CN103389401B - 一种电网电压检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电压检测装置，其特征在于：包括电网电压零点检测电路、电网参考电压检测电路和计算器；上述电网电压零点检测电路的信号输入端与电网电连接，上述电网电压零点检测电路的信号输出端与计算器的一个信号输入端电连接；上述电网参考电压检测电路的信号输入端与电网电连接，上述电网参考电压检测电路的信号输出端与计算器的另一个信号输入端电连接。因此，本电网电压检测装置能够实时监测电网电压，从而了解电网的运行状况，以方便于电网终端设备的过压和欠压保护。同时，本电网电压检测装置还具有电路简单、运行稳定可靠、检测精确、响应速度快、集成度高、元器件少、功耗低等优点。

Description

一种电网电压检测装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，更具体地说，涉及一种电网电压检测装置。

背景技术

电网电压对家用电器、工业自动化设备、医用仪器仪表等电网终端设备的正常使用及使用寿命具有很大的影响。

目前，电网电压的波动较大，尤其是在农村，电网电压的波动更大；过高的电网电压往往会缩短电网终端设备的使用寿命，有时甚至会使电网终端设备发生烧毁；而过低的电网电压则有可能导致电网终端设备不能正常工作。

因此，为了方便于电网终端设备的过压和欠压保护，设计出一种能够实时监测电网电压的检测装置，已经成为目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电网电压检测装置，这种电网电压检测装置能够实时监测电网电压，从而了解电网的运行状况，以方便于电网终端设备的过压和欠压保护。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种电网电压检测装置，其特征在于：包括电网电压零点检测电路、电网参考电压检测电路和计算器；上述电网电压零点检测电路的信号输入端与电网电连接，上述电网电压零点检测电路的信号输出端与计算器的一个信号输入端电连接；上述电网参考电压检测电路的信号输入端与电网电连接，上述电网参考电压检测电路的信号输出端与计算器的另一个信号输入端电连接；

所述电网参考电压检测电路包括光耦隔离芯片U1、集成有运算放大器和电压比较器的集成芯片U2、二极管D2、二极管D3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C1、电容C2和电容C3；

上述光耦隔离芯片U1的第4脚通过电阻R1与电源VDD电连接，上述光耦隔离芯片U1的第4脚与计算器的一个信号输入端电连接，上述光耦隔离芯片U1的第3脚接地；

上述集成芯片U2的第1脚与光耦隔离芯片U1的第2脚电连接；

上述集成芯片U2的第2脚通过电阻R3分别与集成芯片U2的第6脚和第7脚电连接；

上述集成芯片U2的第2脚与电容C2的一个电极电连接，上述电容C2的另一个电极与电容C3的一个电极电连接，上述电容C3的另一个电极接地，上述电容C2和电容C3连接有参考电压REF_VOL；

上述集成芯片U2的第3脚电连接在电容C2和电容C3之间；

上述集成芯片U2的第4脚接地；

上述集成芯片U2的第5脚与电阻R10的一端电连接，上述电阻R10的另一端接地；

上述集成芯片U2的第8脚通过电阻R1与光耦隔离芯片U1的第1脚电连接，上述集成芯片U2的第8脚与电容C1的一个电极电连接，上述电容C1的另一个电极接地，上述集成芯片U2的第8脚电连接有电源HVDD；

上述二极管D2和二极管D3的正极均与电网电连接；上述二极管D2和二极管D3的负极依次通过电阻R11、电阻R12、电阻R13与集成芯片U2的第5脚电连接。

上述电网电压零点检测电路能够检测出电网电压的零点并输出电网电压的零点方波信号；上述电网参考电压检测电路能够检测出电网的参考电压点并输出电网的参考电压方波信号，上述计算器接收到电网电压的零点方波信号和电网的参考电压方波信号后，计算出参考电压方波信号与零点方波信号之间的时间差，进而得出电网电压的大小；

因此，本电网电压检测装置能够实时监测电网电压，从而了解电网的运行状况，以方便于电网终端设备的过压和欠压保护。

上述电网参考电压检测电路的工作原理是：

电网的电流通过二极管D2和二极管D3的整流后，经电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13分压，分压信号通过集成芯片U2中运算放大器的运放跟随后，通过集成芯片U2中电压比较器，与参考电压REF_VOL比较；

当电网分压后的电压小于比较电压REF_VOL时，集成芯片U2中的电压比较器输出高电平，光耦隔离芯片U1导通，光耦隔离芯片U1第4脚输出的检测电压VOL_detect为低电平；

当电网分压后的电压大于比较电压REF_VOL时，集成芯片U2中的电压比较器输出低电平，光耦隔离芯片U1截止，光耦隔离芯片U1第4脚输出的检测电压VOL_detect为高电平；

因此，电网参考电压检测电路通过检测光耦隔离芯片U1第4脚输出的检测电压VOL_detect的跳变，即可检测到电网电压的参考电压点，同时，电网参考电压检测电路输出电网的参考电压方波信号给计算器。

作为本发明中电网电压零点检测电路的优选技术方案：

所述电网电压零点检测电路包括光耦U3、二极管D1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；

上述光耦U3的第4脚通过电阻R4与电源VDD电连接，上述光耦U3的第4脚与计算器的一个信号输入端电连接，上述光耦U3的第3脚接地，上述光耦U3的第2脚与电网的零线N电连接；

上述二极管D1的正极与电网的火线L电连接，二极管D1的负极依次通过电阻R9、电阻R8、电阻R5、电阻R6、电阻R7与光耦U3的第1脚电连接。

上述电网电压零点检测电路的工作原理是：

利用二极管D1单向导通的特性，在电网电压零点时，二极管D1的开关状态发生变化，这样，电网电压零点检测电路便会产生电网电压的零点方波信号。

上述电网电压零点检测电路的具体工作过程为：

当UL>UN时，二极管D1导通，光耦U3导通，光耦U3第4脚的零点输出电压VOL_ZERO为低电平；

当UL<＝UN,二极管D1反向截止，光耦U3截止，光耦U3第4脚的零点输出电压VOL_ZERO变为高电平；

因此，在电网电压零点时，光耦U3第4脚的零点输出电压VOL_ZERO产生一个边沿跳变，电网电压零点检测电路通过检测这个边沿跳变，即可检测出电网电压的零点，同时，电网电压零点检测电路输出电网电压的零点方波信号给计算器。

作为本发明中计算器的优选技术方案：所述计算器采用微控制单元MCU。

上述计算器主要是根据电网电压的零点方波信号和电网的参考电压方波信号，从而计算出电网的电压，上述计算器的工作原理是：

由于电网电压为正弦波，所以，电网电压的大小可通过下列推导得到：

因为

所以 $U_m=\frac{U_{\mathrm{REF}}}{\sin (t*f*2\mathrm{\&pi;})};U_o=\frac{U_m}{\sqrt{2}}$

其中，U_REF为参考电压，U_REF为固定的值，

t为电网电压从零点到参考电压点的时间，

U_m为电网电压的峰值，

U_o为电网电压的有效值，U_o为检测值。

由于以上的推导计算量比较大，因此，在实际的应用当中，可以利用在小角度(一般小于45度)时，时间与电压有比较好的线性关系来简化推导公式，从而大大降低了推算复程度，简化后的推导公式如下：

U₀＝k*U_REF*t

其中，k为简化后的比例系数。

从上面的推导可知：电网电压大小的检测已经转换为电网电压从零点到参考电压点的时间t的检测，从而实现了电网电压的隔离检测，并将电压模拟量的检测转换成时间大小的检测，因此，在没有ADC功能时，本电网电压检测装置也可以实现电网电压的检测。

上述光耦隔离芯片U1、集成芯片U2、光耦U3和微控制单元MCU均为现有技术。

本发明对照现有技术的有益效果是：

由于本电网电压检测装置包括电网电压零点检测电路、电网参考电压检测电路和计算器；上述电网电压零点检测电路的信号输入端与电网电连接，上述电网电压零点检测电路的信号输出端与计算器的一个信号输入端电连接；上述电网参考电压检测电路的信号输入端与电网电连接，上述电网参考电压检测电路的信号输出端与计算器的另一个信号输入端电连接；并且，上述电网电压零点检测电路能够检测出电网电压的零点并输出电网电压的零点方波信号；上述电网参考电压检测电路能够检测出电网的参考电压点并输出电网的参考电压方波信号，上述计算器接收到电网电压的零点方波信号和电网的参考电压方波信号后，计算出参考电压方波信号与零点方波信号之间的时间差，进而得出电网电压的大小；因此，本电网电压检测装置能够实时监测电网电压，从而了解电网的运行状况，以方便于电网终端设备的过压和欠压保护。

同时，本电网电压检测装置还具有电路简单、运行稳定可靠、检测精确、响应速度快、集成度高、元器件少、功耗低等优点。

本电网电压检测装置非常适用于那些需要做隔离、或者没有ADC资源的嵌入式控制系统的电网终端设备。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1是本发明优选实施例的原理方框图；

图2是本发明优选实施例的电路图；

图3是本发明优选实施例的电网电压检测原理图；

图4是本发明优选实施例的电网电压信号、电网电压的零点方波信号、电网的参考电压方波信号的波形图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本优选实施例中的电网电压检测装置，包括电网电压零点检测电路1、电网参考电压检测电路2和计算器3；

上述电网电压零点检测电路1的信号输入端与电网12电连接，上述电网电压零点检测电路1的信号输出端与计算器3的一个信号输入端电连接；

上述电网参考电压检测电路2的信号输入端与电网12电连接，上述电网参考电压检测电路2的信号输出端与计算器3的另一个信号输入端电连接。

如图2所示，上述电网电压零点检测电路1包括光耦U3、二极管D1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；

上述光耦U3的第4脚通过电阻R4与电源VDD电连接，上述光耦U3的第4脚与计算器的一个信号输入端电连接，上述光耦U3的第3脚接地，上述光耦U3的第2脚与电网的零线N电连接；

上述二极管D1的正极与电网的火线L电连接，上述二极管D1的负极依次通过电阻R9、电阻R8、电阻R5、电阻R6、电阻R7与光耦U3的第1脚电连接。

如图2所示，上述电网参考电压检测电路包括光耦隔离芯片U1、集成有运算放大器和电压比较器的集成芯片U2、二极管D2、二极管D3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C1、电容C2和电容C3；

上述光耦隔离芯片U1的第4脚通过电阻R1与电源VDD电连接，上述光耦隔离芯片U1的第4脚与计算器的一个信号输入端电连接，上述光耦隔离芯片U1的第3脚接地；

上述集成芯片U2的第1脚与光耦隔离芯片U1的第2脚电连接；

上述集成芯片U2的第2脚通过电阻R3分别与集成芯片U2的第6脚和第7脚电连接；

上述集成芯片U2的第2脚与电容C2的一个电极电连接，上述电容C2的另一个电极与电容C3的一个电极电连接，上述电容C3的另一个电极接地，上述电容C2和电容C3连接有参考电压REF_VOL；

上述集成芯片U2的第3脚电连接在电容C2和电容C3之间；

上述集成芯片U2的第4脚接地；

上述集成芯片U2的第5脚与电阻R10的一端电连接，上述电阻R10的另一端接地；

上述集成芯片U2的第8脚通过电阻R1与光耦隔离芯片U1的第1脚电连接，上述集成芯片U2的第8脚与电容C1的一个电极电连接，上述电容C1的另一个电极接地，上述集成芯片U2的第8脚电连接有电源HVDD；

上述二极管D2和二极管D3的正极均与电网电连接；上述二极管D2和二极管D3的负极依次通过电阻R11、电阻R12、电阻R13与集成芯片U2的第5脚电连接。

如图2所示，上述计算器采用微控制单元MCU。

上述光耦隔离芯片U1、集成芯片U2、光耦U3和微控制单元MCU均为现有技术。

如图1和图2所示，上述电网电压零点检测电路1利用二极管D1单向导通的特性，在电网电压零点时，二极管D1的开关状态发生变化，这样，电网电压零点检测电路1便会产生电网电压的零点方波信号Pz，如图4所示；

如图1和图2所示，上述电网电压零点检测电路1的具体工作过程为：

当UL>UN时，二极管D1导通，光耦U3导通，光耦U3第4脚的零点输出电压VOL_ZERO为低电平；

当UL<＝UN,二极管D1反向截止，光耦U3截止，光耦U3第4脚的零点输出电压VOL_ZERO变为高电平；

因此，在电网电压零点时，光耦U3第4脚的零点输出电压VOL_ZERO产生一个边沿跳变，电网电压零点检测电路1通过检测这个边沿跳变，即可检测出电网电压的零点P0，同时，电网电压零点检测电路1输出电网电压的零点方波信号Pz给计算器。

如图1和图2所示，在电网参考电压检测电路2中，电网12的电流通过二极管D2和二极管D3的整流后，经电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13分压，分压信号通过集成芯片U2中运算放大器的运放跟随后，通过集成芯片U2中电压比较器，与参考电压REF_VOL比较；

当电网12分压后的电压小于比较电压REF_VOL时，集成芯片U2中的电压比较器输出高电平，光耦隔离芯片U1导通，光耦隔离芯片U1第4脚输出的检测电压VOL_detect为低电平；

当电网12分压后的电压大于比较电压REF_VOL时，集成芯片U2中的电压比较器输出低电平，光耦隔离芯片U1截止，光耦隔离芯片U1第4脚输出的检测电压VOL_detect为高电平；

因此，电网参考电压检测电路2通过检测光耦隔离芯片U1第4脚输出的检测电压VOL_detect的跳变，即可检测到电网电压的参考电压点P1，同时，电网参考电压检测电路2输出电网的参考电压方波信号Ps给计算器3。

上述计算器3接收到电网电压的零点方波信号Pz和电网的参考电压方波信号Ps后，计算出参考电压方波信号Ps与零点方波信号Pz之间的时间差，进而得出电网电压的大小，上述计算器3的工作原理是：

由于电网电压Px为正弦波，如图4所示，所以，电网电压的大小可通过下列推导得到：

因为

所以 $U_m=\frac{U_{\mathrm{REF}}}{\sin (t*f*2\mathrm{\&pi;})};U_o=\frac{U_m}{\sqrt{2}}$

其中，U_REF为参考电压，U_REF为固定的值，

t为电网电压从零点到参考电压点的时间，

U_m为电网电压的峰值，

U_o为电网电压的有效值，U_o为检测值。

由于以上的推导计算量比较大，因此，在实际的应用当中，可以利用在小角度(一般小于45度)时，时间与电压有比较好的线性关系来简化推导公式，从而大大降低了推算复程度，简化后的推导公式如下：

U₀＝k*U_REF*t

其中，k为简化后的比例系数。

从上面的推导可知：电网电压大小的检测已经转换为电网电压从零点P0到参考电压点P1的时间t的检测，如图3所示，这样便实现了电网电压的隔离检测，并将电压模拟量的检测转换成时间大小的检测，因此，在没有ADC功能时，本电网电压检测装置也可以实现电网电压的检测。

因此，本电网电压检测装置能够实时监测电网电压，从而了解电网的运行状况，以方便于电网终端设备的过压和欠压保护。

以上的内容仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明的权利要求范围所做的等同变换，均为本发明的权利要求范围所覆盖。

Claims (3)

1.一种电网电压检测装置，其特征在于：包括电网电压零点检测电路、电网参考电压检测电路和计算器；上述电网电压零点检测电路的信号输入端与电网电连接，上述电网电压零点检测电路的信号输出端与计算器的一个信号输入端电连接；上述电网参考电压检测电路的信号输入端与电网电连接，上述电网参考电压检测电路的信号输出端与计算器的另一个信号输入端电连接；

所述电网参考电压检测电路包括光耦隔离芯片U1、集成有运算放大器和电压比较器的集成芯片U2、二极管D2、二极管D3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C1、电容C2和电容C3；

上述光耦隔离芯片U1的第4脚通过电阻R1与电源VDD电连接，上述光耦隔离芯片U1的第4脚与计算器的一个信号输入端电连接，上述光耦隔离芯片U1的第3脚接地；

上述集成芯片U2的第1脚与光耦隔离芯片U1的第2脚电连接；

上述集成芯片U2的第2脚通过电阻R3分别与集成芯片U2的第6脚和第7脚电连接；

上述集成芯片U2的第2脚与电容C2的一个电极电连接，上述电容C2的另一个电极与电容C3的一个电极电连接，上述电容C3的另一个电极接地，上述电容C2和电容C3连接有参考电压REF_VOL；

上述集成芯片U2的第3脚电连接在电容C2和电容C3之间；

上述集成芯片U2的第4脚接地；

上述集成芯片U2的第5脚与电阻R10的一端电连接，上述电阻R10的另一端接地；

上述集成芯片U2的第8脚通过电阻R1与光耦隔离芯片U1的第1脚电连接，上述集成芯片U2的第8脚与电容C1的一个电极电连接，上述电容C1的另一个电极接地，上述集成芯片U2的第8脚电连接有电源HVDD；

上述二极管D2和二极管D3的正极均与电网电连接；上述二极管D2和二极管D3的负极依次通过电阻R11、电阻R12、电阻R13与集成芯片U2的第5脚电连接。

2.根据权利要求1所述的电网电压检测装置，其特征在于：所述电网电压零点检测电路包括光耦U3、二极管D1、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9；

上述光耦U3的第4脚通过电阻R4与电源VDD电连接，上述光耦U3的第4脚与计算器的一个信号输入端电连接，上述光耦U3的第3脚接地，上述光耦U3的第2脚与电网的零线N电连接；

上述二极管D1的正极与电网的火线L电连接，上述二极管D1的负极依次通过电阻R9、电阻R8、电阻R5、电阻R6、电阻R7与光耦U3的第1脚电连接。

3.根据权利要求1所述的电网电压检测装置，其特征在于：所述计算器采用微控制单元MCU。