CN217508283U - 一种低压电网信号投切电路 - Google Patents

Abstract

一种低压电网信号投切电路，包括电源电路、低压信号耦合电路及投切信号通路，电源电路和电源VCC端相连，低压信号耦合电路包括运算放大器，运算放大器的同相输入端接入PWM输入信号，反相输入端和电源电路的输出端相连并与运算放大器的输出端相连，运算放大器的输出端和隔离耦合线圈一次侧的一个输入端相连，隔离耦合线圈一次侧的另一个输入端和电源电路的输出端相连；投切负载通路包括绝缘栅双极型晶体管、负载电阻阵列以及整流电路，绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极和隔离耦合线圈二次侧的两个输出端相连，集电极和负载电阻阵列相连，整流电路与电力线的零线输入端和火线输入端相连。本实用新型电路结构简单、可以减少对电网的污染。

Description

一种低压电网信号投切电路

技术领域

本实用新型属于电子电路技术领域，具体涉及一种低压电网信号投切电路。

背景技术

近年来随着智慧电力和智能电网的兴起，电网系统管理逐渐走向智能化、远程化。电网系统中电表数量庞大，分布复杂，以低压三相电网为例，变压器三相电的每一相线上都有几十至几百只电表，这给日常台区电力管理带来了不变。为了方便管理，提高效率，现有电网系统基本都是采用电力线载波的通信方式作为通讯方案，电力线载波通信是利用OFDM技术实现多载波传输，其传输信号为电压形式，通过投切电路以低压到高压的耦合方式可以实现信号的注入。结构简单、功耗低的电路对于产品集成小型化有着很大的优势，因此如何优化电网信号投切电路的结构，满足产品需求是电表厂商的主要研发方向之一。此外，电网信号投切电路对二次侧耦合过程还需增加陷波等手段，工频回路的引入尤其是陷波器的使用增加了对电网的污染，此种污染一般为高频信号，电力线成为信号向外辐射的天线，会干扰其他频段设备运行。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、可以减少对电网的污染的低压电网信号投切电路。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种低压电网信号投切电路，包括：依次连接的电源电路、低压信号耦合电路及投切信号通路，所述电源电路和电源VCC端相连，所述低压信号耦合电路接入PWM信号，所述投切信号通路和电网的零线及火线相连；所述低压信号耦合电路包括依次连接的PWM信号处理电路及隔离耦合线圈，所述PWM信号处理电路包括运算放大器，所述运算放大器的同相输入端接入PWM输入信号，反相输入端和所述电源电路的输出端相连，反相输入端同时还与运算放大器的输出端相连，所述运算放大器的输出端和隔离耦合线圈一次侧的一个输入端相连，隔离耦合线圈一次侧的另一个输入端和所述电源电路的输出端相连；所述投切信号通路包括依次连接的绝缘栅双极型晶体管、负载电阻阵列以及整流电路，所述绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极和隔离耦合线圈二次侧的两个输出端相连，集电极和所述负载电阻阵列相连，所述整流电路与电力线的零线输入端和火线输入端相连。

更具体的，所述运算放大器的反相输入端分别经第四电阻和第五电阻和所述电源电路的输出端及地相连，所述运算放大器的输出端经第六电容和隔离耦合线圈一次侧的一个输入端相连。

更具体的，所述运算放大器的同相输入端连接有输入电阻，所述输入电阻的阻值为所述第四电阻和所述第五电阻并联总电阻值。

更具体的，所述隔离耦合线圈的输入端和输出端设置有保护电路，所述保护电路为稳压管或瞬态抑制二极管。

更具体的，所述整流电路为由四个整流二极管组成的整流桥。

更具体的，所述隔离耦合线圈二次侧的两个输出端之间设置有由第三瞬态抑制二极管和第六电阻构成的保护电路。

更具体的，所述电源电路包括分压电路和电压跟随器，电源VCC端经分压电路和所述电压跟随器的同相输入端相连，所述电压跟随器的反相输入端和电压跟随器的输出端相连，电压跟随器的输出端和所述低压信号耦合电路相连，所述电源VCC端和所述电压跟随器的同相输入端之间设置有第一滤波电路，所述电压跟随器的输出端和所述低压信号耦合电路之间设置有第二滤波电路。

更具体的，所述电压跟随器的同相输入端经第一电阻及第二电阻分别和电源VCC端和地相连，在电源VCC端和地之间接有第一瞬态抑制二极管。

更具体的，所述电源电路为电压调零电路，包括依次连接的第一调节电阻和第二调节电阻，所述第一调节电阻和电源VCC端连接，所述第二调节电阻接地，在所述第一调节电阻和所述第二调节电阻之间设置输出端，所述低压信号耦合电路的输入端和所述输出端相连。

由以上技术方案可知，本实用新型通过整流桥和IGBT的作用，将工频以受控开断的形式投切入有用信号，投切电路中不再设置陷波器，而投切信号通路中使用功率电阻作为负载形式，可以减少对电网的污染。而且通过设置隔离耦合线圈，实现低压-高压隔离，可以提高产品的安全性，能够适应恶劣的使用环境，尤其适合在电网中长期运行使用。同时采用隔离耦合线圈进行一二次侧的隔离，相比于使用如高速光耦等隔离元件，可以解决高速光耦的通信频率范围过窄的问题，可以满足低频应用的需求，且无需供电，电路更简单，适用场景更广泛，例如不同使用场景的通信频率不同时，只需根据需求匹配电路中器件参数，如运放、线圈(包括铁芯材质及绕组匝数比例等)、IGBT、整流桥二极管等的参数，围绕频率做相应变动即可。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的电路图；

图2为本实用新型实施例电压调零电路的电路图。

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；术语“左”、“右”、“中间”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实施例的低压电网信号投切电路包括依次连接的电源电路 A、低压信号耦合电路B和投切信号通路C。其中，电源电路A和单端电源VCC 相连，投切信号通路C和电网的零线及火线相连。

本实施例的电源电路A包括依次连接的第一滤波电路、保护电路、分压电路、电压跟随器以及第二滤波电路，其中，第一滤波电路由第一电容C1组成，起到电源滤波的作用，第二滤波电路由四个电容(C2、C3、C4、C5)组成。第一滤波电路的一端接单端电源VCC、另一端接地。保护电路采用瞬态抑制二极管，第一瞬态抑制二极管D1和第一电容C1并联，保护电路用于保护低压信号耦合电路B。电压跟随器U1B的同相输入端经分压电路和单端电源VCC相连，电压跟随器U1B的反相输入端和其输出端相连，电压跟随器U1B的输出端经第二滤波电路和低压信号耦合电路B的输入端相连，向低压信号耦合电路 B输出VCC/2电压。本实施例的分压电路由第一电阻R1和第二电阻R2组成，单端电源VCC与第一电阻R1相连，第一电阻R1的另一端同时和电压跟随器 U1B的同相输入端以及第二电阻R2相连，第二电阻R2的另一端接地。

低压信号耦合电路B包括依次连接的PWM信号处理电路及隔离耦合线圈 T1。PWM信号处理电路包括运算放大器U1A，PWM信号通过运算放大器U1A增加带载能力。运算放大器U1A的同相输入端接PWM输入信号，PWM输入信号可由模拟电路、晶振或MCU产生，PWM信号为矩形波。运算放大器U1A的反相输入端和电源电路A的输出端相连，运算放大器U1A的反相输入端同时还和运算放大器U1A的输出端相连。运算放大器U1A的输出端经第六电容C6和隔离耦合线圈T1一次侧的一个输入端相连，隔离耦合线圈T1一次侧的另一个输入端和电源电路A的输出端相连。输入的PWM信号波形幅值和电源管理电路输出的供电电压一致。第六电容C6起到隔直通交的作用，例如，PWM输入信号由MCU产生时，如果MCU没有PWM波形输出时，其输出引脚保持高或低电平，运算放大器U1A的输出端输出为直流，当有PWM波形输出时，运算放大器U1A的输出端输出为交流，第六电容C6可在没有PWM波形输出时保证隔离耦合线圈T1一次侧没有功耗产生，只有在有信号需耦合时才工作，由此减小功耗。

在其他实施例中，当输入的PWM信号波形幅值和电源管理电路输出的供电电压差别较大时，可通过第四电阻R4和第五电阻R5来调节运算放大器U1A的放大倍数，运算放大器U1A的同相输入端连接有输入电阻R3，输入电阻R3作为运放放大器U1A的输入电阻，可以为芯片内部晶体管提供合适的静态偏置，补偿运放输入失调电流、电压，运算放大器U1A的反相输入端分别经第四电阻 R4和第五电阻R5和电源电路A的输出端及地相连，输入电阻R3的阻值可为第四电阻R4和第五电阻R5并联总电阻值，输入电阻R3也可省略。

隔离耦合线圈T1的二次侧和投切信号通路C相连，由于电网信号投切电路用于电网通信等领域，要求隔离耦合线圈T1的耐压需求满足高低压隔离的标准，不仅具可以转换控制信号的作用，还要具有高低压隔离的功能。由于隔离耦合线圈T1的转换电压功能极易引起信号幅值波动，为了保证信号幅值稳定，可在隔离耦合线圈T1的输入端和输出端设置稳压管或瞬态抑制二极管作为保护电路，保护电路器件。本实施例在隔离耦合线圈T1一次侧的和第六电容C6相连的输入端设置第二瞬态抑制二极管D2，第二瞬态抑制二极管D2的一端经第六电容C6和隔离耦合线圈T1一次侧的一个输入端相连、另一端接地；同时在隔离耦合线圈T1二次侧的两个输出端之间连接第三瞬态抑制二极管 D3，第六电阻R6和第三瞬态抑制二极管D3并联，一起组成保护电路，避免电压过高，损坏绝缘栅双极型晶体管Q1。

投切信号通路C包括依次连接的绝缘栅双极型晶体管Q1(IGBT)、负载电阻阵列及整流电路。绝缘栅双极型晶体管Q1用于投切通路控制，隔离耦合线圈T1转换到二次侧的信号为绝缘栅双极型晶体管Q1的控制信号，当绝缘栅双极型晶体管Q1导通后可在电网系统中投切入额定电流。绝缘栅双极型晶体管 Q1的栅极和发射极和低压信号耦合电路B的输出端(隔离耦合线圈T1二次侧的两个输出端)相连，集电极和负载电阻阵列相连。

负载电阻阵列为零火线间主要负载，本实施例的负载电阻阵列由四个电阻 (R7、R8、R9、R10)组成，电阻的阻值可根据需求设计。当绝缘栅双极型晶体管Q1导通，向电网线路中投切电流，当绝缘栅双极型晶体管Q1断开，无投切电流。

本实施例的整流电路为由四个整流二极管(VD1、VD2、VD3、VD4)组成的整流桥，四个整流二极管可根据通信频率选择用合适型号。整流电路与电力线的零线输入端N及火线输入端L相连。

本实用新型低压电网信号投切电路的工作原理如下：以由MCU产生PWM信号为例，当MCU输出PWM信号时，运算放大器U1A的输出端输出为交流，通过隔离耦合线圈T1的信号耦合作用，隔离耦合线圈T1二次侧的电压变化会控制绝缘栅双极型晶体管Q1的通断，当IGBT导通，投切电路向相线投切电流，当 IGBT断开，无投切电流。

作为本实用新型另一种实施方式，电源电路A由图2所示的电压调零电路所替代。如图2所示，电压调零电路包括依次连接的第一调节电阻R11和第二调节电阻R12，第一调节电阻R11和单端电源VCC连接，第二调节电阻R12接地。在第一调节电阻R11和第二调节电阻R12之间设置输出端Vin，低压信号耦合电路B的输入端和输出端Vin相连。通过调节第一调节电阻R11、第二调节电阻R12的阻值比例即可实现对于输入波形PWM幅值变换，将其幅值抬高到合适值可提高耦合线圈转换效率，电路运行更稳定。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (9)

1.一种低压电网信号投切电路，其特征在于，包括：依次连接的电源电路、低压信号耦合电路及投切信号通路，所述电源电路和电源VCC端相连，所述低压信号耦合电路接入PWM信号，所述投切信号通路和电网的零线及火线相连；

所述低压信号耦合电路包括依次连接的PWM信号处理电路及隔离耦合线圈，所述PWM信号处理电路包括运算放大器，所述运算放大器的同相输入端接入PWM输入信号，反相输入端和所述电源电路的输出端相连，反相输入端同时还与运算放大器的输出端相连，所述运算放大器的输出端和隔离耦合线圈一次侧的一个输入端相连，隔离耦合线圈一次侧的另一个输入端和所述电源电路的输出端相连；

所述投切信号通路包括依次连接的绝缘栅双极型晶体管、负载电阻阵列以及整流电路，所述绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极和隔离耦合线圈二次侧的两个输出端相连，集电极和所述负载电阻阵列相连，所述整流电路与电力线的零线输入端和火线输入端相连。

2.如权利要求1所述的低压电网信号投切电路，其特征在于：所述运算放大器的反相输入端分别经第四电阻和第五电阻和所述电源电路的输出端及地相连，所述运算放大器的输出端经第六电容和隔离耦合线圈一次侧的一个输入端相连。

3.如权利要求2所述的低压电网信号投切电路，其特征在于：所述运算放大器的同相输入端连接有输入电阻，所述输入电阻的阻值为所述第四电阻和所述第五电阻并联总电阻值。

4.如权利要求1所述的低压电网信号投切电路，其特征在于：所述隔离耦合线圈的输入端和输出端设置有保护电路，所述保护电路为稳压管或瞬态抑制二极管。

5.如权利要求1所述的低压电网信号投切电路，其特征在于：所述整流电路为由四个整流二极管组成的整流桥。

6.如权利要求1所述的低压电网信号投切电路，其特征在于：所述隔离耦合线圈的二次侧的两个输出端之间设置有由第三瞬态抑制二极管和第六电阻构成的保护电路。

7.如权利要求1所述的低压电网信号投切电路，其特征在于：所述电源电路包括分压电路和电压跟随器，电源VCC端经分压电路和所述电压跟随器的同相输入端相连，所述电压跟随器的反相输入端和电压跟随器的输出端相连，电压跟随器的输出端和所述低压信号耦合电路相连，所述电源VCC端和所述电压跟随器的同相输入端之间设置有第一滤波电路，所述电压跟随器的输出端和所述低压信号耦合电路之间设置有第二滤波电路。

8.如权利要求7所述的低压电网信号投切电路，其特征在于：所述电压跟随器的同相输入端经第一电阻及第二电阻分别和电源VCC端和地相连，在电源VCC端和地之间接有第一瞬态抑制二极管。

9.如权利要求1所述的低压电网信号投切电路，其特征在于：所述电源电路为电压调零电路，包括依次连接的第一调节电阻和第二调节电阻，所述第一调节电阻和电源VCC端连接，所述第二调节电阻接地，在所述第一调节电阻和所述第二调节电阻之间设置输出端，所述低压信号耦合电路的输入端和所述输出端相连。

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