CN114900058B - 一种单火线供电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新型单火线供电装置。所述单火线供电装置包括供电电路，所述供电电路包括初级电路和次级电路；所述初级电路用于利用交流电相位差产生高低电平输出直流电压为所述次级电路供电；所述次级电路用于将所述初级电路输出的直流电压进行降压并进行储能，通过所述次级电路中的末端储能电路进行外部负载供电输出。

Description

一种单火线供电装置
技术领域
本发明提出了一种单火线供电装置，属于电路电子技术领域。
背景技术
家居环境中各种低电压用电产品在家居生活中随处可见，然而，现有的低电压用电家居产品在电池供电过程中，往往需要专门设置取点插座位，为家居电子产品的使用带来的不便。本发明为了解决家居条件下，从单开关内取电以供各类传感器应用的问题。提出了一种单火线供电装置，用以解决各类居家传感器电池供电及一些要专门设置取电插座位的问题。
发明内容
本发明提供了一种型单火线供电装置，用以解决各类居家传感器电池供电及一些要专门设置取电插座位的问题，采取的技术方案如下：
一种单火线供电装置，所述单火线供电装置包括供电电路，所述供电电路包括初级电路和次级电路；所述初级电路用于利用交流电相位差产生高低电平输出直流电压为所述次级电路供电；所述次级电路用于将所述初级电路输出的直流电压进行降压并进行储能，通过所述次级电路中的末端储能电路进行外部负载供电输出。
进一步地，所述初级电路包括相位整合取电电路、比较电路和稳压管；所述相位整合取电电路的正负信号端分别与火线接线柱和负载接线柱电连接；所述相位整合取电电路与所述比较电路进行电连接；所述比较电路的输出端与所述稳压管进行电连接；所述稳压管的输出端即为所述初级电路的直流电压输出端。
进一步地，所述初级电路的直流电压输出端的输出电压为24V。
进一步地，所述相位整合取电电路的输出电流的最大值范围为18MA-28MA。
进一步地，所述次级电路包括稳压电路、采样电路和末端储能电路；所述稳压电路的电压信号输入端与所述初级电路的直流电压信号输出端相连；所述稳压电路的电压信号输出端与所述采样电路的电压信号输入端相连；所述采样电路的电信号输出端与所述末端储能电路的电信号输入端相连；所述末端储能电路的信号输出端即为所述供电电路的电信号输出端。
进一步地，所述次级电路将所述初级电路输出的24V直流电压信号降压为电压范围为3V-4.1V的直流电压；所述电压范围为3V-4.1V的直流电压即为末端储能电路的工作电压。
进一步地，所述采样电路采用1.2V的比较电路，用于对所述稳压电路输出的降压后的直流电压信号进行采样，根据采样到的直流电压信号控制次级电路的输出电流。
进一步地，所述单火线供电装置还包括开关模组；所述开关模组包括开关和开关控制模块；所述开关设置于所述供电电路与火线接线柱建立电连接的线路上；所述开关控制模块与所述开关进行电连接；所述开关控制模块用于控制所述开关电路的闭合和断开。
进一步地，所述开关控制模块包括核心处理器、开关控制电路、模数转换电路和电信号采集模块；所述电信号采集模块实时采集所述相位整合取电电路的输出电流信号和末端储能电路的输出电信号，所述电信号采集模块的信号输出端与所述模数转换电路的信号输入端相连；所述模数转换电路的信号输出端与所述核心处理器的信号输入端相连；所述核心处理器的信号输出端与所述开关控制电路的控制信号输入端相连；所述开关控制电路的控制信号输出端与所述开关的开关控制端电连接。其中，所述核心处理器采用单片机芯片。
进一步地，所述开关模组的运行过程包括：
在所述单火线供电装置初步接入负载时，所述开关控制模块控制开关处于闭合状态，使所述供电电路与火线接线柱之间的建立电连接通路；
通过所述电信号采集模块实时采集所述相位整合取电电路的输出电流信号，判断所述相位整合取电电路的输出电流信号值，同时，通过根据采集到的所述末端储能电路的输出电信号获取仅通过所述末端储能电路为负载进行供电情况下的最大供电时长；
当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为I≤1.8MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第一安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第一安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开，采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.70倍-0.78倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态；其中，所述第一安全使用时间通过如下公式获取：
Figure GDA0004196111610000021
其中，Ta1表示第一安全使用时间；T0表示预先设置的基础安全时间长度；T1表示所述最大供电时长；T2表示所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态；
当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为1.8MA<I≤2.3MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第二安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第二安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开；采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.75倍-0.82倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态直至所述末端储能电路充满电后，所述开关控制模块再次控制所述开关断开，往复此过程三次，使所述负载仅通过所述末端储能电路进行供电三次后，所述开关控制模块恢复开关闭合状态直至经历下一个第二安全使用时间段；其中，所述第二安全使用时间通过如下公式获取：
其中，所述第二安全使用时间通过如下公式获取：
Figure GDA0004196111610000031
其中，Ta2表示第二安全使用时间；T0表示预先设置的基础安全时间长度；T1表示所述最大供电时长；T2表示所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态；
当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为2.3MA<I≤2.8MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第三安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第三安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开；采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.85倍-0.90倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态直至所述末端储能电路充满电后，所述开关控制模块再次控制所述开关断开，往复此过程五次，使所述负载仅通过所述末端储能电路进行供电五次后，所述开关控制模块恢复开关闭合状态直至经历下一个第三安全使用时间段；其中，所述第三安全使用时间通过如下公式获取：
其中，所述第三安全使用时间通过如下公式获取：
Figure GDA0004196111610000032
其中，Ta3表示第三安全使用时间；T0表示预先设置的基础安全时间长度；T1表示所述最大供电时长；T2表示所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态。
本发明有益效果：
本发明提出了一种单火线供电装置，通过新型单火线供电装置的电路结构的设置能够适用于各种家居小型低压电子设备，从单火线上直接获取电能信号，无需设置额外的电插座位，有效解决各类居家传感器电池供电及一些要专门设置取电插座位的问题，进而有效解决低功耗家居电子设备无法直接从单火线取电的问题，同时，有效提高低功耗家居电子设备的供电稳定性。另一方面，本发明提出的新型单火线供电装置电路结构简单，有效降低制作成本，并且安装方便，具有较高的运行可靠性和稳定性。
附图说明
图1为本发明所述新型单火线供电装置的电路原理图；
图2为本发明所述新型单火线供电装置的电路结构图；
图3为本发明所述所述新型单火线供电装置的PCB制图；其中，(a)图为PCB制图正面图；(b)图为PCB制图反面图；
图4为本发明所述所述新型单火线供电装置的电气连接图；
图5为本发明所述开关模组的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种单火线供电装置，如图1所示，所述单火线供电装置包括供电电路，所述供电电路包括初级电路和次级电路；所述初级电路用于利用交流电相位差产生高低电平输出直流电压为所述次级电路供电；所述次级电路用于将所述初级电路输出的直流电压进行降压并进行储能，通过所述次级电路中的末端储能电路进行外部负载供电输出。
其中，所述初级电路包括相位整合取电电路、比较电路和稳压管；所述相位整合取电电路的正负信号端分别与火线接线柱和负载接线柱电连接；所述相位整合取电电路与所述比较电路进行电连接；所述比较电路的输出端与所述稳压管进行电连接；所述稳压管的输出端即为所述初级电路的直流电压输出端。所述初级电路的直流电压输出端的输出电压为24V。所述相位整合取电电路的输出电流的最大值范围为18MA-28MA。
所述次级电路包括稳压电路、采样电路和末端储能电路；所述稳压电路的电压信号输入端与所述初级电路的直流电压信号输出端相连；所述稳压电路的电压信号输出端与所述采样电路的电压信号输入端相连；所述采样电路的电信号输出端与所述末端储能电路的电信号输入端相连；所述末端储能电路的信号输出端即为所述供电电路的电信号输出端。所述次级电路将所述初级电路输出的24V直流电压信号降压为电压范围为3V-4.1V的直流电压；所述电压范围为3V-4.1V的直流电压即为末端储能电路的工作电压。其中，所述采样电路采用1.2V的比较电路，用于对所述稳压电路输出的降压后的直流电压信号进行采样，根据采样到的直流电压信号控制次级电路的输出电流。
具体的电路结构，如图2至图4所示，初级电路通过利用交流电相位差产生高低电平，从中取电，经过比较器进行电压的钳制，配合稳压管，输出24V电压，供后级电。次级电路用U5芯片将初级电路输入的24V进行降压到3V-4.1V，同时，利用初级电路输出的24V导通MOS管TR7。其中，所述初级电路通过U5芯片的SW脚进行电感储能，D29为续流二极管，D30为整流二极管，通过D29为续流二极管，D30为整流二极管的设置将24V电压降低至3V-4.1V，另外，芯片U4是一个微型的三端可调电路，用来调整输出电压，同时将+BAT电压信号反馈回U5芯片。其中，芯片U4可视为一个对末级LI电池的一个充电保护电路，有效防止过充过压。通过这种电路设置能够在最大化降低电路组成部件和结构复杂化的同时，有效提高电路运行的稳定性和可靠性。
上述技术方案的工作原理和效果为：本实施例提出了一种单火线供电装置，通过新型单火线供电装置的电路结构的设置能够适用于各种家居小型低压电子设备，从单火线上直接获取电能信号，无需设置额外的电插座位，有效解决各类居家传感器电池供电及一些要专门设置取电插座位的问题，进而有效解决低功耗家居电子设备无法直接从单火线取电的问题，同时，有效提高低功耗家居电子设备的供电稳定性。另一方面，本实施例提出的新型单火线供电装置电路结构简单，有效降低制作成本，并且安装方便，具有较高的运行可靠性和稳定性。
本发明的一个实施例，所述单火线供电装置还包括开关模组；所述开关模组包括开关和开关控制模块；所述开关设置于所述供电电路与火线接线柱建立电连接的线路上；所述开关控制模块与所述开关进行电连接；所述开关控制模块用于控制所述开关电路的闭合和断开。
其中，所述开关控制模块包括核心处理器、开关控制电路、模数转换电路和电信号采集模块；所述电信号采集模块实时采集所述相位整合取电电路的输出电流信号和末端储能电路的输出电信号，所述电信号采集模块的信号输出端与所述模数转换电路的信号输入端相连；所述模数转换电路的信号输出端与所述核心处理器的信号输入端相连；所述核心处理器的信号输出端与所述开关控制电路的控制信号输入端相连；所述开关控制电路的控制信号输出端与所述开关的开关控制端电连接。其中，所述核心处理器采用单片机芯片。
具体的，所述开关模组的运行过程包括：
步骤1、在所述单火线供电装置初步接入负载时，所述开关控制模块控制开关处于闭合状态，使所述供电电路与火线接线柱之间的建立电连接通路；
步骤2、通过所述电信号采集模块实时采集所述相位整合取电电路的输出电流信号，判断所述相位整合取电电路的输出电流信号值，同时，通过根据采集到的所述末端储能电路的输出电信号获取仅通过所述末端储能电路为负载进行供电情况下的最大供电时长；
步骤3、当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为I≤1.8MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第一安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第一安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开，采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.70倍-0.78倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态；其中，所述第一安全使用时间通过如下公式获取：
Figure GDA0004196111610000061
其中，Ta1表示第一安全使用时间；T0表示预先设置的基础安全时间长度；T1表示所述最大供电时长；T2表示所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态；
步骤3、当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为1.8MA<I≤2.3MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第二安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第二安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开；采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.75倍-0.82倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态直至所述末端储能电路充满电后，所述开关控制模块再次控制所述开关断开，往复此过程三次，使所述负载仅通过所述末端储能电路进行供电三次后，所述开关控制模块恢复开关闭合状态直至经历下一个第二安全使用时间段；其中，所述第二安全使用时间通过如下公式获取：
其中，所述第二安全使用时间通过如下公式获取：
Figure GDA0004196111610000062
其中，Ta2表示第二安全使用时间；T0表示预先设置的基础安全时间长度；T1表示所述最大供电时长；T2表示所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态；
步骤3、当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为2.3MA<I≤2.8MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第三安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第三安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开；采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.85倍-0.90倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态直至所述末端储能电路充满电后，所述开关控制模块再次控制所述开关断开，往复此过程五次，使所述负载仅通过所述末端储能电路进行供电五次后，所述开关控制模块恢复开关闭合状态直至经历下一个第三安全使用时间段；其中，所述第三安全使用时间通过如下公式获取：
其中，所述第三安全使用时间通过如下公式获取：
Figure GDA0004196111610000071
其中，Ta3表示第三安全使用时间；T0表示预先设置的基础安全时间长度；T1表示所述最大供电时长；T2表示所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态。
上述技术方案的效果为：由于本发明提出的单火线供电装置家具是直接从火线上获取电能，因此，其为负载供电过程中一定不能出现负载短路和长时间大电流供电情况，然而，在家居电子设备使用过程中，常常出现边充电边使用的情形，因为，为了避免负载出现长时间大电流运行的情况，本发明提出的单火线供电装置设置了开关模组，通过开关模组实时监测供电情况，并在供电情况达到预设情况时，适时断开供电电路与火线之间的通路，采用单火线供电装置的储能电路进行单独供电，通过这种方式缩短持续充电或供电时长，提高用电安全和用电保护力度。
同时，通过上述方式和计算公式设置安全使用时间和供电模式，能够根据用电负载的实际情况进行安全使用时间的设置，有效提高安全使用时间的设置与实际用电负载之间的匹配性和全使用时间设置的合理性，能够保证负载用电满足用户需求，不影响用户使用电子设备的情况下，最大限度降低持续供电时长，进而进行用电安全保护。有效防止安全使用时间设置过长导致单火线供电装置使用安全性和稳定性降低的问题发生，又能够防止安全使用时间设置过短导致频繁使用充电储能电路为负载供电，提高储能电路的损耗，降低单火线供电装置使用寿命的问题发生，。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种单火线供电装置，其特征在于，所述单火线供电装置包括供电电路，所述供电电路包括初级电路和次级电路；所述初级电路用于利用交流电相位差产生高低电平输出直流电压为所述次级电路供电；所述次级电路用于将所述初级电路输出的直流电压进行降压并进行储能，通过所述次级电路中的末端储能电路进行外部负载供电输出；
所述单火线供电装置还包括开关模组；所述开关模组包括开关和开关控制模块；所述开关设置于所述供电电路与火线接线柱建立电连接的线路上；所述开关控制模块与所述开关进行电连接；所述开关控制模块用于控制开关电路的闭合和断开；
所述开关控制模块包括核心处理器、开关控制电路、模数转换电路和电信号采集模块；所述电信号采集模块实时采集相位整合取电电路的输出电流信号和末端储能电路的输出电信号，所述电信号采集模块的信号输出端与所述模数转换电路的信号输入端相连；所述模数转换电路的信号输出端与所述核心处理器的信号输入端相连；所述核心处理器的信号输出端与所述开关控制电路的控制信号输入端相连；所述开关控制电路的控制信号输出端与所述开关的开关控制端电连接；
所述开关模组的运行过程包括：
在所述单火线供电装置初步接入负载时，所述开关控制模块控制开关处于闭合状态，使所述供电电路与火线接线柱之间的建立电连接通路；
通过所述电信号采集模块实时采集所述相位整合取电电路的输出电流信号，判断所述相位整合取电电路的输出电流信号值，同时，通过根据采集到的所述末端储能电路的输出电信号获取仅通过所述末端储能电路为负载进行供电情况下的最大供电时长；
当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为I≤1.8MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第一安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第一安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开，采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.70倍-0.78倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态；
当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为1.8MA<I≤2.3MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第二安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第二安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开；采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.75倍-0.82倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态直至所述末端储能电路充满电后，所述开关控制模块再次控制所述开关断开，往复此过程三次，使所述负载仅通过所述末端储能电路进行供电三次后，所述开关控制模块恢复开关闭合状态直至经历下一个第二安全使用时间段；
当当前所述单火线供电装置接入负载，所述相位整合取电电路的输出电流信号为2.3MA<I≤2.8MA时，所述开关控制模块中的核心处理器设置第三安全使用时间段，并通过单火线供电电路与负载之间的电路导通状况实时监测负载连接状态，当所述负载在所述第一安全使用时间段内持续无间断的处于接入状态时，在所述第三安全使用时间段结束时刻，所述核心处理器通过所述开关控制电路控制所述开关断开；采用所述末端储能电路为持续接入的负载进行供电，并在达到范围为0.85倍-0.90倍的所述最大供电时长对应时刻下，所述开关控制模块控制开关恢复闭合状态直至所述末端储能电路充满电后，所述开关控制模块再次控制所述开关断开，往复此过程五次，使所述负载仅通过所述末端储能电路进行供电五次后，所述开关控制模块恢复开关闭合状态直至经历下一个第三安全使用时间段。
2.根据权利要求1所述单火线供电装置，其特征在于，所述初级电路包括相位整合取电电路、比较电路和稳压管；所述相位整合取电电路的正负信号端分别与火线接线柱和负载接线柱电连接；所述相位整合取电电路与所述比较电路进行电连接；所述比较电路的输出端与所述稳压管进行电连接；所述稳压管的输出端即为所述初级电路的直流电压输出端。
3.根据权利要求1或2所述单火线供电装置，其特征在于，所述初级电路的直流电压输出端的输出电压为24V。
4.根据权利要求2所述单火线供电装置，其特征在于，所述相位整合取电电路的输出电流的最大值范围为18MA-28MA。
5.根据权利要求1所述单火线供电装置，其特征在于，所述次级电路包括稳压电路、采样电路和末端储能电路；所述稳压电路的电压信号输入端与所述初级电路的直流电压信号输出端相连；所述稳压电路的电压信号输出端与所述采样电路的电压信号输入端相连；所述采样电路的电信号输出端与所述末端储能电路的电信号输入端相连；所述末端储能电路的信号输出端即为所述供电电路的电信号输出端。
6.根据权利要求1或5所述单火线供电装置，其特征在于，所述次级电路将所述初级电路输出的24V直流电压信号降压为电压范围为3V-4.1V的直流电压；所述电压范围为3V-4.1V的直流电压即为末端储能电路的工作电压。
7.根据权利要求5所述单火线供电装置，其特征在于，所述采样电路采用1.2V的比较电路，用于对所述稳压电路输出的降压后的直流电压信号进行采样，根据采样到的直流电压信号控制次级电路的输出电流。
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