专利名称：改进的无源电力调整器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种工业上广泛使用的电力调整器，确切地说，涉及一种改进电路结构，可以适用于三相交流电应用环境的无源电力调整器；属于电力电子器件技术领域。
背景技术：
近年来，微电子技术发展十分迅猛，超大规模集成技术可以把一个功能非常强大、电路非常复杂的电路集成在1～2平方厘米的硅片中。但是，由于各种原因，电源供电电路的集成化却进展缓慢，这给电力调整器的小型化、智能化、高性能和高可靠性的发展带来一个非常大的阻碍。
申请人在2003年元月研制成功的《无源电力调整器》(专利号03236263.3)装置作为无源电力调整器或自身电源(self-power)的电力调整器，在工业上获得广泛应用，市场反应甚好。该装置不用任何形式的外供电电源，只是将4～20mA工业标准控制信号转换成内部的控制信号和工作电源，为内部控制电路同时提供控制信号和电源。其技术特点是对工业标准控制信号4～20mA的底电流4mA的巧妙利用，即从中分离出内部所需的供电电源。因为在工业标准信号4～20mA中，4mA在控制系统中逻辑上被定义为0。这样能够最大程度简化电路设计，提高工作可靠性。该装置还应用现代较为先进的单片微型计算机和数字技术，实现了真正的无源数码技术。不但能够满足现代工业控制对调功器进行调功/调压一体化的需求，兼具调功和调压两种功能；并且调功、调压的转换非常简单。此外，该装置结构简单、接线少、体积小、安装方便、工作稳定可靠，在机械、化工、纺织、冶金、电镀、热处理等许多行业获得广泛应用。
但是，在实际应用中发现该无源电力调整器还存在有以下三个技术问题
1、输入阻抗太大通常的仪器仪表输出电流为4-20mA时，要求负载设备的输入阻抗在工作电流20mA时必须小于600欧姆。上述无源电力调整器装置的输入阻抗在工作电流20mA时为500欧姆，单独使用时没有问题。但是，当应用于三相交流电的加热系统时，需要使用三个无源电力调整器，将其输入端串联起来使用(参见图3)。但是，此时的总输入阻抗在工作电流20mA时达到1500欧姆，无法满足普通仪器仪表对输入阻抗的要求，因此无法应用。
2、分辨率损失太大上述无源电力调整器装置在其接收到仪器仪表输出信号为4-20mA时，转换到单片机的输入电压为1-5v，不能够充分利用单片机0-5v的满量程，无形之中造成测量分辨率下降了20％。
3、上述无源电力调整器装置没有温度保护装置，当通过电流而发热的晶闸管温度过高时，会造成该模块热失控的现象，严重时甚至烧毁整个电路。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种能够解决上述种种缺陷的改进的无源电力调整器，该装置采用减小输入阻抗、增加信号调理和电压线形限幅电路和功率器件的温度检测电路，以及采用新型单片机提高测量分辨率等技术手段，对原有产品的缺陷进行改进，在继续保持原有产品的小型化、智能化、高性能和高可靠性的前提下，使该装置能够提高其性能指标和获得更加广泛应用。
本实用新型的目的是这样实现的一种改进的无源电力调整器，该装置的控制电路包括有单片微型计算机及其外围的信号/电源分离电路、光隔离相位检测电路、工作状态显示电路、工作方式选择电路、光隔离触发驱动输出及功率器件电路；其中信号/电源分离电路输入4～20mA的工业标准电流，在输出直流控制信号的同时，还输出电源电压用作整个控制电路的电源；其特征在于所述控制电路中的信号/电源分离电路的输出电源电压为3V；在信号/电源分离电路与单片微型计算机的信号输入端之间设置信号调理和电压限幅电路，用于对信号/电压分离电路输出的0.2～1V直流控制信号进行调理变换和限幅为0～3V的控制信号后，输入单片微型计算机；在单片微型计算机的输入端设置功率器件温度检测电路。
所述信号/电源分离电路的输入端是4～20mA的控制信号，输入两端跨接有滤波电容和一个稳压二极管(Z3)，其后并联接有分别由限流电阻(R1)串接一稳压管(Z1)以及另一稳压管(Z2)串接另一限流电阻(R2)构成的两条支路；在前一稳压管(Z1)的两端并联接有一滤波电容，同时为整个控制电路输出3V工作电源；在另一支路的另一电阻(R2)的两端向单片机输出0.2～1V的控制信号。
所述稳压管(Z1)的稳压参数值是3V，限流电阻(R1)为50欧。
所述稳压管(Z3)的稳压参数值是5.6V，用于消除输入信号的毛刺以及避免输入信号因故障升高或输入信号接反而损坏该电力调整器。
所述信号调理电路和电压限幅电路是由微功耗运算放大器组成的带偏置的同相放大电路和由电位器组成的电压限幅电路组成，信号/电源分离电路输出的0.2～1V的控制信号接至该运算放大器的正相输入端，其反相输入端为电压负反馈和偏置电路；该运算放大器的输出直接接至电位器组成的电压限幅电路，分压后输入单片微型计算机的信号幅度为0～3V。
所述功率器件温度检测电路是放置在晶闸管附近的温度传感器，其输出直接送入单片微型计算机的输入端。
所述单片微型计算机的工作电源为3V，其型号为具有10位A/D分辨率的PIC12F683。
本实用新型是对实用新型专利《无源电力调整器》(专利号03236263.3)的控制电路进行改进的一种工业电力调整器。该装置仍然保留原来的技术特点不用任何形式的外供电电源，仅利用4～20mA工业标准控制信号，转换成内部的控制信号和工作电源，为控制电路同时提供控制信号和电源；同时应用现代较为先进的单片机和数字化技术，实现真正的无源数码技术。不但能够满足现代工业控制上对调功器进行调功/调压一体化的需求，兼具调功、调压两种功能；并且调功、调压的转换非常简单，只需改变跳线J4的插头位置即可。
本实用新型的特点是对原来的无源电力调整器(专利号03236263.3)电路结构进行了多处改进，使得其性能更加完善，工作可靠性更强，应用场合更广泛。下面具体介绍之将信号/电源分离电路输出的电源工作电压改为3V，采用超低输入阻抗技术，使得输入阻抗从原来在工作电流20mA时的500欧降低到200欧，可以满足将三台本实用新型装置的输入端串联在三相负载的使用要求；解决了原电力调整器输入阻抗较大，不能多台使用的问题。
原来产品的电路分辨率损失较大，为此采用高分辨率技术将信号/电压分离电路输出的0.2～1V信号，经过微功耗的信号调理和电压限幅电路进行调理和变换为0～3V信号，大大提高单片微型计算机的采样分辨率。再加上采用有10位A/D分辨率的PIC12F683单片机(原来的产品A/D分辨率为8位)，与原来的调压器相比教，分辨率至少提高20％。
原来产品的限幅电路是将+5V电源用电位器分压后，送入单片机的另一A/D输入端，占用了单片机的宝贵资源。并且，原先的限幅运算是靠单片机软件完成的，实时性较差。本实用新型的电压限幅电路是直接将信号调理电路的输出用电位器进行分压后送入单片机的A/D输入端，依靠硬件完成电压限幅，较之以前的电路，实时性好，占用系统资源少。
原来产品没有温度保护装置，工作时热稳定性差，保险系数低。当电流过载、环境温度过高或散热器损坏时，电路就会发生热失控，造成设备损坏。为此，本实用新型增设温度传感器组成的功率器件温度检测电路较好地解决了该问题。另外，本实用新型还在输入端并联了一个5.6V的稳压二极管，可以避免发生输入信号因故障升高或输入信号接反而损坏调压器的现象。
图1是本实用新型的控制电路的结构方框图。
图2是本实用新型的控制电路的电原理图。
图3是本实用新型应用于三相负载时的连接示意图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型是一种电路结构改进的无源电力调整器，其控制电路是由单片微型计算机3及其外围的信号/电源分离电路1、信号调理及电压限幅电路2、光隔离相位检测电路4、光隔离触发驱动输出及功率器件电路5、温度检测电路6、工作状态指示电路7和工作方式选择电路8所组成。其中信号/电源分离电路1输入4～20mA的工业标准电流，输出3V的电源电压作为整个控制电路的工作电源，同时向信号调理及电压限幅电路2输出0.2～1V的控制信号，经过信号调理及电压限幅电路2进行调理变换和限幅后，向单片机3输出0～3V的直流模拟控制信号。
参见图2，简要介绍本实用新型的工作原理外部4～20mA的信号输入经过信号/电源分离电路1后，转换成+3V工作电源和0.2～1V的直流模拟控制信号从Uin处送入信号调理及电压限幅电路2中的运放IC2的反相输入端。经过微功耗带偏置的同相放大器IC2组成的信号调理电路进行放大调理和由电位器P1对输出电压进行限幅处理后，从Uout处输出的0～3V直流模拟控制信号送入单片机3中管脚7的A/D输入端转换成数字量。限幅电路的作用是通过调整限幅电位器手柄改变中心滑动端的位置，使中心滑动端上得到一个0-3V的电压，该电压通过R14、C4的滤波后，送入单片机3参与数学运算处理，随电压的大小变化可起到限制功率器件的输出功率。与此同时，光隔离相位检测单元4中的电源相位的同步信号和工作方式选择电路8的输出一起分别送入单片机3的管脚5和管脚4，单片机3根据这些数据进行数学计算，再经比较、线性化处理，形成移相、或占空比、或周波过零的调整信号，该调整信号送入光隔离触发驱动输出及功率器件电路5进行光隔离、放大形成驱动脉冲，并推动功率器件。工作状态指示电路7则通过驱动发光二极管L1，使其闪烁或明暗变化来显示当前的工作状态或告警状态。
本实用新型中的电路结构改进主要包括有在信号/电源分离电路1中，利用4～20mA的工业标准控制信号取得整个控制电路的3V工作电源，电阻R1改用50欧，实现了真正的无源技术和超低输入阻抗技术，使得输入阻抗从原来在工作电流20mA时的500欧降低到200欧，能够满足在三相负载上安装使用三台本实用新型装置的输入阻抗使用要求(参见图3，图中有本实用新型的三个装置11、12、13分别串接在A、B、C三相负载的电源上，该三个装置11、12、13的总的输入阻抗在工作电流20mA时不大于600欧)；解决了原电力调整器输入阻抗较大，不能多台使用的问题。
本实用新型中的单片机3型号是具有10位A/D分辨率的PIC12F683，其工作电源为3V。但是，其工作原理与原来的产品基本相同，这里不再赘述；其区别是原来有一路模拟量信号是来自电位器P1，它是作为输出功率限幅电路的输出送入单片机3的管脚6的A/D输入端，占用了单片机的宝贵资源。现在，本实用新型的电压限幅电路是直接将信号调理电路的输出用电位器P1分压后送入单片机的管脚7的A/D输入端，依靠硬件完成电压限幅，较之以前依靠单片机软件完成限幅运算，实时性好。而多余出来的该管脚6的A/D输入端则用于接入功率器件温度检测电路的输出信号。当设置在晶闸管Q2、Q3附近的温度传感器IC3检测到晶闸管Q2、Q3温升超过设定温度时，单片机3就会屏蔽其管脚2的输出驱动信号(参见图2)，同时工作状态指示电路8发出超温报警显示。这样，增加了系统的工作可靠性。
另外，本实用新型采用高分辨率技术将信号/电压分离电路输出的0.2～1V信号，经过微功耗的信号调理和电压限幅电路进行调理和变换为0～3V信号，大大提高单片微型计算机的采样分辨率。与原来的调压器相比教，分辨率提高了20％。本实用新型还在输入端并联了一个5.6V的稳压二极管Z3，用于避免输入信号因故障升高或输入信号接反而损坏该电力调整器。
本实用新型已经研制出性能样品，进行了实施试验，实现了发明目的。
权利要求1.一种改进的无源电力调整器，该装置的控制电路包括有单片微型计算机及其外围的信号/电源分离电路、光隔离相位检测电路、工作状态显示电路、工作方式选择电路、光隔离触发驱动输出及功率器件电路；其中信号/电源分离电路输入4～20mA的工业标准电流，在输出直流控制信号的同时，还输出电源电压用作整个控制电路的电源；其特征在于所述控制电路中的信号/电源分离电路的输出电源电压为3V；在信号/电源分离电路与单片微型计算机的信号输入端之间设置信号调理和电压限幅电路，用于对信号/电压分离电路输出的0.2～1V直流控制信号进行调理变换和限幅为0～3V的控制信号后，输入单片微型计算机；在单片微型计算机的输入端设置功率器件温度检测电路。
2.根据权利要求1所述的无源电力调整器，其特征在于所述信号/电源分离电路的输入端是4～20mA的控制信号，输入两端跨接有滤波电容和一个稳压二极管(Z3)，其后并联接有分别由限流电阻(R1)串接一稳压管(Z1)以及另一稳压管(Z2)串接另一限流电阻(R2)构成的两条支路；在前一稳压管(Z1)的两端并联接有一滤波电容，同时为整个控制电路输出3V工作电源；在另一支路的另一电阻(R2)的两端向单片机输出0.2～1V的控制信号。
3.根据权利要求2所述的无源电力调整器，其特征在于所述稳压管(Z1)的稳压参数值是3V，限流电阻(R1)为50欧。
4.根据权利要求2所述的无源电力调整器，其特征在于所述稳压管(Z3)的稳压参数值是5.6V。
5.根据权利要求1所述的无源电力调整器，其特征在于所述信号调理电路和电压限幅电路是由微功耗运算放大器组成的带偏置的同相放大电路和由电位器组成的电压限幅电路组成，信号/电源分离电路输出的0.2～1V的控制信号接至该运算放大器的正相输入端，其反相输入端为电压负反馈和偏置电路；该运算放大器的输出直接接至电位器组成的电压限幅电路，分压后输入单片微型计算机的信号幅度为0～3V。
6.根据权利要求1所述的无源电力调整器，其特征在于所述功率器件温度检测电路是放置在晶闸管附近的温度传感器，其输出直接送入单片微型计算机的输入端。
7.根据权利要求1所述的无源电力调整器，其特征在于所述单片微型计算机的工作电源为3V，其型号为具有10位A/D分辨率的PIC12F683。
专利摘要一种改进的无源电力调整器，是对实用新型专利《无源电力调整器》(专利号03236263.3)的控制电路进行改进后研制的装置，其控制电路的主要改进之处是其中信号/电源分离电路的输出电源电压为3V，采用超低输入阻抗技术，使得输入阻抗从原来的在工作电流20mA时的500欧降低到200欧，可以满足将三台该装置的输入端串联在三相负载上的使用要求；在信号/电源分离电路与单片微型计算机的信号输入端之间设置信号调理和电压限幅电路，用于对信号/电压分离电路输出的0.2～1V直流控制信号进行调理变换和限幅为0～3V的控制信号后，输入单片微型计算机，大大提高单片机的采样分辨率；在单片微型计算机的输入端设置功率器件温度检测电路，防止电路因热失控而造成设备损坏。
文档编号G05F3/18GK2735645SQ200420077229
公开日2005年10月19日 申请日期2004年8月4日 优先权日2004年8月4日
发明者毛海云, 王子龙 申请人:毛海云