CN102239636A - 具有过零点检测电路的电器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制系统，其包括用于检测AC信号的过零点的过零点检测电路。该电路包括具有初级部分和次级部分的变压器。初级部分接收AC信号。次级部分包括第一端子和第二端子。第一端子被偏置到第一DC电压电平。输出开关可操作地连接到第二端子并且具有导通状态和截止状态。输出开关根据输出开关感测到的并且对应于过零点的激活电压电平选择性地激活过零点检测电路的输出信号。当处于截止状态时，输出开关被偏置到第二DC电压电平。该第一和第二DC电压电平之间的电压差基本等于激活电压电平。控制器监视输出信号并基于输出信号控制操作。

Description

具有过零点检测电路的电器控制系统

技术领域

本发明涉及电器控制系统，并且尤其涉及具有用于检测AC信号过零点的电路的电器控制系统。

背景技术

已知检测AC波形或信号的过零点。过零点(zero crossing)是AC信号上经历零电势的点(即，0VAC)。

还知道检测AC功率源的电源波形的过零点和基于该过零点检测而控制各种操作。例如，可以将开关操作定时以大体上与AC功率源的过零点同时发生。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种控制系统，控制系统包括用于检测AC信号过零点的过零点检测电路。过零点检测电路包括具有初级部分和次级部分的变压器。初级部分接收AC信号。次级部分包括第一端子和第二端子。第一端子被偏置到第一DC电压电平。输出开关可操作地连接到第二端子并且具有导通状态和截止状态。输出开关根据输出开关感测到的并且对应于过零点的激活电压电平选择性地激活过零点检测电路的输出信号。当处于截止状态时，输出开关被偏置到第二DC电压电平。第一和第二DC电压电平之间的电压差基本等于激活电压电平。控制器监视该过零点检测电路的输出信号并基于输出信号控制操作。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于家用电器的控制系统。控制系统包括用于检测AC信号过零点的过零点检测电路。过零点检测电路包括具有初级部分和次级部分的变压器。初级部分接收AC信号。次级部分包括第一端子和第二端子。该过零点检测电路包括第一双极结型晶体管和第二双极结型晶体管。第一双极结型晶体管包括第一基极、第一集电极和第一发射极。第一端子处的DC偏置电压电平基本等于第一基极和第一集电极处的DC电压电平。第二双极结型晶体管包括第二基极、第二集电极和第二发射极。第二双极结型晶体管被偏置到不同于第一端子处的DC偏置电压电平的另一个DC电压电平。另一个DC电压电平和第一端子处的DC偏置电压电平之间的电压差基本等于第一基极和第一发射极之间的电压差。第二基极接收来自第二端子的信号。第二双极结型晶体管基于AC信号的过零点选择性地激活过零点检测电路的输出信号。控制系统包括开关装置和包括微处理器的控制器。微处理器监视过零点检测电路的输出信号并基于过零点检测电路的输出信号控制开关装置的操作。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于家用电器的控制系统。控制系统包括用于检测AC信号过零点的过零点检测电路。过零点检测电路包括具有电路地电压电平的电路地和具有初级部分和次级部分的变压器。初级部分接收AC信号。次级部分包括第一端子和第二端子。第一端子被偏置到不等于电路地电压电平的第一DC电压电平。过零点检测电路包括输出开关，输出开关包括双极结型晶体管。双极结型晶体管包括基极、集电极和发射极。输出开关根据在基极和发射极之间施加的激活电压电平选择性地激活过零点检测电路的输出信号。发射极被偏置到不同于第一DC电压电平的第二DC电压电平。第二DC电压电平和第一DC电压电平之间的电压差基本等于激活电压电平。该基极接收来自第二端子的信号。该控制系统包括开关装置和包括微处理器的控制器。微处理器监视过零点检测电路的输出信号并基于过零点检测电路的输出信号控制开关装置的操作。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于家用电器的控制系统。控制系统包括用于检测AC信号过零点的过零点检测电路。过零点检测电路包括具有初级部分和次级部分的变压器。初级部分接收AC信号。次级部分包括第一端子和第二端子。过零点检测电路包括第一NPN晶体管，第一NPN晶体管包括第一基极、第一集电极和第一发射极。第一基极连接到所述第一端子。第一端子被第一NPN晶体管基本上偏置到比电路地高第一NPN晶体管的基极-发射极电压V_BE。过零点检测电路包括第二NPN晶体管，第二NPN晶体管包括第二基极、第二集电极和第二发射极。第二发射极被偏置到比第一端子低的电压，并且第一端子和第二发射极之间的电压差基本等于第一NPN晶体管的基极-发射极电压V_BE。第二基极接收来自第二端子的信号。第二NPN晶体管基于AC信号的过零点选择性地激活过零点检测电路的输出信号。控制系统包括继电器和控制器，控制器监视过零点检测电路的输出信号并基于过零点检测电路的输出信号控制继电器的操作。

附图说明

图1是家用电器的透视图；

图2是用于图1的电器的控制系统的顶层示意图；

图3是第一示例过零点检测电路的示意图；

图4是第二示例过零点检测电路的示意图；

图5是第三示例过零点检测电路的示意图。

具体实施方式

本发明涉及电器控制系统，尤其涉及具有用于检测AC信号过零点的电路的电器控制系统。现在参考附图描述本发明，其中相同的参考标号始终用于指相同的元件。在以下描述中，为了说明的目的，给出很多具体细节以提供对本发明的全面理解。然而，显然，本发明也可以在没有这些具体细节的情况下实施。另外，本发明的其它实施例也是可能的，并且本发明能够以所描述的方式以外的其它方式实施和执行。在描述本发明中使用的术语和措辞是用于促进对本发明的理解，而不应该被认为是限制。

当在本文中使用时，术语“连接”和“连接到”是指一个东西与另一个东西的物理和/或电结合或联接，并且包括直接和间接连接。例如，NPN晶体管的发射极可以通过发射极和电路地之间的直接电连接连接到电路地，例如通过电路板上的铜迹线。可替换地，发射极可以通过间接电连接连接到电路地，例如通过插入的电阻器。在前一情况中，发射极直接连接到电路地。在后一情况中，发射极间接连接到电路地。然而，在这两个情况中，发射极都连接到电路地。

确定周期信号例如AC功率源的电源波形的过零点，可能是有用的。过零点检测允许将继电器等开关装置的操作定时到AC功率源的过零点。通过将继电器的操作定时到AC功率源的过零点，可以将跨继电器触点的电弧放电最小化并且延长继电器的寿命。过零点检测还可以用在设备的同步化中，例如时钟。

下面讨论的过零点检测电路采用关于隔离变压器的次级侧的偏置结构和具有激活电压电平的输出开关(例如，该开关触发其开关操作所需的电压电平)。开关的偏置电压和隔离变压器次级的偏置电压之间的电压差基本等于该开关的激活电压电平。将AC波形施加到隔离变压器的初级侧。由于偏置结构和由输出开关经由隔离变压器感测到的过零点，输出开关基本上在AC波形过零点时导通或截止。偏置结构使开关的偏置电压和隔离变压器次级的偏置电压之间的电压差基本处于开关的激活电压电平，并且因此过零点的正/负电压变化触发输出开关的开关操作。在隔离变压器的输出上升到激活电压电平或者下降到低于激活电压电平以前，输出开关不延迟其开关，而是实质上一旦出现AC波形的过零点时，例如在过零点的零点几度内、1度内或2度内，立即切换。

在其它应用中，下面讨论的过零点检测电路可以应用于其中控制器控制开关装置的操作以通过开关装置控制对另一个装置(例如，风扇或加热元件)的电能供应的装置中。作为例子的开关装置包括机电继电器和固态继电器、晶体管、可控硅整流器(SCR)、三端双向可控硅开关元件(triac)等。过零点检测电路还可以应用于期望基于周期信号的过零点实现同步化的装置中。

图1示出可以包括控制器和过零点检测电路的家用电器11。图1中的电器是烹饪电器，如具有炉灶面12和/或炉腔13的电灶或煤气灶。应该理解，该过零点检测电路还可以用在烹饪电器以外的家用电器中，如电冰箱、冷冻机、洗碗机、洗衣机、烘干机等。该过零点检测电路还可以用在例如加热、通风和空气调节(HVAC)设备(如电热炉)、家庭自动化设备、车库门开启器和泵控制器等装置中。

图2是用于图1的电器11的控制系统的顶层示意图。由过零点检测电路22监视用于该电器的AC信号21，如50或60Hz的电源波形。过零点检测电路22向用于该装置的控制器23提供输出信号。输出信号表示AC信号过零点的出现。输出信号可以是模拟信号或数字信号。控制器23监视过零点检测电路的输出信号并基于过零点检测电路的输出信号控制开关装置如继电器25的操作。可以通过硬连线或无线的方式将输出信号发送到控制器。控制器23可以包括用于执行控制程序的微处理器或微控制器24。

图3是第一示例过零点检测电路22a的示意图。AC电源21被提供给隔离变压器31的初级部分。变压器31可以是被配置为电流变压器的共模扼流圈。作为例子的共模扼流圈是1mH到100μH的共模扼流圈。电阻器32、33限制流过变压器31的初级的电流的水平。电阻器32、33的作为例子的值是62kΩ。变压器31的次级部分包括第一端子34和第二端子35。

过零点检测电路22a包括第一、第二和第三晶体管36、37、38。晶体管36、37、38可以是双极结型晶体管，如NPN晶体管(如所示的)或PNP晶体管。

第一晶体管36的基极和集电极可以直接连接在一起并连接到该变压器次级的第一端子34。第一晶体管的发射极直接连接到电路地39。利用连接到电路地39的第一晶体管36的发射极，将该变压器次级的第一端子34正偏置为第一晶体管的基极-发射极电压V_BE。基极-发射极电压V_BE是当该晶体管在其饱和区操作时正向偏置基极-发射极结所需的电压电平，典型地是大约700mV DC。应该理解，第一端子34处的DC偏置电压电平等于第一晶体管36的基极和集电极处的DC电压电平。第一晶体管36本身经由电阻器40被电压源VCC(例如，5VDC、3.3VDC等)偏置。电阻器40的作为例子的值是2.2kΩ。

因为第一晶体管36的基极和集电极被连接在一起，所以第一晶体管被配置为二极管。在一个实施例中，第一晶体管36被去除并且用二极管代替它。

第二晶体管37是过零点检测电路22a的输出开关，过零点检测电路22a基于AC电源21的过零点选择性地激活输出信号，例如产生方波。

第二晶体管37的基极连接到变压器31的第二端子35。第二晶体管37的基极可以直接连接到变压器31的第二端子35，或者经由电阻器间接连接(如图4中所示)。第二晶体管37的基极接收来自第二端子35的信号。第二晶体管37的发射极连接到电路地39。第二晶体管37的发射极可以经由电阻器41间接连接到电路地，或者直接连接到电路地(在此情况下，从电路22a中除去电阻器41)。然而，电阻器41可以帮助确保第二晶体管37充分截止，以使得当AC电源21处于0VAC时，输出信号呈现高逻辑电平。

该输出信号被提供到第二晶体管37的集电极。电阻器42位于第二晶体管37的集电极和电压源VCC之间。电阻器42的作为例子的值是4.7kΩ。

第二晶体管37的发射极通过其与电路地39的连接被偏置到与第一端子34不同的DC电压。在此情况下，第二晶体管37被偏置到电路地或0VDC。

第二晶体管37的激活电压电平是将第二晶体管37置于其饱和区并使该晶体管导通所需的基极-发射极电压V_BE(例如，700mV)。当第二晶体管37感测到其基极和发射极之间的激活电压电平时，第二晶体管导通并且输出信号变为低逻辑电平。

变压器31次级的第一端子34被正偏置到第一晶体管36的基极-发射极电压V_BE。当第二晶体管37截止时，第一端子34和第二晶体管37的发射极之间的电压差理想地等于第一晶体管36的基极和发射极之间的电压差。在一定的组件之间局部温度差、组件制造公差、电路电压降等条件下，第一端子34和第二晶体管37的发射极之间的电压差可以基本上等于第一晶体管36的基极和发射极之间的电压差。如果第一和第二晶体管36、37是相同的晶体管，那么第一端子34和第二晶体管37的发射极之间的电压差基本等于第二晶体管37的激活电压。在此情况下，第二晶体管37易于在AC电源21经历负到正的过零点之后立即导通。例如，第二晶体管可以在负到正的过零点的2度内或者1度内或者1/2度内导通。

应该理解，如果变压器31的第一端子34和第二晶体管37的发射极被偏置到相同的电压电平，例如电路地，那么第二晶体管将不易于在AC电源21经历负到正的过零点时立即导通。在此情况下，在AC电源21的电压上升到第二晶体管37的基极感测到激活电压V_BE的点之前第二晶体管37将不导通，该点可能出现在实际负到正的过零点之后的大约3度或4度。

电路22a中的第三晶体管38被配置为二极管。第三晶体管38的集电极和基极直接连接到电路地39。第三晶体管38的发射极直接连接到第二晶体管37的基极。第三晶体管可以帮助保护第二晶体管37的基极-发射极结不受可能在AC电源21经历正到负的过零点时由施加到第二晶体管的负电压引起的损伤。在一个实施例中，第三晶体管38被去除并且用二极管代替它。

可用于第一和第二晶体管36、37的作为例子的商业上可获得的晶体管包括MMRT5508和MMBT4401。可用于第三晶体管38的作为例子的商业上可获得的晶体管包括MMBT3904。

在一个实施例中，第一和第二晶体管36、37具有匹配的热特性。可以通过针对第一和第二晶体管36、37选择同一类型的晶体管来获得匹配的热特性。例如，如果第一和第二晶体管36、37都是MMBT4401型，那么它们将具有匹配的热特性。可以通过选择具有匹配热特性的晶体管来补偿第一和第二晶体管36、37的基极-发射极电压V_BE的温度漂移。作为例子的温度漂移是2.2mV/℃。在烹饪电器中，第一和第二晶体管的环境温度可能显著变化，例如改变100℃。如果第一和第二晶体管不热匹配，那么这种温度变化会导致在确定过零点时的错误。除了具有匹配的热特性以外，可以将第一和第二晶体管36、37彼此靠近地定位在例如共同的电路板上，使得它们在相同的环境条件下操作。

图4是第二示例过零点检测电路22b的示意图。在电路22b中使用电压变压器51，而不是被配置为电流变压器的共模扼流圈，并且电阻器32和33已被去除。作为例子的电压变压器51是120或240VAC到12VAC的变压器。电阻器52连接在变压器51的第二端子35和第二晶体管37的基极之间。电阻器52的作为例子的值是15kΩ。电路22b的其余部分像上面关于电路22a讨论的那样操作。

图5是第三示例过零点检测电路22c的示意图。电路22c与电路22a和22b之间的差别是：在电路22c中，变压器51的第一端子34被偏置到电路地39(例如，0VDC)并且第二晶体管37的发射极被第一晶体管36偏置到-V_BE(例如，-700mV DC)。在电路22c中，第一端子34和第一晶体管36的基极和集电极直接连接到电路地39。第一晶体管36的发射极经由电阻器41连接到第二晶体管37的发射极。与电路22a和22b中相同，电路22c中的第二晶体管37易于在AC电源21经历负到正的过零点之后立即导通。

电路22c包括二极管53，每当AC电源21变为负时，二极管53将电容器54充电到负电压电平。该负电压电平，例如-16伏特，提供流过电阻器55和第一晶体管36的偏置电流。作为例子的商业上可获得的二极管53是MMBD4148。电容器54的作为例子的值是22μF、25V。电阻器55的作为例子的值是2.2kΩ。

显而易见的是，本公开是作为例子给出的，并且在不偏离本公开中所包含的教导的合理范围的情况下可以通过增加、修改或删除某些细节进行各种变化。因此，本发明不局限于除了所附权利要求必要地限定的范围以外的本公开的具体细节。

Claims (24)

1.一种控制系统，包括：

用于检测AC信号过零点的过零点检测电路，其中所述过零点检测电路包括：

变压器，其具有初级部分和次级部分，

其中所述初级部分接收所述AC信号，

其中所述次级部分包括第一端子和第二端子，并且

其中所述第一端子被偏置到第一DC电压电平；

输出开关，其可操作地连接到所述第二端子并且具有导通状态和截止状态，其中所述输出开关根据所述输出开关感测到的并且对应于所述AC信号的过零点的激活电压电平而选择性地激活所述过零点检测电路的输出信号，

其中，当所述输出开关处于截止状态时，所述输出开关被偏置到第二DC电压电平，并且所述第一和第二DC电压电平之间的电压差基本等于所述激活电压电平；以及

控制器，其监视所述过零点检测电路的输出信号并基于所述过零点检测电路的输出信号而控制操作。

2.根据权利要求1所述的控制系统，还包括继电器，其中所述操作是继电器操作。

3.根据权利要求1所述的控制系统，还包括：

第一双极结型晶体管，其偏置处于所述第一DC电压电平的所述第一端子和处于所述第二DC电压电平的所述输出开关中的一个；以及

第二双极结型晶体管，其中所述输出开关包括所述第二双极结型晶体管。

4.根据权利要求1所述的控制系统，还包括：

第一NPN晶体管，其包括第一基极、第一集电极和第一发射极，其中所述第一基极和所述第一端子直接连接到电路地，并且

其中所述输出开关包括第二NPN晶体管，该第二NPN晶体管包括第二基极、第二集电极和第二发射极，其中所述第二基极接收来自所述第二端子的信号。

5.根据权利要求1所述的控制系统，还包括：

第一NPN晶体管，其包括第一基极、第一集电极和第一发射极，其中所述第一基极直接连接到所述第一端子，并且其中所述第一端子被所述第一NPN晶体管正偏置到高于电路地的基本上为所述第一NPN晶体管的基极-发射极电压V_BE，并且

其中所述输出开关包括第二NPN晶体管，该第二NPN晶体管包括第二基极、第二集电极和第二发射极，其中所述第二基极接收来自所述第二端子的信号。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述第一和第二NPN晶体管具有匹配的热特性。

7.根据权利要求5所述的控制系统，其中所述变压器是被配置为电流变压器的共模扼流圈。

8.根据权利要求7所述的控制系统，还包括第三NPN晶体管，该第三NPN晶体管包括第三基极、第三集电极和第三发射极，

其中所述第三基极和所述第三集电极直接连接到电路地，并且

其中所述第三发射极直接连接到所述第二基极。

9.一种用于家用电器的控制系统，包括：

用于检测AC信号过零点的过零点检测电路，其中所述过零点检测电路包括：

变压器，其具有初级部分和次级部分，

其中所述初级部分接收所述AC信号，并且

其中所述次级部分包括第一端子和第二端子；

第一双极结型晶体管，其包括第一基极、第一集电极和第一发射极，其中在所述第一端子处的DC偏置电压电平基本上等于在所述第一基极和所述第一集电极处的DC电压电平；以及

第二双极结型晶体管，其包括第二基极、第二集电极和第二发射极，

其中所述第二双极结型晶体管被偏置到不同于在所述第一端子处的DC偏置电压电平的另一个DC电压电平，并且其中所述另一个DC电压电平和所述第一端子处的DC偏置电压电平之间的电压差基本上等于所述第一基极和所述第一发射极之间的电压差，

其中所述第二基极接收来自所述第二端子的信号，并且

其中所述第二双极结型晶体管基于所述AC信号的过零点选择性地激活所述过零点检测电路的输出信号；

开关装置；以及

控制器，其包括微处理器，其中所述微处理器监视所述过零点检测电路的输出信号并基于所述过零点检测电路的输出信号控制所述开关装置的操作。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其中在所述第一和第二发射极处的电压电平基本上等于电路地电压电平。

11.根据权利要求9所述的控制系统，其中在所述第一端子处的DC偏置电压电平基本上等于电路地电压电平。

12.根据权利要求11所述的控制系统，其中所述第一和第二双极结型晶体管是具有匹配的热特性的NPN晶体管。

13.根据权利要求12所述的控制系统，其中所述家用电器是包括炉灶面和炉腔的烹饪电器。

14.一种用于家用电器的控制系统，包括：

用于检测AC信号过零点的过零点检测电路，其中所述过零点检测电路包括：

电路地，其具有电路地电压电平；

变压器，其具有初级部分和次级部分，

其中所述初级部分接收所述AC信号，

其中所述次级部分包括第一端子和第二端子，并且

其中所述第一端子被偏置到不等于所述电路地电压电平的第一DC电压电平；

输出开关，其包括双极结型晶体管，该双极结型晶体管包括基极、集电极和发射极，

其中所述输出开关根据在所述基极和所述发射极之间施加的激活电压电平选择性地激活所述过零点检测电路的输出信号，

其中所述发射极被偏置到不同于所述第一DC电压电平的第二DC电压电平，并且其中所述第二DC电压电平和所述第一DC电压电平之间的电压差基本等于所述激活电压电平，并且

其中所述基极接收来自所述第二端子的信号；

开关装置，以及

控制器，其包括微处理器，该微处理器监视所述过零点检测电路的输出信号并基于所述过零点检测电路的输出信号控制所述开关装置的操作。

15.根据权利要求14所述的控制系统，还包括另一个双极结型晶体管，该另一个双极结型晶体管包括另一个基极、另一个集电极和另一个发射极，

其中所述双极结型晶体管是NPN晶体管，

其中在所述另一个基极处的电压电平基本上等于在所述另一个集电极处和在所述第一端子处的电压电平，

其中所述第一端子被所述另一个双极结型晶体管正偏置到高于电路地的基本上为所述另一个晶体管的基极-发射极电压V_BE，以及

其中所述第二DC电压电平和所述第一DC电压电平之间的电压差基本上等于所述另一个基极和所述另一个发射极之间的电压差。

16.根据权利要求15所述的控制系统，其中所述双极结型晶体管具有匹配的热特性，并且其中所述变压器是被配置为电流变压器的共模扼流圈。

17.根据权利要求16所述的控制系统，其中所述另一个基极和所述另一个集电极直接连接到所述第一端子，

其中所述另一个发射极直接连接到电路地，

其中所述输出开关的基极连接到所述第二端子，并且

其中所述输出开关的发射极直接或者通过电阻器连接到电路地。

18.根据权利要求17所述的控制系统，还包括第三双极结型晶体管，该第三双极结型晶体管是具有第三基极、第三集电极和第三发射极的NPN晶体管，

其中所述第三基极和所述第三集电极直接连接到电路地，并且

其中所述第三发射极直接连接到所述输出开关的基极。

19.根据权利要求18所述的控制系统，其中所述家用电器是包括炉灶面和炉腔的烹饪电器。

20.一种用于家用电器的控制系统，包括：

用于检测AC信号过零点的过零点检测电路，其中所述过零点检测电路包括：

变压器，其具有初级部分和次级部分，

其中所述初级部分接收所述AC信号，并且

所述次级部分包括第一端子和第二端子；

第一NPN晶体管，其包括第一基极、第一集电极和第一发射极，

其中所述第一基极连接到所述第一端子，并且

其中所述第一端子被所述第一NPN晶体管偏置到高于电路地的基本上为所述第一NPN晶体管的基极-发射极电压V_BE；以及

第二NPN晶体管，其包括第二基极、第二集电极和第二发射极，

其中所述第二发射极被偏置到比所述第一端子低的电压，并且所述第一端子和所述第二发射极之间的电压差基本上等于所述第一NPN晶体管的基极-发射极电压V_BE，

其中所述第二基极接收来自所述第二端子的信号，并且

其中所述第二NPN晶体管基于所述AC信号的过零点选择性地激活所述过零点检测电路的输出信号；

继电器；以及

控制器，该控制器监视所述过零点检测电路的输出信号并基于所述过零点检测电路的输出信号控制所述继电器的操作。

21.根据权利要求20所述的控制系统，其中所述第一和第二NPN晶体管具有匹配的热特性，并且其中所述变压器是被配置为电流变压器的共模扼流圈。

22.根据权利要求21所述的控制系统，其中所述第一基极和所述第一集电极直接连接到所述第一端子，

其中所述第一发射极直接连接到电路地，

其中所述第二基极直接连接到所述第二端子，并且

其中所述第二发射极直接或通过电阻器连接到电路地。

23.根据权利要求22所述的控制系统，还包括具有第三基极、第三集电极和第三发射极的第三NPN晶体管，

其中所述第三基极和所述第三集电极直接连接到电路地，并且

其中所述第三发射极直接连接到所述第二基极。

24.根据权利要求23所述的控制系统，其中所述家用电器是包括炉灶面和炉腔的烹饪电器。

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