CN109471048A - 低成本电压检测方法及装置、自动转换开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本电压检测方法。本发明基于普通光耦的电压电路，并通过软件改进实现了对普通光耦非线性失真和温度漂移的补偿，不需要增加任何硬件设备，较好地实现了电压检测的高精度和低成本之间的平衡，可广泛应用于自动转换开关、电动机保护器等需要电源电压检测的电器，具有良好的应用前景。本发明还公开了一种低成本电压检测装置及一种自动转换开关。

Description

低成本电压检测方法及装置、自动转换开关

技术领域

本发明涉及一种电压检测方法，尤其涉及一种低成本电压检测方法。

背景技术

双电源或多电源自动转换开关均包含有常、备用电源电压检测电路，以监视常、备用电源状态，当检测到一路电源异常时自动转换到另一路正常的电源，目前所用的电源电压检测电路主要采用电源变压器、电压互感器、电阻降压等将高电压信号转换为低电压信号供微处理器采样处理，但上述电压采样电路普遍存在体积大、成本高或成本低但不隔离等缺陷，对于小型装置或需要隔离的应用环境下的使用受到限制。

目前对于小型装置或需要隔离的应用环境下最多使用的基于光电耦合器件的电压隔离传感测量方案，但该方案通常要使用线性光耦，线性光耦高昂的价格从一定程度上限制了其应用。普通光耦由于其内部发光二极管和光敏三极管的固有伏安特性，导致线性区比较小且存在一定程度上的非线性失真，难以直接用于线性隔离电压取样，通常只用于数字信号或开关状态信号的隔离。有部分研究者进行了利用普通光耦来进行线性隔离电压取样的探索，从硬件电路上对普通光耦的非线性进行补偿，例如，采用两个普通光耦和两个运算放大器，两个光耦一个用于射极跟随器输出，一个用于反馈控制以补偿发光二极管的非线性。但此类解决方案不同程度的需要在电路中引入多个光耦或运放等部件，导致电路结构仍然较为复杂，实现成本居高不下。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种低成本电压检测方法，其基于普通光耦实现，不需要额外引入硬件部件，具有成本低、精度高的优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种低成本电压检测方法，包括以下步骤：

步骤1、构建基于普通光耦的的电压检测电路；

步骤2、利用该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据和光耦输入电流-电流传输比实测数据获取某一给定光耦输入电流所对应的光耦电流传输比校正系数K₁，所述光耦电流传输比校正系数K₁为该给定光耦输入电流条件下的电流传输比实测值与电流传输比理论值之比；

步骤3、利用步骤1所构建的电压检测电路对待测电压进行检测，得到此时的光耦输出电流I_Ci，然后根据下式计算光耦输出电流修正值I′_Ci：

式中，RCTR_i为将当前温度代入该普通光耦的温度-相对电流传输比理论数据所得到的相对电流传输比；

步骤4、将光耦输出电流修正值I′_Ci代入该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据，得到对应的光耦输入电流值，并以该光耦输入电流值作为待测电压下的光耦输入电流实际值，经计算得到该待测电压的电压值。

优选地，该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据及温度-相对电流传输比理论数据从该普通光耦的数据手册中得到。

优选地，该普通光耦工作于放大区。

基于以上方法，可得到成本大幅降低的低成本电压检测装置，例如以下的技术方案：

一种低成本电压检测装置，该装置包括：微处理器U1，温度检测电路U2、二极管D1、第一限流电阻R1、普通光耦TL1、第二限流电阻R7、工作电源VCC，第一限流电阻R1与普通光耦TL1原边串联连接，工作电源VCC、第二限流电阻R7及普通光耦TL1副边串联连接，普通光耦TL1副边与限流电阻R7的连接端输出电压V1A至微处理器U1，温度检测电路U2与微处理器U1连接；在检测时的微处理器U1处理过程具体如下：

首先根据所述电压V1A计算光耦输出电流I_Ci，然后根据下式计算光耦输出电流修正值I′_Ci：

式中，RCTR_i为将温度检测电路U2所检测的当前温度代入该普通光耦的温度-相对电流传输比理论数据所得到的相对电流传输比；K₁为预先利用该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据和光耦输入电流-电流传输比实测数据所获取的某一给定光耦输入电流所对应的光耦电流传输比校正系数，其定义为该给定光耦输入电流条件下的电流传输比实测值与电流传输比理论值之比；

最后，将光耦输出电流修正值I′_Ci代入该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据，得到对应的光耦输入电流值，并以该光耦输入电流值作为待测电压下的光耦输入电流实际值，经计算得到该待测电压的电压值。

优选地，该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据及温度-相对电流传输比理论数据从该普通光耦的数据手册中得到。

优选地，该普通光耦工作于放大区。

本发明的电压检测装置可广泛应用于自动转换开关、电动机保护器等低压电器领域，以实现低成本、高精度的电源电压检测，例如：

一种自动转换开关，包括用于对常用、备用三相电源电压分别进行检测的六个电压检测装置，所述六个电压检测装置均为如上任一技术方案所述低成本电压检测装置。

进一步改进地，所述六个电压检测装置共用同一个微处理器和同一个温度检测电路。

更进一步地，所述温度检测电路中的温度传感器设置于所述六个电压检测装置的六个普通光耦所在位置的中心区域。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明基于普通光耦的电压检测电路，并通过软件改进实现了对普通光耦非线性失真和温度漂移的补偿，不需要增加任何硬件设备，较好地实现了电压检测的高精度和低成本之间的平衡，可广泛应用于自动转换开关、电动机保护器等需要电源电压检测的电器，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明电压检测装置一个具体实施例的电路原理图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是在基于普通光耦的电压检测电路基础上，通过软件改进实现对普通光耦非线性失真和温度漂移的补偿，不需要增加任何硬件设备，以较好地实现电压检测的高精度和低成本之间的平衡。

具体而言，本发明的低成本电压检测方法，包括以下步骤：

步骤1、构建基于普通光耦的电压检测电路；

步骤2、利用该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据和光耦输入电流-电流传输比实测数据获取某一给定光耦输入电流所对应的光耦电流传输比校正系数K₁，所述光耦电流传输比校正系数K₁为该给定光耦输入电流条件下的电流传输比实测值与电流传输比理论值之比；

步骤3、利用步骤1所构建的电压检测电路对待测电压进行检测，得到此时的光耦输出电流I_Ci，然后根据下式计算光耦输出电流修正值I′_Ci：

式中，RCTR_i为将当前温度代入该普通光耦的温度-相对电流传输比理论数据所得到的相对电流传输比；

步骤4、将光耦输出电流修正值I′_Ci代入该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据，得到对应的光耦输入电流值，并以该光耦输入电流值作为待测电压下的光耦输入电流实际值，经计算得到该待测电压的电压值。

基于以上方法，可得到成本大幅降低的低成本电压检测装置。为便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

本实施例的电压检测装置的电路结构如图1所示，包括：微处理器U1，温度检测电路U2、二极管D1、第一限流电阻R1、光耦TL1、第二限流电阻R7、工作电源VCC，第一限流电阻R1与光耦TL1原边串联连接，工作电源VCC、第二限流电阻R7及光耦TL1副边串联连接，光耦TL1副边与限流电阻R7的连接端输出电压V1A至微处理器U1，温度检测电路U2与微处理器U1连接。

该电路结构实际上是一种基于普通光耦的电压检测电路结构，本发明用普通光耦作为其中的光耦TL1(而非线性光耦)，并对微处理器U1的软件进行了改进。微处理器U1通过对光耦输出电压V1A、温度检测电路U2输出信号VTE的检测实现电源检测电路输入电压的检测，具体包括按顺序执行的以下步骤：

1)根据光耦数据手册提供的光耦输入电流-电流传输比(I_F-CTR)曲线图建立光耦输入电流-输出电流(I_F-I_C)一一对应关系数据表A，其中I_C＝I_F×CTR；

2)根据光耦数据手册提供的温度-相对电流传输比(T-RCTR)曲线图建立温度-相对电流传输比(T-RCTR)一一对应关系数据表B；

3)给定光耦输入电流I_F1，即给定输入电源电压U₁，其中，微处理器U1检测光耦输出电压U₂，计算输出电流光耦电流传输比根据光耦输入电流-电流传输比(I_F-CTR)数据表A查出输入电流I_F1下对应的理论电流传输比CTR₀，计算光耦电流传输比校正系数K₁,

4)微处理器U1实时检测光耦输出电压V1A，计算光耦输出电流I_Ci；

5)微处理器U1检测温度检测电路U2输出信号VTE，计算此时的温度T₁,根据温度-相对电流传输比(T-RCTR)数据表B查出光耦的相对电流传输比RCTR_i；

6)计算根据I_C′_i和数据表A查出I_Fi，计算U_i＝I_Fi×R₁,再对U_i进行有效值计算，即得到待测的输入电压值。

为保证测量精度，应尽可能保证光耦工作在放大区，即I_C≥I_F×CTR，其中，U_D为光耦原边管压降，CTR_max为光耦数据手册中宣称的电流传输比范围的上限值，从而确保光耦在整个输入电压范围内均工作于放大区，使得光耦输出电压V1A能如实反应光耦的输入电压。

由于光耦本身制造的差异性，光耦制造商只能保证电流传输比在某个范围内，不能给出固定值，因此，每个光耦的电流传输比均是不同的，为保证电压检测的精度，必须预先对每个光耦进行校正，从而得到该光耦的确定电流传输比，校正方法如上述步骤3)所述。

另外，光耦的电流传输比易受到器件工作温度的影响，因此，本发明在光耦附近设置一温度检测电路，该电路的布置位置至关重要，其检测的温度应能如实反映光耦的外壳温度。温度检测电路根据不同温度输出不同的模拟电压，微处理器通过检测温度检测电路输出的模拟电压来获取光耦的温度，并根据检测到的温度，并根据光耦数据手册提供的温度-相对电流传输比曲线来实时修正光耦的电流传输比。

在自动转换开关领域中，自动转换开关连接有常用、备用三相电源，因此，一般都设置有三路常用电压检测电路，分别检测常用三相电源，和备用电压检测电路，分别检测备用三相电压，即共有六路电压检测电路，均可采用上述电压检测装置，并且可通过共用同一个微处理器和同一个温度检测电路，以简化结构，节省成本。为确保温度检测的正确性，通常将温度检测电路的温度传感器设置于六路光耦的中心区域，以保证光耦温度检测的正确性。另外，需要对六路光耦分别进行电流传输比校正，从而保证六路电压检测的高精度。

本发明采用普通光耦+温度检测+控制算法的方式，实现电压的高精度检测，具有成本低、精度高的特点，可广泛应用于自动转换开关、电动机保护器等低压电器领域。

Claims (9)

1.一种低成本电压检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、构建基于普通光耦的电压检测电路；

步骤2、利用该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据和光耦输入电流-电流传输比实测数据获取某一给定光耦输入电流所对应的光耦电流传输比校正系数K₁，所述光耦电流传输比校正系数K₁为该给定光耦输入电流条件下的电流传输比实测值与电流传输比理论值之比；

步骤3、利用步骤1所构建的电压检测电路对待测电压进行检测，得到此时的光耦输出电流I_Ci，然后根据下式计算光耦输出电流修正值I′_Ci：

式中，RCTR_i为将当前温度代入该普通光耦的温度-相对电流传输比理论数据所得到的相对电流传输比；

步骤4、将光耦输出电流修正值I′_Ci代入该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据，得到对应的光耦输入电流值，并以该光耦输入电流值作为待测电压下的光耦输入电流实际值，经计算得到该待测电压的电压值。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据及温度-相对电流传输比理论数据从该普通光耦的数据手册中得到。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，该普通光耦工作于放大区。

4.一种低成本电压检测装置，其特征在于，该装置包括：微处理器U1，温度检测电路U2、二极管D1、第一限流电阻R1、普通光耦TL1、第二限流电阻R7、工作电源VCC，第一限流电阻R1与普通光耦TL1原边串联连接，工作电源VCC、第二限流电阻R7及普通光耦TL1副边串联连接，普通光耦TL1副边与限流电阻R7的连接端输出电压V1A至微处理器U1，温度检测电路U2与微处理器U1连接；在检测时的微处理器U1处理过程具体如下：

首先根据所述电压V1A计算光耦输出电流I_Ci，然后根据下式计算光耦输出电流修正值I′_Ci：

式中，RCTR_i为将温度检测电路U2所检测的当前温度代入该普通光耦的温度-相对电流传输比理论数据所得到的相对电流传输比；K₁为预先利用该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据和光耦输入电流-电流传输比实测数据所获取的某一给定光耦输入电流所对应的光耦电流传输比校正系数，其定义为该给定光耦输入电流条件下的电流传输比实测值与电流传输比理论值之比；

最后，将光耦输出电流修正值I′_Ci代入该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据，得到对应的光耦输入电流值，并以该光耦输入电流值作为待测电压下的光耦输入电流实际值，经计算得到该待测电压的电压值。

5.如权利要求4所述装置，其特征在于，该普通光耦的光耦输入电流-电流传输比理论数据及温度-相对电流传输比理论数据从该普通光耦的数据手册中得到。

6.如权利要求4所述装置，其特征在于，该普通光耦工作于放大区。

7.一种自动转换开关，包括用于对常用、备用三相电源电压分别进行检测的六个电压检测装置，其特征在于，所述六个电压检测装置均为如权利要求4～6任一项所述低成本电压检测装置。

8.如权利要求7所述自动转换开关，其特征在于，所述六个电压检测装置共用同一个微处理器和同一个温度检测电路。

9.如权利要求8所述自动转换开关，其特征在于，所述温度检测电路中的温度传感器设置于所述六个电压检测装置的六个普通光耦所在位置的中心区域。