CN110679206B - 转换器装置 - Google Patents

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Abstract

转换器装置。根据本发明的一种应急转换器在照明应用中用于在市电故障的情况下依靠储能装置操作。转换器装置包括配置成对所述储能装置充电的充电器电路以及配置成控制所述充电器电路的微控制器电路。驱动器电路优选地以耦合电感器升压电路拓扑结构实施。所述微控制器电路还配置成基于所测量电感器电流的过零来控制开关。

Description

转换器装置
技术领域
本发明涉及切换模式电源领域,具体地说涉及适于依靠能量存储件操作并且用在照明应用中的转换器,例如应急转换器。具体地说,本发明提出一种使用微控制器的转换器中的快速闭合回路系统。
背景技术
建筑物的应急照明依赖于电池支持的照明装置,所述照明装置在检测到断电时在应急操作模式下自动接通。应急照明系统包含例如电池——尤其是用于存储电能的可充电电池——的储能装置、用于将所述储能装置维持在预定充电电平的电池充电器。微控制器通常用于控制电池充电器。应急照明系统还使用LED驱动器等灯驱动器、镇流器或转换器,以在断电的情况下依靠储能装置以预定电流在预定时间中驱动照明构件。此类应急转换器通常包含依靠储能装置供应的DC电压操作的切换模式电源(SMPS),并且生成用于驱动例如应急灯的LED的所需DC输出电压。应急转换器可例如以升压转换器或类似电路拓扑结构的形式实施,并且包含储能元件以及受控开关。应急转换器还需要驱动器集成电路(LED驱动器IC)以用于控制应急转换器,具体地说,在应急操作模式的情况下控制其开关。归因于当代SMP中使用的高切换频率,关于定时的要求很高,超出具有成本效益的微处理器的能力,并且通常通过用作控制LED驱动器的LED驱动器IC的专用应用指定电路来满足。
本发明解决了为应急照明应用提供具成本效益的转换器的问题。
发明内容
一种转换器装置,具体地说,用于依靠储能装置操作的LED应急转换器装置,包括以边界传导模式操作的驱动器电路,并且特征在于,所述驱动器电路以包含至少一个开关的耦合电感器升压电路拓扑结构实施。
此外,与使用常规升压转换器拓扑结构相反,针对驱动电路使用耦合电感器升压拓扑结构能实现在低占空比下以高电压额定值驱动作为转换器负载的照明构件,例如LED模块的LED。当相比于常规升压转换器拓扑结构时,耦合电感器升压转换器的切换频率相应较高。这会产生具有较小尺寸的导体(“升压扼流器”)和较小的相关联电路元件,这在空间和成本上提供了进一步的优势。
实施例的转换器装置还包括配置成对储能装置充电的充电器电路以及配置成控制所述充电器电路的微控制器电路。所述微控制器电路还配置成基于所测量电感器电流的过零来控制开关。
以耦合电感器升压拓扑结构实施灯驱动器电路以及以边界传导模式操作耦合电感器升压转换器能实现使用微控制器电路等电部件而非专用灯驱动器电路IC来控制驱动器电路。这是可能的,因为通过开关的电流的过零或开关电流的极性倒转等事件可提供到微控制器电路以触发开关控制,例如通过微控制器生成的开关驱动信号来断开和/或接通开关。
优选的转换器装置具有在开关与储能装置的接地电势之间具有分流电阻器的驱动器电路。电池放电电流通过监测分流电阻器上的电压来测量,而电感器电流通过监测开关上的电压来测量。
使用耦合电感器升压拓扑结构能实现基于可生成用于实施控制以在边界传导模式中驱动灯驱动器电路的哪些触发事件来获取关于所测量值的信息以及将所述信息提供给微控制器电路。
根据另一实施例的转换器装置包括比较器,所述比较器配置成尤其是在检测到的电感器电流的符号反转时确定所测量电感器电流是否达到零。
另一有利的转换器装置包括模拟比较器,所述模拟比较器配置成通过比较检测到的电感器电流与参考信号来确定检测到的电感器电流是否达到零。
使用微控制器电路中可用的模拟比较器结合使用关于通过感测开关上的电流而获取的电感器电流的极性反转的信息能实现实施快速和高效的控制算法,所述控制算法一方面适于在微控制器电路上实施,另一方面能够以高切换频率来控制驱动电路。
转换器装置的另一实施例使微控制器电路配置成以循环逐循环为基础控制电感器电流。
转换器装置的另一实施例使微控制器电路配置成控制灯驱动电路,所述灯驱动电路适于驱动具有范围从10V到50V或50V到200V的限定输出电压范围的LED负载。
附图说明
本发明的实施例的描述参考所附图式,其中
图1提供根据实施例的转换器装置的主要元件的总览,
图2是根据现有技术的转换器装置的主要元件的总览,
图3提供替换用于控制耦合电感器升压转换器的专用控制器IC的微控制器电路的主要元件的概览,
图4提供优选实施例的简化示意电路图,具有由微控制器电路控制的呈耦合电感器升压拓扑结构的转换器装置,
图5A、图5B、图5C示出耦合电感器升压转换器的典型电路波形,
图6描绘根据本发明的通过微控制器电路控制耦合电感器升压转换器的信号波形,以及
图7示出根据实施例的执行对应急转换器的控制的方法的流程图。
在图中,相同编号表示相同或对应的元件。为简洁起见,图的描述省略了对不同图的相同参考符号的重复描述。
具体实施方式
在基于图1呈现本发明的实施例之前,基于图2提供对用于依靠储能装置驱动应急灯的已知应急转换器装置的主要元件的总览,所述储能装置例如电池,并且尤其是可充电电池。
提供应急照明的常见方式使用安装在现有照明器材内或附近的电池支持的应急转换器装置1'。在感测到市电电源故障后,应急转换器装置1'切换成应急模式,将现有照明转为应急照明,以便在无需布线单独的应急照明电路或额外壁挂件的情况下满足应急照明的需求。
所描绘的已知应急照明转换器装置1'包含用于介接市电电源的市电电源输入端子,具体地说,中性线N、切换线L和接地线。
应急照明转换器1'是电池支持的照明装置,其在主灯因市电中断而变得不可用时自动切换。所示应急照明转换器装置1'的主要功能是对电池2充电以及监测市电电源。如果应急照明转换器装置1'检测到市电电源故障,具体地说,如果市电电源电压低于预定义阈值,则应急照明装置1'以预定负载电流在预定时间中驱动发光负载,例如应急灯3,例如包含一个或多个LED的LED模块3。
应急灯转换器1'通常具有集成测试开关,替代地或另外具有用于测试开关5(测试按钮)的接口,其适于暂时超控标准照明转换器6并且使应急照明转换器1'即使在市电电源可用的情况下也依靠电池电力驱动LED模块3。
已知应急照明转换器1'包含用于依靠反激式转换器8提供的DC电压和电流为储能装置2充电的电池充电器7。电池充电器电路7由微控制器电路9控制。微控制器电路9还包含用于测试开关5和指示器LED 10的电接口。
应急灯转换器1'还包含输出继电器11。输出继电器11交替地将连接到LED驱动器12(应急LED驱动器12)的第一继电器输入或连接到标准LED转换器6的第二继电器输入切换到连接到LED模块3的继电器输出。在确定市电电源故障的情况下,LED驱动器12通过输出继电器10向LED模块3提供预定义LED驱动电流。在确定市电电源会正确运作的情况下,标准LED转换器6通过输出继电器11向LED模块3提供用于驱动LED模块3的LED电流。
LED驱动器12'是切换模式电源,其从储能装置2接收DC电压输入,并且将应急LED负载电流提供给输出继电器11。LED驱动器12'以一般已知的升压转换器拓扑结构中的一种来实施。升压转换器,又称为步升转换器,是使电压从其输入(电池)步升到其输出(负载)的DC-DC电力转换器。来自储能装置2的输入电压范围通常为3V到8.2V。LED驱动器12的输出电压范围通常从10V到200V。升压转换器是切换模式电源,其含有至少一个二极管和受控开关,具体地说,例如MOSFET的双极晶体管、作为开关运作的IGBT,以及至少一个储能元件,优选为电感器和/或电容器。其它电容器通常布置在耦合电感器升压转换器的输入处或输出处,例如以便抑制或至少减少电压纹波。
LED驱动器电路12'的开关通过LED驱动器集成电路(IC)13来控制。LED驱动器IC13调节从储能装置2汲取的储能放电电流,控制LED驱动器电路12以将从储能装置2施加到LED驱动器电路12'的输入电压在很大程度上步升到提供给LED模块3的较高电压,以高切换频率操作LED驱动器电路12的开关,并且以高占空比控制LED驱动器电路12。
EMI电路14布置在应急转换器装置1'的市电电源输入处,以便对到反激式转换器8的市电电源电压输入进行滤波。反激式转换器8能适于提供电流隔离以便将应急灯转换器装置1'的高电压侧与低电压侧分开,从而形成SELV屏障。使用继电器15或未示出的光电耦合器等合适元件来导引控制和监测信号跨越SELV屏障。
通常在SELV屏障的低电压侧,应急照明装置布置低电压电源(LVPS)16。LVPS 16生成低供电电压并将生成的低供电电压提供给应急转换器装置1'的微控制器电路9和LED驱动器IC 13以及其它元件。LVPS 16的输入在应急操作模式下来自储能装置2,或在标准操作模式下在运作的市电电源期间来自反激式转换器8。
图1提供根据本发明的实施例的应急照明转换器装置1的主要元件的总览。
就如在描绘根据现有技术的应急照明转换器的图2中,相同的编号在图1中也适用。应急照明装置1与图2的不同之处在于包含呈耦合电感器升压配置的LED驱动器电路12。将在下文相对于图4详细地描述耦合电感器升压转换器12的电路拓扑结构。应急照明转换器装置1与现有技术的更大不同在于包含微控制器9而非现有技术的微控制器9'。呈耦合电感器升压配置的LED驱动器电路12与微控制器9的组合相应地省略专用LED驱动器IC 11。归因于通过重新分布LED驱动器IC 11的功能而省略LED驱动器IC 11,呈耦合电感器升压配置的LED驱动器电路12与整合了LED驱动器控制功能和电池充电器控制功能的微控制器22的这种特定组合相应地使成本最小化并且降低了空间需求。
针对LED驱动器电路12使用耦合电感器升压拓扑结构能实现使用至少一个低成本分流电阻器30基于感测到的信号来调节电池放电电流,所述分流电阻器的一侧参考储能装置接地电势。
此外,尤其是与标准升压转换器拓扑结构相比时,呈耦合电感器升压拓扑结构的LED驱动器电路12能够在很大程度上步升输入电池电压、以高切换频率和高占空比进行操作。
LED驱动器电路12的高切换频率操作产生升压转换器电路的电感器(升压扼流器)的简单绕组结构。所述简单绕组结构伴有减小的电感器大小。通常,电感器是成本增大的电路元件之一,其还需要升压转换器电路的相当大比例的空间。
相比于已知方法,整个应急转换器装置1的成本降低,因为不需要专用LED驱动器IC 13,并且根据本发明的微控制器电路12另外用于实施LED驱动器电路12的开关控制。
甚至可使用单个分流电阻器30,以便一方面感测开关上的峰值电流而另一方面感测平均电池放电电流。
根据本发明解决方案,到LED驱动器电路12的开关上的低电压应力能实现选择在接通时具有低Rds(接通)的晶体管开关,并且所述晶体管开关的漏极-源极结处于导通状态。对于本发明方法,可选择额定用于较低电压的开关,并且成本因此进一步降低。
相比于微控制器电路9'、LED驱动IC 13和LED驱动器电路12',具体地说,归因于去除了专用驱动器IC 13,微控制器电路9与LED驱动器电路12的电路部件的数目得以减少。
此外,在零电流值下操作开关的能力会产生等同或高于80%的高效率。优选的是,耦合电感器升压转换器以边界传导模式(临界传导模式)操作。
图3示出用于替换专用LED驱动器IC 13以控制用作LED驱动器电路12的耦合电感器升压转换器的微控制器电路9的主要元件。微控制器电路9包含模拟比较器17、18,模拟比较器中的一个用于感测电感器电流,一个用于检测电感器电流的过零。每个比较器17、18的输出信号通过微控制器电路9的极性选择电路19、20在内部馈送到优选地包含定时器22的升压控制器逻辑21。微控制器电路9的升压控制器逻辑21生成用于控制LED驱动器电路12的开关的升压驱动器信号boost_drv。微控制器电路9还生成第一和第二参考信号。第一参考信号是模拟电流参考信号boost_CS_ref,其由升压控制器逻辑21生成为数字信号,所述数字信号被提供到微控制器电路22的数字-模拟转换器(DAC)23以转换成模拟电流参考信号boost CS_ref,所述模拟电流参考信号随后被提供到第一比较器电路17的第二反相输入。
优选的是,微控制器电路9从LED驱动器电路12获取模拟信号boost_CS,在模/数转换器(ADC)25中将模拟信号boost_CS转换成数字信号boost_CS,并将数字信号boost_CS提供给微控制器电路9的CS参考生成器26以及其升压控制器逻辑21。CS参考生成器26使用数字boost_CS生成数字电流参考信号boost_CS_ref。
第一比较器17的第一非反相输入具有来自LED驱动器电路12的模拟信号boost_CS。
过零参考信号boost_ZX_ref由微控制器电路9生成,具体地说,由其ZX参考生成器24生成,并且被馈送到第二比较器18的第二反相输入。第二比较器18的第一非反相输入接收从LED驱动器电路12提供的模拟信号boost_ZX。
使用如所示的微控制器电路9,尤其是用于比较电感器电流的第一比较器17和用于确定电感器电流的过零的时间点的第二比较器18,不依赖于任何软件但使用微控制器电路9的模拟资源。因此,本发明方法有利地提供了数字微控制器电路和基于软件的解决方案无法达到的快速反应时间,仅类似于使用专门的专用集成电路(ASIC)。
为了生成用于控制开关的开关控制信号boost_drv,例如用于生成脉冲宽度调制的晶体管27的栅极驱动信号,微控制器电路9使用内部定时器22。优选的是,定时器22以限定的占空比自由运行。图6示出根据本发明的由LED驱动器电路12提供的LED驱动信号的占空比的受控方式。
本发明方法使用微控制器电路9循环逐循环地检测每个循环、电感器电流Ipk和电感器电流的过零。如微控制器电路9所做的那样使用过零检测添加闭合回路以触发第二循环会有利地提供根据现有技术的数字微控制器9'无法达到的快速反应时间。
图4示出应急转换器装置1的优选实施例的简化示意电路图,其具有由微控制器电路9控制的呈耦合电感器升压拓扑结构的LED驱动器电路12。
耦合电感器升压转换器电路21包含串联连接的两个电感器L1和L2。开关(升压开关)27从电感器L1、L2的端部连接,其中电感器L1、L2连接到LED驱动器电路12的接地。耦合电感器升压电路拓扑结构的主电路部件由二极管28补充。图4中示出的电路拓扑结构被简化,可添加其它电元件,例如LED驱动器电路12的输出处的电容器29。描绘的LED驱动器电路12包含用于仅仅在检测到市电电源故障时驱动LED的单个通道。可实施多于一个LED驱动通道,或可通过输出继电器10驱动LED。
由作为储能装置的电池2供应的输入电压V电池通常在从3V到8.2V的范围内。
提供到LED模块4的输出电压范围VLED通常在10V到200V的范围中。LED模块可包含一个或多个发光二极管LED。
LED驱动器电路12包括用于感测平均电池放电电流I电池和峰值升压开关电流的分流电阻器R分流30。将信号boost_CS中所含有的此信息供应到微控制器电路9。
LED驱动电路12还通过使用由电阻器31和32形成的分压器监测开关27上的电压VLX来检测开关27上的零电流。Z二极管(齐纳二极管)33用于钳制微控制器电路9的输入引脚处的负电势,并且连接到微控制器电路22的第二比较器18。开关27上的电压VLX作为信号boost_ZX中的信息提供到第二比较器18的第一输入。
具体地说,微控制器电路9以循环逐循环为基础感测信号boost_CS和boost_ZX,以便基于感测到的信号boost_CS和boost_ZX生成驱动器控制信号boost_drv,优选地作为传到充当开关27的晶体管的栅极控制信号。上文参考图3呈现如何生成驱动器控制信号boost_drv的实施例逻辑。图4示出使用第一比较器17、第二比较器18、锁存器34和反相放大器35从输入信号boost_CS和boost_ZX生成开关驱动信号boost_drv的功能等效电路拓扑结构。
图4的下部描绘用于在CS参考生成器26中生成参考信号boost_CS_ref的示范电路。信号boost_CS被提供到AD转换器25,在图4中表示为放大器36通过AD转换器增益放大信号boost_CS、随后在取样级37中对信号进行取样以将信号boost_CS从时间连续信号转换成时间离散信号。所述时间离散信号接着被供应到低通滤波器38并在平均级39中进行平均化。随后将滤波和平均化的时间离散信号与参考信号相比以确定误差信号,所述参考信号由参考生成器40生成。参考生成器40生成表示参考电池放电电流的参考信号。
在CS参考生成器26的所示实施例中,减法器42通过从参考电池放电电流减去平均化的时间离散信号boost_CS来生成电池放电电流误差信号。
所述电池放电电流误差信号向后续比例积分控制器(PI控制器)43提供输入信号。通过使电池放电电流误差信号穿过PI控制器43,生成平稳的时间离散DC信号。所述平稳的时间离散DC信号由数模转换器(D/A)转换器23转换成模拟信号,并作为模拟信号boost_CS_ref提供给第一比较器17的第二输入。第一比较器17将模拟信号boost_CS_ref用作峰值电流参考,以便以循环逐循环为基础向开关27提供控制。在此峰值电流模式控制中,开关27在开关27上的峰值电流达到由CS参考生成器26生成的参考峰值电流时通过开关驱动信号boost_drv关断。
ZX_reference生成器24生成信号boost_ZX_ref,并将信号boost_ZX_ref提供给第二比较器18的第二输入。优选的是,信号boost_ZX_ref是用于通过包含电阻器31、32的分压器检测开关27上的电流的过零的阈值电压。示范性地,阈值电压具有约1.25V的值。鉴于此情况,当开关27的漏极与源极电极之间的电压VLX低于1.25V时检测到零电流条件。当开关27上的电压VLX低于1.25V时,设置施加于晶体管开关27的栅极电极的开关驱动信号boost_drv以再次接通开关27。
通过在对应于通过第二电感器L2的电流的输出电流ILED达到零时将开关27切换成其导通状态能实现以升压转换器(具体地说,耦合电感器升压转换器)的边界传导模式操作LED驱动器电路12。
图5示出在耦合电感器升压转换器的一个循环中耦合电感器升压转换器的典型电路波形。在图5A中描绘了耦合电感器L1和L2的电感器L1上的电感器电流。Ipk是电感器L1上的峰值电流。ID,pk是当开关27在以下时间间隔期间断开(未导通)时二极管28上的峰值电流
t=(1-D)Ts; (1)
D是开关27的占空比,n是电感器L1的电感器绕组N1与电感器L2的电感器绕组数目N2的关系,Ts是开关27的开关周期,其中
Ts=t+t; (2)
在图5B中,针对开关27和LED驱动器电路27的一个循环或周期Ts示出开关27上的电压VLX
VLX=(N1VLED+N2V电池)/(N1+N2); (3)
在(3)中,VLX表示开关27上的电压,N1表示第一电感器L1的绕组数目,并且N2表示第二电感器L2的绕组数目。V电池是电池2提供的电压。
在图5C中,描绘了一个循环中二极管28上的电压VD。时间t期间的电压VD对应于
VD=VLED+n*V电池; (4)
并且在持续时间t期间在开关断开(未导通)时为零。
在图6中,示出用于基于循环逐循环电流感测信号boost_CS和过零信号boost_CS信号生成开关驱动信号boost_drv的方法。更具体地说,图6描绘通过根据本发明的微控制器电路9在开关周期Ts的两个循环中控制LED驱动器电路12(耦合电感器升压转换器)的信号波形。
在图6中,第一比较器17的输出信号是信号comp_CS,第二比较器18的输出信号是信号comp_ZX。
信号boost_drv对应于施加于用作开关27的晶体管的栅极-漏极结的信号。当开关27在第一循环的持续时间t期间接通时,电感器L1上的电流增大。对应的信号boost_CS对应地升高,最后超过由参考信号boost_CS_ref限定的阈值。
从PI控制器43输出的DC误差信号被转换为模拟参考信号boost_CS_reference并且提供到第一比较器17的第二输入,用作峰值电流参考以在峰值电流模式控制中以循环逐循环为基础控制升压开关27。因此,开关27在开关27上的峰值电流达到由PI控制器43生成的参考峰值电流时基于开关驱动器信号boost_drv而断开,如图4和6所示。
以边界传导模式操作LED驱动器电路12。因此,开关在通过电感器L2的电流达到零时再次接通。通过电感器L2的电流对应于到LED模块4的输出电流ILED
使用开关27上的电压VLX确定开关27再次接通的时间。优选的是,通过使用由图4中的电阻器31和32形成的电阻分压器网络测量电压VLX。当通过电感器L2的电流达到零时,电压VLX达到零。将对应于电压VLX的测得值的信号boost_ZX提供到第二比较器18的第一输入。第二比较器18的第二输入具有参考电压boost_ZX_ref。如果信号boost_ZX的值降到低于值boost_ZX_ref,则确定电流ILED的过零,并且再次接通开关27。
以此方式,开关27在开关上的测得电压VLX达到零时接通。开关27关断的时间点是通过开关27的峰值电流达到微控制器电路9中生成的参考峰值电流的时间。所得开关驱动信号boost_drv示为图6底部的信号。通过实施于微控制器电路9中的控制方法,对通过开关27的电流的过零的检测相应地用于触发用在LED驱动电路12中的耦合电感器升压转换器的下一循环。LED驱动电路12的整个控制仅仅使用微控制器电路9的资源来执行。具体地说,模拟比较器17、18保证尤其适合于提供开关27的高切换频率的快速信号处理。因此,当遵循本发明方法时,可省去用于控制现有技术解决方案的LED驱动电路12'等切换模式电源的LED控制IC 13。
图7示出根据实施例的执行对应急转换器装置1的控制的方法的基本流程图。具体地说,所述方法包括微控制器电路12以一定模式控制开关27,在所述模式中,依靠储能装置2操作驱动器电路12。
所述方法包括第一步骤S1:微控制器电路12获得包含关于来自灯驱动器电路12的储能装置2的放电电流信息的第一信号。
所述方法继续进行步骤S2:微控制器电路9获得包含通过驱动器电路12的电感器L2的电流是否达到零的信息的第二信号。
所述方法进行到步骤S3:比较包含关于放电电流信息的第一信号与放电电流参考信号。
所述方法进一步在步骤S4中比较所获取的第二信号,其包含通过驱动器电路21的电感器L2的电流是否达到零的信息。
在步骤S5中,所述方法生成开关驱动信号boost_drv以便维持来自储能装置2的预定放电电流,并且将生成的开关驱动信号boost_drv提供给照明驱动电路12的开关27。

Claims (3)

1.一种转换器装置,所述转换器装置用于依靠储能装置(2)操作,所述转换器装置包括:
灯驱动器电路(12),其以边界传导模式操作,其中,所述灯驱动器电路(12)以包括开关(27)以及串联连接的第一电感器(L1)和第二电感器(L2)的耦合电感器升压电路拓扑结构实施,
其中,所述灯驱动器电路(12)配置成通过所述第二电感器(L2)向LED模块(4)输出电感器电流,以及
其特征在于
所述转换器装置还包括配置成对所述储能装置(2)充电的充电器电路(7)以及配置成控制所述充电器电路(7)的微控制器电路(9),
所述灯驱动器电路(12)还包括分压器(31,32),所述分压器(31,32)被布置为与所述开关(27)并联,其中,所述分压器(31,32)配置成向所述微控制器电路(9)的比较器(18)的第一输入端提供电压信号,
其中,所述微控制器电路(9)包括参考信号生成器(24),所述参考信号生成器(24)配置成向所述比较器(18)的第二参考输入端提供阈值电压用于检测所述电感器电流的过零;以及
所述微控制器电路(9)配置成,当所述比较器(18)检测到所述电感器电流的过零时,将所述灯驱动器电路(12)的所述开关(27)切换成导通状态。
2.根据权利要求1所述的转换器装置,其特征在于
所述微控制器电路(9)配置成以循环逐循环为基础控制所述电感器电流。
3.根据权利要求1或2所述的转换器装置,其特征在于
所述转换器装置还包括所述储能装置(2),并且
所述灯驱动器电路(12)还包括分流电阻器(30),所述分流电阻器(30)连接在所述开关(27)和所述储能装置(2)的接地电势之间,并且
所述微控制器电路(9)配置成通过监测所述分流电阻器(30)上的电压来测量电池放电电流。
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