較小而快得多。因此，當撥盤12和環(huán)形磁體14轉(zhuǎn)動時，電容器36將充電至一個電壓，該電壓比電容器30上的電壓以及介于齊納二極管26和28之間的結(jié)點上的電壓大。
整流器電路19的輸出24載有一個電壓Vcap。在電壓輸出24和齊納二極管26、28之間的結(jié)點處是一個與電子電源40的連接27，其向電子鎖控制41供電，還包括一個微處理器42，并提供控制連接和接收合成所需的信號，在顯示器50上顯示符號，以及發(fā)送控制信號到螺線管控制電路38。
由電子鎖控制41內(nèi)的微處理器42對操作者輸入的接收是通過在鎖控制裝置41和鍵盤48之間的伸出的線路46實現(xiàn)的。鍵盤48一般安裝于帶有顯示器50的外殼上。鍵盤48的優(yōu)選類型是含有在每個鍵位置處的膜片或短路開關(guān)的鍵板，顯示器50優(yōu)選為液晶顯示類型的顯示器。
由電子鎖控制裝置41更具體地說是微處理器42提供的信號通過導(dǎo)線52送到螺線管控制電路38。螺線管控制電路38輪流與螺線管54連接并對其進行控制，以調(diào)整鎖11的機械部件使鎖11打開。
在圖中所公開的充電電路的操作是，電容器36(例如是12伏特的電容器)由整流器電路18的輸出22充電。結(jié)果是電容器36的充電將單獨取決于輸出22，直到諸如電容器36的充電電壓在齊納二極管26、28之間的結(jié)點處電壓大于齊納二極管26的電壓這類情況時為止。同時，電容器30接收整流器電路輸出24的電能。電容器36和30將同時充電。
這種現(xiàn)象是設(shè)計在齊納二極管26上的電壓門限(例如為6伏)的結(jié)果。在這些條件下齊納二極管26由電壓V1和電容器36上的充電電壓進行反向偏置。隨著在電容器36上的電荷增加使充電電壓超過在電容器30上的充電電壓6伏，即在齊納二極管26的電壓門限，齊納二極管26就將發(fā)生雪崩或擊穿，并正向?qū)ㄖ笼R納二極管26、28之間的結(jié)點。因為此時齊納二極管28還沒有加上超過6伏的其自身門限電壓，它將繼續(xù)阻止電流流向地20。隨著發(fā)電裝置繼續(xù)轉(zhuǎn)動并以直流形式在輸出端22、24產(chǎn)生電能和電壓，由V1來的充電電能將連續(xù)通過齊納二極管26至電容器30。通過齊納二極管26的電壓和電流加到來自整流器電路19的電壓輸出24的電壓和電流上，從而在電容器30上的充電電壓和電能將比電容器36的初始充電階段齊納二極管26未導(dǎo)通時更快地增加。
因為電容器30的充電電壓上升作為充電的結(jié)果，齊納二極管26將作為一個相應(yīng)于電容器36的充電電壓與電容器30的充電電壓之差的可變電阻。因為充電電壓之差減至一個小于齊納二極管26門限電壓的值，齊納二極管26的阻值將增加，從電壓輸出22上分出更多的電能給電容器36，這樣就維持了電容器30、36的電壓差等于齊納二極管26的門限電壓。該充電電壓差關(guān)系將繼續(xù)直到諸如在電容器30上的充電電壓達到齊納二極管26的設(shè)計電壓極限(例如6伏)時為止。
一達到電容器30的設(shè)計極限時，假定齊納二極管28的電壓門限是一個相似的值，齊納二極管28將在其雪崩或擊穿后變?yōu)閷?dǎo)通，齊納二極管28將導(dǎo)通電流，其足以維持V1處于齊納二極管26和28的電壓門限和。這樣，由發(fā)電裝置的連續(xù)操作所提供的電能將不會過充電或損壞電容器30。
類似地，一旦電容器30達到其6伏的設(shè)計極限，而電容器36已經(jīng)被充電至其設(shè)計極限12伏，齊納二極管26將連續(xù)導(dǎo)通；在齊納二極管26和28都導(dǎo)通的狀態(tài)下，發(fā)電裝置10所產(chǎn)生的所有電能將通過齊納二極管28接地。因此，假定發(fā)電裝置10的操作速度足以產(chǎn)生16伏特級的開路電壓的電壓輸出V1，電容器30和36將由齊納二極管28控制而被完全充電至它們的設(shè)計極限值，或電容器30以及齊納二極管26和28相對于電容器36的合成設(shè)計電壓值。
可以理解，一旦完全充電，電容器30提供一個6伏特的初始電壓給電子供電電源40，并通過電子供電電源40給包括微處理器42的鎖控制41。
肖特基二極管32被插入電路中的電容器36和齊納二極管26之間，以防止當整流電路18的輸出電壓低于電容器36的電壓時電容器36放電。
通過如上所述使用肖特基二極管32，對于電容器36可維持充足的12伏特電位和充足的充電電流以供螺線管控制電路38和螺線管54的操作。
因此，可以看出，即使電容器30失去了相當大部分的充電電壓，例如降至4或4.5伏，但足以在后面階段操作電子部件時，在電容器36上的完全的充電仍可維持根據(jù)微處理器42通過線路52來的命令激勵或驅(qū)動螺線管54。
參考圖2，該圖示意性地說明了鎖11的結(jié)構(gòu)，撥盤12驅(qū)動發(fā)電機10并與機械鎖簧傳動60連接。虛線表示機械連接，而實線則表示電氣連接。鎖簧傳動60控制著鎖簧的62的運動。
發(fā)電裝置10向電子控制41和螺線管54提供了電能。螺線管54與機械鎖簧傳動60有機械上的連接。
如參考圖1所述，鍵盤48和顯示器50與圖2中的電子鎖控制41連接。
對于電子電路設(shè)計方面的技術(shù)人員來說，可以理解對此電路在不影響該電路的整體操作、或是不去掉由所附權(quán)利要求提出的保護范圍中的被改變的電路的情況下，可以加入或連接大量其它的元件以用于其它的目的。而且，任何熟練的技術(shù)人員都會到在描述此電路的實施例中所用的值可以根據(jù)需要而改變，因此，各電子元件的值的改變將不會超出本權(quán)利要求所提出的保護范圍。
權(quán)利要求
1．一種電容器充電系統(tǒng)，用于將一第一電容器充電至第一電壓和將第二電容器充電至第二電壓，其特征在于包括一具有至少兩相分立發(fā)電的發(fā)電裝置；一與所述兩相發(fā)電中之一相連接的第一電容器；一與所述兩相發(fā)電中之另一相連接的第二電容器；和一與所述第一和第二電容器的每一個并聯(lián)地與所述兩相發(fā)電中之每一相連接的電壓限制電子元件；其中所述電壓限制元件的設(shè)置是為了限制加到每個所述電容器上的電壓并在充電期間保持所述電容器之間的預(yù)定充電電壓關(guān)系。
2．權(quán)利要求1所述的電容器充電系統(tǒng)，其特征在于所述電壓限制電子元件是齊納二極管。
3．權(quán)利要求2所述的電容器充電系統(tǒng)，其特征在于所述齊納二極管彼此串聯(lián)。
4．權(quán)利要求3所述的電容器充電系統(tǒng)，其特征在于所述齊納二極管的電壓門限確定在所述電容器的充電電壓之間的不同的充電電壓電平。
5．權(quán)利要求4所述的電容器充電系統(tǒng)，其特征在于所述齊納二極管與所述第一相發(fā)電連接并與所述電容器之一并行連接，所述齊納二極管在對所述電容器充電期間控制所述電容器之一的充電電壓高于所述另一電容器的充電電壓。
6．權(quán)利要求5所述的電容器充電系統(tǒng)，其特征在于還包括一第一電路，其要求一第一電壓以操作所述系統(tǒng)中的所述齊納二極管之間的連接，和一第二電路，其要求一較高的第二電壓，以操作所述系統(tǒng)中的所述另一電容器和所述第一相發(fā)電之間的連接。
7．權(quán)利要求6所述的電容器充電系統(tǒng)，其特征在于所述電容器的充電電壓由所述齊納二極管電壓容量確定，并且所述第一電容器可充電至一第一電壓，該電壓等于與所述第一電容器相連的所述齊納二極管的門限電壓，和所述第二電容器，其可充電至一第二電壓，該電壓等于兩個所述齊納二極管的合成門限電壓。
8．根據(jù)在先的任一權(quán)利要求所述的電容器充電系統(tǒng)，其特征在于發(fā)電裝置是一個步進電機。
9．根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一個所述的電容器充電系統(tǒng)，其特征在于發(fā)電裝置是可由人工轉(zhuǎn)動的。
10．一種自供電的電子鎖，其特征在于包括一具有伸出為鎖定位置和退出為開啟位置的鎖簧；一可轉(zhuǎn)動以從所述鎖定位置退出所述鎖簧至所述開啟位置的凸輪；一用于轉(zhuǎn)動所述凸輪的人工操作的撥號盤；一與所述鎖簧內(nèi)連的可移動的鎖簧拉桿，并可由未嚙合狀態(tài)移至一嚙合狀態(tài)，使所述凸輪嚙合以由所述凸輪移動所述鎖簧拉桿并將所述移動傳遞至所述鎖簧；一電子控制裝置，用于接收一個合成信號并接收或拒絕所述合成信號的有效性；一螺線管，其響應(yīng)由所述電子控制裝置所控制的信號，以進一步控制所述鎖簧拉桿的位移；所述電子控制裝置由一被充電至第一電壓的第一電容器供電；所述螺線管由一被充電至高于所述第一電壓的第二電壓的第二電容器供電；所述電子鎖還包括一電容器充電系統(tǒng)，其包括一發(fā)電裝置，其可進行至少兩相分立的發(fā)電；所述第一電容器，其連接到所述第一相發(fā)電；所述第二電容器，其連接到所述第二相發(fā)電；一接地的限壓電子部件，其與所述第一和第二電容器分別平行地與所述各相發(fā)電連接；其中所述限壓部件的設(shè)置是為了限制所述各電容器上的電壓，并在充電過程中維持所述電容器之間預(yù)定的充電電壓關(guān)系。
11．權(quán)利要求10所述的電了鎖，其特征在于所述限壓電子部件是齊納二極管。
12．權(quán)利要求11所述的電子鎖，其特征在于所述齊納二極管彼此串聯(lián)。
13．權(quán)利要求12所述的電子鎖，其特征在于所述齊納二極管的電壓門限確定了所述電容器充電電平之間的電壓差。
14．權(quán)利要求13所述的電子鎖，其特征在于所述齊納二極管與所述第一相發(fā)電連接并與所述電容器之一并聯(lián)，所述齊納二極管在對所述電容器充電過程中控制所述電容器之一的充電電壓高于所述另一個電容器的充電電壓。
15．權(quán)利要求14所述的電子鎖，其特征在于還包括一要求第一電壓進行操作的第一電路，該電路與介于所述齊納二極管之間的所述充電系統(tǒng)連接，和一要求較高的第二電壓進行操作的第二電路，其連接到所述充電系統(tǒng)在介于所述另一電容和所述第一相發(fā)電之間的點。
16．權(quán)利要求15所述的電子鎖，其特征在于所述電容器的充電電平由所述齊納二極管的電壓容量確定，其中所述第一電容器可充電至一等于與所述第一電容器并聯(lián)的所述齊納二極管電壓門限的第一電壓，所述第二電容器可充電至一等于所述兩個齊納二極管的合成電壓門限的第二電壓。
17．權(quán)利要求15所述的電子鎖，其特征在于所述發(fā)電裝置是一個步進電機。
18．權(quán)利要求15所述的電子鎖，其特征在于所述發(fā)電裝置是一個步進電機并可由人工轉(zhuǎn)動。
19．一種電子鎖，其特征在于包括一具有伸出位置和退回位置的鎖簧；一控制所述鎖簧退回的螺線管；用于控制鎖的電子控制裝置；一產(chǎn)生電力供所述電子控制和所述螺線管操作的發(fā)電裝置；一與所述發(fā)電裝置連接的第一電容器，用于儲存第一電壓的電能供所述電子控制操作；一與所述發(fā)電裝置連接的第二電容器，用于儲存第二電壓的電能供所述螺線管操作；和與所述電容器和地連接的電路元件，用于限制所述第一和第二電壓。
全文摘要
帶充電電路的電子鎖,其中電力通過人工操作發(fā)電裝置提供給鎖的電子控制。該電路包括一對串聯(lián)的齊納二極管,一個齊納二極管橋接于發(fā)電裝置的兩相分立的發(fā)電電壓輸出之間,與第一二極管串聯(lián)的第二二極管橋接于電壓輸出和地之間。串聯(lián)的齊納二極管限制了一個電容器充電至較低的第一電壓和第二電容器充電至較高的電壓,這些電壓分別由第一齊納二極管控制,而第二較高的電壓為兩個齊納二極管的門限電壓之和。
文檔編號E05B49/00GK1210188SQ9810211
公開日1999年3月10日 申請日期1998年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月7日
發(fā)明者詹姆斯D·希爾 申請人:馬斯－漢密爾頓集團公司