CN1107874C - 用于精确采集一由电输入量所导出的直流电流的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于精确采集一由电输入量所导出的直流电流的电路装置，采集由一脉冲发生器(PS)所产生的输出直流电流(Ia)，该脉冲发生器(PS)具有至少一用于形成一脉冲中间电压(Up)和一脉冲中间电流(Ip)的斩波器(z)，该中间电压(Up)和中间电流(Ip)经一滤波装置(GA)被转换成一输出直流电压(Ua)和输出直流电流(Ia)。本发明装置包括一用于电隔离地将脉冲中间电流采集并转换成一脉冲测量电压(Us)的电路(Ms)以及一由脉冲中间电压时钟控制的开关装置(Se)。该开关装置(Se)将脉冲测量电压(Us)与脉冲中间电压同步地输入一低通滤波器(Tp)，该滤波器(Tp)产生一正比于输出直流电流(Ia)的测量直流电压(Um3)。

Description

用于精确采集一由电输入量所导出的直流电流的电路装置

                           技术领域

本发明涉及一种采集直流电流的电路装置。

                           背景技术

为采集一电流，在大部分情况下都先将该电流转换为一与之成正比的电压，然后对它作进一步处理。在进一步求值中采用的经典方法是：对由一被测电流在一测量电阻上产生的一压降求值。然而随着电流的增加由此也出现了问题。视不同大小的测量电阻，要么会产生高的损耗功率，要么为限制损耗功率必须采用较小的测量电压。这样一来就影响测量的精度。

一种特别的情形是被测直流电流由时钟控制(getaktet)的电输入量导出。在图1中示出一适合这种情况的电路方块图。其中有关一种所谓的脉冲发生器PS的基本电路。该脉冲发生器PS包括一斩波器z，该斩波器z被供予一输入直流电压Ug。该斩波器z由此产生一脉冲中间电压Up和一脉冲中间电流Ip，该脉冲中间电流Ip具有例如一梯形的曲线形状。与该斩波器z相连接的有一用于中间电压Up和中间电流Ip的滤波装置GA，它将脉冲量转换成一输出直流电压Ua和一输出直流电流Ia。向该斩波器z提供一用于实际所希望的输出直流电压量Ua的设定值Ua^*。由此主要对斩波器z输出端的中间电压Up和中间电流Ip的脉冲频率施加影响，使得中间电压Up为一所需的值。

图2示出脉冲发生器PS的一滤波装置GA的基本电路。该基本电路包括一具有空转二极管Vf的滤波电抗器L，该电抗器L被供予脉冲中间电压Up和脉冲中间电流Ip。该电流的交流分量绝大部分为一第一滤波电容器Ca接收，这样在图1电路的输出端上产生一几乎纯粹的直流电压Ua且输出直流电流Ia相当于通过滤波电抗器L的平均电流I1。

在图3A、3B和3C中一起示出了图2电路中最重要的电信号的过程曲线。图3A示例性地示出从电路输入端脉冲中间电压Up的过程曲线中得到的三个脉冲P1、P2、P3。图3B中示出流经滤波电抗器的三角形电流I1和输出直流电流Ia的过程曲线。其中流经滤波电抗器L的电流I1由两分量组成。对脉冲P1、P2和P3之一的持续时间，电流I1对应于脉冲中间电流Ip的过程曲线，而在脉冲间歇时间内，电流I1则对应于流经空转二极管Vf的梯形电流If。

在图2所示的电路中还包括一部件M1，用它可采用熟知的方式对输出直流电流Ia的实际量进行采集。该第一电流测量电路M1包括一第一的为经过滤波电抗器L的电流所流经的测量电阻Rs1，在该电阻Rs1上可拾取一第一测量直流电压Um1，该直流电压Um1为输出直流电流Ia的一个度量。在该电路中出现了上文业已提及的问题，在测量电阻Rs1上出现很大的功率损耗。

通过使用一第二电流测量电路M2，该电路也已在图2电路例子中加以示出，则通过使用一电流互感器T几乎可避免在测量电阻上产生功率损耗。通过合适地选择其变换比，实际上对脉冲中间电流Ip的每一任意的值均可得到一足够大的脉冲测量直流Im。电流测量电路M2包括作为一第一分部件的一电路Ms，它用于采集脉冲中间电流Ip并将其电隔离地转换成电流互感器T副边的一脉冲测量电流Im。脉冲测量电流Im被输入一第一整流二极管Vs和一第二测量电阻Rs2。在该一定程度上组成电流采集电路Ms的输出的测量电阻上产生脉冲测量电压Us。

由于电流互感器T不能传递直流电流，因此测量电流Im仅仅脉冲式地被用于第二测量电阻Rs2。为重新得到一连续的测量信号，则在电流互感器T后连接一所谓的峰值检波器Sg。这样一种峰值检波器Sg的一实施例已在图2的电路中加以示出且由一第二整流二极管Vg以及一个由一阻尼电阻Rm和一第二滤波电容器Cm所组成的并联电路组成。在第二测量电路M2的输出端则有一第二测量直流电压Um2。

由此产生的问题是：该峰值检波器Sg从脉冲测量电流Im中产生一连续的测量直流电压Um2。该直流电压Um2却具有一仅仅近似正比于所寻求的电流Ip均值或所寻求的Ia的值的一个值。该测量电路M1的精度此外还由于第二整流二极管Vg的正向电压与温度有关受到影响。根据图3C所示的信号过程曲线，将在下面对上述情况加以详细说明。图3C中示出脉冲测量电流Im的脉冲，该脉冲测量电流Im出现在电流互感器T的副边上。由此在电流采集电路Ms的输出端的第二测量电阻Rs2上产生一脉冲测量电压Us。有如下的关系成立：Us＝Rs2×Im。由脉冲测量电压Us并通过一理想的峰值检波器可形成测量直流电压Um^*，该测量直流电压Um^*将取得与脉冲测量电压Us峰值相对应的一个量。事实上由于非理想的特性尤其是整流二极管Vg的非理想特性，在图2所示峰值检波器Sg的输出端上产生测量直流电压Um2。

相对于此的目的却是要产生这样一个测量直流电压，它具有相应于图3c中测量电压Us的脉冲均值的一个量。这样一种测量直流电压在图3c中具有信号Um2z的形状。其值正比于脉冲期间脉冲测量电流Im的均值且正比于所寻求的输出直流电流Ia的值。输出信号Um2偏离目标值Um2z的量对应于图2中电路的测量误差。

                           发明内容

本发明的目的是：以尽可能简单的方式来进一步改进上述类型的电流测量电路，使得电流的测量能具有高的精度。尤其是这种进一步的改进应可以不使用诸如电流互感器这样的其它磁性构件。

本发明的目的实现是通过在一种用于采集由一脉冲发生器(PS)所产生的输出直流电流(Ia)的装置，其中该脉冲发生器(PS)具有至少一用于形成一脉冲中间电压(Up)和一脉冲中间电流(Ip)的斩波器(z)，该电压(Up)和电流(Ip)经一滤波装置(GA)被转换成一输出直流电压(Ua)和一输出直流电流(Ia)，所述装置特征在于：a)一电路(Ms)，用于电隔离地对脉冲中间电流(Ip)进行采集并将其转换成一脉冲测量电压(Us)，b)一由脉冲中间电压(Up)时钟控制的开关装置(Se)，它将脉冲测量电压(Us)与脉冲中间电压(Up)同步地输入一低通滤波器(Tp)中，该低通滤波器产生一正比于输出直流电流(Ia)的测量直流电压(Um3)。的。

按照本发明，所述用于电隔离地采集和转换脉冲中间电流(Ip)的电路(Ms)包括一电流互感器(T)，该电流互感器将脉冲中间电流(Ip)转换成一脉冲测量电流(Im)。

按照本发明，所述用于电隔离地采集和转换脉冲中间电流(Ip)的电路(Ms)具有一第一整流二极管(Vs)和一测量电阻(Rs2)，由此将脉冲测量电流(Im)转换成脉冲测量电压(Us)。

按照本发明，所述时钟控制的开关装置(Se)具有一电子开关器(Vt)，具有一MOS晶体管，该晶体管经一控制电路(Ct1，Vk)受脉冲中间电压(Up)的时钟控制。

按照本发明，所述控制电路(Ct1，Vk)配置于脉冲中间电压(Up)的电势和脉冲测量电压(Us)的电势之间，其由一耦合电容(Ct1)和一箝位二极管(Vk)形成的串联电路所组成，其中耦合电容(Ct1)和箝位二极管(Vk)间的连接点与电子开关器(Vt)的控制电极相连。

按照本发明，所述低通滤波器(Tp)具有一个前置串联电阻(Rt)和滤波电容(Ct2)，在该滤波电容(Ct2)上抽取测量直流电压(Um3)。

                           附图说明

以下通过附图所示的实施例来进一步说明本发明，附图中：

图1为上面已加以说明的一借助脉冲中间信号由一输入直流电压来产生可调输出直流信号的装置的电路方块图，

图2为上面已加以说明的，具有两种测量输出直流电流可能性的用于对一脉冲中间电压整流的一已知的电路，

图3A、3B和3C则为上面已加以说明的图2电路中所选电流和电压的过程曲线，

图3D是对图3A、3B和3C的补充，它表示图4电路中所选电压的过程曲线，

图4为根据本发明的对图2电路的补充的一优选实施形式。

                           具体实施方式

以下根据图4电路对本发明装置的基本原理作进一步的详细说明，本发明装置用于采集按图1所示方块图通过一脉冲发生器PS来产生的输出直流电流Ia。图4中示出脉冲发生器PS的一滤波装置GA，其基本电路对应于图2所示的电路。为便于更好地了解，图2和图4中的相互一致的构件和电路部件具有相同的附图标记。滤波装置再次被输入一由一斩波器装置所形成的脉冲中间电压Up和一脉冲中间电流Ip，且由此形成一输出电压Ua和一输出电流Ia。输出直流电流Ia的实际值应从测量技术上加以采集。

为此图4的电路具有一分电路Ms，它用于电隔离地采集并将脉冲中间电流Ip转换成一脉冲测量电压Us。该电压部分优选地采取图2相同的方式加以构造。根据本发明在电流采集电路Ms上连接有一为脉冲中间电压Up时钟控制(getaktet)的开关装置Se。该开关装置Se将脉冲测量电压Us与脉冲中间电压Up同步地输入一低通滤波器Tp。该滤波器接着给出一测量直流电压Um3，它正比于所寻求的输出直流电流Ia的值。一用于该时钟控制的开关装置Se的控制电路优选地由一配置在脉冲中间电压Up的电势和脉冲测量电压Us的电势之间的，含有一耦合电容Ct1和一箝位二极管Vk的串联电路所组成，其中耦合电容和箝位二极管间的连接点与电子开关Vt的控制电极相连。

低通滤波器Tp优选地包括至少一前置串联电阻Rt和一滤波电容Ct2。对该时钟控制的开关装置Se进行控制，使得它总是在中间电流Ip的脉冲持续期间内接通。在该时间期间，通过低通滤波器Tp来形成脉冲中间电流Ip的平均值。在Ip的脉冲间歇期间，该时钟控制的开关装置Se保持断开的状态且低通滤波器的滤波电容Ct2保存事先已贮存的电荷直至下一电流脉冲到来。假设在如上述的由两电流分量Ip和If组成的滤波电抗器L中的三角形电流Il，在时钟控制的中间电压Ip的一脉冲的持续期间内近似线性地上升(电流分量Ip)且在脉冲间歇期重又近似线性地下降(电流分量If)，则在两个阶段会产生相同的平均值。该平均值以一第三测量电压Um3的形式经低通滤波器Tp由该时钟控制的开关装置Se输出端的电压Ut形成。两电压Um3和Ut被显示在图3D中。由接入该时钟控制的开关装置Se所引起，电压Ut在所示脉冲P1、P2和P3之一的期间对应于脉冲测量电压Us的过程曲线且在脉冲间歇期对应于平均值。该平均值通过低通滤波器即便在脉冲期流电压Um3，它几乎无偏差地对应于理想的测量值Um2z。由图4所示电路所产生的平均值由此对应于所期望的输出直流电流Ia的值。该值亦可用下面的公式来描述： $\mathrm{Ia}=\frac{\mathrm{Um}3}{n\left(T\right)\×\mathrm{Rs}2}$

Um3：低通滤波器Tp输出端的电压

u(T)：电流互感器T的变换比

Rs2：第二测量电阻值

Ia：输出电流

由上述公式可看到，本发明的测量装置的精度仅仅取决于测量电阻Rs2的品质。通过选取一高精度的测量电阻Rs2，则可从测量直流电压Um3中导出输出直流电流Ia的一精确实际值。

当时钟控制的开关装置Se以一电子电路形式来加以实现时具有特别的优点。图4示出采用一MOS晶体管Vt来简单实现的一实施例。对MOS晶体管Vt的控制直接通过脉冲中间电压Up来进行。晶体管Vt所需的控制电平可在一耦合电容Ct1的串联电路与一箝位二极管Vk的连接点上加以拾取。耦合电容Ct1与晶体管Vt的栅-源-电容一起构成一电容式分压器。由此晶体管Vt精确地在时钟控制的中间电压Up的脉冲期间被接通，亦即：当测量电流Im的一脉冲位于第二测量电阻Rs2上时被接通。

在本发明的另一实施例中，电子开关Vt也可有利地后接一高阶的低通滤波器Tp。由此可进一步提高电路的测量精度。

Claims (6)

1.一种用于精确采集一由电输入量所导出的直流电流的电路装置，采集由一脉冲发生器(PS)所产生的输出直流电流(Ia)，其中该脉冲发生器(PS)具有至少一用于形成一脉冲中间电压(Up)和一脉冲中间电流(Ip)的斩波器(z)，该电压(Up)和电流(Ip)经一滤波装置(GA)被转换成一输出直流电压(Ua)和一输出直流电流(Ia)，所述装置特征在于：

a)一电路(Ms)，用于电隔离地对脉冲中间电流(Ip)进行采集并将其转换成一脉冲测量电压(Us)，

b)一由脉冲中间电压(Up)时钟控制的开关装置(Se)，它将脉冲测量电压(Us)与脉冲中间电压(Up)同步地输入一低通滤波器(Tp)中，该低通滤波器产生一正比于输出直流电流(Ia)的测量直流电压(Um3)。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述用于电隔离地采集和转换脉冲中间电流(Ip)的电路(Ms)包括一电流互感器(T)，该电流互感器将脉冲中间电流(Ip)转换成一脉冲测量电流(Im)。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述用于电隔离地采集和转换脉冲中间电流(Ip)的电路(Ms)具有一第一整流二极管(Vs)和一测量电阻(Rs2)，由此将脉冲测量电流(Im)转换成脉冲测量电压(Us)。

4.如上述任一项权利要求所述的装置，其中，所述时钟控制的开关装置(Se)具有一电子开关器(Vt)，具有一MOS晶体管，该晶体管经一控制电路(Ct1，Vk)受脉冲中间电压(Up)的时钟控制。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述控制电路(Ct1，Vk)配置于脉冲中间电压(Up)的电势和脉冲测量电压(Us)的电势之间，其由一耦合电容(Ct1)和一箝位二极管(Vk)形成的串联电路所组成，其中耦合电容(Ct1)和箝位二极管(Vk)间的连接点与电子开关器(Vt)的控制电极相连。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述低通滤波器(Tp)具有一个前置串联电阻(Rt)和滤波电容(Ct2)，在该滤波电容(Ct2)上抽取测量直流电压(Um3)。

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