CN107210599B - 前端保护功率控制器 - Google Patents

Abstract

功率控制器监视和控制至负载的AC功率的供应。功率供应器从输入AC功率获得DC功率供应电压。功率供应器包括功率耗散电路，其根据供应电压之一而耗散过多功率。电压感测电路提供作为输入AC功率的电压的函数的电压感测信号。数字处理器基于电压感测信号控制将负载连接到AC功率的开关。

Description

前端保护功率控制器

背景技术

电气系统和机械装置可以使用交流(AC)功率或直流(DC)功率进行操作。功率控制器可以用于将电气负载连接到AC或DC输入功率并且将电气负载从AC或DC输入功率断开连接。功率控制器经常使用连接在输入功率源和负载之间的开关，诸如继电器或固态开关。处理器控制开关的操作，以在负载要被操作时将负载连接到输入功率，以及在某些条件下断开负载。例如，当输入功率处于可能损坏负载的水平时，功率控制器可以断开负载。

发明内容

功率控制器监测和控制至负载的AC功率的供应，该功率控制器包括：功率供应器，用于从输入AC功率获得第一供应电压和第二供应电压；开关，用于将负载连接到输入AC功率；电压感测电路，提供作为输入AC功率的电压的函数的电压感测信号；以及数字处理器，基于电压感测信号来控制开关。功率供应器包括电压限制器、整流桥、第一和第二电压调节器、以及功率耗散电路。第一电压调节器基于已经被电压限制和整流的功率来产生第一供应电压。第二电压调节器从第一供应电压获得第二供应电压。功率耗散电路根据第一供应电压耗散功率。

附图说明

图1是前端保护功率控制器的电气原理图，前端保护功率控制器具有功率耗散电路以保护供应用于操作功率控制器的电压的功率供应器。

具体实施方式

图1是前端保护功率控制器10的电气原理图，前端保护功率控制器10控制到负载12输入的AC功率的供应。功率控制器10包括输入端子14和16，其接收输入AC功率，诸如来自功率公用事业分配系统的电功率。功率控制器10还包括连接到负载12的输出端子18和20。功率控制器10监测在端子14和16处接收到的AC功率，并且确定何时可以将输出端子18和20处的AC功率安全地供应至负载12。

供应至负载12的功率是在端子14和16处接收的AC线路电压。供应至负载12的AC功率的调节通过连接在端子14和16之间的金属氧化物变阻器(MOV)22以及连接在输出端子18和20之间的MOV 24提供。MOV 22和MOV 24去除AC功率中存在的尖峰，但不改变波形或逐步降低或逐步提高供应至负载12的AC电压。

功率控制器10包括电压感测电路26、功率供应电路28(其包括电压限制器电路30、整流桥32、稳压二极管34、电压调节器36和功率耗散电路38)、数字处理器40、EEPROM 42、通信接口44、指示器电路装置46、电阻性负载电路48、继电器50和继电器驱动电路52。电压感测电路26产生电压感测信号(Vsense)，其是输入端14处AC电压的函数。电压感测电路26包括二极管54，电阻器56、58、60和62，以及稳压二极管64。二极管54半波整流端子14处的AC电压。经整流的电压被电阻器56、58、60和62形成的电阻器链分压。Vsense是电阻器60和62的接合点与接地端之间的电压。稳压二极管64限制Vsense，使得由处理器42接收的电压处于能够被处理器40所感测并且转换成数字值的范围内。

功率供应电路28获得供应电压V1和V2，以及由处理器40、EEPROM 42、指示器电路装置46、电阻性负载电路48和继电器驱动器52使用的电气接地端。电压V1被继电器驱动电路50使用。供应电压V2被功率耗散电路38以及处理器40、EEPROM 42、通信接口44、指示器电路装置46和电阻性负载电路48的电子电路装置使用。

电压限制器电路30是电容性限制器，其包括电容器66和电阻器68、70和72。电压限制器电路30连接在输入端子14和整流桥32之间。电容器66的电抗限制施加到整流桥32的电压。

整流桥32是由二极管74、76、78和80形成的全波整流桥。二极管74的阳极和二极管76的阴极在电阻器72处连接到电压限制器30的输出端。二极管76的阳极和二极管80的阳极共同连接到电气接地。二极管80的阴极和二极管78的阳极连接到输入端子16。二极管74的阴极连接到供应电压端子81A。

稳压二极管34的阳极连接到接地端，稳压二极管34的阴极连接到第一供应端子81A。稳压二极管34的击穿特性确定供应电压V1的最大电压电平。在一个实施例中，V1具有约27伏特的最大电压。

电压调节器36在供应电压端子81B处产生第二供应电压V2。电压调节器36连接在二极管34的阳极和阴极壳体之间，并且包括集成电路线性电压调节器82，电阻器84以及电容器86、88、90、92和94。电阻器84和线性电压调节器82提供在端子81A和81B之间的电压降，其与电压V1和V2之间的差值相等。

功率耗散电路38连接到第一供应电压端子81A，并且由第二功率电压V2供电。功率耗散电路38包括运算放大器(op amp)96，电阻器98、100、102、104、106、108和110，以及电容器112。运算放大器96的非反相(+)输入端接收来自由电阻器104和106形成的分压器的参考电压。运算放大器96的反相输入端接收作为电压V1的函数的信号。电阻器98和100在端子81A和接地端之间形成分压器。来自电阻器98和100的电压被供应至电阻器102，至运算放大器96的反相输入端。反馈电阻器108将运算放大器96的输出端连接到反相输入端。功率耗散电阻110连接在运算放大器96的输出端和供应电压V2之间。

处理器40是可编程数字处理器。在一个实施例中，处理器40是微芯片PIC微控制器。在其他实施例中，处理器40可以是微处理器、可编程逻辑控制器、可编程门阵列、数字信号控制器、专用集成电路(ASIC)或其它可编程数字器件。处理器40接收Vsense信号作为输入，并且确定在输入端子14和16处出现的AC功率的电压是否处于针对供应至负载12是安全的范围内。如果Vsense指示电压处于安全范围内，处理器40提供输出至继电器驱动电路52以为继电器50通电，使得AC可以通过通过输出端子18和20向负载12供应AC功率。

与处理器40相关联的是EEPROM 42。EEPROM 42可以存储由处理器40使用过的数字编程。此外，它可以被用于存储操作数据。例如，每当出现过电压事件时，EEPROM 42可被用于记录。它可以记录过电压事件的持续时间，记录最高电压，已经向负载12接通了多少个周期的功率，等等。

通信接口44提供处理器40和其它数字设备之间的通信。例如，通信接口44可以被计算机或其他编程设备使用以向处理器40提供编程指令。端口44也可以被使用，例如，用于获得已经存储在EEPROM 42中的操作数据。

指示器电路46包括用于指示功率控制器10的操作条件的发光二极管(LED)。在图1所示的实施例中，指示器电路46包括红色发光二极管114R、琥珀色发光二极管114A和绿色发光二极管114G，连同电阻器116、118和120。处理器40可以控制发光二极管114R、114A和114G来指示处理器40(或功率控制器10)的操作状态。

电阻性负载电路48包括两个负载电阻器122和124，其可以被处理器40使用以提供额外的功率耗散。当处理器40确定Vsense接近其最大值，这指示输入端子14和16处的AC电压正在增加，处理器40可以驱动电流通过电阻器122和124，以耗散由功率供应电路28遇到的额外功率。

继电器50包括继电器线圈126和继电器触点128。来自端子14的线路输入功率当它们闭合时通过触点128连接到输出端子18。该输出电压作为线路输出电压Lout出现。

在图1中，继电器50的触点128被示为常开触点。当线圈126被通电时，它们将闭合，当线圈126被断电时，它们将打开。

继电器驱动电路52控制是否通过线圈126供应电流。继电器驱动电路52包括达灵顿晶体管130、二极管132、电阻器134、136和138，以及电容器140。电路52使用供应电压V1以便提供线圈126关闭触点128所需的电流水平。

功率控制器10包括可变功率耗散特征，其允许其在较大范围的AC输入电压下操作而不损坏功率供应电路28。可变功率耗散通过功率耗散电路38结合第二功率供应电路36而提供。此外，处理器40还可以通过电阻性负载电路48提供进一步的功率耗散。由处理器40和电阻性负载电路48消耗的功率减少了否则将会由稳压二极管34耗散的功率，因为处理器40基于从供给端子81B获得的第二供应电压V2进行操作。

功率供应电路28中功率耗散的需求是为了保护稳压二极管34，其连接到全波整流桥32。随着输入端子14和16处的AC电压的增加，供应端子81A和接地端之间的电压将增加，直到稳压二极管34达到其击穿电压。如果通过整流器32供应的电压继续增加，则稳压二极管34将限制端子81A处的电压，并且将传导越来越多的电流。在某一时刻，流经稳压二极管34的电流可以增加到稳压二极管34被损坏或损毁的点。

通过监测供应端子81A处的电压V1，功率耗散电路38有助于减少流经稳压二极管34的电流量。形成分压器的电阻器98和100与在端子81A和接地端之间的稳压二极管34并联连接。来自分压器的电压被供应至运算放大器96的反相输入端。在正常情况下，运算放大器96的反相输入端处的电压将小于通过由电阻器104和106形成的分压器在非反相输入端处建立的参考电压，使得运算放大器96饱和。结果，运算放大器96的输出将为高(等于V2)，并且电流将不会流经电阻器110。随着线路电压的增加，以及稳压二极管34两端的电压增加到接近其稳压击穿电压，运算放大器96的输出端电压从V2降低，电流开始流经电阻器110。由于运算放大器96的反相输入端处的电压随着端子81A的上升电压而上升，运算放大器96的输出电压向着接地端降低，并且从电压V2(供应端子81B)流经电阻器110的电流量增加。电压调节器电路36汲取更多的电流以将供应电压V2维持在其调节值。通过电阻84和线性电压调节器82从端子81A汲取额外的电流。因此，通过电流流经电阻器110产生的电路38的功率耗散也导致在线性电压调节器82和电压调节器36的电阻器84内的额外功率耗散。这导致电流被远离稳压二极管34的阴极而被汲取，并且减少了在稳压二极管34中耗散的功率量。因此，由电路38、36和48提供的功率耗散共同协作定义了功率供应电路28(特别是稳压二极管34)可以承受的线路电压的电平。

功率控制器10通过使用取决于功率耗散的电压而提供较宽范围的有用输入电压。这是通过提供随着线路电压的增加而保持针对远离稳压二极管34的功率耗散的增加需求而得以实现。

虽然已经参考示例性的实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解的是，可以做出各种改变，并且可以对其元件进行等价替换，而不偏离本发明的范围。另外，可以做出许多修改来使特定情形或材料适合于本发明的教导，而不偏离其实质范围。因此，目的在于本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包含落入随附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种功率控制器，监测和控制至负载的AC功率的供应，所述功率控制器包括：

功率供应电路，从输入AC功率获得第一供应电压，并且从所述第一供应电压获得第二供应电压，所述功率供应电路包括功率耗散电路；

电压感测电路，提供作为所述输入AC功率的电压的函数的电压感测信号；

由所述第一供应电压供电的开关，用于将负载连接到所述输入AC功率；以及

由所述第二供应电压供电的数字处理器，用于基于所述电压感测信号来控制所述开关，

其中所述功率供应电路包括：

电压限制器电路，被连接以接收所述输入AC功率；

整流电路，连接到所述电压限制器电路；

第一电压调节器，连接到所述整流电路以产生所述第一供应电压；以及

第二电压调节器，连接到所述第一电压调节器以产生所述第二供应电压；

其中所述功率耗散电路由所述第二供应电压供电；并且

其中功率耗散电路包括放大器，所述放大器根据从所述第一供应电压获得的电压与参考电压之间的差值，通过功率耗散电阻器来控制电流流动。

2.根据权利要求1所述的功率控制器，其中所述第一电压调节器是稳压二极管。

3.根据权利要求2所述的功率控制器，其中所述第一供应电压在第一供应端子处提供，并且其中所述第二电压调节器包括电阻器和线性电压调节器，所述线性电压调节器连接在所述稳压二极管的阴极与第二供应端子之间，在所述第二供应端子处提供所述第二供应电压。

4.根据权利要求3所述的功率控制器，其中所述稳压二极管的阴极连接到所述第一供应端子。

5.根据权利要求4所述的功率控制器，其中所述放大器具有第一输入端、第二输入端以及输出端，所述功率耗散电阻器连接在所述第二供应端子和所述放大器的所述输出端之间。

6.根据权利要求5所述的功率控制器，其中所述第一输入端连接到第一分压器电路，所述第一分压器电路连接在所述第一供应端子和接地端之间，并且所述第二输入端连接到第二分压器电路，所述第二分压器电路连接在所述第二供应端子和接地端之间。

7.根据权利要求1所述的功率控制器，其中所述电压感测电路包括与分压器串联的二极管。

8.根据权利要求1所述的功率控制器，其中所述开关包括继电器，所述继电器具有继电器触点和继电器线圈。

9.根据权利要求8所述的功率控制器，其中所述数字处理器通过继电器线圈驱动电路来控制所述开关，所述继电器线圈驱动电路连接到所述继电器线圈并且由所述第一供应电压供电。

10.根据权利要求9所述的功率控制器，其中所述继电器触点连接在接收所述输入AC功率的端子和连接到所述负载的输出端之间。

11.根据权利要求1所述的功率控制器，其中所述数字处理器根据所述电压感测信号，通过电阻性负载电路来控制来自所述功率供应电路的电流流动。

12.一种控制至负载的输入AC功率的供应的方法，所述方法包括：

感测所述输入AC功率的电压；

根据所感测的电压，控制所述负载至所述输入AC功率的连接；

利用整流电路从所述输入AC功率获得第一DC供应电压；

利用电压调节器来限制所述第一DC供应电压；以及

利用功率耗散电路来耗散功率，以保护所述电压调节器以免暴露于过多的功率，其中耗散功率包括：

使电流流过功率耗散电阻器；以及

根据从所述第一DC供应电压获得的电压与参考电压之间的差值，通过所述功率耗散电阻器来控制电流。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述电压调节器是稳压二极管。

14.根据权利要求1所述的功率控制器，其中所述第一电压调节器包括稳压二极管，并且所述第二电压调节器包括线性电压调节器。

15.根据权利要求14所述的功率控制器，其中所述第一供应电压在第一供应端子处提供，并且所述线性电压调节器连接在所述稳压二极管的阴极与第二供应端子之间，在所述第二供应端子处提供所述第二供应电压。

16.根据权利要求15所述的功率控制器，其中所述稳压二极管的阴极连接到所述第一供应端子，其中所述放大器具有第一输入端、第二输入端以及输出端，并且所述功率耗散电阻器连接在所述第二供应端子和所述放大器的所述输出端之间，以及其中所述第一输入端连接到第一分压器电路，所述第一分压器电路连接在所述第一供应端子和接地端之间，并且所述第二输入端连接到第二分压器电路，所述第二分压器电路连接在所述第二供应端子和接地端之间。