交流负载无源指示灯实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的内容属于电子技术领域，能够指示交流电网中是否连接有负载，以 判断交流电网负载工作状态，可以用于对交流负载的监视。
【背景技术】
[0002] 指示灯作为电子设备、电路网络的基本部件被广泛采用。在交流电网中如果连接 有负载指示灯，便可以直观快速地判断此网络是否连接有负载。如电子实验室经常使用的 电烙铁等发热器具工作过程中没有明显特征，一旦遗忘后很难发现，若使用后没有及时切 断电路有可能会带来安全隐患。如果安装了有效的负载指示灯，至少在下班前或锁门前目 视一下指示灯就可以知道负载情况，及时加以处理，提高工作场所的安全性。又如船舶的航 行灯在作业中必须完好，但航行灯的位置不在驾驶室的可见范围，需要另外配置一套航行 灯工作状态检测装置，即负载状态指示，专门监视航行灯的状态，一旦发现航行灯开路必须 及时更换。在其他很多场合中，有负载指示灯都要比无负载指示灯更方便管理。
[0003] 目前，电路状态指示都依靠电子技术实现，常见的有指针表指示、数码指示、线段 指示、指示灯指示等，基本是有源电路。有源电路是指专门需要为电子器件提供工作电源的 一类电路，如有源滤波器必定要为运算放大器提供电源之后才能发挥滤波作用，有源音箱 除了音频线之外还需要供电线。有源指示灯的结构相对比较复杂，至少要为指示灯设置工 作电源等。相对应的无源电路是指直接利用被测信号或需要处理的信号自身能量进行工作 的一类电路，如无源RC滤波器等，只有被处理的电信号作用在器件上。显然，无源电路的结 构要简单得多。
[0004] 指示灯是最简单实用的部件，如果用于电压的监视，只要将一个电器设备本身具 备的工作电压通过限流电阻加在发光二极管上即可，几乎所有的电器设备都配备这种部 件。若要监视电流就没有这么简单，作为负载状态指示，一般处理方法是对负载电流取样， 然后通过电子线路处理再驱动发光二极管发光，这一类归属为有源指示灯。无源指示的应 用条件比较苛刻，有的在电流变送器中直接利用变送电流为指示装置供电，不需要单独提 供工作电源，而是直接利用了被测信号的能量进行工作，属于无源指示；也有人直接利用 市场上的电流互感器进行负载检测指示，但市场上成品电流互感器不是为指示灯专门设计 的，不关心一次侧电感量的大小，只适合大电流的环境，对于轻负载很难有效指示，如采用 1 : 1000的电流互感器，当一次侧电流为0.1 A时，二次侧短路电流也只有0.1mA，实际在一 次侧绕5匝才能使发光二极管微亮，效果不佳；其他场合很少采用无源指示装置。
[0005] 本发明涉及到的也是一种负载无源指示灯，是基于传统电流互感器的改进，既不 干扰被测电路的工作，又无需另外供电，自身功耗极小，特别适合轻负载的指示，这里的轻 负载是指负载电流较小。
【发明内容】
[0006] 本发明交流负载无源指示灯实现方法能够以最简单的方式有效检测交流电网中 的轻负载，从技术层面上看，具有以下特征：
[0007] 采用穿心式电流互感器检测交流电网中负载的存在与否，并传输微小能量直接驱 动发光二极管发光；电流互感器的磁芯选用高导磁率的材料，首选纳米非晶或者超微晶合 金磁环，通过控制电流互感器一次侧的电感量L 1大小来满足二次侧发光二极管发光条件， 按照公式L1S V 2/2 π f Iin计算电流互感器一次侧所需的电感量1^值；电流互感器的匝数 比η控制在100-1000之内，200-500为最佳匝数比，以此为依据电流互感器二次侧绕组绕 制200-500匝线圈；电流互感器二次侧输出口直接连接两只反向并联的红色或者绿色发光 二极管和一个电阻串联而成的指示灯支路，另有两个同型号增强型功率MOS管互为反向串 联而成的支路与指示灯支路相并联，如图2所示，串联电阻R 1的阻值取为20-100 Ω之间， 两只功率MOS管串联支路的总导通电压控制在1.9-2. IV，选用开启电压为1.3-1. 6V增强型 功率MOS管；该无源指示灯整体做成无外接线端口的一体化结构，用于15VA-15kVA交流负 载指示。附图2中采用MG4953型号的场效应管仅是一个例子，也可以采用其它型号的功率 场效应管。
[0008] 图2中CT是穿心式电流互感器，负责检测交流电网中负载电流，当交流电网中负 载电流大于设定值时，可以在电流互感器的二次侧输出足够高的电压和一定的电流值；Dp %是两只反向并联的发光二极管，选用红色或者绿色，他们的正常导通电压约为I. 7V ;1^是 限流电阻，当电流互感器的二次侧输出电压较高时限制流经发光二极管的电流大小，防止 发光二极管过流，可以取为20-100 Ω Q2是场效应管，两者反向串联起到对发光二极管 的分流作用，用作对电流互感器二次侧的保护，可以称为保护支路。若发光二极管两端电压 小于I. 8V，Qn 〇2场效应管串联支路设置成不导通状态，当Q p Q2场效应管串联支路两端电 压大于I. 9V后再进入导通状态，保护支路防止电流互感器二次侧输出电压过高。
[0009] 电流互感器本质上是为了实现隔离式变流，原边电流与副边电流的变流比一般控 制在几百至几千倍，输出的副边电流远小于原边电流，便于适应电子电路的工作需要。在变 流的同时也存在电压变比，表现为升电压的效果，升压比同样为几百至几千倍。但与电压互 感器不同的是电流互感器原边电压由原边电流流经少数几匝线圈时产生，匝数较少的原边 电感量较小，所产生的原边电压降也十分微小。
[0010] 原边线圈又称为一次侧，副边线圈又称为二次侧，设电流互感器的匝数比为n，为 了方便表述，这里的η约定为二次侧匝数比一次侧匝数，即为业界所称匝数比的倒数。设一 次侧电流为I 1，感应电压为V1，二次侧电流为I2，感应电压为V2。必定存在关系式：
[0013] 电流比关系只有当二次侧电流出现时才成立，电压比关系则始终成立。以电流互 感器构建的无源指示灯电路中，红色或者绿色发光二极管作为发光元件连接在电流互感器 的二次侧，其发光时的两端电压应达到I. 7V以上。根据电压比关系，电流互感器一次侧的 电压V1S该达到I. 7V/n以上，如η = 1000时，一次侧的电压V座该达到I. 7mV以上。此 电压与一次侧的电感量L1有关，也就是与磁芯材料和原边绕组匝数N i相关。
[0015] 式中1是磁环的磁路长度，Ae是磁路的有效横截面积，均为磁环尺寸能数；μ。是 真空中绝对磁导率，μ ,是相对磁导率，属于材料性质参数。
[0016] 在220V/50HZ交流电网中，当负载开路时，电流互感器二次侧电压V2的计算公式 为：
[0017] V2= nV := 2 π fL J1Ii = SHL1I1Ii
[0018] 输出电压与一次侧的电感量L1成正比。以Φ (30-20) X IOmm磁环为例，I = 78mm， Ae= 30mm2, 一次侧电感量为：
[0020] 二次侧的电压为：
[0022] 在220V/50HZ交流电网中，若要显示20W负载的存在，以当前的发光二极管的发光 灵敏度电流互感器二次侧电流最好大于0. 5mA，而一次侧电流仅为90mA，因此匝数比η最好 小于180。若η = 200也基本可行，只是二次的电流会更小一些。对于匝数比为200、μ,= 40000、^= 1、1 0.1 A的电流互感器，V2= I. 3V，不足以点亮发光二极管。对此，可以通 过增加匝数比η值的方法提高输出电压V2，但必定会减小输出电流I2，并不是我们所希望 的；另一个方法是通过增加一次侧绕组匝数，从而通过增加原边电感量来提高输出电压V2， 这是实际可以采用的方法。
[0023] 忽略限流电阻R1的影响，二次侧的阻抗Z 2为
[0025] 对于η = 200、输出电流为0. 5A的电流互感器负载指示电路，二次侧负载表现为 3. 4k Ω电阻值，折