CN109217442B - 一种基于单火线取电模块的供电装置及方法 - Google Patents

一种基于单火线取电模块的供电装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单火线取电模块的供电装置及方法，属于电子通信技术领域，包括电源、分档可控恒流充电电路、储能元件、电子开关、控制器以及单火线取电模块；电源与后端用电器串联，单火线取电模块串接在电源回路上，单火线取电模块的输出端与分档可控恒流充电电路输入端连接，分档可控恒流充电电路的输出端与储能元件连接、输入端与控制器连接；控制器和储能元件均通过电子开关与通信模块连接。本发明通过将单火线取电模块串联在电源回路上进行取电，采用分档可控恒流电路限制通信设备端电流大小，并采用储能元件为通信模块供电，可提供瞬间较大电路。

Description

一种基于单火线取电模块的供电装置及方法
技术领域
本发明涉及电子通信技术领域，特别涉及一种基于单火线取电模块的供电装置及方法。
背景技术
在供热领域中，一般采用集中供暖方式，为了及时掌握供暖效果，需要在居民家中安装温度采集器。温度采集器一般包括电池供电式GPRS无线室温采集器和市电供电式GPRS无线室温采集器，采用电池供电方式存在的缺陷在于：需使用大量电池且受电池使用寿命的限制。采用市电供电方式的缺陷在于：需要占用市民家中插座，使用不方便。
目前，也有采用单火线取电技术为用电器供电的情况，但是其在后端用电器处于关闭情况下，在为用电器提供较大电流时会引起用电器的误动作。因此，不能直接驱动需要瞬间较大电流的电路，类似NBIOT模块或GPRS模块等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单火线取电模块的供电装置及方法，以利用单火线取电模块直接驱动需要瞬间较大电流的电路。
为实现以上目的，本发明采用一种基于单火线取电模块的供电装置，包括：通信模块和通信设备，通信模块与通信设备连接，还包括电源、分档可控恒流充电电路、储能元件、电子开关、控制器以及单火线取电模块；
电源与后端用电器串联，单火线取电模块串接在电源回路上，单火线取电模块的输出端与分档可控恒流充电电路输入端连接，分档可控恒流充电电路的输出端与储能元件连接、输入端与控制器连接；
控制器和储能元件均通过电子开关与通信模块连接。
进一步地，所述分档可控恒流充电电路包括至少两个恒流源电路模块，各恒流源电路模块之间为并联。
进一步地，所述恒流源电路模块包括第一分立晶体管、第二分立晶体管、第三分立晶体管、二极管和第一电阻、第二电阻、第三电阻；
第二分立晶体管的发射极与第三电阻的一端连接后接入所述单火线取电模块的输出端，第三电阻的另一端分别与第二分立晶体管的基极连接、与第三分立晶体管的发射极连接；
第二分立晶体管的集电极与第三分立晶体管的基极连接后接入第二电阻一端，第二电阻的另一端与第一分立晶体管的集电极连接，第一分立晶体管的发射极接地、基极与第一电阻串联后接入所述控制器；
第二分立晶体管的集电极与二极管正极连接，二极管负极与所述储能元件串联后接地。
进一步地，还包括与所述储能元件连接的电压检测电路，电压检测电路的输出端与所述控制器连接。
进一步地，所述电压检测电路为电阻分压电路。
进一步地，所述控制器为单片机。
进一步地，所述储能元件为超级电容。
另一方面，提供一种基于单火线取电模块的供电装置的使用方法，包括：
单火线取电模块将从电源回路上提取的电流传输至分档可控恒流充电电路；
控制器根据用电器的工作状态，控制分档可控恒流充电电路将不同大小的电流输出至储能元件；
控制器检测储能元件的充电情况，并根据充电情况控制电子开关通/断，以控制储能元件为通信模块供电。
进一步地，所述控制器根据用电器的工作状态，控制分档可控恒流充电电路将不同大小的电流输出至储能元件，包括：
在所述用电器处于关闭状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第一档电流至储能元件；
在所述用电器处于打开状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第二档电流至储能元件；
在所述用电器处于工作状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第三档电流至储能元件。
进一步地，还包括：
所述控制器通过所述电压检测电路检测所述储能元件的充电情况，并在所述储能元件为充满状态时，控制所述分档可控恒流充电电路关闭。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明将单火线取电模块串联在电源回路上，通过单火线取电模块提取通信设备(比如室温采集器)需要的电流，单火线取电模块消耗的电流也会流过用电器(比如灯具)。可将单火线取电模块看做一个可变电阻，如果提取电流小，则相当于灯具回路串联较大电阻，灯具因电流较小，几乎不发光。如果提取电流较大时，相当于灯具回路上串联电阻较小，灯具会因为电流较大而发光。因此，本实施例通过控制器控制分档可控恒流源提取电流的大小，使提取的电流在一个较小范围内，就不会引起灯具发光。即可实现采用单火线取电技术为NBIOT模块或GPRS模块等提供较大的工作电流，同时又可解决单火线取电模块提供较大工作电流后端灯具闪烁的问题。
附图说明
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
图1是一种基于单火线取电模块的供电装置的结构示意图；
图2是分档可控恒流充电电路的结构示意图；
图3是电压检测电路的结构示意图；
图4是电子开关、储能元件以及通信模块的连接电路示意图；
图5是一种基于单火线取电模块的供电装置的使用方法流程示意图。
具体实施方式
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
如图1所示，本实施例公开了一种基于单火线取电模块的供电装置，包括：通信模块和通信设备，通信模块与通信设备连接，还包括电源、分档可控恒流充电电路、储能元件、电子开关、控制器以及单火线取电模块；
电源与后端用电器串联，单火线取电模块串接在电源回路上，单火线取电模块的输出端与分档可控恒流充电电路输入端连接，分档可控恒流充电电路的输出端与储能元件连接、输入端与控制器连接；
控制器和储能元件均通过电子开关与通信模块连接。
需要说明的是，本实施例中的单火线取电模块为市场购买，可使用讯迪科技的PI-05V-B4模块。控制器可采用STM8L052单片机，STM8L052单片机的串口和控制信号直接连接到NBIOT通信模块过GPRS通信模块。其负责控制分档可控恒流充电电路从单火线取电模块取电流的大小以及NBIOT通信模块的信息推送等。
本实施例中，电源为220V市电，市电与灯具等串联，通过将单火线取电模块串联在电源回路上，利用控制器控制分档可控恒流充电电路提取电流的大小，使提取的电流在一个较小范围内，就不会引起灯具发光。即可实现采用单火线取电技术为NBIOT模块或GPRS模块等提供较大的工作电流，同时又可解决单火线取电模块提供较大工作电流后端灯具闪烁的问题。
进一步地，分档可控恒流充电电路包括至少两个恒流源电路模块，各恒流源电路模块之间为并联。其中，恒流源电路模块包括第一分立晶体管、第二分立晶体管、第三分立晶体管、二极管和第一电阻、第二电阻、第三电阻；第二分立晶体管的发射极与第三电阻的一端连接后接入所述单火线取电模块的输出端，第三电阻的另一端分别与第二分立晶体管的基极连接、与第三分立晶体管的发射极连接；第二分立晶体管的集电极与第三分立晶体管的基极连接后接入第二电阻一端，第二电阻的另一端与第一分立晶体管的集电极连接，第一分立晶体管的发射极接地、基极与第一电阻串联后接入所述控制器；第二分立晶体管的集电极与二极管正极连接，二极管负极与所述储能元件串联后接地。
进一步地，参阅图2所示，以两个恒流源电路模块级联组成分档可控恒流充电电路为例，第一恒流源电路模块包括分立晶体管Q1、分立晶体管Q2、分立晶体管Q3、二极管D1以及电阻R1、R2、R3；第二恒流源电路模块包括分立晶体管Q4、分立晶体管Q5、分立晶体管Q6、二极管D2以及电阻R4、R5、R6；
其中，Q2的发射极与电阻R3的一端连接后接入所述单火线取电模块的输出端即VDD，电阻R3的另一端分别与Q2的基极连接、与Q3的发射极连接；Q2的集电极与Q3的基极连接后接入电阻R2一端，电阻R3的另一端与Q1的集电极连接，Q2的发射极接地、基极与电阻R1串联后(即CT1端)接入所述控制器；Q2的集电极与二极管D1正极连接，二极管D1负极与所述储能元件(即电容C1)串联后接地。
Q5的发射极与电阻R4的一端连接后接入所述单火线取电模块的输出端即VDD，电阻R4的另一端分别与Q5的基极连接、与Q4的发射极连接；Q5的集电极与Q4的基极连接后接入电阻R5一端，电阻R5的另一端与Q6的集电极连接，Q6的发射极接地、基极与电阻R6串联后(即CT2端)接入所述控制器；Q4的集电极与二极管D2正极连接，二极管D2负极与所述储能元件(即电容C1)串联后接地。
需要说明的是，本实施例采用分立晶体管构成三挡可控恒流充电电路，以控制向储能元件提供充电电流的大小。其中控制器根据CT1端和CT1端得到的电压信号，控制分档可控恒流充电电路输出不同档位的充电电流至储能元件，如表1所示：
表1
Figure BDA0001823218230000061
具体地，控制器在灯具处于关闭状态时，控制分档可控恒流充电电路提取15毫安的微小电流为储能元件充电，由于充电电压只有6V，电流较小，换算到220V市电回路上的功率消耗小于100毫瓦，因而不会引起灯具发光。在灯具处于打开状态时，可以提取100毫安的较大电流为储能元件充电，在灯具处于工作状态时，分档可控恒流充电电路提取115毫安的电流为储能元件充电。
需要说明的是，本实施例中分档可空恒流充电电路采用多级分档，可根据灯具工作状态调整充电电流，通过电流限制，可以有效的解决因电流过大而引起灯具的闪烁发光问题。
进一步地，如图3所示，本实施例中的储能元件为超级电容，采用电阻分压电路构成储能元件的电压检测电路，该电压检测电路包括电阻R7和电阻R8，电阻R7的一端接正向参考电压、另一端与电阻R8一端连接，电阻R8的另一端接地，电阻R8与储能元件C1并联，电阻R7的另一端和电阻R8的一端连接后接入控制器的ADC接口。其中，电压检测电路将储能元件C1的电压信号发送至控制器，控制器根据电压信号判断储能元件C1的充电状况，在储能元件C1为充满状态时，控制器控制分档可控恒流充电电路完全关闭，以降低电流消耗。
同时，控制器根据电压检测电流发送的电压信号判断储能元件的电压是否满足电流脉冲放电条件。在确认储能单元的电量满足GPRS/NBIOT模块工作的电量时候，控制器控制电子开关闭合使储能单元为GPRS/NBIOT模块供电。在不满足时，控制器控制电子开关断开，储能元件不为GPRS/NBIOT模块供电，待充电满足要求时，再开启供电。通过增设电子开关可进一步降低能耗。
进一步地，如图4所示，本实施例中的电子开关采用半导体开关器件比如P沟道MOSFET，电子开关Q10的引脚2与超级电容C1正极连接，电子开关Q10的引脚3与通信模块连接，电阻R34并联接在电子开关Q10的引脚1和引脚2，电子开关Q10的引脚1与晶体管Q16的集电极，晶体管Q16的基极分别与电阻R36串联后(即CT3端口)接入控制器、以及与电阻R38串联后接地，晶体管Q16的发射极接地。
本实施例中，通信模块通常使用NBIOT模块或者GPRS模块，NBIOT模块工作电压在3.6V，GPRS模块工作电压在3.8V。当通信模块在连接公网时，需要消耗较大的电流，NBIOT模块需要消耗800mA左右的电流，GPRS模块消耗的电流在1.5A左右；当温度采集器需要使用通信模块发送信息时候，控制器控制电子开关使NBIOT模块接通电源，使用储能单元为通信模块提供瞬间的大电流，这个电流在通信模块和储能元件之间的内回路循环，不进入灯具电路，因而不会引起灯具的闪烁发光。
如图5所述，本实施例还公开了一种基于单火线取电模块的供电装置的使用方法，包括如下步骤S1至S3：
S1、单火线取电模块将从电源回路上提取的电流传输至分档可控恒流充电电路；
S2、控制器根据用电器的工作状态，控制分档可控恒流充电电路将不同大小的电流输出至储能元件；
S3、控制器检测储能元件的充电情况，并根据充电情况控制电子开关通/断，以控制储能元件为通信模块供电。
具体地，单片机通过使用逻辑电平信号控制电子开关的闭合/断开。
进一步地，所述控制器根据用电器的工作状态，控制分档可控恒流充电电路将不同大小的电流输出至储能元件，包括：
在所述用电器处于关闭状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第一档电流至储能元件；
在所述用电器处于打开状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第二档电流至储能元件；
在所述用电器处于工作状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第三档电流至储能元件。
其中，第一档电流值小于第二档电流值，第二档电流值小于第三档电流值，具体可设置第一档电流值为15mA，第二档电流为100mA，第三档电流为115mA。在提取电流15毫安的微小电流为后端储能单元充电，因为充电电压只有6V，电流较小，折算到220V市电回路上的功率消耗小于100毫瓦，因而不会引起灯具发光。当灯具在打开状态时候，可以提取100毫安的较大电流为储能元件充电，在灯具处于照明状态时，分档可控恒流充电电路可提取115毫安的电流为储能元件充电。通过根据灯具的工作状态，自动调整提取电流的大小，不会引起灯具的误动作，有利于降低功耗。
进一步地，该使用方法还包括：
所述控制器通过所述电压检测电路检测所述储能元件的充电情况，并在所述储能元件为充满状态时，控制所述分档可控恒流充电电路关闭。通过控制器在监测储能元件为满电状而不需要充电态时，控制分档可控恒流充电电路关闭，或提取电流为最小档，降低整个电路的功耗。降低电流消耗，降低电路功耗。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于单火线取电模块的供电装置，包括通信模块和通信设备，通信模块与通信设备连接，其特征在于，还包括电源、分档可控恒流充电电路、储能元件、电子开关、控制器以及单火线取电模块；
电源与后端用电器串联，单火线取电模块串接在电源回路上，单火线取电模块的输出端与分档可控恒流充电电路输入端连接，分档可控恒流充电电路的输出端与储能元件连接、输入端与控制器连接；
控制器通过控制电子开关控制储能元件为通信模块供电；
所述分档可控恒流充电电路包括恒流源电路模块，所述恒流源电路模块包括第一分立晶体管、第二分立晶体管、第三分立晶体管、二极管和第一电阻、第二电阻、第三电阻；
第二分立晶体管的发射极与第三电阻的一端连接后接入所述单火线取电模块的输出端，第三电阻的另一端分别与第二分立晶体管的基极连接、与第三分立晶体管的发射极连接；
第二分立晶体管的集电极与第三分立晶体管的基极连接后接入第二电阻一端，第二电阻的另一端与第一分立晶体管的集电极连接，第一分立晶体管的发射极接地、基极与第一电阻串联后接入所述控制器；
第二分立晶体管的集电极与二极管正极连接，二极管负极与所述储能元件串联后接地。
2.如权利要求1所述的基于单火线取电模块的供电装置，其特征在于，所述分档可控恒流充电电路包括至少两个恒流源电路模块，各恒流源电路模块之间为并联。
3.如权利要求1所述的基于单火线取电模块的供电装置，其特征在于，还包括与所述储能元件连接的电压检测电路，电压检测电路的输出端与所述控制器连接。
4.如权利要求3所述的基于单火线取电模块的供电装置，其特征在于，所述电压检测电路为电阻分压电路。
5.如权利要求1所述的基于单火线取电模块的供电装置，其特征在于，所述控制器为单片机。
6.如权利要求1所述的基于单火线取电模块的供电装置，其特征在于，所述储能元件为超级电容。
7.一种基于单火线取电模块的供电装置的使用方法，其特征在于，该供电装置包括通信模块和通信设备，通信模块与通信设备连接，还包括电源、分档可控恒流充电电路、储能元件、电子开关、控制器以及单火线取电模块；
电源与后端用电器串联，单火线取电模块串接在电源回路上，单火线取电模块的输出端与分档可控恒流充电电路输入端连接，分档可控恒流充电电路的输出端与储能元件连接、输入端与控制器连接；
控制器通过控制电子开关控制储能元件为通信模块供电；
所述分档可控恒流充电电路包括恒流源电路模块，所述恒流源电路模块包括第一分立晶体管、第二分立晶体管、第三分立晶体管、二极管和第一电阻、第二电阻、第三电阻；
第二分立晶体管的发射极与第三电阻的一端连接后接入所述单火线取电模块的输出端，第三电阻的另一端分别与第二分立晶体管的基极连接、与第三分立晶体管的发射极连接；
第二分立晶体管的集电极与第三分立晶体管的基极连接后接入第二电阻一端，第二电阻的另一端与第一分立晶体管的集电极连接，第一分立晶体管的发射极接地、基极与第一电阻串联后接入所述控制器；
第二分立晶体管的集电极与二极管正极连接，二极管负极与所述储能元件串联后接地；
使用方法包括：
单火线取电模块将从电源回路上提取的电流传输至分档可控恒流充电电路；
控制器根据用电器的工作状态，控制分档可控恒流充电电路将不同大小的电流输出至储能元件；
控制器检测储能元件的充电情况，并根据充电情况控制电子开关通/断，以控制储能元件为通信模块供电。
8.如权利要求7所述的基于单火线取电模块的供电装置的使用方法，其特征在于，所述控制器根据用电器的工作状态，控制分档可控恒流充电电路将不同大小的电流输出至储能元件，包括：
在所述用电器处于关闭状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第一档电流至储能元件；
在所述用电器处于打开状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第二档电流至储能元件；
在所述用电器处于工作状态时，控制器控制所述分档可控恒流充电电路输出第三档电流至储能元件，其中第一档电流值<第二档电流值<第三档电流值。
9.如权利要求7所述的基于单火线取电模块的供电装置的使用方法，其特征在于，所述供电装置还包括与所述储能元件连接的电压检测电路，电压检测电路的输出端与所述控制器连接，所述控制器通过所述电压检测电路检测所述储能元件的充电情况，并在所述储能元件为充满状态时，控制所述分档可控恒流充电电路关闭。
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