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用于采用低欧姆合金导体的设备和用于简化耗用电流数据检索?#22982;?#27861;.pdf

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用于 采用 欧姆 合金 导体 设备 简化 耗用 电流 数据 检索 方法
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摘要
申请专利号:

CN201280066806.X

申请日:

2012.12.13

公开号:

CN104204820A

公开日:

2014.12.10

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法?#19978;?#24773;: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01R 15/20申请日:20121213|||公开
IPC分类号: G01R15/20; G01R19/00 主分类号: G01R15/20
申请人: 埃尔贝克斯视象株式会社
发明人: D.埃尔伯鲍姆
地址: 日本东京都
优?#28909;ǎ?/td> 2012.01.13 US 13/349,939
专利代理机构: 中国专利代理(香港)有限公司 72001 代理人: 张涛;陈岚
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法律状态
申请(专利)号:

CN201280066806.X

授权公告号:

||||||

法律状态公告日:

2016.08.31|||2015.01.07|||2014.12.10

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

用于使用具有由低欧姆合金制成的初?#24230;?#32452;的电流变换器来测量耗用电流并?#20918;?#21578;电力消耗的设备和方法,使得能够使用次级线圈对感测和报告电路供电,来消除由用于电流传感器的AC-DC电力适配器浪费的电力。由于当AC插座从负载断开时或者?#22791;?#36733;被关断时电流传感器不耗用电流,所以节省是实质性的。将使用低欧姆合金的设备?#30001;?#21040;包括电力销、电力插口以及组合的端子的结构,以在AC插头、插座、适配器和具有多个插座的?#30001;?#32447;缆中提供低欧姆感测元件,通过插头和更大金属的热量耗散来耗散来自感测元件的热量。

权利要求书

权利要求书
1.  一种用于通过升压电流变换器对电流传感器电路供电?#22982;?#27861;,所述升压电流变换器包括低欧姆合金布线缠绕的初级线圈和铜布线缠绕的次级线圈,所述电路包括电流信?#27431;?#22823;器、CPU和连接到所述次级线圈的DC转换器;
所述初级线圈连接到所述放大器的输入,并且在负载与AC电力源之间,所述方法包括步骤:
应用AC电力以用于操作所述负载,所述负载引发跨所述低欧姆初级线圈的耗用电流以及电压降;
输出由所述电压降增大的升压的次级输出电压;
将所述升压的输出电压转换为用于?#36816;?#36848;电路供电的DC;
放大所述电压降;以及
将有关所耗用的电流?#22982;?#22823;的信号馈送到所述CPU以用于处理。

2.  根据权利要求1所述的用于对电流传感器电路供电?#22982;?#27861;,其中所述电路还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所耗用的电流的处理数据。

3.  根据权利要求1所述的用于对电流传感器电路供电?#22982;?#27861;,其中所述电路被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;以用于处理符合所述参考的所述放大的耗用电流信号,以用于得到由所述负载消耗的电力。

4.  根据权利要求3所述的用于对电流传感器电路供电?#22982;?#27861;,其中所述电路还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所消耗电力的处理数据。

5.  根据权利要求1所述的用于对电流传感器电路供电?#22982;?#27861;,其中所述次级线圈还包括多个抽头,用于输出每一个与所述耗用电流的给定?#27573;?#30456;称的多种电压,所述电路还包括选择器,用于将所述多种电压中的一个电压连接到所述转换器,所述选择器通过所述电压降和所述多种电压中的至少一个而能够选择性地操作。

6.  根据权利要求5所述的用于对电流传感器电路供电?#22982;?#27861;,其中所述多种电压中的一个与高于所述给定?#27573;?#30340;过耗用电流相称,以用于生成过负载警告。

7.  一种用于增加包括在电流传感器中的电流变换器的电流感测输出信号?#22982;?#27861;,所述电流传感器包括电流信?#27431;?#22823;器和CPU,所述电流变换器包括铜布线缠绕的次级线圈和低欧姆合金布线缠绕的初级线圈,所述初级线圈连接在负载与AC电力源之间,所述次级线圈连接到所述放大器的输入,所述方法包括步骤:
应用AC电力以用于操作所述负载,所述负载引发跨所述低欧姆初级线圈的耗用电流和增加的电压降;
输出由所述电压降增大的升压的次级输出电压;
放大所述电压降;以及
将有关所耗用的电流?#22982;?#22823;的信号馈送到所述CPU以用于处理。

8.  根据权利要求7所述的用于增加电流感测输出?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所耗用的电流的处理数据。

9.  根据权利要求7所述的用于增加电流感测输出?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;以用于处理符合所述参考的所述放大的耗用电流信号,以用于得到由所述负载消耗的电力。

10.  根据权利要求9所述的用于增加电流感测输出?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所消耗电力的处理数据。

11.  一种用于通过?#28304;?#21253;括电力销、电力插口及其组合的组中选择的基于低欧姆合金的端子的构造部分上的电压?#21040;?#34892;处来感测负载的耗用电流?#22982;?#27861;,所述端子通过所述部分连接在所述负载与AC电力源之间,所述部分被构造成使大小、形状和给定的低欧姆值配合,以用于?#24310;?#25152;述耗用电流相称的电压降连接并且馈送到电流传感器的电流信?#27431;?#22823;器的输入;
所述放大器连接到包括在所述电流传感器中的CPU,所述方法包括步骤:
应用AC电力以用于操作所述负载,所述负载引发跨基于低欧姆合金的端子的所述构造部分的耗用电流和电压降;
放大所述电压降;以及
把有关所耗用的电流?#22982;?#22823;的信号馈送到所述CPU以用于处理。

12.  根据权利要求11所述的用于感测耗用电流?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所耗用的电流的处理数据。

13.  根据权利要求11所述的用于感测耗用电流?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;以用于处理符合所述参考的每个所述放大的耗用电流信号,以用于得到由每个所述负载消耗的电力。

14.  根据权利要求13所述的用于感测耗用电流?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所述消耗的电力的处理数据。

15.  根据权利要求11所述的用于感测耗用电流?#22982;?#27861;,其中所述端子被构造成具有用于在多个AC电力插座中使用的多个插口,每个所述插口包括一个所述构造部分,以用于将电压降连接并且馈送到多个电流信?#27431;?#22823;器中的一个的输入;
将所述多个放大器中的每个输出连接到包括在所述CPU中的多个输入中的一个输入,所述端子连接到AC电力源,
所述方法包括进一步的步骤:
将每个所述插口连接到多个负载中的一个负载;
把电力应用到所述端子;以及
把有关由每个所述负载耗用的电流?#22982;?#22823;的信号馈送到所述CPU以用于单?#26469;?#29702;每个放大的信号。

16.  根据权利要求15所述的用于感测耗用电流?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关每个单独负载中的至少一个的所耗用电流和所有负载的组合的耗用电流的处理数据。

17.  根据权利要求15所述的用于感测耗用电流?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;以用于处理符合所述参考的所述放大的耗用电流信号,以用于得到每个单独负载中的至少一个的所消耗的电力以及所有负载的组合的所消耗的电力。

18.  根据权利要求17所述的用于感测耗用电流?#22982;?#27861;,其中所述电流传感器还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所述每个单独负载中的至少一个的所消耗的电力和所有负载的所述组合的所消耗的电力的处理数据。

19.  一种升压电流感测变换器,包括:低欧姆合金布线缠绕的初级线圈,用于增加由于通过初级端子耗用电流而跨所述初级端子的电压降;以及铜布线缠绕的次级线圈,用于输出由用于测?#20811;?#36848;耗用的电流的所述电压降增大的增加的信号水平和用于利用流过所述初级的电流的给定?#27573;?#26469;对电路供电的给定电压?#27573;?#20013;的一个。

20.  根据权利要求19所述的升压电流感测变换器,其中所述电压降用于测?#20811;?#36848;耗用的电流。

21.  根据权利要求19所述的升压电流感测变换器,其中所述次级线圈包括多个抽头,用于输出各种电压,以用于加宽电流流动的所述给定?#27573;А?BR>
22.  一种电流感测低欧姆合金端子,从包括电力销、电力插口及其组合的组中选择所述电流感测低欧姆合金端子,所述电流感测低欧姆合金端子包括在大小、形状和给定的低欧姆值上的被构造的部分,以用于由电流传感器组件进行电流感测,所述电流传感器是从包括电力插头、电力插口、插入式电流传感器、电力插座和具有电力插头和电力插口中的至少一个的线缆组件的组中选择的。

23.  根据权利要求22所述的电流感测低欧姆合金端子,其中包括多个插口的所述端子的每一个包括用于利用包括在多个电力插座装置中的多个电力插口进行电流感测的所述部分,所述多个电力插座装置是从包括壁装电力插座、插入式电力适配器以及?#30001;?#30005;力线缆组件的组中选择的。

24.  一种AC电流传感器,包括:升压电流变换器、DC转换器、电流信?#27431;?#22823;器和CPU,所述电流变换器包括?#21644;?#24067;线缠绕的次级线圈;和低欧姆合金布线缠绕的初级线圈,用于把由于通过初级端子耗用电流而跨所述初级端子的电压降增加到可测?#20811;?#24179;,并且由所述次级线圈来增大升压的输出电压;
所述初级线圈连接在AC电力源与负载之间,并且连接到所述放大器的输入,所述次级线圈连接到所述DC转换器以用于将其输出转换为DC,以用于当所述负载耗用电流时?#36816;?#36848;电流传感器供电,并且放大的耗用电流信号被馈送到所述CPU以用于处理。

25.  根据权利要求24所述的AC电流传感器,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所耗用的电流的处理数据。

26.  根据权利要求24所述的AC电流传感器,其中所述CPU被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;以用于处理符合所述参考的所述放大的耗用电流信号,以用于得到所述负载消耗的电力。

27.  根据权利要求26所述的AC电流传感器,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个,以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所消耗的电力的处理数据。

28.  根据权利要求19所述的AC电流传感器,其中所述次级线圈还包括多个抽头,用于输出每一个所述耗用电流的给定?#27573;?#30456;称的多种电压,所述电流传感器还包括选择器,用于将所述多种电压中的一个电压连接到所述转换器,所述选择器通过所述电压降和所述多种电压中的至少一个而能够选择性地操作。

29.  根据权利要求28所述的AC电流传感器,其中所述多种电压中的一个与高于所述给定?#27573;?#30340;过耗用电流相称,以用于生成过负载警告。

30.  根据权利要求28所述的AC电流传感器,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个,用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所耗用的电流的处理数据。

31.  根据权利要求28所述的AC电流传感器电路,其中所述CPU被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;以用于处理符合所述参考的所述放大的耗用电流信号,以用于得到由所述负载消耗的电力。

32.  根据权利要求31所述的AC电流传感器电路,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所消耗的电力的处理数据。

33.  一种AC电流传感器,包括:升压电流变换器、电流信?#27431;?#22823;器和CPU,所述电流变换器包括?#21644;?#24067;线缠绕的次级线圈;和低欧姆合金布线缠绕的初级线圈,用于增加跨所述初级线圈的电压降,并且由此通过所述次级线圈增大升压的电压水平的增加;
所述初级线圈连接在AC电力源与负载之间,并且所述次级线圈连接到所述放大器的输入以用于以当所述负载耗用电流时将放大的耗用电流信号输出到所述CPU以用于处理。

34.  根据权利要求33所述的AC电流传感器,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个,用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所耗用的电流的处理数据。

35.  根据权利要求33所述的AC电流传感器电路,其中所述CPU被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;以用于处理符合所述参考的所述放大的耗用电流信号,以用于得到由所述负载消耗的电力。

36.  根据权利要求35所述的AC电流传感器电路,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所消耗的电力的处理数据。

37.  一种AC电流传感器,包括:低欧姆合金制成的端子、电流信?#27431;?#22823;器和CPU,所述端子是从包括电力销、电力插口及其组合的组中选择的,所述端子包括被构造以配合大小、形状和低欧姆值的部分以用于将低欧姆感测元件引入所述电流传感器;
所述端子经由所述感测元件连接在负载与AC电力源之间,并且连接到所述放大器的输入以放大由于所述负载耗用电流而在所述感测元件上产出的电压降,并且所述放大器将放大的耗用电流信号馈送到所述CPU以用于处理。

38.  根据权利要求37所述的AC电流传感器,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个,以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所耗用的电流的处理数据。

39.  根据权利要求37所述的AC电流传感器电路,其中所述CPU被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;用于处理符合所述参考的所述放大的耗用电流信号,以用于得到由所述负载消耗的电力。

40.  根据权利要求39所述的AC电流传感器电路,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所消耗的电力的处理数据。

41.  根据权利要求37所述的电流传感器,其中所述端子被构造成具有用于在多个AC电力插座中使用的多个插口,每个所述插口包括一个所述构造部分的一个所述感测元件,以用于把在所述感测元件上产出的电压降连接到包括在所述电流传感器中的多个电流信?#27431;?#22823;器中的一个的输入;
所述端子连接到AC电力源,并且所述电力插座的每个所述插口连接到一个负载,所述多个电流信?#27431;?#22823;器中的每个放大器将其放大的耗用电流信号馈送到所述CPU,以用于单独地处理每个耗用电流。

42.  根据权利要求41所述的AC电流传感器,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关每个单独负载中的至少一个的所耗用的电流和所有负载的组合的耗用电流的处理数据。

43.  根据权利要求41所述的AC电流传感器电路,其中所述CPU被馈送有所述AC电力的电?#20849;?#32771;以用于处理符合所述参考的所述放大的耗用电流信号,以用于得到每个单独负载中至少一个的所消耗的电力和所有负载的组合的所消耗的电力。

44.  用于对根据权利要求43所述的电流传感器电路供电?#22982;?#27861;,还包括RF收发机和光收发机中的至少一个以用于分别经由空中和通过光线缆中的至少一个来传播有关所述每个单独负载中的至少一个的所耗用的电力和所有负载的所述组合的所耗用的电力的处理数据。

45.  根据权利要求24所述的AC电流传感器,被封闭在具有由可见颜色编码的额定值的主体和盖中的一个中,所述额定值是从包括:电力消?#22982;段А?#30005;力消耗值、耗用电流?#27573;А?#32791;用电流值、电力电压?#27573;А?#30005;力电压值、带色前盖、带色后盖、带色框架、带色的整个主体及其组合的组中选择的。

46.  根据权利要求28所述的AC电流传感器,被封闭在具有由可见颜色编码的额定值的主体和盖中的一个中,所述额定值是从包括:电力消?#22982;段А?#30005;力消耗值、耗用电流?#27573;А?#32791;用电流值、电力电压?#27573;А?#30005;力电压值、带色前盖、带色后盖、带色框架、带色的整个主体及其组合的组中选择的。

47.  根据权利要求33所述的AC电流传感器,被封闭在主体和盖中的一个中,所述主体和所述盖中的一个是从包括:电力消?#22982;段?#20195;码、耗用电流?#27573;?#20195;码、电力电压代码、带色前盖、带色后盖、带色框架、带色的整个主体及其组合的组中所选择的。

48.  根据权利要求37所述的AC电流传感器,被封闭在主体和盖中的一个中,所述主体和所述盖中的一个是从包括:电力消?#22982;段?#20195;码、耗用电流?#27573;?#20195;码、电力电压代码、带色前盖、带色后盖、带色框架、带色的整个主体及其组合的组中选择的。

49.  根据权利要求41所述的AC电流传感器,被封闭在主体和盖中的一个中,所述主体和所述盖中的一个是从包括:电力消?#22982;段?#20195;码、耗用电流?#27573;?#20195;码、电力电压代码、带色前盖、带色后盖、带色框架、带色的整个主体及其组合的组中选择的。

说明书

说明书用于采用低欧姆合金导体的设备和用于简化耗用电流数据检索?#22982;?#27861;
?#38469;?#39046;域
用于在AC插座中使用的AC电流检测元件和用于将消耗数据提供给用户和电力网格的智能网格的其它电布线装置。
背景?#38469;?
每当将控制电路用于包括用于测量和通信电力消耗的电路的电布线装置时,安装到包括住宅、办公室、?#28059;?#27004;、工厂、公共建筑和其它建筑?#22982;?#23627;的电?#20998;?#30340;许多不同的电布线装置要求DC电力。
安装在电暗线盒中、用于控制LED灯、家庭自动化开关和继电器、受控的电力插座和诸如用于加热、冷却、电动遮光窗帘和落帘的控件的环境控制装置的电布线装置不能由分离的低电压DC电力线供电,也不能通过低电压通信线供电。电气标准和建筑标准严格禁止低电压总线线和/或混合低电压布线与壁装AC电力装置和/或与同一个线管内的AC电力线的连接。将低电压通信布线连接到电流感测适配器(诸如用于与本发明的AC插座一起使用的插入式适配器)将类似地违背电气和安全规则。低电压总线线不能直接连接到AC布线装置来用于向控制器报告电器所消耗的电力。
这强制使用被内部地构建到电插座、开关、继电器、调光器等的AC电源。这样的电源可能使用体积大而且昂贵的AC变换器或者大的AC电容器。替换地,这样的小的电源可能使用昂贵的而且生成必须要由体积大的滤波器来抑制的噪声的电力开关电路。
用以将AC电力转换为低电压和低电流的DC电力的模拟方法和装置简单并且生成非常小的噪声,然而,模拟调节器浪费大量电力,并且必须耗散所得到的热量。特别是,当控制电路针对其操作消耗几mW?#22982;?#24120;低的电力、或者几mA的DC电流和诸如5V、3.3V或者1.8V的低DC电压时,模拟调节器浪费的能量远高于对给定装置的控制电路供电从而使其操作所需的?#23548;?#33021;量。
美国专利7,639,907、7,649,727、7,864,500、8,041,221、美国公开2010/0278537、2011/0227510、2011/0311219以及美国专利申请12/963,876和13/086,610公开了使用低电力消耗CPU、包括用于调光器、电流传感器、继电器、电力插座和类似装置的控件的这种样的电力消耗控制电路,通过引用将它们合并于此,并且此后将它们提及为参考专利、公开和申请。
由AC电力插座的电源、或者并入有电力消耗检测和通信电路的电插入式力感测适配器的电源所浪费的电力对于全球社会通过监测由住宅、商业和工业使用中的电力插座所消耗的电力来减少电力消耗所进行的尝试而言是显著的。
耗用电流和耗用电力测量与报告电路可能耗用少量mV(毫瓦),但是即使电源是高效的,将120V或者230V AC转换为1.8V/1mA的DC电力也将从AC电力线消耗1W或者更多。例如小的住宅的30个电力插座和10个开关来这样连续耗用电力将浪费40W/小时或者约1kW/日的能量。即使?#24065;?#20010;电器或者灯具都没有被操作或甚至被连接到AC插座时,这也会发生。因此,诸如两个小卧室公寓的小的典型住宅累积浪费的能量超过365kW/年。这是必须被解决的显著消耗。需要不浪费能量的新的小大小低成本AC到DC电源。
通常的AC电流传感器和电流测量元件包括:AC电流变换和线圈,用于检测感应的电流?#29615;?#24120;低欧姆的电阻器(诸如2毫欧姆或者10毫欧姆),用于利用电阻器端子上产出的电压水平检测通过电阻器的电流;以及磁霍尔传感器,用于利用导体中的耗用电流来检测磁通量。
感应感测元件、低欧姆电阻器元件和霍尔传感器提出不会简单地解决的结构和组装方法困?#36873;?#36825;直接影响用于报告电器或者其它负载的电流消耗、以及非常宽?#27573;?#30340;不可预测的并?#20918;?#38543;机消耗的电力的精度的所需要的简化低成本电流感测解决方案。
用于AC电流测量的低欧姆电阻器是典型的被构造的电阻器,类似于众所周知的轴向电阻器或用于安装在印刷电路板?#21450;?#19978;的表面安装电阻器。利用可能影响例如?#27573;?#20174;2毫欧姆至20毫欧姆的这样的小数值电阻的数值的过程,能够将轴向电阻器?#38468;?#21040;端子和其它金属结构上。
?#36865;猓?#38656;要引入低欧姆电阻器,用于测量?#27573;?#20363;如从5A到20A或者甚至更高的更高电流,强制宽端厚的PCB?#21450;?#25110;者足够大的端子以承载这样的大电流而不生成热。
另一方面,用于利用感应检测AC电流的电流变换器由更大的线圈和/或芯制成,用于测量诸如几mA的低电流以增加导磁率,以及用于测量用于测量几mA的耗用电流的磁通量。这是要使得电流变换器输出可测量的并且/或者能够与电气?#20302;?#30340;电力线和AC布线装置中持续的噪声水平区别开的信号。
因此,使用用现有?#38469;醯姆?#27861;、元件和部件造成大的并且大体积的单元,难以被引入到小的电流传感器适配器,或者难以被引入安装在电暗线盒中的AC插座和开关中。这同样适用于插入式电流传感器,插入式电流传感器必须被制成为有美感并且在大小上小以令人愉悦,而不是被插入AC墙上插口和这样的AC插座的装饰覆盖物上的大的体积大?#22982;?#30861;装置。
用于AC电流感测的霍尔传感器小并且精确,但是要求大约40至100mW(5到10V和8到10mA)来进行操作,这与使电流感测电路本身、电源浪费的电力以及AC电流检测装置浪费的电力最小化的需求矛盾。这里还需要另一?#32440;?#20915;方案。
发明内容
用于电流感测电阻器和电流感测线圈或者变换器的结构的本发明的解决方案?#19988;?#20837;由诸如黄铜的具有低电阻的导电金属和/或诸如已知的银/镍、镍/铜、磷/青铜的更高电阻金属合金或者具有低电阻的类似合金制成的电流承载布线和端子。
采用布线形式的金属合金要用作电流变换器的初级线圈绕组,或者用作由金属合金板处理和制造的构造端子,以使得能够机械组装AC插座的插口端子或者插口和插入式电流感测适配器的插口和插头的组合。为了对通过测量结构的部分上的电?#20849;?#20986;来检测电流值提供低欧姆电阻,可以使用构造为插口、销或这两者的金属合金的固有电阻而类似地应用于电流感测电路,如稍后将解释那样。
在诸如环形芯、C状芯、E状芯或者可以在大小上小并提供如所计算的足够的初级和次级线圈的绕组的任何其它芯的芯上有电流变换器的初?#24230;?#32452;。众所周知,变换器线圈的高内部电阻减少线圈的Q因数以及变换器效?#30465;?#19988;用于120V或者230V AC线的小的AC变换器的初级线圈也将在100欧姆或者更多?#22982;段?#20869;。AC变换器通常被用于将AC线电压减少为低电压,并且因此通常使用的AC变换器中的初级线圈绕组的匝数远大于次?#24230;?#32452;中的的匝数。
在不探究公式和计算细节的情况下,基本变换器计算,即,初?#24230;?#32452;与次?#24230;?#32452;的匝数比与输入/输出电压比相同。例如,诸如120V至12V的典型AC变换器将具有10:1的绕组比。在这样的例子中,如果初级线圈绕组的数目是1000,则次级(12V)绕组仅是100。针对电流感测变换器的考虑的是不同的。
用于电力线的电流变换器使用非常少绕组的或者仅一个绕组的初级线圈。电流变换器使用由通过初级线圈的耗用电流生成的或者通过环形芯的中?#38590;由?#30340;布线生成的磁通量,用于输出产出在次级线圈的绕组中的大匝数上的低电流。为了测量达到2KVA?#22982;段?#20013;的通过电布线装置的电力消耗,通常次级线圈由1000到2000匝或者更多匝构成,并且甚至这用于输出在微伏/毫伏?#27573;?#20869;的、对应于通过变换器芯?#30001;?#30340;布线的耗用电流?#22982;?#24120;小信号水平。
在电流感测变换器中使用的初级线圈布线的内部电阻过小。仅使用厚度被选择为提供特定的耗用电流值的无阻铜布线。经常忽略在这样的初级线圈的内部电阻上产出的电压或者电压降,因为测量的电压降不显著或者甚至是不可测量的电压,因为不能将其与AC线环境下的持续噪声区别开。
?#36865;猓?#23384;在连接到次级线圈?#22982;?#26174;著的负载以在初级线圈中感应出增加的电流,并且因此应用于电力变换器的基础只能部分地应用于本发明的电流感测变换器,如将在下面解释那样。
本发明使用由金属合金制成的若干低阻布线绕组,该金属合金对初级线圈提供更高的电阻,并且因此提供能够以毫伏测量的可测量电压降,例如,对于1A的耗用电流而言如100mV(0.1V)那么高,并且因此利用经由初级线圈端子的可用/可测量信号,内部电阻将初级线圈本身变换为高效电流传感器。与?#36865;?#26102;,在初级线圈上产出电?#22266;?#20379;逐步升高变换器,逐步升高变压器用于对电流感测电路、电力消耗处理电路和通信电路供电。
由此,本发明对于电力浪费提供总体解决方案,首先,在不显著的电力损失情况下,通过生成低AC电压以等于传感器电路所需的电力,并且其次,当没有电流通过初级线圈时,生成零电压零电力浪?#36873;?#25442;句话说,当AC电器被关断时,或者当没有电器连接到AC电力插座或者连接到电流感测适配器时,消耗零电力。
初级线圈的两个端子以初级线圈上的电压降的形式提供由金属合金制成的初级线圈的内部电阻引起的传感器信号。次级线圈输出电压是初级线圈的小匝数与次级线圈的几百或者超过一千的绕组匝的比值与初级线圈上产出的电压的乘积。                                                ,其中ST是次级匝,PT是初级?#36873;?
本发明引入了不同的考虑,诸如合金材料、耗用电流、布线电阻和厚度、芯大小、最大磁通量以及初级/次级线圈处的效率损失。
进一步的计算是用以通过小数目的绕组匝生成逐步升高的电压输出所需的磁通量、初级线圈的内部电阻和电路所需的最小电力。
因为电流传感器电?#26041;?#28040;耗6到10mW,所以能够将电流变换器减少到非常小的大小并且提供该电路所需的mW电力单位,提供可测量的传感器信号输出,并且提供没有浪费的理想的电力节省解决方案,因为如上所述,仅?#22791;?#36733;耗用电流时,该电路才操作。即使在操作时所需要的电力也保持1W的一小部分。
在下面的描述和权利要求中,提及到合金布线,或者提及到低欧姆合金(如提及为用于电流变换器的初级线圈绕组的布线)或者提及到电流感测线圈,并不意图并且并不把线圈仅限制于合金布线或者限制于低欧姆布线。如可能会是情况那样,提及到初级线圈或者提及到线圈包括合金布线和/或低欧姆合金布线和/或合金布线和铜布线的组合以及不同合金布线与铜布线的组合或者在没有铜布线的情况下的组合或者只包括铜布线。
术语低欧姆合金线圈和提及到用于提供给定电压降和/或通量密度的许多匝的线圈可以包括?#25105;?#30340;布线组合,布线包括合金布线和/或铜布线。尽管下面的描述可能使用术语合金、合金布线、低欧姆合金或者低欧姆布线、诸如由低欧姆合金布线制成的、或者由合金布线制成的线圈的术语可以包括由包括合金和/或铜的布线制成的线圈或者初级线圈。任何对线圈匝数或者初级线圈匝数的提及可以包括许多合金布线绕组?#24310;?#35768;多铜布线绕组匝的组合或者只有具有给定低欧姆值的许多铜?#36873;?
本发明的另一目的是提供更宽?#27573;?#30340;电流感测,由此使得能够以瓦为单位测量并?#20918;?#21578;如1瓦那样低以及高达例如2KW那样的电力消耗。考虑120V AC,1W将是近似8mA的电流测量而对于2KW而言耗用电流将高于16A。这是单个电流感测电阻器值不能覆盖?#22982;?#24120;宽?#22982;段А?#20363;如,8mA(1W/120V)的电流将在10毫欧姆电阻上产出80微伏的电压,并且16A(2KW/120V)的电流将产出0.16V的电压。在16A电流下的电力耗散将引起高热量(0.16V×16A=2.56W),并且刚好高于可接受的最大热生成,并且不能被考虑用于这样的应用。
因此,需要几个窄化?#22982;段В?#35832;如1W至50W、40W至300W、200W至800W、600W至1.2KW,1.0KW至1.5KW以及1.3KW至2.5KW以及诸如2.4KW至3.0KW等的特定的窄带或者?#27573;А?#26681;据测量?#27573;А?#32791;用电流和可应用的AC电力电压,选择初级线圈金属合金布线的电阻。在120V电力线中,对于1W至50W?#22982;段?#30340;情况而言,电阻可以是0.2欧姆,并且对于1W消耗(8mA)而言电阻器上产出的电压是1.6mV,而对于50W(416mA)而言,产出的电压将是83mV,耗散所浪费的35mW电力的热量,并且刚好处于可接受水平。
类似地,在120V电力线中,6.5A(800W)的耗用电流将在2毫欧姆电阻上产出0.013V的电压降,10A(1.2KW)的耗用电流将产出0.020V的电压降和0.2W的电力热量,或者12.5A(1.5KW)将在1毫欧姆上产出0.012V(0.15W电力耗散),以及20.83A(2.5KW)将产出0.021V。其电力耗散将是0.416W,对于针对高达3KW电力消耗所作成的更大插座(超过20A)而言这是可接受的。上面提出的值和?#27573;?#20165;是为?#31169;?#37322;的目的而四舍五入为近似值,并且并不是准确的被消耗电力或者耗用电流。
AC电流测量不同于电力消耗测量,其必须基于测量电流和电压曲线这两者,以用于解决由(包括其电容和/或马达电感负载值的)电器引起的相?#40644;?#31227;和/或由对通常在电气电器中使用的电源进行开关而引起的AC失真。
再有,本发明的另一个目的是包括基于通过初级线圈的耗用电流?#22982;段?#36873;择器,以用于通过调整电流信?#27431;?#22823;率来改进测量精度和信噪比。这是通过?#28304;?#32423;线圈提供串联连接的多个绕组实现的,多个绕组还已知为次级线圈抽头。其中最后的绕组或者抽头被设计为输出能够以最低的指定耗用电流值对电路供电的电压水平,并?#19994;?#19968;绕组抽头被设计为当检测到超出耗用电流时输出预定的电压水平。这是用于警告用户所消耗的电力超过插入式电流感测适配器的测量极限或者来自AC插座的准许的电力负载。
本发明的用以划分耗用电流测量?#27573;?#30340;目的还可以通过针对如所指定的最低设计耗用电流水平设计的单个次级线圈绕组来达成,并且通过检测AC电压输出水平来划分测量并且操作测量电路,包括调整稍后解释的传感器信?#27431;?#22823;?#30465;?#36824;可以使用次级输出电压的测量来警告用户或向用户报警过量的通过电流传感器的耗用电流。
无论所使用?#22982;?#27861;是哪个,这两种方法—经由多个次级抽头?#22982;?#27493;方法和测量单个次级线圈的输出电压,对比于尝试应用基于宽?#27573;?#20256;感器信号水平(包括跨初级线圈产出的微伏或毫伏信号)?#22982;?#22823;率控制,都实质上更简单地使用和应用。
优选地对测量和通信电路的控制器或者CPU进行编程以生成并通信电流状态上的改变(诸如导通到断开)或者耗用电流值上的改变。为了避免用户偶然地关断电器而切断电流时的状况—该状况快速地切断传感器电路的电源,提供大的低电压存储电容器。存储电容器被连续充电,并?#20918;?#25345;充电的能量以为电流传感器提供延长的时间持续,以通信包括关断负载的耗用电流上的改变。
优选为传感器的CPU和其它电?#26041;?#20197;小电流操作,例如,诸如低于1mA,并且存储诸如3.3V的低电压的大的存储电容器对通信并?#20918;?#21578;耗用电流、耗用电流上的改变、电流切断和/或对?#20302;?#25511;制器的查询的响应的电路供电。当通过电流传感器耗用电流,并且电流传感器的设计的容量还取决于所采用的包括用于经由光波导或光?#26031;?#32447;缆(包括已知为POF并且在所提及的美国专利、公开和申请中公开的塑料光纤)传播数据的RF、IR和光信号的通信信号的类型时,将存储电容器充电至满容量。
本发明的其它优选实施例是使用所选择的金属合金形成设计的端子,端子在上面被提及为电力插头销或者插口或者插入式电流感测适配器的组合的销和插口的一部分,以用于使得电流传感器成为这样的销、插口或这两者的一部分。这样的结构的显著优点包括利用电器的AC线缆的电力插头销来冷却传感器,例如承载高电流的恒温槽的电力线缆组件到该恒温槽为与形成或构造成感测电阻器的插口物理接触/热接触。这样的接触使得能够将感测电阻器上的产出热量分布或耗散到重的销插头,重的销插头包括线缆组件的布线的连接铜芯,由此耗散并且减少在插口端子的电阻结构上产出的热量。
附图说明
图1A到1C是具有用于电流承载布线的接入的现有?#38469;?#30340;环形和C状芯线圈的例示图像以及现有?#38469;?#30340;电流感测的电路图;
图2A到2C示出被修改以包括本发明的优选实施例的初级线圈的图1A到1C的线圈和电路图;
图2D到2F示出通过引入多个次级线圈或者多个输出抽头而被修改的图2A到2C的电流变换器;
图3A示出具有AC火线的销插口的销插口结构的爆炸图,AC火线由被构造成形成本发明优选实施例的电流感测电阻器的合金导体制成;
图3B示出图3A的电流传感器的组件;
图4A示出具有AC火线插口的AC插座插口的爆炸图,AC火线插口由合金导体制成并?#20918;?#26500;造成形成本发明优选实施例的电流感测电阻器;
图4B示出图4A的AC插座的组件;
图5A到5D是包括本发明优选实施例的金属合金构造的电阻器的AC插头的销和PCB(印刷电路板)的前爆炸图和后爆炸图,其中图5B和5D示出组装的销和PCB;
图5E到5F示出包括图5A到5D的销和PCB的优选实施例插头的总体组件;
图6A是包括利用本发明优选实施例的电流感测变换器对电路供电的电流感测和电力消耗报告电路?#22982;?#26694;图;
图6B是除了被示出为用于AC布线装置的已知电源的供电电路以外,与图6A所示电路基本上类似?#22982;?#26694;图;
图6C是本发明的另一个优选实施例?#22982;?#26694;图,该优选实施例基本上组合了图6A和6B的电路并且包括由金属合金制成并且形成为AC插头或者插口或者这两者的电流传感器;
图7A是与图6A类似地被扩展为包括通过本发明的再一优选实施例的多个次级线圈抽头?#22982;段?#36873;择器?#22982;?#26694;图;
图7B是与图6C类似地被扩展为提供用于对多个AC插座和其它AC布线装置进行电流感测的组合电路?#22982;?#26694;图;
图8是示出用于计算?#23548;?#30005;力消耗的AC电流和电压相?#40644;?#31227;波形和定时的测量位置的曲线图。
具体实施方式
图1A示出包括用于感测通过芯5A的中?#38590;由?#30340;所示布线10耗用的AC电流的芯5A和绕组6A的众所周知的典型环形线圈组件。传感器线圈将其电流信号输出到处理器(未示出)。
图1B示出包括具有接入或者窗口的C状芯5B和用于感测通过将传感器信号输出到处理器(未示出)的窗口?#30001;?#30340;所示的布线10耗用的AC电流的线圈6B的另一个众所周知C状芯线圈组件1B。
图1C示出用于感测通过布线10耗用的AC电流并且?#26377;?C输出电流感测信号的、分别表示线圈5A或者5B和芯6A或者6B的芯5C和线圈6C的主电路图1C。图6B示出该电路,并且稍后将解?#36879;?#30005;路。
图2A示出作为修改的电流传感器1A的电流传感器2A,其中电流承载布线10由初级线圈11A代替。初级线圈由具有?#36127;?#27431;姆的低欧姆电阻的合金布线制成,用于产出对应于通过线圈11A耗用的电流的在初级线圈上的电压降。处理电路使用该电压?#23548;?#31639;诸如灯具或者冰箱、或者空调器和/或任何其它电气电器的负载或者电器消耗的电力。芯5A是与电流传感器1A的芯5A相同的环形芯,然而,修改次级线圈12A以输出AC电压和足够的电流,以用于对稍后将解释的图6A所示处理和通信电路供电。
图2B示出与图1B所示电流传感器1B类似的修改的电流传感器2B,其使用芯5B和与传感器1B的芯5A类似的结构,利用初级线圈11B代替传感器2B的布线10,与初级线圈11A类似并且参照上面,初级线圈11B由低欧姆合金布线制成,用于产出与通过初级线圈11B的耗用电流成比例的电压降。与次级线圈12A类似,次级线圈12B被设计为输出具有足够电流的AC电压以用于对图6A所示处理和通信电路供电。
图2C示出电流传感器2A和2B的电路图2C,电路图2C示出了表示电流传感器2A和2B这两者的芯5C、初级线圈11C和次级线圈12C,图6A中也示出稍后将解释的电路2C。
图2D、2E和2F示出除了在此示出为多个绕组的次级线圈或者用于提供?#27573;?#36873;择的具有多个抽头的次级线圈、以及图7A所示的将在稍后解释的控件以外,与图2A、2B和2C所示的电流传感器类似的电流传感器。在其它方面芯的结构和初级线圈与图2A、2B和2C所示的芯和初级线圈相同。
图3A示出包括插口22S和用于中性电力端子的插头销22P的组合22、接地插口23S和插头23P的组合23以及插口21S、插头21P和构造电阻器21R的组合21的、用于通信电流消耗的插入式电流感测适配器20的元件的爆炸图。组合21由诸如黄铜、铜镍或者银镍或者磷铜材料的低欧姆合金或者任何其它低欧姆金属合金制成。
电阻器部分21R被计算为低欧姆电阻器结构,该电阻器部分21R包括作为用于支承印刷电路板24的?#38468;?#31471;子的两个形成为整体的端子21R-1和21R-2。PCB包括电流和电力消耗处理与通信电路,该电路包括光收发机25,用于经由图6A到6C和图7A所示的光?#26031;?#32447;缆光波导和RF天线54通信光信号,并且电流和电力消耗处理与通信电路被构造成在PCB板24上的印刷?#21450;?#30340;形式。在参考的美国专利、公开和申请中公开?#26031;?#27874;导、光?#26031;?#32447;缆和光收发机。
图3B示出包括插入式电流传感器适配器20的安装在销插口组合21上的PCB 24、AC中性销插口组合22以及接地销插口23的机械组件。接地端?#29992;?#26377;耗用电流检测功能和/或电流信号处理上的功能。图3B引入?#31169;?#22320;端子,以图解电流感测适配器20完全符合规定接地连接的电气规则、标准和规范。
电流感测适配器20的插头销和插口被示出为美国标准,但是可以符合针对构造的销和插口或端子的任何其它标准,包括英国标准、任何不同的欧洲标准、澳大利亚标准或者任何其它国?#20918;?#20934;,以提供符合规定电布线装置的尺寸、结构、标准和规范的电流感测适配器。类似地,可以在没有接地销插头和插口23的情况下构造插入式电流感测适配器20,并且可以修改其外壳或者外封装29以配合两销壁装AC插座而没有接地端子。
图4A是壁装AC插座插口端子的爆炸图,该壁装AC插座插口端子包括AC火线端子31,该AC火线端子31由低欧姆电阻合金制成并且包括插口31S、用于布线连接的端子31T、构造的电流感测电阻器31R、以及PCB安装端子31R-1和31R-2。所示的PCB34与图3A到3B所示的PCB 21类似,并且具有其?#38468;?#31471;子31R-1和31R-2的构造电阻器31R也与图3A和3B中所示的类似。它们被示出为类似于构造电阻器21R。
构造电阻器21R和31R可以被构造为无尽的形状,可以使用其厚度、宽度、长度、变型来改变电阻值。能够设计端子、销和插口的构造以满足成本目标,端子可以由单个厚切片或者被弯曲成多层的薄片形成、或者被冲压、按压或者使用被铆接的铜片以及低欧姆金属合金组合。
当并入有电流传感器的AC插座之间的仅有的改变将是针对给定?#27573;?#30340;耗用电流或者电力消耗构造的AC火线端子的改变、连同AC插座标记和/或对于AC插座的颜色标准的引入上的改变时,提供不同的耗用电流?#27573;?#26159;成本有效的解决方案。这将识别应当使用的或者应当与具有相同标记或者颜色标准的AC插头相配的AC插座。
由于上面的原因,所构造的电阻器21R和31R被示出是要引入类似结构的通常形状的结构,但是如上面提及那样,对于要被构造、制造和组装以提供所选择的电流感测电阻的端子、插口和插头的设计而?#28304;?#22312;无尽的可能性。用于这样的设计的例子示于图5A-5F中。
包括中性端子插口32和接地端子插口33的壁装电力插座的其它端子是在被示出为标准美国电力插座的电力插座中使用的典型端子,但是可以应用于任何国家或者地区的电力插座。
针对包括通信电路和光收发机25的PCB 34的所有其它考虑与在图3A和3B中提及的PCB 24类似。通过去除插头销21P、22P和23P并且利用所示的螺钉端子31T、32T和33T代替它们而看到明显的改变。接地端子33T和接地插口33S在提及于本发明的电路和结构中不起作用,并且接地端子33T和接地插口33S被示出为符合接地标准和规则。可通过构造按每个插座具有中性和AC火线的两个端子插口的单个或多个AC电力插口,来使用具有或不具有接地端子的电力插座。
图4B所示的是组合图4A所示的爆炸图的整个装配的单个AC插座组件30,然而,这样的电力插座,壁装的或者其它类型(诸如插座适配器或组合有线缆和插头组件的插座),具有?#23548;?#19978;为多个电力插座的多个或者许多AC插口,并且每一个可以类似于优选实施例来构造,优选实施例包括电阻器31R或者用于对AC火线端子提供低欧姆感测电阻器的其它结构。在许多这样的多AC插座中,中性端子插口和AC火线端子插口被组合为单个构造的条,每个条被分别连接到单个AC中性布线和单个AC火线布线,用于将AC电力提供给所有多个AC插座。
在这样的装配中,AC火线端子插口的每一个必须被构造为包括诸如所示的31R的低欧姆电阻器或者用于AC火线端子插口的每一个的任何其它结构。这同样应用于具有多个电力插口的电力线缆组件和已知为插入式多插座适配器的AC适配器。用于多个AC插座的PCB组件可以是具有针?#36816;?#26377;多个插口的单个CPU或者单个信号处理器的组合组件,包括报告每个AC火线插口端子单独地进行的电力消耗。稍后将解释图7B所示的组合电路。
在下面的描述和权利要求中,术语CPU(中央处理单元)提及CPU或者DSP(数?#20013;?#21495;处理器)或者任何其它数字处理器(无论是模拟到数字、数字到模拟)以及信号处理装置、IC和电路封装的?#25105;?#32452;合。
图5A和5C是示出分别作为AC火线销、AC中性销和接地销的电力销端子41P、42P和43P的结构的爆炸图的前侧和后侧。所述销与图3A所示的销21P、22P和23P类似,但是销41P和42P被构造为不同以用于安装在背部PCB 44上,并且接地销43P被构造为用于直接连接至接地布线。
电阻器41R被构造为销41P的一部分,但?#19988;?#20026;空间限制和插头40的总大小,电阻器41R被形成为垂直伸长?#22982;?#27874;切口形状以提供针?#36816;?#38480;定的通过AC插头40的耗用电流来实现所设计的低欧姆电阻所需的长度。
所示出?#22982;?#27874;形状的电阻是用于引入限定的电阻的所设计的形状、厚度、宽度、长度和金属合金选择的无尽的可能性中的例子,所述限定的电阻被设计为用于测量通过构造端子、销或者插口以及它们的组合的耗用电流。构造的销能够被设计为具有?#38468;?#38144;、?#38468;?#31471;子?#20303;?#34746;纹孔和其它构造的形状,以将电阻部分精确地并且安全地安装并且连接到PCB和整个插头。
图5B和5D示出将光收发机45包括在PCB 44上的销41P和42P的组件。未示出接地销43P被组装到或者连接到PCB,该接地销43P没有特定的功能要提供,尽管其可能被用于将电路与噪声?#24088;?#24320;。图5E和5F所示的接地布线46G被连接到接地销43P。未示出用于双向通信RF信号的图6A到6C和图7A到7B的RF天线54,因为以PCB本身上的小?#21450;傅姆?#24335;来提供这样的天线,并且因此PCB 44包括天线54。
图5E和5F图解模制插头40,模制插头40被组装并连接到电力线缆46,电力线缆46的AC火线布线被连接到负载端子41L,41L被示出为电阻器41R的?#38468;?#31471;子,用于把电器(未示出)连接到电力线缆46的另一端。这完成在经?#19978;?1P的AC火线线与经?#19978;?#32518;46的电器之间串联地引入负载电阻器41R。线缆46的中性布线46N被直接连接到端子42P,并且如上面提及那样,接地布线46G被直接连接到接地销43P而不连接到PCB。
所示出的光收发机将光信号通信至光波导或者光?#26031;?#32447;缆,所述光波导或者光?#26031;?#32447;缆在参考的美国专利、公开和申请中被公开为经由AC插座的光接入或者光端口接入以用于传播有关耗用电流、电力消耗和负载或者特定电器的数据。双向通信的其它方式包括?#19978;低?#25511;制器进行查询以及用于操作的电器的命令。
图6A示出包括本发明优选实施例的电力消耗报告电路和通信电路的电流传感器电路?#22982;?#26694;图,使用图2A到2C所示的电流变换器以用于对电流传感器电路供电。包括CPU或者模拟/数字处理器50、电流信?#27431;?#22823;器51和电源调节器57的电路是用于包括测量负载58消耗的电力的电流感测和处理的基本电路。负载被示出为欧姆RL,电感LL和/或电容CL负载以及它们的组合。
感测元件是具有其初级线圈P的电流变换器T1,初级线圈P由低电阻合金布线所制成的几个绕组构成,合金布线的厚度是针对负载58的给定?#27573;?#30340;耗用电流选择的。负载连接在AC中性端子59与负载端子60之间,并且通过T1的初级线圈P到达AC火线端子61。通信电路包括双向缓冲器52、光收发机56以及RF收发机53。
电流变换器T1被构造成与通常包括圈缠绕在诸如图1A所示的环形芯上以用于对通过芯的中心的电流承载布线10提供通路或者窗口的次级线圈的众所周知的电流变换器不同。流过所示出的被认为是单匝的笔直的通过布线10的电流生成在次级线圈S中产生电流的磁通量。该电流与绕组匝比成比例,并且将在连接到次级线圈端子的负载上产出信号电压输出。
在图1A到1C所示的布线10上的电压降时不可测量的,因为电力承载布线被选择以在电力传播距离上提供最小欧姆损失。通过芯的布线的长度只有?#36127;撩住?#22312;短的铜布线的微欧姆电阻上的电压降过小,而且如果将铜布线缠绕到如图2A到2C所示的芯上,则该电压降将不会以任何显著?#22982;?#24335;改变。初级线圈11A到11C上的电压降将不显著,并且太小而不能测量。在电力线环?#25345;?#25345;续的电噪声和?#30001;?#38459;碍?#23435;?#20239;水平的测量以及/或者可靠地使用低的毫伏信号。
次级电流将通过初级线圈的绕组而增加。通过的笔直“单缠绕”的布线提供受限制的磁通量,并且在芯受限制的情况下(诸如芯磁导率和大小受限制)几个绕组就实质地增加通量。
?#36865;猓?#29305;别地制成通常使用的电流变换器以用于在不与AC布线交叉的情况下引入到电力线上。这是为了在非常高电压电力线中测量电流以用于计量电力消耗而发展的概念,并且仪表?#29420;?#30005;力线并且必须与高电压完全绝缘。
只要是在包括工厂、仓库、学校、公共场所、商场、住宅、?#28059;?#27004;以及其它的建筑中,用于电布线装置的限制是严格的电气和建筑标准和规则禁止低电压信令和/或低电压电力与电布线装置和/或电布线连接和/或混合。
这强制使用RF或者光通信,无论是在空中还是经由光线缆(诸如光波导(lightguide是日本Toray Industry用于其塑料光纤的商标,已知为POF))或光?#26031;?#32447;缆的可见光或IR。包括电流信号处理电路的RF和光通信仍必须由低伏特和低电流电力源供电,并且这是必须被克服的障碍。
电布线装置的?#23548;?#36816;用是它们的大小在电暗线盒以内。将电流传感器引入电插座和光开关中提出了大小问题。即使是小的电力变换器也难以引入到包括电力插座的每个电布线装置。
?#36865;猓?#24341;入单独的电源(无论是开关电源还是使用变换器或高电压AC级电容器的模拟电源)以用于对DC电源馈?#22270;?#23569;的AC电压是成本高且浪费的。特别是当用于消耗报告和控制的目的是减少电力消耗时这毫无意义。
将当前可用的?#38469;?#29992;于小的大小的电源将以由同样多的开关电源和/或由于起因于模拟电力调节的相?#28304;?#30340;电力浪费而被加热的布线装置引起的更大噪声的电环境而告终。即使大多数电布线装置在一天的大多数时间中不使用或者根本不使用,由于电布线装置的电力消耗也将继续。
在建筑、住所、?#28059;?#27004;和其它房屋内,许多插座保持为未使用。考?#21069;?#27599;个建筑的单元来说房屋中的电布线装置的平均数目远高于60,在几百万房屋中将小的电源引入到60个装置,在每个电源消耗1瓦/小时或者24 瓦/天那么少的情况下对于365天/年而言最终将超过(500 千瓦/小时)·每年每住宅,并且对于一个城市或者州而言具有千兆瓦的电力浪?#36873;?#25913;变设计和使用电流变换器?#22982;?#24335;的本发明完全消除由未使用的电布线装置浪费的电力。
T1的初级线圈P由诸如铜镍、银镍、磷青铜或者黄铜合金的低欧姆合金布线制成,所有都是具有低电阻的、能够针?#28304;?#21040;30A或更大的电流而以不同布线厚度制成的导体,缠绕在小的大小铁氧体或者金属基变换器芯上,被配合用于安装到电布线装置的暗线盒中。
使用所选择?#22982;段?#20174;0.1欧姆到0.2毫欧姆的低欧姆电阻布线用于感测?#27573;?#20174;8 mA(在美国近似于1W或者在欧洲近似为2W)达到30A(在美国近似为3.6 KW或者在欧洲近似为6.9 KW)的电流。用于3KW及以上的负载的电流传感器通常不在住宅中使用并且可能具有更大的物理大小。所示出的值是要增强本发明的小的电流变换器能够被使用的水平和程度。
由于通过3匝初级线圈耗用近似8mA电流的消耗1W的电器而在1欧姆电阻上的电压降将是8mV。
图6A所示的VCC必须提供例如3.3V/2mA以用于操作图6A所示的处理电路。对于3.3V/2mA而言,由0.07mm?#26412;?#24067;线(对于直到6mA而言是足够的)和给定数目的绕组匝制成的次级线圈输出例如5到6V AC以利用电压调节器57提供调节的3.3V DC。
如果初?#24230;?#32452;?#24310;?#27425;?#24230;?#32452;匝的比需要是例如1:750,则优选添加一些匝并使得比为诸如1:850以提供芯损失、由于2500绕组匝(在2mA下0.1V的损失)的次?#24230;?#32452;损失(约50欧姆)以及其它已知变换器损失。清楚的是消耗低的1W电力的负载能够生成用于操作图6A所示的电流传感器所需的DC电力的12mW AC。
另一方面,甚至对于10W的负载而言1欧姆电阻和2500次级匝将过大,因为耗用电流将是使电压降升高到80mV的80mA。即使初级线圈上的热耗散(0.08A×0.08V)是可接受的6.4mW的电力浪费,在次级线圈上产出的电压(0.08V×850匝比)在30V AC(所负载的)?#22982;段?#20869;,并且这对于3.3V的模拟调节器57而言过高,并且需要更低的次级输出电压。图7A所示的解决方案?#28304;?#32423;线圈S和受控的输出选择器提供级联的次级线圈或者抽头。
稍后将讨论图7A,但是清楚的是将1欧姆的量的电阻引入初级线圈是过大的并且需要更小的电阻。在更小的电阻的情况下图6A所示的供电电?#26041;?#34987;限制于更高的电流?#27573;В?#29305;别是当非常小的电力消耗在1W或更小并且达到20W、或者60W或者甚至达到100W?#22982;段?#26102;。对于小的电力消耗传感器,将优选地应用示出本发明的另一优选实施例的图6B和6C的DC电力电路。
图6B是除了VCC电源源以及替代用于VCC的AC电力源使用用于输出电流感测信号的次级线圈以外,具有与图6A?#22982;?#26694;图基本上类似的电路?#22982;?#26694;图。图6B中的VCC电力源经由保护电阻器R2、电容器C3以及二极管D2馈送到DC调节器57的输入端或者端子。
所示出的调节器57是众所周知的模拟电压调节器IC,许多IC制造商以非常低的成本使模拟电压调节器IC可用。所示出的调节器输入电路包括:滤波器电容器C1,用于将低纹波DC输入提供至调节器;以及齐纳二极管ZD1,用于保护调节器免受通常影响电气?#20302;?#30340;电压浪涌的影响。调节器的输出包括存储电容器C2,用于当电力被随机切断时,保持足够的电荷以对电流传感器电路供电,以便向?#20302;?#25511;制器报告这样的随机切断。
AC火线线被示出为连接到还作为VCC的?#21512;?#30340;地。所示出的VCC例如为正3.3V,但是可以是5V或者1.8V或者通常应用于CPU和其它IC(包括通信IC,诸如图6A到6C和图7A到7B所示出那样)的任何电压。
由于AC火线被连接到DC供给的负极,进入电压调节器57的输入端子的电力馈送被连接到AC中性线并?#20918;?#20174;AC中性线经由串联电容器C3馈送到整流二极管D2,C3是AC级电容器,并且取决于电力线电压,还考虑电力频率分别为50Hz或者60Hz,C3可以在从针对230/240V AC(欧洲,英国)的0.1微法拉起并且达到针对100/120VA(日本/美国)的0.18到0.22微法拉?#22982;段А?
额定在275V AC的电容器C3是众所周知的,并且由诸如UL、VDE、JIS和BS的所有已知的标准批准机构批准用于在电气电力电?#20998;?#20351;用。在电容器C3与AC中性线之间的电阻器R2是用以防止浪涌的保护电阻器,并且/或者可以是用以防止在将发生短路电路或严重泄漏的远程情形下起火的自毁电阻器。
电流变换器TB与图1A到1C所示出的变换器类似,但是初级或者笔直的布线或者条10由低欧姆合金制成以增加初级端子上的电压降。?#36865;猓?#31867;似于图2A到2C所示的初级11A到11C,电流变换器TB可以被围绕芯卷绕以增加磁通量以及克服持续的电噪声所需的次级SB线圈的信号水平。当通过初级布线或者线圈10的负载耗用?#27573;?#22312;1mA到500mA的低电流时,这增加由小的电流变换器生成?#22982;?#24120;低的输出信号水平。
信?#27431;?#22823;器51是众所周知的线性放大器或者双重放大器IC,被串联连接用于放大次级输出信号。放大器51组合了还已知为运算放大器(或者op.amp.)的两个放大器,每个放大器被设定以例如达到100的因数进行放大并且两个放大器串联,因此放大器51能够提供达到10,000?#22982;?#22823;?#23460;?#25968;。由于1到500mA的耗用而生成的信号的线性放大将很好地在放大器51的线性?#27573;?#20869;。
下文中提及为CPU的CPU(中央处理单元)或者模拟/数字处理器50包括模拟到数字和数字到模拟转换器端口、数字端口和模拟端口。CPU 51是通常可用的CPU,诸如包括存储器的8位或者16位的低成本、低电力消耗处理器。CPU操作在1.8V或者3.3V上,具有诸如小于1mA的操作电流几微安培的睡眠电流。
放大的电流信号被从放大器51馈送到端口I/OC,并?#19968;?#20110;放大率控制状态和有关于转换的模拟电流信号到数字的数据,对CPU编程以经由I/O A端口调整放大器51?#22982;?#22823;?#23460;?#25968;,以获得如所编程那样的、与所接收的信号相称?#28304;?#20110;传感器指定?#27573;?#30340;中间或最线性?#22982;段?#20013;的最佳放大?#30465;?
如图6A到6C和图7A到7B所示以及上面提及那样,负载58不是纯欧姆或者电阻负载,其可以是通常与包括PC的电气电器一起使用的马达和/或电容器和/或开关电源。非欧姆负载引起电压曲线与电流曲线之间的相位上的偏移并且/或者由于高电力数字开关电力负载而使曲线失真。图8示出两个正弦曲线—电压曲线80到86和电流曲线90到96,这些曲线由于未知的RL、LL和CL负载所引起的随机角度而被偏移。
电压曲线90到96是从AC中性端子62经由大欧姆分压器R1和R3(其中R1的值在诸如0.5到1.0兆欧姆?#22982;段?#20869;,并且R3的值是?#30422;?#27431;姆)馈送到CPU的I/OV的参考电压的曲线,以提供表示电力线电压的最佳参考信号水平,电力线电压为美国的120V/60Hz或者为欧洲电力线的230V/50Hz。电流曲线90到96是放大的电流信号和耗用电流值的精确参考。
参考电压曲线的过零点80是用于电力消耗读取处理的时间上的开始位置或者开始点。根据电流曲线的过零点的偏离,电流相?#40644;?#31227;是明显的。
所示出的过零点80为从负跨到正,与?#36865;?#26102;,在开始位置时间90,电流曲线被示出为接近负曲线?#22982;?#20540;,或者处在大于90o的相?#40644;?#31227;。
图8所示的处理是测量5个参考周期81到85以及相?#40644;?#31227;的5个电流周期91到95。在时间上的测量位置或者测量点在图8中被示出为如在电压曲线上随机散布的10个点,如针对电压时间点的81-1、82-1、83-2、84-3和85-4,和在电流曲线上的被示出为92-4、93-5、94-6和95-8的?#38750;?#26102;间点。处理时间的位置或者时间点的结束被示出为86和96。对于50Hz而?#36816;?#31034;出的时间间隔为2毫秒,并且对于60Hz而言为16.6毫秒。垂直线将一个周期划分成10个时间点,因此每个时间点之间的间隔是一个周期的时间持续除以10。
时间间隔或者一个周期期间的测量点的数目(Hz)直接与测量精度相关,这同样应用于在一个测量轮次中的所测量的AC周期的数目。这两者都是要作出的决定,其中更高的精度要求在一个测量轮次中的更多被测量的AC周期(Hz)、以及时间间隔上的减小或者测量点的数目的增加。
电力消耗是所计算的基于在每个时间点的测量?#20302;?#26102;地创建的并?#19968;?#20110;电?#20849;?#32771;定时按每个周期求和的正弦V×A曲线图的乘积。图8中所示的5个周期81到85是例如每两秒重复的一个测量轮次的例子。当计算轮次被编程为每2秒执行时,对于50Hz而言5个测量的周期的总和将被乘以20的因数,而对于60Hz而言乘以120(50:5/秒×2秒)或者(60:5/秒×2秒)。这将表示2秒内消耗的电力。
通过以上,利用本发明的电流传感器进行的电力消耗计算可以被简化并且由低成本的中央处理单元(CPU)或模拟/数字处理器(两者均可?#26377;?#22810;IC制造商得到)来执行应当是明显的。本发明的电流传感器可以在大小上被制作得小,被配合到AC插头、插入式电流传感器、AC插座和其它电布线装置中,并且对电力消耗报告提供精确、实用并且低成本的解决方案也应当是明显的。
将所计算的电力消耗值存储在包括在CPU中的存储器中并且进行更新以用于如所编程那样对控制器进行报告。将计算的电力消耗值转换为预定义的编程协议,该预定义的编程协议包括负载或者电器的详情以及负载和/或AC插座的位置。存储器中存储的并且更新的数据是被编码的协议。
参考的专利、公开和申请(特别是申请13/086,610)公开了电力消耗协议的编码和协议报告的信号结构。命令结构被设计为仅包括5个?#32440;?#30340;短命令,这5个?#32440;?#21253;括用于报告电力消耗、负载详情及其位置的全?#20811;?#38656;要的数据。
当电流传感器报告负载新状态或者“负载关断”协议时,当将负载关断由此切断到传感器电路的电力以便将充电存储电容器C2的耗用最小化时特别需要短命令。这是重要的,因为光LED发射机耗用几mA(诸如5到6mA),并且用以覆盖用于几种通信的响应(诸如当电力被切断时(没有负载电流)对来自控制器的查询进行响应)的存储电容器将要求非常大的电容和增加的大小。
通常以微瓦单位测量的RF发射机输出不消耗太多的电力,然而,优选的是将报告协议的长度最小化。所示出的两个收发机RF收发机 53和光收发机56不需要成对。操作在RF上的?#20302;?#21487;以不包括光收发机56,并且通过光网络操作的?#20302;?#21487;以不包括RF收发机53。无论如何能够在电?#20998;?#21253;括这两者,并且可以并行地进行无线操作以及操作光网络。
双向缓冲器52是众所周知?#22982;?#22823;器缓冲器,可在来自许多半导体制造商的小的表面安装IC封装?#26800;?#21040;。其目的是将信号及其水平进行接口并且将收发机53和56之间的双向信号馈送到CPU 50 I/O T端口和I/O R端口。取决于所选择的CPU和模拟/数字处理器50,有许多这样的包括不要求附加缓冲器的I/O端口的装置,因为它们可以被编程以输出和接收与在CPU和收发机之间?#25442;?#30340;信号相称的变化信号。对于这样的装置而言不需要并且不使用双向缓冲器52。
除了电源和感测变换器TB以外,图6B?#22982;?#26694;?#21152;?#22270;6A?#22982;?#26694;图和电路类似。如上面所解释那样的变换器TB使用低欧姆布线用于其初级线圈或者笔直通过的布线10,并且响应于经由初级线圈或者布线10的耗用电流来应用它的由TB生成的次级SB输出信号。
图6B?#22982;?#26694;图是用于低电流消耗负载(诸如到达100W以用于在类似于图3B所示的小的插入式电流传感器适配器中使用)的优选实施例。
图6C是除了电流变换器6B以外与图6B确实地相同?#22982;?#26694;图,电流变换器6B被由低欧姆合金制成的构造的端子RS代替以用于提供被用于测量通过诸如图3A、4A和5A的21、31或者41的端子的耗用电流的电压降。所有其它电路与图6A和6B的电路相同。电源电路与上面所解释的图6B的电源相同。
提供图6C以用于更高电流和更高电力消耗报告,因为构造的端子和合金材料及厚度的选择使得经由端子耗用30A及以上的电流是可行的。由于是在低欧姆电阻器上的电力浪费,热量很好地保持在远低于1W以内,并且热量经由插?#26041;?#35302;耗散。清楚的是在电流感测装置和部件中使用低欧姆合金为引入低成本、可靠并且容易处置的电力消耗报告装置提供了全新的前景。
图7A示出被修改以包括具有多个的n个绕组或者n个抽头的电流变换器T11以使得能够?#30001;?#30005;流感测?#27573;В?#22914;上面所解释那样从几mA的低耗用电流起并且达到几安培)的图6A?#22982;?#26694;图。抽头A、B、C和n被示出以将其被整流的输出(由二极管D1、2、3和n整流并且由电容器C11到n滤波)馈送到具有扩展的I/O端口的CPU 50A的I/O端口I/O 1至I/O n和选择器63。输出选择器63可以?#19988;?#30693;为模拟开关并且可?#26377;?#22810;IC制造商(诸如Maxim,JRC、Texas Instrument以及更多)得到的低成本多输入模拟复用器。
即使这样的复用器被设计为用于信号选择,信号也被指定为18V及以上并且电流为25mA及以上,远高于从次级线圈S的每个抽头馈送的几mA DC,该DC具有远低于通常用于这样的模拟开关或复用器63的18V或25V的电压。CPU的I/O S经由其控制端子控制复用器,以选择CPU已经测量为高于如通过经过复用器输出端子将所识别的输出A、B、C或者n连接到调节器输入而编程的给定水平的最低电压。
用于复用器控制的默认设定是输出最高电压的抽头A,其是被设计为针对经由初级P的最低耗用电流提供足够电力的输出或者抽头。对抽头B设计或者分配中间?#27573;?#30005;流,并且所示出的例子的最高?#27573;?#30005;流是抽头C。抽头n是过耗用电流输出。
只有输出A能够达到针对电流传感器?#27573;?#30340;最低耗用电流设计的AC水平输出应当是明显的。当通过初级的耗用电流处于指定的电流感测的中间?#27573;?#20869;时,抽头A和B两者都将输出超过所编程的水平的电压水平,其中抽头A的电压将远高于所编程的水平。因为该原因,水平选择将把复用器输入B与输出连接以用于将电力馈送到调节器57。这同样应用于最大的被指定的耗用电流,其中输入C将通过复用器将其电力馈送到调节器57。
如果过耗用电流通过初级线圈P,则抽头n将经由输入n将其电力馈送到调节器57,并且与?#36865;?#26102;,CPU将警告?#20302;?#30340;控制器该过电流检测,并且/或者将使蜂鸣器发声或使LED(未示出)?#20102;?#20197;警告?#20302;?#30340;用户采取纠正措施或关断负载。
在通过多抽?#26041;?#20915;方案来?#30001;?#30005;流感测?#27573;?#20043;外,图6A和图7A中的电路及其方框图相同,并且它们通过放大率控制、电力消耗处理和报告来以相同?#22982;?#24335;操作。图7A中所示出的是3个次级输出抽头,并且取决于所指定的电流感测?#27573;А?#25805;作环境和负载选择,可以引入?#25105;?#25968;目的抽头。
对于更大的电流传感器而言,无论是插入式类型、AC插座类型或是如用于更重负载(诸如有50A)的插头类型,优选地使用低欧姆合金。对于这样的强电流而言,替代图3B、4B和5B所示的具有由低欧姆合金制成的电阻元件的构造端子,可以使用具有电流传感器的工业类型的AC插座或者具有电流传感器的高电力插头或者与图3B所示的类似但是在大小上更大以容纳更大的端子或体现本发明的更大的电流变换器主体的插入式电流传感器。
图7B示出除了用于多个AC电力插座和/或用于AC插座适配器的多个电流感测电路以及具有多个AC插座的线缆组件?#30001;?#22120;以外,与图6C?#22982;?#26694;图类似?#22982;?#26694;图。图7B的基本电路与图6C所示的电路相同,使用了由低欧姆合金RS制成的AC火线端子的构造电阻器。
差别在于对n个负载添加n个插座,其中每个端子插口都包括它的被示出为RS-1、RS-2和RS-n的构造电阻器。扩展的CPU 50A针对每个构造的电阻器RS-1、RS-2和RS-n进行提供以将其输出馈送到放大器51-1、51-2和51-n,放大器51-1、51-2和51-n?#22982;?#22823;率分别由I/O A-1、I/O A-2和I/O A-n控制。
利用这种电路布置,变得明显的是单个组合扩展的电路能够用于单个电布线装置的多个AC插座或者用于具有多个插座(未示出)的适配器或者用于具有多个AC插座(未示出)的线缆组件?#30001;?#22120;,其中每个插座将提供对其耗用电流的感测以及单独地报告其电力消耗。
直接地或者经由网络装置(诸如接收RF信号或者经由光线缆接收光信号的电流数据接收器)向控制器报告电力消耗必须包括识别数据。数据应当包括负载58或者电器或者电器的类型或系列的识别。
数据还应当包括电器在房屋(无论房屋是公寓或者商场或者学校或者工厂)内的位置。优选的是数据包括AC插座的特定识别,或者插座被连接到哪个电流接收器或者向哪个电流接收器报告。
如上面提及那样,使用电流变换器对电路供电强制使用存储电容器—在上面提及的电容器C2,电容器C2用于提供足够的容量以用于对收发机(特别是光收发机)或者消耗在诸如5mA到6mA?#27573;?#20869;的电流的LED供电。?#36865;猓?#30005;容器必须存储足够的电荷以当电力被切断?#36125;?#36755;数据,或者优选地存储足够的电荷以在电力被切断后,或者在负载被关断后,对控制器的至少一个查询进行响应。
用以使C2中的存储电荷的耗用最小化的另一个重要因素是报告时间的长度和数据内容和结构。数据加载方法,无论是经由旋转开关或者经由RF、IR或光下载信号,都在上面提及的参考专利、公开和申请中被公开。在参考申请13/086,610中公开了非常短的数据内容和结构,通过引用将所有的专利、公开和申请并入于此。
在参考申请13/086,610中公开的这样的短数据被构造为只有5个?#32440;冢?#36825;5个?#32440;?#21253;括位置、电器识别、消耗的电力、寻址和用于处理报告和/或接收查询的其它所需要的数据,诸如开始位、结束位、校验和和命令的性?#30465;?
使所有这些细节都在预定义的协议中(协议覆盖来?#36816;?#26377;房间和住宅的公共区的电器的整个?#27573;В?#20026;管理在住宅中使用的家电和电器提供了简单化和标准化。用于优选的报告的时间持续是20毫秒,并且用于处理和传播一个命令(当电力被切断时)而耗用的DC电流是5到6mA。
用于通过本发明的电流传感器报告耗用电流或电力消耗的20毫秒的时间持续是在900到1200波特的速率下通信慢的时候。在光传输期间的DC耗用电流是5到6mA,并且在RF传输期间为2到3mA。接收用于电力消耗或者负载状态的查询协议将耗用近似1mA,无论其是RF查询协议还是光查询协议。这强制利用能够存储等同于在60毫秒或者0.06秒的持续期间上最大为6mA的电荷的电容器,并且额定在6.3V的小的表面安装的200到470微法拉的电解电容器或者钽电容器是足够的。
变得清楚的是,把合金布线使用到电流变换器之中并且将合金材料用于构造的电力销、插口及其组合连同本发明的用于操作电流传感器和电力消耗报告的供电解决方案一起提供了不浪费或者浪费很少电力的易于制造、安装和使用的新一代低成本电流传感器。
当然应当理解前述的公开仅涉及本发明的优选实施例,并且意图覆盖在?#23435;?#20102;公开的目的而选择的本发明的例子的所有改变和修?#27169;?#36825;些修改不构成从本发明的精神和?#27573;?#30340;脱离。 

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本文标题:用于采用低欧姆合金导体的设备和用于简化耗用电流数据检索?#22982;?#27861;.pdf
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