CN101257757B - 定功率限制器及照明灯具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种定功率限制器，包括控制电路及其电源电路。其中，所述控制电路包括：电压检测电路、电流检测电路、过零检测电路、负载驱动电路及微控制单元。所述微控制单元接收所述电压检测电路、电流检测电路及过零检测电路的输出信号，并输出控制信号到所述负载驱动电路，以控制供给负载的交流电的功率。还包括与所述微控制单元输出端口相连、用于当控制电路故障时直接将交流电旁路给负载的旁路电路。实施本发明，能够将用电设备或电器的负载功率限制在预先设定的范围内，能够有效地节约电能，避免电网超载及能源的浪费。并且旁路电路的设计使得当定功率限制器出现故障时，用电设备或电器能照常得到供电，不影响用电设备或电器的正常工作。

Description

定功率限制器及照明灯具
技术领域
本发明涉及节能装置，特别涉及一种定功率限制器及安装有该定功率限制器的灯具。
背景技术
由于能源的缺乏，节能环保、杜绝浪费已成为全球共同关注的问题。例如，美国对于照明灯具的功率就有明确的限制。而在我国，节能增效、降低成本、提高资源利用效率，对全面建设和谐社会，实现国民经济持续、快速、健康发展具有重要意义。
因此，有必要设计一种功率限制器，把功率限制器装在灯具里面，如果负载的功率超过了规定的功率，则控制器会自动调节，将负载的功率控制在规定的范围内。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种定功率限制器，用于将用电设备或电器的负载功率限制在规定的范围内。
本发明要解决的另一个技术问题在于提供一种照明灯具，其中安装有定功率限制器，当灯泡的功率超过设定值时，其中的控制电路会自动调节，将灯泡的功率控制在设定的范围内。
本发明解决上述技术问题的技术方案为，提供一种定功率限制器，包括控制电路及其电源电路，所述控制电路包括：
电压检测电路，用于检测电源电压；
电流检测电路，用于检测负载电流；
过零检测电路，用于检测交流电过零点；
负载驱动电路；
微控制单元，其接收所述电压检测电路、电流检测电路及过零检测电路的输出信号，并输出控制信号到所述负载驱动电路，以控制供给负载的交流电的功率。
在本发明所述的定功率限制器中，还包括与所述微控制单元输出端口相连、用于当所述控制电路故障时直接将交流电旁路给负载的旁路电路。
在本发明所述的定功率限制器中，所述负载驱动电路包括串联在负载供电线路中、其控制极与所述微控制单元的输出端口相连的可控硅，其中所述控制供给负载的交流电功率包括控制可控硅的导通角。
在本发明所述的定功率限制器中，所述旁路电路包括继电器及其开关控制电路；其中，所述继电器的动触点和其中一个静触点串接在负载供电线路中，所述开关电路接收所述微控制单元输出的控制信号并控制继电器的吸合及释放。
在本发明所述的定功率限制器中，，所述继电器的常闭触点与交流电输入端的相线相连，动触点与负载的供电输入端相连。
在本发明所述的定功率限制器中，所述电源电路采用RC降压电路，所述电源电路有两组负载：继电器和Vcc，且继电器的供电和Vcc是串连关系。
根据本发明的另一面，提供一种照明灯具，包括灯泡及与灯泡供电线路相连的定功率限制器，所述定功率限制器包括控制电路及其电源电路，所述控制电路包括：
电压检测电路，用于检测电源电压；
电流检测电路，用于检测负载电流；
过零检测电路，用于检测交流电过零点；
负载驱动电路；
微控制单元，其接收所述电压检测电路、电流检测电路及过零检测电路的输出信号，并输出控制信号到所述负载驱动电路，以控制供给灯泡的交流电的功率。
在本发明所述的照明灯具中，还包括与所述微控制单元输出端口相连、用于当所述控制电路故障时直接将交流电旁路给负载的旁路电路。
在本发明所述的照明灯具中，所述负载驱动电路包括串联在负载供电线路中、其控制极与所述微控制单元的输出端口相连的可控硅，其中所述控制供给负载的交流电功率包括控制可控硅的导通角。
在本发明所述的照明灯具中，所述旁路电路包括继电器及其开关控制电路；其中，所述继电器的动触点和其中一个静触点串接在负载供电线路中，所述开关电路接收所述微控制单元输出的控制信号并控制继电器的吸合及释放。
本发明的有益效果在于：能够将用电设备或电器的负载功率限制在预先设定的范围内，能够有效地节约电能，避免电网超载及能源的浪费。并且旁路电路的设计使得当定功率限制器出现故障时，用电设备或电器能照常得到供电，不影响用电设备或电器的正常工作。
附图说明
图1为本发明定功率限制器的组成框图；
图2为根据本发明一实施例的定功率限制器的电路原理图；
图3A为图2所示定功率限制器中电源电路的原理图；
图3B图3A所示电源电路在电源负半周继电器吸合时电流流向示意图；
图3C图3A所示电源电路在电源负半周继电器不吸合时电流流向示意图；
图3D图3A所示电源电路在电源正半周时电流流向示意图；
图4A为图2所示定功率限制器中电压检测电路的原理图；
图4B为根据本发明定功率限制器一实施例中电压检测电路的原理图；
图5A为图2所示定功率限制器中电流检测电路的原理图；
图5B为根据本发明定功率限制器一实施例中电流检测电路的原理图；
图6A为图2所示定功率限制器中过零检测电路的原理图；
图6B为根据本发明定功率限制器一实施例中过零检测电路的原理图；
图7为图2所示定功率限制器中继电器驱动电路的原理图；
图8A为图2所示定功率限制器中可控硅驱动电路的原理图；
图8B为根据本发明定功率限制器一实施例可控硅驱动电路的原理图。
具体实施方式
图1为本发明定功率限制器的组成框图。如图1所示，在本发明的构思中，定功率限制器包括控制电路及为该控制电路供电的电源电路。其中，控制电路包括：用于检测电源电压的电压检测电路、用于检测负载电流的电流检测电路、用于检测交流电过零点的过零检测电路、负载驱动电路及微控制单元(MCU)，其接收所述电压检测电路、电流检测电路及过零检测电路的输出信号，并输出控制信号到所述负载驱动电路，以控制供给负载的交流电的功率。本发明的定功率限制器还包括一个旁路电路，其与所述微控制单元输出端口相连，用于当所述控制电路故障时直接将交流电旁路给负载。这种情况下，当定功率限制器的控制电路中的任何部件，如电压检测电路、电流检测电路、过零检测电路、负载驱动电路、微控制单元中的一个或多个失效不能工作的时候，旁路电路不会受到影响，会自动切换过去，使得用电设备或电器能正常工作，但功率限制的功能就失效了。作为一种选择，也可以不采用该旁路电路。当然，这种情况下，如果功率限制器出现故障，用电设备或电器的供电将被断开，使其无法正常工作。
图2为根据本发明一实施例的定功率限制器的电路原理图。在该实施例中，旁路电路包括继电器RY1及其开关控制电路，该开关控制电路包括三极管TR1和TR2。负载驱动电路包括串联在负载供电线路中、其控制极与所述微控制单元U1的输出端口相连的可控硅。工作原理是，微控制单元(MCU)通过检测电源电压和负载电流的方式，计算出现有负载的功率，然后通过调整可控硅的导通角的方式来控制负载的功率，达到功率限制的目的。
当负载功率小于或等于设定的功率时，可控硅全开；当负载功率大于设定的功率时，减小可控硅的导通角，从而使流过负载的平均电流减小，根据P＝UI，功率也相应变小。一边减小导通角，一边检测反馈回来的电流信号，当负载的功率达到设定值时，保持当前的导通角不变，从而使负载的功率达到稳定的设定值。本发明的定功率限制器设计了一个继电器作为旁路电路，使用继电器的常闭触点。正常情况下，继电器是吸合的，即常闭触点是断开的，旁路电路是没有起作用的，当控制器不能正常工作的时候，继电器释放，常闭触点闭合，负载电流通过常闭触点完成回路，保证灯泡正常供电。
以下对图2所示实施例中的电源电路、电压检测电路、电流检测电路、过零检测电路、继电器驱动电路、可控硅驱动电路分别进行说明。
图3A为图2所示定功率限制器中电源电路的原理图。电源采用RC降压电路，对于电源电路而言，电路中有两组负载：继电器和Vcc，在这个电路中继电器的供电和Vcc是串连关系，这样做的好处是可以减小降压电容的容量。由于RC降压电路是一个恒流源，当部分或全部负载没有工作的时候，电流将通过稳压管流走，所以电容容量越大，静态功耗就越大。假设继电器需要的电流为I1，Vcc后端需要的电流为I2，I2＞I1，降压电容能提供的电流是I0，那么我们在选择降压电容C1的容量的时候，只要考虑I0≥I2就满足了，而不是I0≥(I2+I1)。从而减小电容的体积和成本，并降低功耗。
当继电器需要吸合的时候，三极管TR1导通，电流流过继电器RY1的线圈；当继电器不需要吸合的时候，三极管TR1截止，继电器RY1的线圈中没有电流流过，电流经过ZD1稳压二极管形成回路。
图3B图3A所示电源电路在电源负半周继电器吸合时电流流向示意图；图3C图3A所示电源电路在电源负半周继电器不吸合时电流流向示意图；图3D图3A所示电源电路在电源正半周时电流流向示意图。
图4A为图2所示定功率限制器中电压检测电路的原理图。由于RC降压电路是非隔离的，所以这里可以直接从交流电用电阻分压后直接将电压信号送到MCU的A/D口，MCU根据信号的幅度判断市电电压值。二极管D5用于钳位，保证MCU A/D端口的信号在安全范围内，不会损坏MCU。
图5A为图2所示定功率限制器中电流检测电路的原理图。在本发明的定功率限制器中，J1，J2，J3是康铜丝，康铜丝的阻值大小可以通过改变长度和直径来选择。可控硅SCR1导通后，交流电流通过灯泡、可控硅、J1、J2、J3到达交流电源的另一端。康铜丝串连在负载供电线路中，其本身的电阻在电路中能起到分压的作用。在康铜丝上的压降随着电流的变化而变化，这个以市电频率变化的电压信号通过C16电容耦合后，送到MCU的A/D口进行检测，MCU可以根据信号的幅度判断流过负载的电流。电阻R26、R27的作用是将C16耦合过来的信号的基准点稳定。
图6A为图2所示定功率限制器中过零检测电路的原理图。采用电阻降压，三极管整形的过零检测电路。
图7为图2所示定功率限制器中继电器驱动电路的原理图。
在电源的负半周，需要开启继电器时，控制端I/O口有脉冲信号输出，经过C14，R17耦合到了TR2三极管的基极，三极管TR2在脉冲的负半周期间导通，电流从TR2的发射极流经集电极，经过电阻R20向电容C2充电，同时经过R12向TR1基极供电，使三极管TR1导通，继电器RY1的线圈有电流流过，继电器吸合，同时对C11进行充电。在脉冲的正半周时，电容C14通过D1二极管放电，三极管TR2截止。电容C2通过电阻R12向TR1三极管基极供电，维持TR1导通、继电器吸合。电阻R2是上拉电阻，保证在没有控制信号的时候，三极管TR2的基极处于高电平状态，即三极管截止状态。
电源的正半周，电流如图D所示。电源电流直接经D2二极管流到另一端，没有流经后面的负载。C11通过继电器RY1、三极管TR1放电，维持继电器吸合。
不需要吸合继电器时，控制端没有脉冲信号输出，三极管TR2、TR1截止。正常使用的时候MCU就会发出信号使继电器吸合，当MCU出现故障的时候信号就消失，继电器就自动弹开。
图8A为图2所示定功率限制器中可控硅驱动电路的原理图。本实施例中采用MCU的I/O端口直接驱动可控硅的方式。不触发可控硅时，I/O口位高电平，需要触发可控硅时，I/O口输出低电平脉冲。MCU采得电压信号和电流信号后进行计算，然后通过调整可控硅的导通时间来实现对负载功率控制的目的。
本领域技术人员知晓，本发明的定功率限制器中的电压检测电路、电流检测电路、过零检测电路、负载驱动电路、旁路电路还可以其它方式实现。
例如，图4B为根据本发明定功率限制器一实施例中电压检测电路的原理图。其工作原理：R3、R14、R24构成分压电路，电源的正半周时，二极管D6正向导通的，C1充电，C1上的电压随着电源电压的变化而变化，这样MCU可以直接读取C1两端的电压值来判断电源电压。R25作为电容C1的放电电阻。
图5B为根据本发明定功率限制器一实施例中电流检测电路的原理图。其工作原理：TR1是电流互感器，负载电流流经TR1的初级，在TR1的次级产生感应电动势，经D1整流后向C1充电，C1上的电压和负载电流成正比，MCU读取C1上的电压值来判断负载电流。R26作为电容C1的放电电阻。
图6B为根据本发明定功率限制器一实施例中过零检测电路的原理图。其工作原理：采用电阻分压后直接接到MCU过零检测端口的方式，这种过零检测电路的优点是成本低，缺点是波形没有图6A所示过零检测电路的标准，容易受到干扰。
图8B为根据本发明定功率限制器一实施例可控硅驱动电路的原理图。其工作原理：I/O口的控制信号通过Q1反向后再触发可控硅，当I/O口的驱动能力不足的时候，需要采用这种电路。
还需说明的是，使用可控硅后，由于正弦波被切割、波形遭受破坏，会给电网带来干扰等问题。这种情况下可增加一些抑制干扰的线路，如在图2所示本发明定功率限制器实施例的电路原理图上可控硅的后面增加一个电感。当然，也可以采用本领域常用的其它技术手段来解决该干扰问题。

Claims (10)

1.一种定功率限制器，包括控制电路及其电源电路，其特征在于，所述控制电路包括：
电压检测电路，用于检测电源电压；
电流检测电路，用于检测负载电流；
过零检测电路，用于检测交流电过零点；
负载驱动电路；
微控制单元，其接收所述电压检测电路、电流检测电路及过零检测电路的输出信号，并输出控制信号到所述负载驱动电路，以将供给负载的交流电的功率控制在设定的功率；
其中，所述电压检测电路包括依次串连在交流电源电路的零线N与直流负电压-VCC之间的三个分压电阻R3、R14和R24，以及串连在地电位与直流负电压-VCC之间的两个二极管D5；所述两个二极管D5之间的节点与电阻R14和电阻R24之间的节点相连，并连接于所述微控制单元的A/D端口。
2.根据权利要求1所述的定功率限制器，其特征在于，还包括与所述微控制单元输出端口相连、用于当所述控制电路故障时直接将交流电旁路给负载的旁路电路。
3.根据权利要求1或2所述的定功率限制器，其特征在于，所述负载驱动电路包括串联在负载供电线路中、其控制极与所述微控制单元的输出端口相连的可控硅，其中所述控制供给负载的交流电功率包括控制可控硅的导通角。
4.根据权利要求2所述的定功率限制器，其特征在于，所述旁路电路包括继电器及其开关控制电路；其中，所述继电器的动触点和其中一个静触点串接在负载供电线路中，所述开关电路接收所述微控制单元输出的控制信号并控制继电器的吸合及释放。
5.根据权利要求4所述的定功率限制器，其特征在于，所述继电器的常闭触点与交流电输入端的相线相连，动触点与负载的供电输入端相连。
6.根据权利要求4所述的定功率限制器，其特征在于，所述电源电路采用RC降压电路，所述电源电路有两组负载：继电器和Vcc，且继电器的供电和Vcc是串连关系。
7.一种照明灯具，包括灯泡及与灯泡供电线路相连的定功率限制器，所述定功率限制器包括控制电路及其电源电路，其特征在于，所述控制电路包括：
电压检测电路，用于检测电源电压；
电流检测电路，用于检测负载电流；
过零检测电路，用于检测交流电过零点；
负载驱动电路；
微控制单元，其接收所述电压检测电路、电流检测电路及过零检测电路的输出信号，并输出控制信号到所述负载驱动电路，以将供给灯泡的交流电的功率控制在设定的功率；
其中，所述电压检测电路包括依次串连在交流电源电路的零线N与直流负电压-VCC之间的三个分压电阻R3、R14和R24，以及串连在地电位与直流负电压-VCC之间的两个二极管D5；所述两个二极管D5之间的节点与电阻R14和电阻R24之间的节点相连，并连接于所述微控制单元的A/D端口。
8.根据权利要求7所述的照明灯具，其特征在于，还包括与所述微控制单元输出端口相连、用于当所述控制电路故障时直接将交流电旁路给负载的旁路电路。
9.根据权利要求7或8所述的照明灯具，其特征在于，所述负载驱动电路包括串联在负载供电线路中、其控制极与所述微控制单元的输出端口相连的可控硅，其中所述控制供给负载的交流电功率包括控制可控硅的导通角。
10.根据权利要求8所述的照明灯具，其特征在于，所述旁路电路包括继电器及其开关控制电路；其中，所述继电器的动触点和其中一个静触点串接在负载供电线路中，所述开关电路接收所述微控制单元输出的控制信号并控制继电器的吸合及释放。
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