Электронный счетчик киловатт-часов переменного тока

 

Использование: электро-радиоизмерительная техника. Сущность изобретения: электронный счетчик киловатт-часов переменного тока содержит преобразователь тока и напряжения, умножитель данных сигналов, преобразователь мощности в частоту, счетчик импульсов, дешифратор двоичного кода счетчика, полупроводниковый знакосинтезирующий индикатор, блок питания, два диода, накопительный конденсатор, соединенные определенным образом, позволяющие сохранить показания счетчика в условиях аварийного отключения электроэнергии на продолжительное время до нескольких суток и выдать их на индикатор после устранения аварии. 1 ил.

Изобретение относится к электро-радиоизмерительной технике. Электронный счетчик может использоваться для подсчета расхода киловатт-часов в электросети переменного тока и даже в условиях, когда могут иметь место аварийные отключения электроэнергии. В течение аварийного периода до одной недели счетчик сохраняет неизменным подсчитанное содержимое и выдает его на цифровой индикатор при подаче напряжения электросети после устранения аварии.

Известно большое количество электронных счетчиков электроэнергии, имеющих структуру: измерительный блок, умножитель сигналов тока и напряжения, преобразователь напряжение-частота, счетный блок и электромеханический индикатор на шаговом двигателе. Применение электромеханического индикатора в основном обусловлено его невосприимчивостью к аварийным отключениям электропитания, что выражается в сохранении его показаний при отключении напpяжения.

Известен электронный ваттметр с довольно сложной схемой выборки-хранения на переключаемых конденсаторах.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является полностью электронный счетчик, устойчивый против частых аварийных отключений электроэнергии, имеющий структуру: измерительный блок, преобразователь мощность-частота, счетчик со специальной памятью, блок задержки и полупроводниковый знакосинтезирующий индикатор.

Недостатком этого счетчика является то, что он имеет сравнительно сложную структуру и предназначен лишь для защиты показаний при кратковременных отключениях электроэнергии.

Целью изобретения является создание сравнительно простого полностью электронного счетчика киловатт-часов переменного тока, показания которого сохраняются и выдаются после сравнительно продолжительного аварийного периода отключения электроэнергии.

Поставленная цель достигается тем, что в электронный счетчик киловатт-часов переменного тока, содержащий измерительный блок, выделяющий сигналы тока и напряжения, блок питания, умножитель, выдающий сигнал мощности, преобразователь напряжение-частота, счетчик выходных импульсов преобразователя напряжение-частота, дешифратор двоичного кода счетчика и полупроводниковый знакосинтезиpующий индикатор, введены первый диод, через который питающее напряжение с блока питания поступает на вывод питающего напряжения микросхемы счетчика выходных импульсов преобразователя напряжение-частота, накопительный конденсатор, присоединенный к выводу питающего напряжения этой микросхемы, и второй диод, через который питающее напряжение с блока питания поступает на вывод питающего напряжения микросхемы дешифратора двоичного кода счетчика, при использовании в качестве микросхем счетчика и дешифратора микросхем КМОП-структуры.

Поскольку данный счетчик киловатт-часов по сравнению с известными техническими решениями (в частности с прототипом) содержит новые элементы: первый диод, накопительный конденсатор и второй диод, связанные определенным образом с микросхемами КМОП-структуры, данная совокупность является новой, а предложение удовлетворяет критерию "новизна".

Что касается критерия "существенные отличия", то на данный уровень современной техники автору не известно применение предложенной совокупности отличительных признаков, обеспечивающих достижение положительного эффекта создание сравнительно простого полностью электронного счетчика киловатт-часов переменного тока, показания которого сохраняются и выдаются после сравнительно продолжительного аварийного периода отключения электроэнергии. Несмотря на то, что в данном техническом решении отдельные элементы известны из области электро-радиоизмерительной техники и применены по своему прямому назначению, но только заявленная их совокупность и связь между собой и другими элементами устройства позволяет получить положительный эффект. Поэтому предложение можно считать удовлетворяющим критерию "существенные отличия".

На чертеже показана блок-схема предлагаемого счетчика.

Электронный счетчик киловатт-часов переменного тока содержит измерительный блок 1, выделяющий сигнал i, пропорциональный потребляемому току в электросети, и сигнал u, пропорциональный напряжению электросети; блок 2 питания, питающий все электронные схемы; умножитель 3 сигналов i и u; преобразователь 4 напряжение-частота, преобразующий выходное напряжение умножителя 3, пропорциональное потребляемой мощности, в частоту импульсов; счетчик 5 числа этих импульсов; дешифратор 6, преобразующий двоичный код счетчика 5 в сигналы запуска семисегментного индикатора; полупроводниковый знакосинтезирующий индикатор 7, отображающий в виде цифр содержимое счетчика 5; диод D1, через который питающее напряжение с блока 2 подается на вывод питающего напряжения счетчика 5; накопительный конденсатор С, присоединенный к выводу питающего напряжения этой микросхемы; диод D2, через который питающее напряжение с блока 2 подается на вывод питающего напряжения микросхемы дешифратора 6.

В качестве микросхемы счетчика 5 и микросхемы дешифратора 6 используются микросхемы КМОП-структуры, работающие в широком диапазоне питающего напряжения (3-15 В), имеющие ничтожно малый ток потребления.

При аварийном отключении электропитания сети переменного тока диод D1 запирается напряжением заряженного конденсатора С, тем самым отключая цепь питания микросхемы датчика 5 от низкого внутреннего сопротивления блока 2. При этом счетчик 5 продолжает питаться напряжением U заряженного конденсатора С, находясь в режиме хранения ранее подсчитанной информации. Как известно, напряжение U на конденсаторе С и, следовательно, питающее напряжение микросхемы счетчика уменьшается по экспоненциальному закону U U_макс·e где U напряжение на конденсаторе; U_макс максимальное напряжение на конденсаторе до отключения электропитания; t время уменьшается напряжения от значения U_макс до значения U; τ постоянная времени, равная RC. Здесь С емкость конденсатора, а R сопротивление, обусловленное паразитным сопpотивлением монтажа, обратным сопротивлением диода D1 и внутренним сопротивлением конденсатора С, вызывающим его ток утечки. Другие составляющие этого R отсутствуют ввиду практически полного непотребления тока микросхемой КМОП-структуры в статическом режиме, в котором она оказывается при отключении электропитания, когда на нее продолжает поступать питающее напряжение с заряженного конденсатора С. Поэтому при выборе надлежащего питающего напряжения в диапазоне 3-15 В, качественном монтаже, выборе диода D1 по возможности с меньшим обратным током и выборе конденсатора С с достаточно большой емкостью и по возможности меньшим током утечки постоянная времени τ оказывается огромной и, следовательно, исходя из формулы (1), напряжение на конденсаторе С сохраняется в течение очень продолжительного времени. Это означает, что и информация, подсчитанная счетчиком 5, питающимся этим напряжением, сохраняется также очень продолжительное время (не менее одной недели), что было подтверждено экспериментально. Кроме того было установлено, что стирание хранимой информации этой микросхемы происходит лишь при питающем напряжении ≅ 1 В.

Эти утверждения справедливы при отсутствии внешней нагрузки счетчика 5. При наличии этой нагрузки, естественно, появляется ток потребления микросхемы счетчика 5, что приводит к уменьшению вышеуказанного сопротивления R за счет внутреннего сопротивления микросхемы и, следовательно, к уменьшению τ.

Реально выходы счетчика 5 присоединены к входам дешифратора 6 и, следовательно, имеется нагрузка на счетчик 5. В качестве дешифратора 6 также используется микросхема КМОП-структуры, имеющая огромное входное сопротивление ≥ 100 МОм. Поэтому можно было бы пренебречь этой нагрузкой, если бы не то обстоятельство, что микросхема КМОП-структуры на входе имеет защитный диод, предназначенный для ограничения входного напряжения на уровне питающего напряжения. Как только входное напряжение превышает уровень питающего напряжения, то этот диод открывается. В данном случае высокий информационный уровень (уровень "1") с какого-либо разряда микросхемы счетчика 5, который, как было доказано выше, сохраняется при отключении электропитания, поступает на вход микросхемы дешифратора 6 и, следовательно, на указанный защитный диод. Так как питающее напряжение этой микросхемы при отключении питания равно нулю, то этот диод открывается и, следовательно, ток нагрузки микросхемы счетчика 5 оказывается сравнительно большим. Для предотвращения этого питающее напряжение на микросхему дешифратора 6 подается через диод D2, который оказывается включенным во взаимообратном направлении с вышеуказанным защитным диодом. Когда питающее напряжение отключается, высокий уровень со счетчика 5 через защитный диод микросхемы дешифратора 6 поступает на вывод ее питающего напряжения и на катод диода D2, анод которого при отключенном питании находится под нулевым потенциалом. Следовательно, диод D2 оказывается закрытым и тока нагрузки микросхемы счетчика 5 не возникает.

Предлагаемая схема полностью электронного счетчика киловатт-часов имеет достаточно простую классическую структуру, обеспечивающую надлежащую точность отсчета, а используемые в ней дополнительные элементы, предотвращающие сбой показаний счетчика при аварийном отключении напряжения электросети, не вносят существенного усложнения. Очевидно, что подобный недорогой полностью электронный счетчик киловатт-часов, выполняемый полностью на интегральных микросхемах и на полупроводниковом знакосинтезирующем индикаторе, может быть с успехом применен для подсчета потребляемой электроэнергии в промышленных и бытовых электросетях.

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОННЫЙ СЧЕТЧИК КИЛОВАТТ-ЧАСОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащий подключенную к клемме сети переменного тока цепь из соединенных последовательно преобразователя тока и напряжения, умножителя данных сигналов, преобразователя мощности в частоту, счетчика импульсов, дешифратора двоичного кода счетчика и полупроводникового знакосинтезирующего индикатора, блок питания, соединенный входом с клеммой сети переменного тока, а выходом с шинами питания всех блоков счетчика, отличающийся тем, что в него введены два диода, включенных в прямой проводимости между выходом блока питания и шинами питания счетчика и дешифратора соответственно, и накопительный конденсатор, включенный между общей шиной и шиной питания счетчика, при этом в качестве микросхем счетчика импульсов и дешифратора использованы микросхемы КМОП-структуры.

РИСУНКИ

Рисунок 1