CN101764524B - 一种低功耗智能节电管理器及其管理方法 - Google Patents

一种低功耗智能节电管理器及其管理方法 Download PDF

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Abstract

一种低功耗智能节电管理器及其管理方法，解决节电设备自身功耗大、以及不能广泛使用而给生活中带来不方便的技术问题，采用的技术方案是，电源供给电路的结构中包括整流滤波电路、脉动电流控制电路以及变压器输出电路，整流滤波电路将市电电源信号进行限流、整流、滤波后发送给脉动电流控制电路，经脉动电流控制电路处理后的脉动电流借助变压器输出电路调压输出给各个电源通用插座。本发明的优点是电源电路中采用电流振荡严格控制自身电源内阻的技术措施，在解决用电设备待机能耗的同时，降低了产品自身的能耗，使产品的静态功率消耗控制在0.1W之内，实现了节电产品实现了真正意义上的节电。

Description

一种低功耗智能节电管理器及其管理方法
技术领域
本发明属于电源插座设备，涉及到低功耗的智能节电管理器，该节电管理器可移动、或固定使用，特别是可以应用在通用电器设备中。
背景技术
目前家用电器一般都具有遥控功能，如彩电、视听设备等，采用遥控关机时绝大部分电器设备不能完全从电网上断开供电连接，仍要消耗一定的电能以支持遥控功能，产生待机能耗。据有关测试，我国的电视机待机能耗的平均约为10瓦。我国的电视等家电日益普及，绝大多数用户又不习惯在停止收看或停止使用后拔掉电源插头，因而这种待机耗能是十分巨大的能源浪费。少则达数瓦，多则达三、四十瓦。随着空调、彩色电视机以及电脑在城乡的广泛使用和逐步普及，办公自动化的广泛应用和网络化的不断发展，越来越多的产品有了待机功能，待机耗能是一种能源浪费，同时对产品的使用寿命也有影响，对消费者也增加了经济负担。
针对上述情况，现在市场上出现一些可与家用电器配套使用节电产品，在一定程度上降低了用电设备的待机能耗。但这些节电插座都具有很强的针对性，在实际使用时有很大的局限性。主要表现在以下几个方面：
(1)、不能灵活设置电器设备的待机功率。
节电插座要实现节电功能，就必须准确区分电器设备的工作状态和待机状态，选择合理的功率分界点就非常重要，因不同种类、不同品牌用电设备在工作状态和待机状态下消耗的功率均不相同。而现有市场中的节电产品的功率分界点大多数是一个固定的数值，如某些产品简单的将20瓦作为区分用电设备待机状态和工作状态的分界点，电器设备消耗功率在20瓦以上判定为电器设备处于工作状态，电器设备消耗功率在20瓦以下判定为电器设备处于待机状态。这种节电设备用在工作状态和待机状态功率差别较大的如：电视机、空调、电脑等电器设备上还能正常工作。如用在工作状态消耗功率就在20瓦以下的电器设备如：影碟机、电动车充电器、手机充电器等就不能正常工作。因此现在市场上出现的节电设备，大多都带有“专用”二字，如“电视专用”、“电脑专用”、“空调专用”。
(2)、节电设备自身消耗功能过大。
现有市场上的节电产品节约电能所指的都是切断用电设备的电源消除电器设备的待机能耗而达到节电的目的，而回避节电产品本身消耗的电能。现在市场上的节电产品自身消耗的功率在0.4瓦到1瓦之间。使用这类节电产品，会一定程度的降低用电设备的待机能耗，但如果一个家庭或单位过多的使用这类产品，节电产品自身消耗的电能也是一个不能忽视的数字。如果这种产品用于手机充电器，手机充电完成后，虽然能关闭充电器的电源，但其自身消耗的功率却要高于手机充电器消耗的功率。
(3)、使用这类产品会加重电网负担。
现在市场中的节电产品大多数是采用电容降压的供电方式，简单的用一个电容将内部电路串接在交流220V的电网中。采用电容降压的工作方式，会产生大量的无功功率，如果少量使用这类产品，对电网的危害不是很明显，但如果大量使用这种产品会导致变送电设备、供电线路、用电设备发热程度加重，给供电线路中增加了无功功率的有功损耗，导致供电网络电压不稳定和谐波干扰增大，加重电网的负担。因此，可以说使用这种产品不能实现真正意义上的节电。
发明内容
针对目前市场上节电设备自身功耗大、以及不能广泛使用而给生活中带来不方便的技术问题，本发明设计了一种低功耗智能节电管理器及其管理方法，该产品采用微电脑控制芯片作为核心，采用嵌入式系统、模块化设计理念，实现智能化的节电控制，消除电器设备待机能耗的同时实现了自身待机状态下的超低功耗。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，低功耗智能节电管理器，结构中包括电源通用插座，管理器的配套电路结构中包括电源供给电路、具有存储单元的微处理器电路、按键电路以及继电器控制电路，上述的电源供给电路的结构中包括整流滤波电路、脉动电流控制电路以及变压器输出电路，整流滤波电路将市电电源信号进行限流、整流、滤波后发送给脉动电流控制电路，经脉动电流控制电路处理后的脉动电流借助变压器输出电路调压输出给各个电源通用插座。
本发明的关键在于对电源电路进行了本质的改进，改变了以往节电设备自身功耗较大的情况，充分降低节电产品自身的功率消耗，达到真正节电的目的。
本发明还涉及到一种通用节电管理器的管理方法，以上方法应用于上述的智能节电管理器中，该方法借助微处理器电路中的CPU以及配套软件管理程序实现，通过负载电流检测电路对负载感应出的电流判定负载的工作状态，上述的管理方法的具体步骤是：
A、将用电器进入待机状态，借助交流互感器感应出用电器的待机电流，模数转换处理后对用电器以及待机电流信号进行分类编码，并存储在CPU的存储单元中；
B、用电器正常工作时，CPU首先借助编码按键读取用电器的分类编码，实时在线采集用电器的电流信号；
C、CPU对采集的电流信号进行处理后与存储单元中对应的待机电流信号编码进行比对、判定用电器的工作状态；
D、CPU通过判定后的用电器的工作状态控制继电器的吸合、或断开。
本发明的有益效果是：本发明对电路采用了超低功耗设计，优化电路参数，电源电路中采用脉动电流严格控制自身电源内阻的技术措施，在解决用电设备待机能耗的同时，降低了产品自身的能耗，使产品的静态功率消耗控制在0.1W之内，实现了节电产品实现了真正意义上的节电；智能识别能做到针对不同家用电器(品牌、功率大小等)的待机情况，能够灵活设定家电的待机状态，能适应低至0.3瓦待机功率的用电设备。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明的节电管理器的电路原理框图。
图2是本发明的节电管理器的电源供给电路的原理图实施例。
图3是本发明的节电管理器的负载电流检测电路的原理图实施例。
附图中，1是电源供给电路，1A是整流滤波电路，1B是脉动电流控制电路，1C是变压器输出电路，2是微处理器电路，3是按键电路，4是继电器控制电路，5是负载电流检测电路，6是红外接收电路，R1-R9是电阻，C1-C7是电容，D1-D5是二极管，Z1、Z2是稳压二极管，Q1是开关管，Q2是三极管，T是变压器，PD是整流模块，TA是交流互感器，L1是原边线圈，L2是反馈线圈，L3是副边线圈，RV是可变电阻。
具体实施方式
参看图1和图2，低功耗智能节电管理器，结构中包括电源通用插座，管理器的配套电路结构中包括电源供给电路1、具有存储单元的微处理器电路2、按键电路3以及继电器控制电路4，上述的电源供给电路1的结构中包括整流滤波电路1A、脉动电流控制电路1B以及变压器输出电路1C，整流滤波电路1A将市电电源信号进行限流、整流、滤波后发送给脉动电流控制电路1B，经脉动电流控制电路1B处理后的脉动电流借助变压器输出电路1C调压输出给各个电源通用插座。
上述的脉动电流控制电路1B的结构中包括开关管Q1、变压器T的原边线圈L1、由电阻R2和电容C6组成的偏置电路、反馈线圈L2、由二极管D1、稳压二极管Z1、电容C4组成的稳压电路、以及外围配套阻、容元件，整流滤波电路1A输出的直流电源信号经偏置电路至开关管Q1的基极后流入原边线圈L1，反馈线圈L2经稳压二极管Z1稳压后送至开关管Q1的基极。
上述的脉动电流控制电路1B的结构中还设置有由分压电阻R5、R6和三极管Q2组成的过流保护电路，开关管Q1的发射极连接分压电阻R5、R6的分压端入地，三极管Q2的集电极连接开关管Q1的基极。
参看图3，述的管理器的电路结构中还设置有负载电流检测电路5，负载电流检测电路5借助交流互感器TA感应出负载的在线电流，经滤波、整流、稳压后送至微处理器电路2的CPU中。当负载电路中有电流通过时，在交流互感器TA的次级绕组中会产生一定的感应电压，该电压通过二极管D4整流、电容C7滤波、稳压二极管Z2限压后送入CPU的模数转换检测端口，CPU通过内部集成的模数转换电路将模拟电压信号转换为数字信号，通过判断该数值的大小微处理器可采集当前电器设备消耗功率的大小，通过软件的判断和分析，判断电器产品当前的工作状态。
上述的管理器的电路结构中还设置有红外接收电路6，红外接收电路6接收遥控器发来的红外编码信号，处理后送至微处理器电路2的输入端。
一种通用节电管理器的管理方法，以上方法应用于上述的智能节电管理器中，该方法借助微处理器电路2中的CPU以及配套软件管理程序实现，通过负载电流检测电路5对负载感应出的电流判定负载的工作状态，其特征在于：所述的管理方法的具体步骤是：
A、将用电器进入待机状态，借助交流互感器TA感应出用电器的待机电流，模数转换处理后对用电器以及待机电流信号进行分类编码，并存储在CPU的存储单元中；
B、用电器正常工作时，CPU首先借助编码按键读取用电器的分类编码，实时在线采集用电器的电流信号；
C、CPU对采集的电流信号进行处理后与存储单元中对应的待机电流信号编码进行比对、判定用电器的工作状态；
D、CPU通过判定后的用电器的工作状态控制继电器的吸合、或断开。
E、对节电管理器的插孔进行编码，借助编码按键与微处理器电路2对一组负载独立进行分区控制。
上述的负载电流检测电路5中还设置由电阻R7和二极管D5组成的基准电压参考电路。
请参看图2，举出具体实施例来说明本发明的节电管理器的节电原理。220V交流电压经电容C1限流，整流模块PD整流、电容C2滤波后得到约300V的直流电压加在变压器T的原边线圈L1的上端，同时此电压经电阻R2和电容C6给开关管Q1加上偏置后使其微微导通，有电流流过原边线圈L1，同时反馈线圈L2的上端形成正电压，此电压经电阻R4、电容C5反馈给开关管Q1，使其更导通，乃至饱和，最后随反馈电流的减小，开关管Q1迅速退出饱和并截止，如此循环形成振荡，在副边线圈L3上感应出所需的输出电压。反馈线圈L2同时也与二极管D1、稳压管Z2、电容C4一起组成稳压电路。当反馈线圈L2经二极管D1整流后在电容C4负极上的电压低至约为稳压管Z2的稳压值时导通，使开关管Q1由基极短路到地，开关管Q1关断，最终使输出电压降低。电路中分压电阻R5、R6、三极管Q2组成过流保护电路。当某些原因引起开关管Q1的工作电流大太时电阻R6上产生的电压经电阻R5加至三极管Q2基极，三极管Q2导通，开关管Q1基极电压下降，使开关管Q1电流减小，达到保护开关管Q1的目的。
在启动电阻R2后面串联一个电容C6，电源进入工作状态后，切断启动电阻的通路，消除了由启动电阻带来的功率消耗。电源上电初期，通过电阻R2和电容C6给开关管Q1提供启动电流，通过电源自身的反馈电路，电源进入正常工作状态，当电容C6完成充电后，电阻R2不再有电流流过。
激励电路采用倍压工作方式，进一步提高电源效率。当变压器T的反馈线圈L2工作在负半周时，通过二极管D1给电容C4充电，储备负半周的能量，在正半周时，反馈线圈L2和电容C4的电压叠加后一起通过电阻R4和电容C5给开关管Q1基极提供工作电流。这一设计思路降低了电源自身的功率消耗，在电源负载处于休眠模式时，具有很高的工作效率。
在许可范围内尽量降低开关电源的输出电压，负载电路采用低压供电，有利于进一步降低系统整体功耗。通过稳压二极管Z1将输出电压稳定在5V左右。实验证明开关电源输出为5V时比输出12V时自身的静态功耗消耗可降低30％左右。
微处理器电路2采用3V电源供电，降低CPU工作时的功率消耗，同时系统采用间歇工作模式，当节电管理器关闭输出后，微处理器关闭所有消耗电能的外围电路，同时自身进入休眠状态，整个系统消耗很少的电能。在收到按键或红外编码信号后微处理器进入正常工作状态，根据相应的指令，完成相应的动作后，重新进入休眠状态，以降低系统功率消耗。
在实际使用过程中，将负载插在插孔中，使负载处于待机状态(用遥控器关闭家用电器)，智能节电管理器会把当前用电设备消耗的真实功率保存起来，并以此数据作为区分用电设备待机状态和工作状态的分界点，如果用电设备消耗的功率大于在设置状态下采集的数据，判定为电器设备处于工作状态，用电设备消耗的功率小于在保存的数据，判定为电器设备处于待机状态，这种工作方式的好处是扩大的智能节电管理器的适应范围，能准确区分电器设备的真实工作状态。
同时，基于多个插孔的节电管理器，通过CPU对多个插孔继电器的独立控制，满足多个用电器同时使用。

Claims (7)

1.低功耗智能节电管理器，结构中包括电源通用插座，管理器的配套电路结构中包括电源供给电路(1)、具有存储单元的微处理器电路(2)、按键电路(3)以及继电器控制电路(4)，其特征在于：所述的电源供给电路(1)的结构中包括整流滤波电路(1A)、脉动电流控制电路(1B)以及变压器输出电路(1C)，整流滤波电路(1A)将市电电源信号进行限流、整流、滤波后发送给脉动电流控制电路(1B)，经脉动电流控制电路(1B)处理后的脉动电流借助变压器输出电路(1C)调压输出给各个电源通用插座，
脉动电流控制电路(1B)的结构中包括开关管(Q1)、变压器(T)的原边线圈(L1)、由电阻R2电容C6成的偏置电路、反馈线圈(L2)、由二极管D1稳压二极管(Z1)、电容C4成的稳压电路、以及外围配套阻、容元件，整流滤波电路(1A)输出的直流电源信号经偏置电路至开关管(Q1)的基极后流入原边线圈(L1)，反馈线圈(L2)经稳压二极管(Z1)稳压后送至开关管(Q1)的基极。
2.根据权利要求1所述的低功耗智能节电管理器，其特征在于：所述的脉动电流控制电路(1B)的结构中还设置有由分压电阻(R5、R6)和三极管(Q2)组成的过流保护电路，开关管(Q1)的发射极连接分压电阻(R5、R6)的分压端入地，三极管(Q2)的集电极连接开关管(Q1)的基极。
3.根据权利要求1所述的低功耗智能节电管理器，其特征在于：所述的管理器的电路结构中还设置有负载电流检测电路(5)，负载电流检测电路(5)借助交流互感器(TA)感应出负载的在线电流，经滤波、整流、稳压后送至微处理器电路(2)的CPU中。
4.根据权利要求1所述的低功耗智能节电管理器，其特征在于：所述的管理器的电路结构中还设置有红外接收电路(6)，红外接收电路(6)接收遥控器发来的红外编码信号，处理后送至微处理器电路(2)的输入端。
5.一种通用节电管理器的管理方法，以上方法应用于权利要求3中所述的智能节电管理器中，该方法借助微处理器电路(2)中的CPU以及配套软件管理程序实现，通过负载电流检测电路(5)对负载感应出的电流判定负载的工作状态，其特征在于：所述的管理方法的具体步骤是：
A、将用电器进入待机状态，借助交流互感器(TA)感应出用电器的待机电流，模数转换处理后对用电器以及待机电流信号进行分类编码，并存储在CPU的存储单元中；
B、用电器正常工作时，CPU首先借助编码按键读取用电器的分类编码，实时在线采集用电器的电流信号；
C、CPU对采集的电流信号进行处理后与存储单元中对应的待机电流信号编码进行比对、判定用电器的工作状态；
D、CPU通过判定后的用电器的工作状态控制继电器的吸合、或断开。
6.根据权利要求5所述的一种通用节电管理器的管理方法，其特征在于：所述的步骤还包括：
E、对节电管理器的插孔进行编码，借助编码按键与微处理器电路(2)对一组负载独立进行分区控制。
7.根据权利要求5所述的一种通用节电管理器的管理方法，其特征在于：所述的负载电流检测电路(5)中还设置由电阻R7二极管D5成的基准电压参考电路。
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