CN210327017U

CN210327017U - 一种限压电路和智能电能表

Info

Publication number: CN210327017U
Application number: CN201921371826.3U
Authority: CN
Inventors: 石小龙; 张治成; 章俊; 黎科; 张旭
Original assignee: Chengdu Tieda Electronics Corp
Current assignee: Chengdu Tieda Electronics Corp
Priority date: 2019-08-22
Filing date: 2019-08-22
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2029-08-22

Abstract

本实用新型公开了一种限压电路和智能电能表，包括：电压控制型开关、电阻器、正温度系数热敏电阻和压敏电阻；其中，电压控制型开关与电阻器串联后再与正温度系数热敏电阻并联形成串并联支路；串并联支路一端为限压电路的输入电极端，其另一端为限压电路输出电极端；串并联支路的另一端还与压敏电阻串联；压敏电阻一端与串并联支路连接，其另一端为限压电路的公共电极端；正温度系数热敏电阻与压敏电阻热耦合。通过该电阻器分压电路的动态导通提高限压电路的功率输出能力，适应于电能表不同工作状态的功率要求；还能使输出至电能表开关电源的电压在功率切换时(跳变过程中)也能稳定在110～330伏之间，从而保证了电能表开关电源的正常工作。

Description

一种限压电路和智能电能表

技术领域

本实用新型涉及稳压电源技术领域，尤其涉及一种限压电路和智能电能表。

背景技术

开关型稳压电源是许多电子设备的电源部分，它具有效率高、稳压性能好、电压适应范围宽等优点。在常规的220伏供电线路中，经常有由于零线接触不良或断路等故障造成的电压异常升高，异常电压最高值可达到接近380伏。而组成开关型稳压电源的整流桥、开关三极管、滤波电容器等元器件对异常过电压比较敏感，输入电压波动太高，容易损坏这些元器件，因此，需要一款限压电路，将电网电压的波动限制在安全值以下。电能计量用的智能电能表就采用了开关电源，当它接入220伏电网时，需要其内部的限压电路将电网电压的波动控制在110～330伏之间，以确保元器件的安全和开关电源的正常工作。

图1示出了现有的一种广泛应用在通信功能不强的老式电子式电能表中的限压电路，由于这种电能表在数据传输时不需要太大的功耗，只需要电源提供3 瓦以下的功率就够了，因此其采用如图1的限压电路就能实现很好的限压效果，该电路中串联在电源输入端的热敏电阻起分压的作用，并联在输出端的压敏电阻起限压作用，它们之间的热耦合即提高了响应速度，又相互提供了保护，具有不错的实际使用效果。然而随着物联网技术的发展，新型智能电能表的通信功能大幅增强，相应的功耗也要增加，这种智能电能表有两种工作状态，一种是单纯计量的状态，此时它的功耗在3瓦以下，输入的电流在10毫安以内，另一种是计量加通信(数据传输)的工作状态，此时，它的功耗在6～10瓦左右，输入的电流在30～100毫安左右，两种工作状态切换时输入电流有一个跳变过程。图1的限压电路就会因输出功率太低，动态范围太窄而使输出电压在功率切换后(跳变过程中)降低至100伏以下，不能稳定在110～330伏之间，电能表开关电源就不能可靠地正常工作。

实用新型内容

本实用新型的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种限压电路，能够适应新型智能电能表的不同工作状态，在电网电压超过330伏时，将输出至开关电源端的电压稳定地限制在110～330伏之间。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案包括以下各方面。

一种限压电路，包括：电压控制型电阻支路、正温度系数热敏电阻和压敏电阻；

其中，所述电压控制型电阻支路包括：电压控制型开关与电阻器，所述电压控制型开关与电阻器串联；所述电压控制型电阻支路与所述热敏电阻并联形成串并联支路；所述串并联支路一端为所述限压电路的输入电极端，其另一端引出一个抽头为所述限压电路输出电极端；所述串并联支路的另一端还与所述压敏电阻串联；所述压敏电阻一端与所述串并联支路连接，其另一端为所述限压电路的公共电极端；所述热敏电阻与所述压敏电阻热耦合。

优选的，所述限压电路用于在其输入电极端接入的电网电压高于预定电压处于异常电压时，对其输出电极端连接的负载电路进行限压保护；并当负载功率变化超过预定值时，热敏电阻的温度高于其居里温度点上方的热平衡点，使其两端电压上升从而触发所述电压控制型电阻支路导通，增大输出至被保护电路的功率范围。

优选的，所述限压电路中，所述电压控制型开关的导通电压值大于电网最大异常电压峰值与负载电路允许输入的最大电压值峰值的差值，小于电网最大异常电压峰值与负载电路允许输入的最小电压值峰值的差值。

优选的，所述限压电路中，所述电阻器的取值应该满足：当触发所述电压控制型开关导通后、所述负载电路处于最小工作电流状态时，所述电阻器产生的压降大于电网最大异常电压值与被保护电路允许输入的最大电压值的差值；当触发所述电压控制型开关导通后、所述负载电路处于最大工作电流状态时，所述电阻器产生的压降小于负载电路允许输入的最大电压值与负载电路允许输入的最小电压值的差值。

优选的，所述限压电路中，所述电压控制型开关为放电管，当接入的电网电压为220V时，所述放电管的直流击穿电压值为70V～380V。

优选的，所述限压电路中，所述电阻器的阻值取值为1.7千欧姆～2.4千欧姆。

优选的，所述限压电路中，当接入的电网电压为220V时，所述压敏电阻的标称压敏电压为390V，最大允许交流工作电压为250V。

优选的，所述限压电路中，所述电压控制型开关、电阻器、热敏电阻和压敏电阻被封装成一体，相应的电极端由引线引出。

进一步的，一种智能电能表，该智能电能表中包含上述限压电路。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型的限压电路通过在热敏电阻两端并联一条由动态开关(电压控制型开关)控制的电阻器分压电路，通过相应的元件参数的设置，该电压控制型开关能够适应于负载电路(被保护电路)不同功率状态动态导通，从而在电压控制型开关导通时将电阻器接入至限压电路时，提高该限压电路的功率输出能力，使限压电路能够输出动态范围较宽的功率值，使限压电路输出的功率值能够适应于电网电压异常状态下的负载电路不同工作状态的功率要求；通过该电阻器分压电路还能使输出至电能表开关电源的电压在功率切换时(跳变过程中)也能稳定在110～330伏之间，从而保证了电能表开关电源的正常工作。

附图说明

图1是现有技术中应用在通信功能不强的老式电子式电能表中的一种限压电路图。

图2是根据本实用新型示例性实施例的限压电路图。

附图标记：101-热敏电阻；102-压敏电阻；1-输入电极端；2-输出电极端； 3-输入电极端；4-压敏电阻；5-热敏电阻(正温度系数热敏电阻)；6-电压控制型开关；7-电阻器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，以使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图2示出了根据本实用新型示例性实施例的限压电路。该实施例的电路主要包括：电压控制型开关6、电阻器7、正温度系数热敏电阻5和压敏电阻4；

其中，所述电压控制型开关6与电阻器7串联后再与所述正温度系数热敏电阻5并联形成串并联支路；所述串并联支路一端为所述限压电路的输入电极端1，其另一端引出一个抽头为所述限压电路输出电极端2；所述串并联支路的另一端还与所述压敏电阻4串联；所述压敏电阻4一端与所述串并联支路连接，其另一端为所述限压电路的公共电极端；所述正温度系数热敏电阻5与所述压敏电阻4热耦合。

具体的，在实际使用中，将限压电路的输入电极端与220伏电网线路连接，将其输出电极端与电能表开关电源连接，开关电源正常工作的电压范围在110～ 330伏之间，此时选择压敏电阻的压敏电压为390伏，其最大允许交流工作电压为250伏。根据电网电压的稳定状态和电能表的工作状态，本实用新型的限压电路会有三种不同的工作方式，分别如下：

第一种工作方式：当输入电极端接入的电网电压低于250伏时，压敏电阻会处于高阻不发热的状态，热敏电阻也处于常温状态，热敏阻值为零功率阻值，为低阻状态。此时不管电能表是在计量状态还是通信状态，流过热敏电阻的电流在几毫安还是几十毫安，都低于热敏电阻在常温时的最小动作电流，不能引起热敏电阻发热、电阻值上升。此时，由于热敏电阻处于低阻状态，热敏电阻上的压降非常小(分压极小)，可以近似认为限压电路不起作用，电网电压几乎直接加在电能表的开关电源上。

第二种工作方式：当输入电极端接入的电网电压超过250伏(处于异常电压值)时，压敏电阻开始有电流流过并开始发热，压敏电阻产生的热量热耦合到热敏电阻使热敏电阻的阻值因受热而增大，热敏电阻上的分压加大，进而减缓了流进压敏电阻的电流，随着电网电压的升高，当流入压敏电阻的电流值达到10～30毫安时，就可在居里温度点上方达到热平衡，热敏电阻分担了一部分异常过电压，使输出到开关电源端的电压限制在330伏。这时如果电能表工作在计量状态，流过热敏电阻的电流只需要分流几个毫安流入开关电源，这点增量电流产生的热量并不能使热敏电阻的温度脱离热平衡点继续上升，热敏电阻的阻值也就不会继续增大，热敏电阻两端的分压也就不会继续增加，此时如果将限压电路中的电压控制型开关的导通电压值设置为高于这个分压值的电压值，电压控制型开关就不会打开导通，相应地，则不会有电流从串联有电压控制型开关的支路流过。此时，限压电路的输出功率能够保证电能表在计量状态下的正常工作。

当电网电压恢复正常后，压敏电阻两端的电压小于250伏，压敏电阻又回到高阻不导通状态，没有热量产生，热敏电阻耦合不到热量，阻值开始下降，其分压随之降低，最终回到第一工作方式。

第三种工作方式：如果电能表又处于电网电压异常状态，又工作在通信状态，限压电路输出到开关电源的电流需要增加到几十毫安，就会使热敏电阻因通过电流的增加而额外产生1瓦以上的功耗，产生的额外热量就会使热敏电阻的温度脱离热平衡点继续上升，在正温度系数热敏电阻的居里温度点上方，温度的微小上升会导致阻值的急剧增加，热敏电阻两端的分压也会迅速上升，输出到电能表开关电源端的电压也就会下降。一旦热敏电阻两端的分压超过了电压控制型开关的导通电压，开关就会导通，将电阻器与热敏电阻并联，提高了限压电路的功率输出能力，保证了输出到开关电源端的电压维持在110～330伏之间。

为使本实用新型的限压电路能够适应电网电压的稳定状态和电能表的工作状态实现第二种与第三种工作方式的切换，该电压控制型开关的导通电压的选值应满足使其大于电网最大异常电压峰值与所述限压电路允许输出的最高电压峰值的差值，小于电网最大异常电压峰值与所述限压电路允许输出的最低电压峰值的差值。在本实用新型进一步的实施例中，电压控制型开关可选用放电管来充当，当用在接入220伏电网的电能表限压电路中时，该放电管的直流击穿电压值可选在70～380伏之间。

进一步的，与电压控制型开关串联的电阻器的阻值的选值下限应满足使其在通过电能表切换到通信状态后的最小工作电流时，此阻值产生的压降等于电网最大异常电压值与输出到开关电源端的最大允许电压值的差值。电阻器的阻值的选值上限应满足使其在通过电能表切换到通信状态后的最大工作电流时，此阻值产生的压降等于所述限压电路输出到开关电源端的最大允许电压值和最小允许电压值的差值。如果设定工作在220伏电网中的电能表，通信状态下需消耗10瓦功率，开关电源端电压为330伏最高允许值时，输入的工作电流为最小值30毫安，开关电源端电压为110伏最低允许值时，输入的工作电流为最大值90毫安；电网最大异常电压为380伏。那么，电阻器阻值的下限就是RL＝(380 伏—330伏)/0.03安培＝1.7千欧，电阻器阻值的上限R_H＝(330伏—110伏)/0.09 安培＝2.4千欧。在这里，为了方便说明工作原理并省去繁杂的非线性计算，本设定忽略了放电管的最低维持导通电压值的分压和热敏电阻在不同阻值状态下的分流影响，在实际应用中，可以进行一些工程修正，只要有实验验证支持，阻值的上下限有很大的误差都是可以接受的。

按照上述思路优选元件参数后，在电网异常电压达到330伏以上高位时，一旦电能表进入通信状态，电压控制型开关(放电管)就会导通，输出到开关电源端的电压就会降到110～330伏之间，从而保证了电能表开关电源的正常工作。而这时压敏电阻将减少或停止发热，致使热敏电阻阻值下降，流过热敏电阻的电流增加，相应的流过电阻器的分流开始减小，当热敏电阻阻值降低到一定程度后，压敏电阻两端的电压又开始上升，压敏电阻又开始重新发热，阻止了热敏电阻阻值的进一步下降，输出到电能表开关电源的电压又重新平衡在330 伏。

当电能表结束通信功能回到计量状态后，流入电能表开关电源的电流从几十毫安骤降为几毫安，流过电阻器的分流就会小于放电管的最低维持放电电流 (该维持电流需大于约20毫安才能保持放电管导通)，放电管就会断开，电路回到第二工作方式的状态。

如果电能表仍然还工作在通信状态时，电网电压就已经恢复到正常电压，这时压敏电阻也会停止发热，热敏电阻阻值下降，分流增加，导致流过电阻器的电流减小，直到流过电阻器的分流减小到小于放电管的最低维持电流或者热敏电阻两端的电压降低到到小于放电管的最低维持电压(该维持电压需大于约 30伏才能保持放电管导通)，放电管就将断开，电路直接回到第一工作方式的状态。综上，本实例中的限压电路通过给热敏电阻并联一条由动态开关控制的电阻器分压电路(电压控制型开关)，动态提高了限压电路的功率输出能力，使限压电路的动态输出功率范围较宽，既能够适应于电能表既处于电网电压异常状态、又工作在通信状态时的功率要求，也保证了在跳变过程中输出至电能表开关电源的电压能够稳定在110～330伏之间，从而保证了电能表开关电源的正常工作。

除了在电能表的应用外，本实用新型的限压电路还可以应用在具有小功率开关电源的其它电器中，例如LED照明电器，在这些应用中，开关电源不一定要有大、小两种功率状态，对应的限压电路也就只有工作方式1和工作方式3 两种工作状态。

以上所述，仅为本实用新型具体实施方式的详细说明，而非对本实用新型的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种限压电路，其特征在于，所述限压电路包括：电压控制型电阻支路、正温度系数热敏电阻和压敏电阻；

其中，所述电压控制型电阻支路包括：电压控制型开关与电阻器，所述电压控制型开关与电阻器串联；所述电压控制型电阻支路与所述热敏电阻并联形成并联支路；所述并联支路一端为所述限压电路的输入电极端，其另一端引出一个抽头为所述限压电路输出电极端；所述并联支路的另一端还与所述压敏电阻串联；所述压敏电阻一端与所述并联支路连接，其另一端为所述限压电路的公共电极端；所述热敏电阻与所述压敏电阻热耦合。

2.如权利要求1所述的限压电路，其特征在于，所述限压电路用于在其输入电极端接入的电网电压高于预定电压处于异常电压时，对其输出电极端连接的负载电路进行限压保护；并当负载功率变化超过预定值时，热敏电阻的温度高于其居里温度点上方的热平衡点，使其两端电压上升从而触发所述电压控制型电阻支路导通，增大输出至被保护电路的功率范围。

3.如权利要求2所述的限压电路，其特征在于，所述电压控制型开关的导通电压值大于电网最大异常电压峰值与负载电路允许输入的最大电压值峰值的差值，小于电网最大异常电压峰值与负载电路允许输入的最小电压值峰值的差值。

4.如权利要求2所述的限压电路，其特征在于，所述电阻器的取值应该满足：当触发所述电压控制型开关导通后、所述负载电路处于最小工作电流状态时，所述电阻器产生的压降大于电网最大异常电压值与负载电路允许输入的最大电压值的差值；

当触发所述电压控制型开关导通后、所述负载电路处于最大工作电流状态时，所述电阻器产生的压降小于负载电路允许输入的最大电压值与负载电路允许输入的最小电压值的差值。

5.如权利要求1所述的限压电路，其特征在于，所述电压控制型开关为放电管，当接入的电网电压为220V时，所述放电管的直流击穿电压值为70V～380V。

6.根据权利要求1所述的限压电路，其特征在于，所述电阻器的阻值取值为1.7千欧姆～2.4千欧姆。

7.根据权利要求1所述的限压电路，其特征在于，当接入的电网电压为220V时，所述压敏电阻的标称压敏电压为390V，最大允许交流工作电压为250V。

8.根据权利要求1-7任一所述的限压电路，其特征在于，所述电压控制型开关、电阻器、热敏电阻和压敏电阻被封装成一体，相应的电极端由引线引出。

9.一种智能电能表，所述智能电能表中包含权利要求1-8任一所述的限压电路。