CN101308172B - 电流积分型功率检测装置及功率检测模块 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电流积分型功率检测装置及功率检测模块，其电流积分型功率检测装置包括电流采样电阻以及功率检测模块。电流采样电阻串接在交流负载的电路回路中。功率检测模块与电流采样电阻并联，其又包括滤波电路、压控电流源、恒流源、积分电容以及滞回比较器。滤波电路与电流采样电阻并联。压控电流源连接至滤波电路。积分电容分别与压控电流源及恒流源相连。滞回比较器连接至积分电容。本发明具有检测精确性高、成本低的优点。

Description

电流积分型功率检测装置及功率检测模块

技术领域

本发明涉及交流功率监测领域，特别涉及对电流为非正弦波形的负载功率进行精确检测的电流积分型功率检测装置及功率检测模块。

背景技术

功率是衡量负载是否正常工作的一个标准，在工业控制、智能家庭、智能楼宇、智能交通等领域中，经常会对交流功率进行测量和监测。例如，家庭中的智能开关产品中，通过监测负载功率的方式来实现用电产品的联动控制；又如，智能楼宇中，通过监测负载功率的方式来实现功率超高限报警。诸如此类的应用非常广泛。而当负载接有交流电源时，因通过负载的电流为交流电，所以通常需要先计算出交流电流的有效值，然后再由有效值来测出负载消耗的功率。而现有技术中测量交流电流的有效值常采用方式是：

第一，首先检测出交流电流的峰值，再通过交流电流的峰值并结合交流电的波形计算出交流电流的有效值。对于纯阻性负载，如白炽灯，这种方法得到的结果是比较准确的。但对于非纯阻性负载，如电视机、节能灯等，负载吸入的交流电流不是正弦波形，该电流在每一个正弦周期的若干时间段内很强，而在其它时间段内很弱甚至为零。在这种情况下，无法通过电流峰值准确的计算其有效值及负载功率，精度非常差，最大能有40～50％的测量误差。

第二，采用单片机对交流负载的采样电压、电流进行计算，并计算出其功率。如国家专利局申请号为200420055057.3的专利公开了一种交流电有效值测量仪，由PIC12F629型单片机、电阻、电容以及显示器构成。此交流电有效值测量仪以PIC12F629单片机为核心，利用比较器，定时/计数器等单片机内部资源以及自动可调的参考电压构造新颖的测量方法，实现对正弦交流电输入波形的数据实时采集。其通过测量出交流电某一时刻的电压作为参考电压，并结合从参考电压之后一段时间的波形，计算出交流电的有效值。此交流电有效值测量仪不仅能测量正弦交流信号的电压和电流，而且能测量其功率和频率，是一种真正的小型化、精简式交流电有效值测量仪。但其仍然必须依托交流电的正弦波形来进行计算有效值。因此当负载为非纯阻性负载时，此交流电有效值测量仪所测量出来的电压有效值仍会缺乏精确性。并且，此交流电有效值测量仪因采用了单片机等精密仪器，因此具有很高的成本，并是适合于一般的家庭电器使用。

综上所述，现有的交流负载功率的检测方式具有精确性差、成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流积分型功率检测装置，以解决现有技术中，交流负载功率的检测方式精确性差、成本高的问题。

本发明的另一目的是提供一种功率检测模块，以解决现有技术中，交流负载功率的检测方式精确性差、成本高的问题。

本发明提出一种电流积分型功率检测装置，用以对一交流负载的功率进行检测，其包括电流采样电阻以及功率检测模块。电流采样电阻串接在交流负载的电路回路中，用以根据其上与流过交流负载上的电流波形一致、相位相同的交流电流，采样出电流采样电阻两端且与交流负载上的交流电压成正比的采样电压。功率检测模块与电流采样电阻并联，用以根据电流采样电阻上的采样电压，实现对交流负载所消耗的功率的精确检测。其中，功率检测模块又包括滤波电路、压控电流源、恒流源、积分电容以及滞回比较器。滤波电路与电流采样电阻并联，用以滤除采样电压的负半周波形。压控电流源连接至滤波电路，用以根据被滤除负半周波形的采样电压形成放电电流/充电电流。恒流源，用以提供充电电流/放电电流。积分电容分别与压控电流源及恒流源相连，用以接受压控电流源的放电电流与恒流源的充电电流，或接受压控电流源的充电电流与恒流源的放电电流，并形成检测电压。滞回比较器连接至积分电容，用以根据积分电容上的检测电压的大小，实现对交流负载所消耗的功率进行检测，并输出表示交流负载功率大小的输出电压。

依照本发明较佳实施例所述的电流积分型功率检测装置，滤波电路包括二极管，其阳极接地，其阴极连接至电流采样电阻，且其阴极作为滤波电路的输出端。

依照本发明较佳实施例所述的电流积分型功率检测装置，压控电流源包括第二运算放大器以及第一三极管。第二运算放大器的正向输入端连接至滤波电路的输出端，其输出端连接至第一三极管的基极，其反向输入端连接至第一三极管的发射极。第一三极管的发射极经过第三电阻后接地，第一三极管的集电极连接至积分电容。

依照本发明较佳实施例所述的电流积分型功率检测装置，恒流源包括固定电压输入端、第三运算放大器以及第二三极管。第三运算放大器的正向输入端经过可变电阻后连接至固定电压输入端，其反向输入端连接至第二三极管的发射极，其输出端与第二三极管的基极相连。第二三极管的发射极经过第五电阻后连接至固定电压输入端，第二三极管的集电极连接至积分电容。

依照本发明较佳实施例所述的电流积分型功率检测装置，滞回比较器包括第四运算放大器以及双向稳压管。第四运算放大器的反向输入端连接至积分电容，第四运算放大器的正向输入端经过第六电阻后接地，第四运算放大器的输出端经过第七电阻后连接至第四运算放大器的正向输入端，且第四运算放大器的输出端作为此滞回比较器的输出端。双向稳压管的一端连接至第四运算放大器的输出端，另一端接地。

依照本发明较佳实施例所述的电流积分型功率检测装置，功率检测模块还包括放大电路，其分别与滤波电路及压控电流源相连，用以将滤波电路过滤后的电压放大，并输出至压控电流源。

依照本发明较佳实施例所述的电流积分型功率检测装置，放大电路包括第一运算放大器，其正向输入端连接至滤波电路的输出端，其反向输入端经过第一电阻后接地，且其反向输入端经过第二电阻后连接至其输出端。

本发明另提出一种功率检测模块，用以利用电流采样电阻实现对交流负载功率的检测，电流采样电阻与交流负载串接在电路回路中。此功率检测模块包括滤波电路、压控电流源、恒流源、积分电容以及滞回比较器。滤波电路与电流采样电阻并联，用以滤除采样电压的负半周波形。压控电流源连接至滤波电路，用以根据被滤除负半周波形的采样电压形成放电电流/充电电流。恒流源，用以提供充电电流/放电电流。积分电容分别与压控电流源及恒流源相连，用以接受压控电流源的放电电流与恒流源的充电电流，或接受压控电流源的充电电流与恒流源的放电电流，并形成检测电压。滞回比较器连接至积分电容，用以根据积分电容上的检测电压的大小，实现对交流负载所消耗的功率进行检测，并输出表示交流负载功率大小的输出电压。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明通过检测交流电流的半波平均值来计算其有效值及负载功率，再利用电容对电流的积分作用来比较设定的电流值与交流电流半波平均值的大小，从而实现检测交流功率的目的。因此本发明在交流电流的波形为非正弦波时，也能准确地对负载功率进行检测。另外，本发明因只使用到简单的电子元器件，因此还具备了成本低廉的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的一种电流积分型功率检测装置整体连接图；

图2为本发明实施例的第一种功率检测模块内部结构图；

图3为本发明实施例的第二种功率检测模块内部结构图；

图4为本发明实施例的第三种功率检测模块内部结构图；

图5为本发明实施例的一种滤波电路与放大电路的结合电路图；

图6为本发明实施例的一种压控电流源电路图；

图7为本发明实施例的一种恒流源电路图；

图8为本发明实施例的一种滞回比较器的电路图。

具体实施方式

本发明的原理是：利用电容对电流的积分作用来比较设定电流值与交流电流半波平均值的大小，并达到检测交流功率的目的。

以下结合附图，具体说明本发明。

请参见图1，其为本发明实施例的一种电流积分型功率检测装置整体连接图。负载101设置于设置于火线L与零线N之间，并形成回路。本发明的电流积分型功率检测装置103包括电流采样电阻R以及功率检测模块105。电流采样电阻R串接在负载101的电流回路中，电流采样电阻R也可使用其它阻性元件来代替，其目的为采样出与流过负载101上的电流波形一致、相位相同，成正比的电压。功率检测模块105与电流采样电阻R相连，其用以根据电流采样电阻R上的电压，实现对负载101所消耗的功率的检测。

请参见图2，其为本发明实施例的第一种功率检测模块内部结构图。此功率检测模块包括滤波电路201、压控电流源203、恒流源205、积分电容207以及滞回比较器209。滤波电路201与电流采样电阻R并联。压控电流源203连接至滤波电路201。积分电容207分别与压控电流源203、恒流源205及滞回比较器209相连。

此功率检测模块工作时，滤波电路201滤除电流采样电阻R上电压的负半周波形，并输出至压控电流源203，由压控电流源203形成一个放电电流，此放电电流即为电流采样电阻R上半波交流电的平均值。积分电容207接收压控电流源203输出的放电电流以及恒流源205提供的一个设定的充电电流，并在积分电容207上形成一个检测电压。因积分电容207上的检测电压是经过电流采样电阻R上半波交流电的平均值与一个设定的电流充放电并稳定后形成的，也即是积分电容207上的电压是由电容对充电电流及放电电流的积分作用而形成的，而电流采样电阻R上的交流电与负载101上的交流电波形一致、相位相同，且成正比，所以积分电容207上的检测电压的大小可以反映出负载101所消耗的功率大小。然后，滞回比较器209根据积分电容207上的电压大小输出反映负载101功率大小的一个输出电压。例如，当负载101消耗的功率增大时，流经负载101的交流电流增强，电流采样电阻R两端电压增高，压控电流源203对积分电容的放电电流增大，则积分电容207的电压逐渐降低。当负载101消耗的功率超过设定的最大额定值时，滞回比较器209的输入电压会小于一个设定的最小阈值，此时滞回比较器209的输出电压表示负载101的功率超过了最大额定值。当负载101消耗的功率降低时，流经负载101的交流电流减小，电流采样电阻R两端电压降低，压控电流源203对积分电容的放电电流减小，则积分电容207的电压逐渐增大。当负载101消耗的功率低于设定的最小额定值时，滞回比较器209的输入电压会大于一个设定的最大阈值，此时滞回比较器209的输出电压表示负载101的功率低于最小额定值。因此可通过滞回比较器209的输出电压(也即是功率检测模块的输出电压)来对负载101进行联动控制或就负载101的功率消耗情况进行报警设置。

请参见图3，其为本发明实施例的第二种功率检测模块内部结构图。此功率检测模块包括滤波电路201、放大电路301、压控电流源203、恒流源205、积分电容207以及滞回比较器209。本实施例在上述图2的功率检测模块中增加了放大电路301，此放大电路301分别与滤波电路201及压控电流源203相连，用以将滤波电路201过滤后的电压放大，并输出至压控电流源203。

本发明的功率检测模块可以通过压控电流源203向积分电容207提供放电电流，通过恒流源205向积分电容207提供充电电流，同样也可以通过压控电流源203向积分电容207提供充电电流，通过恒流源205向积分电容207提供放电电流。请参见图4，其为本发明实施例的第三种功率检测模块内部结构图。此功率检测模块包括滤波电路201、放大电路301、压控电流源203、恒流源205、积分电容207以及滞回比较器209。

此功率检测模块的工作时，滤波电路201滤除电流采样电阻R上电压的负半周波形，并输出至放大电路301。放大电路301将已滤除负半周波形的电压放大后输出至压控电流源203，由压控电流源203形成一个充电电流，此充电电流即为电流采样电阻R上半波交流电的平均值。积分电容207接收压控电流源203输出的充电电流以及恒流源205提供的一个设定的放电电流，并在积分电容207上形成一个检测电压。因积分电容207上的检测电压是经过电流采样电阻R上半波交流电的平均值与恒流源205提供的电流充放电并稳定后形成的，而电流采样电阻R上的交流电与负载101上的交流电波形一致、相位相同，且成正比，所以积分电容207上的检测电压的大小可以反映出负载101所消耗的功率大小。然后，滞回比较器209根据积分电容207上的电压大小输出表示负载101功率大小的一个输出电压。例如，当负载101消耗的功率增大时，流经负载101的交流电流增强，电流采样电阻R两端电压增高，压控电流源203对积分电容的充电电流增大，则积分电容207的电压逐渐增强。当负载101消耗的功率超过设定的最大额定值时，滞回比较器209的输入电压会大于一个设定的最大阈值，此时滞回比较器209的输出电压表示负载101的功率超过了最大额定值。当负载101消耗的功率降低时，流经负载101的交流电流减小，电流采样电阻R两端电压降低，压控电流源203对积分电容的充电电流减小，则积分电容207的电压逐渐减小。当负载101消耗的功率低于设定的最小额定值时，滞回比较器209的输入电压会小于一个设定的最小阈值，此时滞回比较器209的输出电压表示负载101的功率低于最小额定值。因此可通过滞回比较器209的输出电压(也即是功率检测模块的输出电压)来进行联动控制或报警设置。

以下对功率检测模块中各个组成进行举例说明。

请参见图5，其为本发明实施例的一种滤波电路与放大电路的结合电路图。其中滤波电路201包括二极管D，其阳极接地，其阴极连接至电流采样电阻R，且其阴极作为滤波电路的输出端。当电流采样电阻R上通过的交流电处于波形的负半周时，二极管D导通，滤波电路201的输出端无电压输出；当电流采样电阻R上通过的交流电处于波形的正半周时，二极管D断开，滤波电路201的输出端有电压输出，因而此滤波电路201滤除了交流电的负半周波形。

放大电路301包括第一运算放大器A1，其正向输入端连接至滤波电路201的输出端，其反向输入端经过第一电阻后R1后接地，且其反向输入端经过第二电阻R2后连接至其输出端。放大电路301用以将滤波电路201过滤后的电压放大后输出至压控电流源203。

请参见图6，其为本发明实施例的一种压控电流源电路图。此压控电流源203包括第二运算放大器A2以及第一三极管T1。第二运算放大器A2的正向输入端连接至滤波电路201的输出端，其输出端连接至第一三极管T1的基极，其反向输入端连接至第一三极管T1的发射极。第一三极管T1的发射极经过第三电阻R3后接地，第一三极管的集电极连接至积分电容207。本实施例中第二运算放大器A2根据其正向输入端输入的电压产生一个电压信号，并导通第一三极管T1，使第一三极管T1的集电极产生一个放电电流，并对积分电容207进行放电。

请参见图7，其为本发明实施例的一种恒流源电路图。此恒流源205包括固定电压输入端701、第三运算放大器A3以及第二三极管T2。第三运算放大器A3的正向输入端经过可变电阻Rs后连接至固定电压输入端701，第三运算放大器A3的反向输入端连接至第二三极管T2的发射极，第三运算放大器A3的输出端与第二三极管T2的基极相连。第二三极管T2的发射极经过第五电阻R5后连接至固定电压输入端701，第二三极管T2的集电极连接至积分电容207。其中，固定电压输入端701可连接至火线，或由其它电源提供电压。通过调节第五电阻R5及可变电阻Rs使第三运算放大器A3的正向输入端与反向输入端之间的压差保持稳定，以使第二三极管T2的发射极输出一个恒定的充电电流。

请参见图8，其为本发明实施例的一种滞回比较器的电路图。此滞回比较器209包括第四运算放大器A4以及双向稳压管D。第四运算放大器A4的反向输入端连接至积分电容207，第四运算放大器A4的正向输入端经过第六电阻R6后接地，第四运算放大器A4的输出端经过第七电阻R7后连接至第四运算放大器A4的正向输入端，且第四运算放大器A4的输出端作为此滞回比较器209的输出端。双向稳压管D的一端连接至第四运算放大器A4的输出端，另一端接地。本实施例可以调整第四运算放大器A4以及第六电阻R6、第七电阻R7的阻值，来控制第四运算放大器A4的输出电压。当第四运算放大器A4反向输入端的电压(即积分电容207上的电压)大于一个设定的最大阈值时，其输出端输出低电平。当第四运算放大器A4反向输入端的电压(即积分电容207上的电压)小于一个设定的最小阈值时，其输出端输出高电平。因而滞回比较器209可以起到检测积分电容207上电压的作用。

本发明还提出一种功率检测模块，用以利用串接在交流负载回路中的电流采样电阻实现对交流负载功率的检测。其功能及结构与上述电流积分型功率检测装置中的功率检测模块105相同，故此处不再重复叙述。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明通过检测交流电流的半波平均值来计算其有效值及负载功率，再利用电容对电流的积分作用来比较设定的电流值与交流电流半波平均值的大小，从而实现检测交流功率的目的。因此本发明在交流电流的波形为非正弦波时，也能准确地对负载功率进行检测。另外，本发明因只使用到简单的电子元器件，因此还具备了成本低廉的优点。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何能实现本发明功能及本领域的技术人员能思之变化的电流积分型功率检测装置及功率检测模块，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电流积分型功率检测装置，用以对一交流负载的功率进行检测，其特征在于，包括：

一电流采样电阻，串接在该交流负载的电路回路中，用以根据其上与流过该交流负载上的电流波形一致、相位相同的一交流电流，采样出该电流采样电阻两端且与该交流负载上的交流电压成正比的一采样电压；

一功率检测模块，与该电流采样电阻并联，用以根据该电流采样电阻上的该采样电压，实现对该交流负载所消耗的功率的精确检测，其中，该功率检测模块又包括：

一滤波电路，其与该电流采样电阻并联，用以滤除该采样电压的负半周波形；

一压控电流源，其连接至该滤波电路，用以根据被滤除负半周波形的该采样电压形成一放电电流/充电电流；

一恒流源，用以提供一充电电流/放电电流；

一积分电容，其分别与该压控电流源及该恒流源相连，用以接受该压控电流源的该放电电流与该恒流源的该充电电流，或接受该压控电流源的该充电电流与该恒流源的该放电电流，并形成一检测电压；

一滞回比较器，其连接至该积分电容，用以根据该积分电容上的该检测电压的大小，实现对该交流负载所消耗的功率进行检测，并输出反映该交流负载功率大小的一输出电压。

2.如权利要求1所述的电流积分型功率检测装置，其特征在于，该滤波电路包括一二极管，其阳极接地，其阴极连接至该电流采样电阻，且其阴极作为该滤波电路的输出端。

3.如权利要求1所述的电流积分型功率检测装置，其特征在于，该压控电流源包括一第二运算放大器以及一第一三极管，该第二运算放大器的正向输入端连接至该滤波电路的输出端，该第二运算放大器的输出端连接至该第一三极管的基极，该第二运算放大器的反向输入端连接至该第一三极管的发射极，该第一三极管的发射极经过一第三电阻后接地，该第一三极管的集电极连接至该积分电容。

4.如权利要求1所述的电流积分型功率检测装置，其特征在于，该恒流源包括一固定电压输入端、一第三运算放大器以及一第二三极管，该第三运算放大器的正向输入端经过一可变电阻后连接至该固定电压输入端，该第三运算放大器的反向输入端连接至该第二三极管的发射极，该第三运算放大器的输出端与该第二三极管的基极相连，该第二三极管的发射极经过一第五电阻后连接至该固定电压输入端，该第二三极管的集电极连接至该积分电容。

5.如权利要求1所述的电流积分型功率检测装置，其特征在于，该滞回比较器包括一第四运算放大器以及一双向稳压管，该第四运算放大器的反向输入端连接至该积分电容，该第四运算放大器的正向输入端经过一第六电阻后接地，该第四运算放大器的输出端经过一第七电阻后连接至该第四运算放大器的正向输入端，且其作为该滞回比较器的输出端，该双向稳压管的一端连接至该第四运算放大器的输出端，该双向稳压管的另一端接地。

6.如权利要求1所述的电流积分型功率检测装置，其特征在于，该功率检测模块还包括一放大电路，其分别与该滤波电路及该压控电流源相连，用以将该滤波电路过滤后的电压放大，并输出至该压控电流源。

7.如权利要求6所述的电流积分型功率检测装置，其特征在于，该放大电路包括一第一运算放大器，其正向输入端连接至该滤波电路的输出端，其反向输入端经过一第一电阻后接地，且其反向输入端经过一第二电阻后连接至其输出端。

8.一种功率检测模块，用以利用一电流采样电阻实现对一交流负载功率的检测，该电流采样电阻与该交流负载串接在电路回路中，其特征在于，该功率检测模块包括：

一滤波电路，其与该电流采样电阻并联，用以滤除该采样电压的负半周波形；

一压控电流源，其连接至该滤波电路，用以根据被滤除负半周波形的该采样电压形成一放电电流/充电电流；

一恒流源，用以提供一充电电流/放电电流；

一积分电容，其分别与该压控电流源及该恒流源相连，用以接受该压控电流源的该放电电流与该恒流源的该充电电流，或接受该压控电流源的该充电电流与该恒流源的该放电电流，并形成一检测电压；

一滞回比较器，其连接至该积分电容，用以根据该积分电容上的该检测电压的大小，实现对该交流负载所消耗的功率进行检测，并输出表示该交流负载功率大小的一输出电压。

9.如权利要求8所述的功率检测模块，其特征在于，其还包括一放大电路，其分别与该滤波电路及该压控电流源相连，用以将该滤波电路过滤后的电压放大，并输出至该压控电流源。

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