CN1065676C - 根据所接负载是否需要电源而切断变压器的方法和电路 - Google Patents

Abstract

一种变压器，特别是一种小型变压器，提供2伏到12V的低电源电压，它有一个辅助绕组(6)，与变压器的铁心(9)感应耦合。电源和监视电路提供一基准信号，监视电路(32)，包括一个差动形成电路(16)，用以接收来自辅助绕组(6)的信号和基准信号，差动-形成电路提供一个输出信号，即通过变压器是否提供电力估算磁感强度差(ΔB)，按照铁芯磁化状态而提供输出。电路遮断元件(10)，被串连在电源(1，2)和变压器之间，且与差动电路(16)相连，并受其输出信号的控制。

Description

根据所接负载是否需要电源而切断变压器的方法和电路

本发明涉及切断变压器的电路及用该电路的执行方法，更具体地说是涉及，当所接负载，例如灯泡等的可再充电电池，或其它低电压设备，不需要电源的时候，适于连接到电网上的一种小型变压器。这种变压器是微小型的，它可以把电网电压，例如，标称110V，60Hz或230V，50Hz的电压，降到1至50V之间，通常降到2V左右和12V之间。

很多微小型变压器用于把电网电压降低到2，6，9或12V，以便把低电压提供给低压设备，如通讯设备，卤灯，灯泡或其它设备的可再充电电池等等。这种变压器通常是永久性地被连接的，例如，通过插头连接器而插入电网的插座或电源插座中；它们保持许多小时与电网的连接，通常是全年永久性连接，虽然负载需要电源只是在很短的时间内，例如每天几分钟。这种变压器流有电流，即，即使所连接的负载不需要任何电能的时候，它们也消耗功率。一个中等小型变压器的无负载电流可能是在30到60MA之间，当永久性连接一年，则将耗电为55KMh／每年。这是一个能量的浪费。变压器，即使在没有任何负载电流二次流出的时候，也会变热，而如果把它们放置在空调环境中，需要从空调系统排出热量，这是一个附加的浪费。

同样，当永久性地连接到一个a-c电网的时候，传统的电池充电设备，即使所连接的电池不需要再充电的时候，它也要吸收电流。如果电池是和一个闪光灯或其它设备或座架整装在一起，通常是把闪光灯或设备永久性地保留在充电设备中，除当使用的时候。当负载不需要能量的时候，例如对一个闪光灯的电池进行再充电，能量损失在短期内是很少的；长时间的话，例如超过一年，相当大的能量就会被浪费了。

本发明的目的是提供一个电路，它可以被容易地整装在小型变压器的外壳中，并且当不需要电源的时候，它会自动断开变压器，它很简单，并且，如果没有电流从变压器副边流出，变压器原边就从电网断开，而如果负载，例如电池，需要电流时，它就会提供自动再连接。

简言之，变压器具有一个辅助绕组，和原边相比，它只有几匝，例如是原边匝数的五分之一或二十分之一，它通过变压器铁心与原边绕组电感耦合。电网产生一个基准信号，并与一个监视电路连接，监视电路包括一差动形成电路。差动形成电路接收一个来自辅助绕组的信号，和基准信号，根据变压器副边有无功率输出判断磁化中的差，根据铁心的磁化状态，提供一个输出信号。然后差动电路控制一个电路遮断元件，例如是串联在电源和变压器之间的一个晶体管；电路遮断器被连接到差动形成电路，并受来自差动形成电路输出信号的控制。

根据本发明的特征是，其方法包括，根据对副边电流的需求，检测变压器铁心的磁化饱和程度。辅助绕组根据是否有副边电流流出，检测铁心磁化饱和度的差异，并提供信号到差动电路中，在此与基准进行比较。

因此，本发明主要是根据对变压器的铁心的磁化饱和度变化的估计，确定一个负载，或一个用户电路是否需要电流。除了通常的原边和副边外，加到变压器上的辅助绕组将具有一个感应信号，它被用来控制电路遮断元件，特别是晶体管。

附图解释了本发明的实施例，它可用来作为方法说明的参考。

图1表示一个与图示负载相连接的小功率变压器的电路图；

图2表示磁滞曲线，上面记有工作点；

图3是局部示意电路图，其表示与电池充电系统相连的电路的使用；和

图4是一个局部图，用于说明本发明中所用电路元件的另一个实施例。

图1示出两条电源连接线1，2，它们由普通的交流电网供电，例如，110V、60Hz，或230V，50Hz。两条线中的一条，例如1，被连接到交流切断电路3，从该切断电路3引出一条线4到变压器7的原边绕组5。变压器7的副边8通过输出线12，13，连到负载11。原边绕组5的第二端被连到电网的第二端2上。

根据本发明的特征，在变压器中提供一个辅助绕组6。原边绕组的匝数至少是5倍，并最好是20倍地高于该辅助绕组6的匝数。辅助绕组6可以同轴地设置在原边绕组的外面或里面。变压器具有普通的铁心9，感应耦合的原边和副边绕组5．8，以及感应耦合的辅助绕组6。

遮断电路3，串联于输入线1和线4之间，线4又与变压器相连，电路3通过线44还与监视电路32相连。监视电路32跨过线24，26与辅助绕组6相连。监视电路32有一个第一差分放大器16，它通过一个连在线44中的校准电阻28接收一个基准电压，以及由辅助绕组6获得的控制信号Uz。差动形成电路16，例如差分放大器16，接收线18上的基准电压，它通过校准电阻28被适当校准，如图所示，其是一个可变电阻。也可采取其它方式提供基准电压。

该电路还包括一个询问电路30，由它确定是否要通过变压器7的副边8提供电流。询问电路具有一个，例如，由可控电阻34和电容35形成的计时电路，以及一个第二差分形成电路，例如是一个第二差动放大器38。计时电路34通过遮断电路3使变压器一次一次地周期性地或非周期性地在短时间间隔内例如几毫秒与电源连接。询问间隔可以在1秒，几秒和几小时之间变化，这取决于负载11的特性，取决于用户寄希望操作一个负载，例如是一个指令机器，以后，负载11连接过程中延迟的容限。询问间隔可以通过适当地设置电阻34，按需要地去设定或控制。

遮断器电路3具有两个接口元件3a，3b例如，它们各包括一个二极管；一个连在接口电路3a，3b之间的三极管10。第二差动放大器38通过线44，以及线45连到接口电路3a，3b上，在三极管10下游的前面。

监视电路32包括一接口元件32a，例如它包括一二极管，和一触发器22，触发器22与差动放大器16的输出线20相连，并通过线46与第二差动放大器38的输出的J₁结点相连。触发器22提供一个输出控制信号，经线47提供给三极管10。

图4中，是把敏感于物理参数的传感元件34a连到接点J₁处，而不采用由电阻34和电容35组成的计时电路。传感元件34a可以是一个温度传感器，例如在低环境温度下，把它连到电池充电器形成的负载上，它还可能是一个压力敏感元件等等。图4中方块34a仅仅是其示意图。

假设遮断电路中的三极管10被控制导通，变压器7将得到来自a-c电网的常规电压，该电压通过线1，4进入，并通过线2返回。图2示出公知的B-H磁化曲线。当副边侧8得到电流的时候，铁心9将提供一个反向感应，并在铁心中产生一个磁通，就其反向感应来说是减少的。当得到电流的时候，磁滞曲线上的工作点是a₂(图2)。当未得到电流时，或从变压器副边得到的电流很小的时候，例如是一个充电电池的细电流，铁心9将被磁化，使工作点将位于磁滞曲线上的a₁，即与磁场强度H对应的磁感强度B，如图2的横座标上所示，其也会变高。在工作点a₁处工作，就会导致在辅助绕组6中产生相对高的输出信号U₂。这个相对高的电压或信号通过线24，26加到接口32a上，并加到差动放大器16的一端。

从连到第一差动放大器16上的线18所得到的参考电压，在系统被第一次连接以前，必须校准。为了校准，电流要从变压器副边得到的，负载11被接上。来自辅助绕组的电压被加到差动放大器16上。加到线18的另一端的电压通过电阻28校正，从而使连接到差动放大器16上的线18和32b上的电压相等。

当电流从变压器7的副边侧8流出的时候，铁心9中的反向感应将下降，因为磁通下降了。因此，磁滞曲线12上的工作点将处于a₂。通过校准，由辅助绕组6所获得的信号，现在与线18上的信号相同。因此，差动放大器16将不再提供任何输出，也没有控制信号加在三极管10上。三极管10处于导通状态。

然后，如果负载11与变压器7的线12，13断开，或者，当负载11被负载14替换时，如图3所示。负载14包括一个整流器R和一个可充电电池42，电池42被充足了电，这时在铁芯中只有很小的反向感应。对应于磁滞回线12上的工作点a₁，辅助绕组6将具有一个较高的输出信号U_z。第一差动放大器16识别在线18和线32b输入信号之间的差，由此控制触发器22，依次控制晶体管10变到截止，或关断状态，从而使变压器7的原边绕组5与电源1，2断开。实际上，没有电压横跨于变压器7的线2，4两端。

由于反相感应，铁心9的磁化程度的变化会改变辅助绕组6上的电压。磁化的变化在图2中用ΔB表示；它取决于变压器，副边侧的负载，并且被用于连接和断开变压器的原边。数学上满足下面的关系：

U_z=4．44．B．n．A．f，

其中

U_z=跨于辅助绕组上的电压，伏，

B=铁心磁化强度，泰斯拉，

n=辅助绕组6的匝数，

A=通过线圈的铁心的横截面，cm²，

f=频率，Hz，

4．44=常数。

当变压器7已经有效地与电网1，2断开时，负载需要电流，必须提供某些装置，以便自动使变压器7返回到工作状态而无需人工操作。变压器这种返回连接状态是通过询问电路30控制的。

询问电路30确定变压器的副边侧8是否需要电流。询问电路在所确定的非常短的周期内使晶体管10变成导通，例如：是通过触发器22的置位复位时间，例如周期性重复／或非周期性间隔的几毫秒的置位复位时间，其中计时间隔是由计时电路34，35控制的，或交替地，按照物理过程，由传感器34a(图4)确定。如果时间是控制参数，计时间隔就可以在一秒和几小时之间的时间间隔内被固定或可控。

两条连线44，45在晶体管10的下游和前面被连到遮断电路3上。

询问电路30的工作是：当询问时间间隔消逝以后，计时电路34开始启动的时候，或者，如果一物理转换控制传感器34a时，所得控制信号便通过线46加到触发器22上，或加到与触发器22并联的另一个控制电路上。结果，晶体管10通过线47而被控制变成导通。在导通情况下，上述情况将经常发生，即，如果负载需要电力，反相感应将使磁滞回线15(图2)上的工作点降到a₂，没有控制信号被差动放大器16提供到线20上，因而也就没有信号提供到晶体管10上，则晶体管10在继续要求变压器7提供电流的情况下，保持导通。

但是，如果在再连接情况下，没有电流从负载11，14或电池42(图3)流出时，第一差动放大器16的端子将具有不相等的电压，结果在线47上产生对晶体管10的控制信号，使晶体管10截止，或不导通。变压器7是由电网1，2供电的，当然，基准信号是单独建立的，从而区分不同的差动放大器16。

询问电路30，仅当晶体管10是不导通的时候，或截止的时候，才可以动作，因为仅当这时，才有一个电压差通过线44，45被加到第二差动放大器38上，并因此，有电压跨在计时电路34，35上，或跨在物理值传感器34a(图4)上。

遮断电路3，监视电路32，和询问电路30被连到变压器7的原边。这样，通过变压器保证了完全的电隔离，而无需任何附加的电路或电网。因此，保持了低压二次电路的一般要求的安全条件，即与电网实行电隔离，与变压器有关的附加成本和电路的需求是很少的，需用空间也是很小的。全部电路可以制成一集成电路。

当然，可以将辅助绕助6提供给副边；但是，这就需要附加的绝缘来保证与变压器副边相连的低压电路与电网完全隔开。

由电阻34和电容器35形成的计时电路可以用任何其它控制元件34a代替，例如温度传感器，压力传感器，或其它物理值或参数的传感，如，判断一个物件或器件，或流体等等存在与否的传感器。

图3表示本发明对于电池充电设备的一个应用，它是一个电路，包括通过连到整流器R的线40，41而连到可再充电电池42上的一个整流器R。连到12，13端的电路与图1中所示电路相同。

在本发明构思范围内可进行各种变化和改型。

接口元件3a，3b，32a只用方框图形式原理性地表示，因为它们可以是任何适当的结构；通常，它们包括一个整流器，还可能包括电压分压器电路等等。齐纳二极管也可以被使用。它们可以用公知的工程技术知识去建立。公知的辅助电路元件，如晶体管基极电阻等为了清楚起见已被去删去。

Claims (8)

1．一种当连到变压器(7)的副边(8)的负载11，14不需要变压器的电力时候，自动把变压器(7)的原边从a-c供电网(1，2)上断开的电路，

其中所述变压器有一个铁磁芯(9)，

所述电路包括：

一与铁心变压器感应耦合的辅助绕组(6)；

装置(3a，28)，提供一基准电压；

一监视电路(32)，它包括一个差动电路(16)，所述差动电路被耦合用以接收：

(a)一个来自辅助绕组(6)的信号，和

(b)所述基准信号，

所述差动电路(16)，根据是否有电力由变压器(7)提供给负载，通过所述辅助绕组对磁感强度差(ΔB)进行估算，根据所述铁心的磁化状态提供一个输出信号，并且

一个电路遮断装置(10)串连在所述电源(1，2)和变压器(7)之间，所述电路遮断装置被连接到差动电路(16)并受到来自差动电路(16)的所述输出信号控制。

2．如权利要求1的电路，其中辅助绕组(6)紧密地与变压器(7)的原边绕组(5)感应耦合，可以选择地绕在原边绕组的外面或里面，并且其中原边绕组(5)的匝数至少是辅助绕组(6)的匝数的5倍，最好是为辅助绕组的20倍。

3．如权利要求1的电路，其还包括一个与上述电路遮断装置(10)连接的询问电路，使上述遮断装置根据在电源(1，2)和变压器7之间的电路遮断装置已经遮断以后经过的时间，而导通，其中上述遮断电路包含一个计时电路(34，35)，以确定一个时间间隔，在这个时间间隔以后，电路遮断装置被控制去连通上述电源(1，2)和变压器(7)。

4．如权利要求3的电路，其中触发器电路(22)被连在差动电路(16)和上述电路遮断装置之间，电路遮断器包括一个晶体管(10)，并提供所述输出信号；其中所述遮断电路的输出被连接去改变上述触发电路的状态。

5．如权利要求1的电路，其中整流器(R)与可充电电池(42)相连接在一起，上述整流器一电池组形成上述的负载。

6．一种当连接在变压器副边(8)上的负载(11，14)不需要从变压器获取电力的时候，自动把变压器的原边绕组(5)从a-c电网(1，2)断开的方法，上述变压器有一个铁芯(9)，一个电路遮断装置(10)被串连在电源(1，2)和变压器(7)之间，

上述方法包括下列步骤：

根据变压器副边(8)的电流的要求，通过获取来自与变压器铁芯(9)感应耦合的辅助绕组(6)的感应信号，确定变压器铁心(9)的磁化(ΔB)饱和差；并且

根据由传感信号获得的上述磁感强度差(ΔB)，控制电路遮断装置(10)。

7．如权利要求6的方法，其中上述磁饱和确定步骤包括：感应在变压器原边绕组(5)和辅助绕组(6)之间的铁心的磁饱和差，并且其中所述电流遮断装置(10)包括一个晶体管，并且上述控制步骤包括，可选择地如果负载需要电力，就控制上述晶体管导通，如果负载不需要功率，则不导通。

8．如权利要求6的方法，进一步包括下列步骤周期性或非周期性地根据物理参数的时间或值，有选择地控制上述电流遮断装置(10)，如果是非导通状态，就使其短暂导通，大约几毫秒中进行一次选择，检验负载，在这样短的控制导通的时间内，则需要电力。

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