CN104092289A - 一种电表 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种完全抛弃充电电池作为后备电源组成的电表，仅使用电化学电容器作为后备电源的方案。本发明利用直流升压稳压模块，使后备电源的电容器可以提供更多电能,更进一步地，在前述基础上，增加电压比较模块和控制模块，并设置工作回路最低工作电压以上、正常供电时供电电压以下的阀值电压，通过电压比较模块、控制模块，来实现自动切换储能器件的充电和供电。

Description

一种电表

技术领域

本发明涉及用于测量电功率或电流的时间积分的装置领域，具体涉及电表的后备电源。

背景技术

电表一般存在弱电电路。正常供电时，使用市政供电转化而来的直流电作为其供电电源，其工作回路提供数据储存、处理分析等等功能。由于市政供电存在停电的可能，为保障停电期间，重要的工作回路仍处于供电状态，因此为电表设置了后备电源及其备用电源电路，正常供电时，市政供电转化而来的直流电就通过后备电源的正极端，向后备电源的储能模块中的储能器件充电，遇到不能正常供电时，则通过后备电源及其备用电源电路向工作回路供电。

电表后备电源的储能器件，多采用充电电池或者充电电池与电化学电容器的组合。然而，充电电池具有多项缺陷，首先，充电电池的充放电、快速充电、反复传输高功率脉冲，会导致充电电池的寿命下降；第二，电池受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏；第三，电池原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程，造成环境污染；第四，存在接触不牢固的问题；最重要的是，需要经常维护，电池每使用一段时间，就需要维护更换。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，公开一种完全抛弃充电电池作为后备电源组成的电表，仅使用电化学电容器——这种电容器又称为“超级电容器”——作为后备电源的方案。

由于电化学电容器作为后备电源时，存在输出电压不稳的问题，造成输出电压下降到不能使工作回路工作之后，电容器仍存储有大量电荷可供电源之用。因此，本发明利用直流升压稳压模块，使后备电源的电容器可以提供更多电能：其输入端与储能模块的正极端相连接，其输出端通过整流元件与后备电源的正极端相连接。后备电源的负极端接地。

当存在市政供电时，直流升压稳压模块输出端的电压小于或者等于市政供电转化来的直流电压，因此，整流元件也禁止该电路导通；不能正常供电时，直流升压稳压模块输出端的电压比整流元件另一端的电压高，整流元件因此令电路导通，储能模块因此将其所储蓄的电能通过后备电源的正极端向工作回路供电。整流元件的选择和连接，应符合上述功能描述。

前述发明内容只公开了储能期间的供电。更进一步地，在前述基础上，增加电压比较模块和控制模块，并设置工作回路最低工作电压以上、正常供电时供电电压以下的阀值电压，通过电压比较模块、控制模块以及直流升压稳压模块的控制端，来实现自动切换储能器件的充电和供电。

将电压比较模块连接后备电源的正极端，使其可以检测供电电压，根据其变化，将信号输出到控制模块、直流升压稳压模块的控制端；控制模块根据控制端输入的信号，来控制是否导通后备电源的正极端与储能模块，以给储能器件充电，直流升压稳压模块根据控制端输入的信号，判断是否处于后备电源供电的状态，来决定直流升压稳压模块是否需要工作；在直流升压稳压模块工作时，输出的供电电压小于阀值电压，就可以使后备电源正极端的电压不至于使直流升压稳压模块误以为处于正常供电状态。

电压比较模块，在后备电源正极端大于阀值电压时，输出第一控制信号到控制模块，使供电电源通过后备电源的正极端给后备电源的储能器件充电；

电压比较模块在后备电源正极端的电压小于阀值电压时，输出第二控制信号到直流升压稳压模块，使后备电源通过直流升压稳压模块的输出端和整流元件（D1）向工作回路供电。

阀值电压的设置方法，根据上述构思得出。更进一步地，利用参考电压电路。参考电压电路的设置，本发明利用了稳压二极管两端电压差为2.5伏的特性。

所称“去耦”、“分压”、“限流”、“整流”元件，只需要具备此种功能之一的元件即可，并不要求必须采用电容、电阻等元件，也不要求主要作用是上述作用，只需要包括了上述作用的元件，即可按照说明书实现技术效果。

电化学电容器的特性，可以克服使用充电电池作为后备电源的缺点。电化学电容器相对充电电池来说，可以满足在更为极端的自然环境中工作的要求，并能实现长期的免维护，而且可焊接，进而解决接触不牢的问题。

该电路使充电与供电采用了同一电路，因此容易维护，检测更简单，生产成本也更低。而该电路也可用于使用充电电池作为后备电源的情况，利于批量生产，增强通用性。

附图说明

附图1为本发明电表后备电源电路的原理图。

附图2为本发明电表后备电源电路具体实施例的电路图。

具体实施方式

如图1所示，电表的后备电源包括正极端、负极端；控制模块包括输入端、输出端、控制端；直流升压稳压模块包括输入端、输出端、控制端；储能模块包括正极端、负极端；电压比较模块包块输入端、输出端。

控制端的输入端与后备电源的正极端连接，控制端的输出端与储能模块的正极端连接；直流升压稳压模块的输入端与储能模块的正极端连接，输出端与整流元件D1的阳极连接；电压比较模块的输入端与后备电源的正极端连接，输出端与控制模块的控制端、直流升压稳压模块的控制端连接；整流元件D1的阴极与后备电源的正极端连接；后备电源的负极端与储能模块的负极端接地。

电压比较模块的输出端将第一控制信号输出到控制模块，第二控制信号输出到直流升压稳压控制模块。

如图2所示，当存在主供电电源时，VM为电表弱电模块工作回路的工作电压，也是后备电源正极端的电压，也就是充电的电压；VCAP为后备电源储能模块正极端的电压，也就是后备电源的输出电压；R12及R8共同组成了第一分压组，本实施例中，稳压二极管ZD3与电容C5共同组成了参考电压电路。R12为9.1千欧，R12为12千欧，U1为第一比较器，U2为第二比较器，第一分压组与第一、第二比较器、参考电压电路、限流电阻R11共同构成了电压比较模块；直流升压稳压模块采用了SX1308芯片，其SW引脚为直流升压稳压模块的输出端；R13-R15为第二分压组，与SX1308芯片、L1共同构成了直流升压稳压模块；稳压二极管ZD3提供了基准电压VR，此处为2.5伏，此时根据第一分压组，可以计算出设置的阀值电压为：2.5×（R12+R8）÷R8=2.5×（9.1+12）÷12=4.4（伏）；Q4为P型场效应管，构成控制模块；该方案采用了4块电化学电容器两两并联作为后备电源的储能器件；C1-C6均为旁路或去耦电容、C5同时还是储能电容，使停电等情况发生时，结合稳压二极管ZD3，在掉电瞬间，储能电容C5两端还保持基准电压VR；R1-R7、R9为限流电阻，R18为反馈电阻；C1-C6中除C5外、R1-R7、R9、R18仅为优化电路而存在，并非实现技术效果的必要条件。实施例中，所述“去耦”、“储能”、“分压”、“限流”、“整流”元件，分别采用电容、电容、电阻、电阻、二极管。

以下为各元件的连接关系描述：

稳压二极管ZD3与电容C5并联，其阳极接地，阴极与后备电源的正极端、第一比较器U1的负输入端和第二比较器U2的正输入端连接；第一比较器U1的正输入端与电阻R12的一端连接，电阻R12的另一端与后备电源的正极端连接，第一比较器U1的正输入端还与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端接地；第一比较器U1的输出端与第二比较器U2的负输入端连接；第二比较器U2的输出端与直流升压稳压芯片的控制端、场效应管Q4的栅极连接。

第二比较器U2的输出端是电压比较模块的输出端，限流元件R11连接后备电源正极端的一端与分压元件R12连接后备电源正极端的一端共同组成了电压比较模块的输入端。

稳压二极管ZD3的阴极与后备电源的正极端之间还连接有电阻R11，电阻R11连接后备电源正极端的一端还连接有电容C4，电容C4的另一端接地，所述第一比较器U1的正输入端还连接电容C3，电容C3的另一端接地，所述第一比较器U1的输出端与后备电源的正极端之间，还连接电阻R7。

场效应管Q4的源极是控制模块的输入端，其栅极是控制模块的控制端，其漏极是控制模块的输出端，栅极与第二比较器U2的输出端之间还连接有电阻R5。

二极管D1的阴极还连接电容C2，电容C2的另一端接地，直流升压稳压芯片的输入端还连接电容C1，电容C1的另一端接地，直流升压稳压芯片的控制端端还连接电阻R6，电阻R6的另一端连接后备电源的正极端。

电化学电容器E1、E2的阳极分别与稳压二极管ZD1、ZD2的阴极连接，稳压二极管ZD1、ZD2的阳极分别与电阻R1、R2连接，电阻R1、R2的另一端分别连接电化学电容器E1、E2的阴极，储能模块的正极端与场效应管Q4的漏极之间还连接有电阻R3。电化学电容器E3、E4分别与电化学电容器E1、E2并联。

当存在主供电电源时，VM为电表的工作电压，大致在5伏。由于VM大于阀值电压，所以第一比较器输出高电平，电压为5伏。由于VR2.5小于第一比较器输出电压，所以第二比较器输出低电平，Q4的源极电压大于栅极电压，因而处于导通状态，VM因此给后备电源的电化学电容器充电。此时由于第二比较器输出低电平，所以直流升压稳压模块并不工作。

当停电等情况出现，失去主供电电源的瞬间，由于VM小于阀值电压，第一比较器输出低电平，VR2.5大于第一比较器输出电压，因而输出高电平到Q4的栅极，进而令Q4截止；同时第二比较器输出的高电平令直流升压稳压模块开始工作，将后备电源的输出电压提升到可供电表工作的程度。

后备电源工作后，由于直流升压稳压模块输出为4.3伏，经过R12分压后，不能使第一比较器输出高电平，因此第二比较器输出仍为高电平，令Q4截止和直流升压稳压模块工作，形成稳定的工作状态。

P型场效应管Q4也可以使用PNP型三极管代替。采用PNP型三极管作为控制模块时，其基极、发射极、集电极分别与P型场效应管的栅极、源极、漏极的连接方法对应。

Claims (13)

1.一种电表，包括后备电源，其特征在于，后备电源包括储能模块、直流升压稳压模块；储能模块的储能器件由电化学电容器构成；

储能模块的正极端与直流升压稳压模块的输入端相连接；

直流升压稳压模块的输出端通过整流元件（D1）与后备电源的正极端相连接。

2.如权利要求1所述的电表，其特征在于，还包括电压比较模块、控制模块；

电压比较模块的输入端与所述后备电源的正极端连接，其输出端与控制模块的控制端、所述直流升压稳压模块的控制端连接；

控制模块的输入端与后备电源的正极端连接，其输出端与所述储能模块的正极端连接；

电压比较模块，在后备电源的正极端电压大于阀值电压时，输出第一控制信号到控制模块，使后备电源的正极端与储能模块的正极端连接；

在后备电源的正极端电压小于阀值电压时，输出第二控制信号到所述直流升压稳压模块，使直流升压稳压模块输出端输出小于阀值电压的电压。

3.如权利要求2所述的电表，其特征在于，所述电压比较模块包括参考电压电路、第一比较器（U1）、第二比较器（U2）、限流元件（R11）、分压元件（R8）、分压元件（R12）；

参考电压电路的负极接地，其正极与限流元件（R11）的一端、第一比较器（U1）的负输入端和第二比较器（U2）的正输入端连接；限流元件（R11）的另一端与所述后备电源的正极端连接；第一比较器（U1）的正输入端与分压元件（R12）的一端连接，分压元件（R12）的另一端与后备电源的正极端连接，第一比较器（U1）的正输入端还与分压元件（R8）的一端连接，分压元件（R8）的另一端接地；第一比较器（U1）的输出端与第二比较器（U2）的负输入端连接；第二比较器（U2）的输出端与直流升压稳压模块的控制端、控制模块的控制端连接。

4.如权利要求3所述的电表，其特征在于，所述参考电压电路包括稳压二极管（ZD3）、电容（C5），二者并联，稳压二极管（ZD3）的阳极为参考电压电路的负极，稳压二极管（ZD3）的阴极为参考电压电路的正极。

5.如权利要求3所述的电表，其特征在于，所述限流元件（R11）连接后备电源正极端的一端还连接有去耦元件（C4），去耦元件（C4）的另一端接地，所述第一比较器（U1）的正输入端还连接去耦元件（C3），去耦元件（C3）的另一端接地，所述第一比较器（U1）的输出端与后备电源的正极端之间还连接限流元件（R7）。

6.如权利要求3所述的电表，其特征在于，所述第一比较器（U1）的正输入端与其输出端之间还连接有电阻（R18）。

7.如权利要求2所述的电表，其特征在于，所述控制模块包括P型场效应管或PNP型三极管，其栅极或基极是所述控制模块的控制端，其源极或发射极连接后备电源的正极端，其漏极或集电极连接储能模块的正极端。

8.如权利要求7所述的电表，其特征在于，所述控制模块的控制端与所述电压比较模块的输出端之间还连接有限流元件（R5）。

9.如权利要求2所述的电表，其特征在于，所述直流升压稳压模块包括直流升压稳压芯片、分压元件（R13）、分压元件（R15）；

直流升压稳压芯片的输入端与储能模块的正极端连接，其控制端是直流升压稳压模块的控制端，其输出端与所述整流元件（D1）连接，该端与输入端之间还连接有电感性元件（L1），整流元件（D1）的另一端与后备电源的正极端连接，该端还连接有分压元件（R13）的一端，分压元件（R13）的另一端连接直流升压稳压芯片的反馈端，此端还连接分压元件（R15），分压元件（R15）的另一端接地，分压元件（R13）与分压元件（R15）结合，使分压元件（R13）连接整流元件（D1）一端的电压在阀值电压以下。

10.如权利要求9所述的电表，其特征在于，所述整流元件（D1）为二极管，其阳极为连接所述直流升压稳压芯片输出端的一端，其阴极为连接所述后备电源正极端的一端。

11.如权利要求10所述的电表，其特征在于，所述二极管（D1）的阴极还连接去耦元件（C2），去耦元件（C2）的另一端接地，所述直流升压稳压芯片的输入端还连接去耦元件（C1），去耦元件（C1）的另一端接地，所述直流升压稳压芯片的使能端还连接限流元件（R6），限流元件（R6）的另一端连接所述后备电源的正极端。

12.如权利要求1所述的电表，其特征在于，所述电化学电容器与稳压二极管（ZD1）并联，稳压二极管（ZD1）的阴极连接电化学电容器的阳极，稳压二极管（ZD1）的阳极连接电化学电容器的阴极。

13.如权利要求2所述的电表，其特征在于，所述电化学电容器的阳极与稳压二极管（ZD1）的阴极连接，稳压二极管（ZD1）的阳极与限流元件（R1）连接，限流元件（R1）的另一端连接电化学电容器的阴极，所述储能模块的正极端与控制模块的输出端之间还连接有限流元件（R3）。