CN103513075A - 近红外读数装置及电表 - Google Patents

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本发明涉及一种近红外读数装置，它用于与一个电表的红外通讯部之间的通讯耦合，包括近红外读数装置本体，近红外读数装置本体的一端设置有数据接口，其中所述近红外读数装置本体的端部设有读数头壳体，所述读数头壳体内设有读数模块，所述读数模块连接数据接口。本发明还公开了一种电表，它接设于电网供电线与电网用户负载之间，包括前述近红外读数装置，以及与之相配合的表壳，在所述表壳内设置有处理器和红外通讯部，所述红外通讯部电连接至处理器，其中所述表壳内固定有铁柱，所述近红外读数装置内固定有磁柱，所述铁柱与所述磁柱的位置相对应并可吸附在一起。本发明可以挂多个负载，互不影响，耐380VAC，可防止人体不小心触电，功耗低。

Description

近红外读数装置及电表
技术领域
本发明实施例是关于一种具有近红外读数装置的低功耗电表。
背景技术
传统电表的电源方案只能输出一路电源，电源的输出能力有限，最大输出功率为限流电流乘以钳位电压。并且大负载或负载短路会导致电源电压下降，从而造成微处理器（MCU）无法工作的问题。传统电表的小功率工频变压器和AC-DC开关电源只能适用于220VAC的场合，误接入380VAC电网会烧毁电源。当电网因为接线错误或断零线输出380VAC会导致所有接入电网的不抗380VAC的设备烧毁。传统电表的阻容降压方案不带隔离功能，无法应用于RS485等供电，并且存在触电危险。传统的继电器控制电路需要根据系统电压来选择3.3V,5V,12V等规格的继电器，并且继电器消耗的电流/电源增加的电流=1:1.
发明内容
本发明一个较佳实施例主要涉及一种电表，用于近红外通讯，本发明另一个实施例是可以输出多路电源的，从高压交流电源取电以供给低压小功率直流设备使用的电源技术。可以用于从220VAC或380VAC供电输出12V，5V，24V等电压的非隔离和隔离电源设计。本发明实施例之一可用于设备防止误接380VAC保护设计，可以拓宽常规阻容降压电源的使用范围和代替部分小功率工频变压器和AC-DC开关电源的应用。可应用于电能表，家用电器，继电器控制等设备，在一个实施例中，涉及使用此项技术以降低电表功耗，满足近红外功率的补偿。
技术方案1：近红外读数装置，它用于与一个电表的红外通讯部之间的通讯耦合，包括一个近红外读数装置本体，其改进设计在于：所述近红外读数装置本体的一端设置有数据接口，其中所述近红外读数装置本体的端部设有读数头壳体，所述读数头壳体内设有读数模块，所述读数模块连接数据接口。
在一个实施例中，进一步包括电源，它为所述读数模块提供工作电压，且进一步连接所述数据接口，通过所述数据接口获取外部电力源。
在一个实施例中，所述读数模块包括呈圆环形排布的多个红外发射管，其中所述红外发射管的圆锥发射角度设定为30至75°的范围内。
技术方案2：电表，它接设于电网供电线与电网用户负载之间，其改进设计在于：包括根据技术方案1所述的近红外读数装置，以及与之相配合的表壳，在所述表壳内设置有处理器和红外通讯部，所述红外通讯部电连接至处理器，其中所述表壳内固定有铁柱，所述近红外读数装置内固定有磁柱，所述铁柱与所述磁柱的位置相对应并可吸附在一起。
在一个实施例中，所述电源包括降压部，所述降压部又由n级阻容降压部级联组成，其中每一阻容降压部包括接入电网电力线L线的阻抗和与之串接的容性器件，以及连接所述容性元件的双向TVS管，L线电网交流电经过所述阻抗和容性器件加以限流，再经过所述双向TVS管加以钳位后流回N线。
在一个实施例中，进一步为所述双向TVS管后端耦合配置有桥堆和与之连接的充放电器件。
本发明优势显而易见：传统电表的电源方案只能输出一路电源，电源的输出能力有限，最大输出功率为限流电流乘以钳位电压。并且大负载或负载短路会导致电源电压下降，从而造成微处理器（MCU）无法工作的问题。
本发明分段输出型阻容降压电源可以在阻容降压回路中串入多个整流稳压电路得到n路直流电源，各路的直流电源最大输出能力为限流电流乘以各路的钳位电压。整体电源输出功率近似为传统阻容降压电源的n倍。可以挂多个负载互不影响，大负载不会对单片机部分造成影响，提高了系统的可靠性。
传统的小功率工频变压器和AC-DC开关电源只能适用于220VAC的场合，误接入380VAC电网会烧毁电源。当电网因为接线错误或断零线输出380VAC会导致所有接入电网的不抗380VAC的设备烧毁。
而本方案采用高交流耐压的安规电容，误接入380VAC电网可以正常使用。经过后端单片机判断，可以断开继电器输出来保护后端发热盘、电机等不耐380VAC的设备。
传统的阻容降压方案不带隔离功能，无法应用于RS485等供电，并且存在触电危险。
本方案使用反激式隔离电源输出，可以对需要隔离的RS485,RS232,MBUS等电路或人体会接触到的按键电路等进行供电，防止人体不小心触电。
传统的继电器控制电路需要根据系统电压来选择3.3V,5V,12V等规格的继电器，并且继电器消耗的电流/电源增加的电流=1:1。
本方案采用的继电器等效BUCK拓扑结构，通过改变PWM波形的占空比可以在一个电压下驱动各种电压规格的继电器，继电器的通用性大大增加，并且继电器消耗的电流/电源增加的电流=1：PWM占空比，电源增加的电流小于继电器消耗的电流，降低了继电器吸合时的功耗。
附图说明
图1A为本发明近红外读数装置的结构原理图一；
图1B为本发明近红外读数装置的结构原理图一；
图2为为读数模块中的红外发射管的径向排布示意图；
图3为本发明电表的电源部分主要电路图。
具体实施方式
参照图1A、图1B，近红外读数装置的较佳实施例是用于与本发明电表的红外通讯部之间的通讯耦合，包括一个近红外读数装置本体4，其中所述近红外读数装置本体的一端设置有数据接口5，其中所述近红外读数装置本体的端部设有读数头壳体6，所述读数头壳体6内设有读数模块7，所述读数模块7连接了数据接口5。
在一个实施例中，进一步包括电源，它为所述读数模块7提供+12V直流工作电压，且进一步连接所述数据接口5，通过数据接口5获取外部220VAC电力源。
参照图2，在一个实施例中，所述读数模块7包括呈圆环形排布的多个红外发射管701，其中每一红外发射管7011的圆锥发射角度设定为30至75°的范围内。
在一个较佳实施例中，所述圆锥发射角度设定为60°。
在另一个实施例中，再次参照图1A，一种近红外通讯的电表包括了前述的近红外读数装置，以及与之相配合的表壳2，在所述表壳2内设置有处理器和红外通讯部，所述红外通讯部电连接至处理器，其中所述表壳内固定有铁柱1，所述近红外读数装置内固定有磁柱3，所述铁柱1与所述磁柱3的位置相对应并可吸附在一起。
参照图3，在一个实施例中，电源电路包括降压部，多路整流稳压电路，继电器PWM控制电路，反激式隔离电源电路。
在一个实施例中，所述电源包括降压部，所述降压部又由n级阻容降压部级联组成，其中每一阻容降压部包括接入电网电力线L线的阻抗和与之串接的容性器件，以及连接所述容性元件的双向TVS管，L线电网交流电经过所述阻抗和容性器件加以限流，再经过所述双向TVS管加以钳位后流回N线。
阻容降压部：由功率绕线电阻R1,高压安规电容C1，双向TVS管D1,D2,D3组成。交流电压从火线经过R1,C1限流，D1,D2,D3钳位流回零线。因为D1,D2,D3的双向钳位特性，在D1,D2,D3分别得到峰峰值为TVS钳位电压的交流电压。各路的交流电压经过各路的整流稳压电路分别供各路后端器件使用。当需要更多路电源输出时，在阻容降压回路中继续串入双向TVS管Dn。
多路整流稳压电路：由桥堆B1,B2,整流二极管D7，电解电容E1,E2,E4,E5，稳压芯片U1，贴片电容C5,C6组成。D2上的交流电压经过B1全波整流,E1滤波后得到VCC2电压供继电器PWM控制电路使用。D1上的交流电压经过B2全波整流，E2滤波后得到VCC3电压供反激式隔离电源使用。D3上的交流电压经过D7半波整流，E4滤波后得到VCC1电压，VCC1经过U1稳压，E5,C5,C6滤波后得到3.3V电压供后端单片机使用。当需要更多路电源输出时，在Dn上的交流电压经过Bn整流，En滤波后得到VCCn电压供后端使用。
继电器PWM控制电路：由继电器K1，光耦OP1，三极管Q1，续流二极管D4，电阻R11,R12组成。当继电器断开时，PWM1信号一直为高电平，OP1输入端无电流，OP1输出端截止，Q1截止，K1线圈无电压，K1断开。当继电器吸合时，PWM1处输出PWM信号，OP1输入端间按PWM信号导通/截止，OP1输出端按PWM信号导通/截止，VCC2电压经过R11和OP1输出端流入Q1的B级，Q1按PWM信号导通/截止。Q1导通时VCC2流过K1的线圈电流为Ik，二极管D4截止。当Q1截止时K1内部的电流Ik经过续流二极管D4流回VCC2。VCC2的平均电流为I2，PWM信号的周期为T，导通时间为Ton。按照VCC2的功耗乘以效率η=K1的功耗加以计算，即满足关系式：
I2=（Ik·Ton）/(T·η)，
在一个实施例中，通过对电路的测试得出：η=0.9，I2=1.1Ik·Ton/T，假设选择的继电器K1的吸合电压为VK1，则占空比Ton/T=VK1/VCC2。
本方案采用的继电器等效BUCK拓扑结构，通过改变PWM波形的占空比可以在一个电压下驱动各种电压规格的继电器，继电器的通用性大大增加，并且继电器消耗的电流/电源增加的电流=1：PWM占空比，电源增加的电流小于继电器消耗的电流，降低了继电器吸合时的功耗。
反激式隔离电源电路：由电阻R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10，二极管D6,D5，高频变压器T1，光耦OP2，开关电源芯片U2，电压基准U3，贴片电容C2,C3,C4，电解电容E3组成。VCC3通过U2的VIN脚对U2供电。当系统上电时，VCC3电压通过R4进入芯片U2使能引脚SHDN，U2开始工作。此时OP2输出截止，U2的反馈引脚FB被R5拉低，芯片认为输出电压还没有达到设定值，U2的SW脚开始反复导通和截止，当SW脚导通时，VCC3电压流过T1的1,2绕组对变压器充电，按照同名绕组的定义，此时变压器T1的3脚处为负电平，D5不导通。当SW脚截止时，T1的1,2绕组的电流继续沿着D6,R3,C2流回VCC3，同名端处为正，对应的3脚同名端也为正，D5导通，对C3,E3充电，485V电压上升。485V电压通过R6,R7对电压基准U3进行供电，U3对通过R9,R10分压后的485V电压进行判断。R8和C4做相位调整用，改善U3的响应特性。
当485V电压上升到5V时，U3的1脚输出低电平，OP2输出导通，VCC3电压通过R2,OP2,R5分压后输入U2的反馈脚FB脚。U2的SW脚停止导通，变压器T1无能量传递，485V电压开始下降，U3的1脚输出高电平，OP2截止，U2的FB脚电压下降，U2的SW脚又重新开始开关。经过反复的停止和开关，485V电压稳定在一个设定值。
前述实施方式仅仅是对本发明技术方案的较佳体现，并非是对本发明技术方案的限定，本发明的技术范畴和权利主张是以所附权利要求为准的。

Claims (6)

1.近红外读数装置，它用于与一个电表的红外通讯部之间的通讯耦合，包括一个近红外读数装置本体，其改进设计在于：所述近红外读数装置本体的一端设置有数据接口，其中所述近红外读数装置本体的端部设有读数头壳体，所述读数头壳体内设有读数模块，所述读数模块连接数据接口。
2.根据权利要求1所述的近红外读数装置，其改进设计在于：进一步包括电源，它为所述读数模块提供工作电压，且进一步连接所述数据接口，通过所述数据接口获取外部电力源。
3.根据权利要求1所述的近红外读数装置，其改进设计在于：所述读数模块包括呈圆环形排布的多个红外发射管，其中所述红外发射管的圆锥发射角度设定为30至75°的范围内。
4.电表，它接设于电网供电线与电网用户负载之间，其改进设计在于：包括根据权利要求1至3中任意一项所述的近红外读数装置，以及与之相配合的表壳，在所述表壳内设置有处理器和红外通讯部，所述红外通讯部电连接至处理器，其中所述表壳内固定有铁柱，所述近红外读数装置内固定有磁柱，所述铁柱与所述磁柱的位置相对应并可吸附在一起。
5.根据权利要求4所述的电表，其改进设计在于：所述电源包括降压部，所述降压部又由n级阻容降压部级联组成，其中每一阻容降压部包括接入电网电力线L线的阻抗和与之串接的容性器件，以及连接所述容性元件的双向TVS管，L线电网交流电经过所述阻抗和容性器件加以限流，再经过所述双向TVS管加以钳位后流回N线。
6.根据权利要求5所述的电表，其改进设计在于：进一步为所述双向TVS管后端耦合配置有桥堆和与之连接的充放电器件。
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