电子式电能表电原理图分析(王昌国)
大纲:
一、电子式电能表原理(分类为 5 大部分:电源、采样计量、单片机处理、通讯、输出):
电表维修原则:1、通过现象查上一级电路输出的电压(或信号)是否正常。 2、上一级电路输出的电压(或信号)是正常的,则故障不在上一级电路,查本级电路。 3、上一级电路输出的电压(或信号)是不正常的,再查上上一级电路输出的电压(或信号)是否正常。 4、通过分级检测输出的电压(或信号)是否正常来确定故障的范围。
1、 供电原理(讲原理时要画出电路,提及有故障时的现象和检测维修方法); 1.1、 三相表供电原理:
变压器供电原理(详细讲解); 电原理图如下:
用变压器变压、整流、稳压对三相表进行供电,电路中有三个变压器。其中的每个变压器的工作原理都相同,只是 各个变压器的初级输入电压是三相电压中的不同的相。对于三相四线电表:T1 初级为 A—N 线电压,T2 初级为 B—N 线 电压,T3 初级为 C—N 线电压;对于三相三线电表:T1 初级为 A—B 相电压,T2 初级为 A—C 相电压,T3 初级为 B—C 相电压,对应我们经常在三相三线电表上显示的 A 相电压(为 A—B 相电压)、B 相电压(为 A—C 相电压)、C 相电压 (为 B—C 相电压)。用三个变压器供电的好处是:1、当电网出现某一相或两相无电压时,电表仍然可以计量有电压的 相的用电情况;2、增加电表供电的带载能力,保证电表的正常工作。
现以变压器 T1 为例详细说明以上供电电路的工作原理:
1、 压敏电阻 RV1
压敏电阻的工作原理 顾名思义,压敏电阻就是对电压敏感,由电压的改变而改变自身的电阻,我公司使用的压敏是正常时为开路,当电
压达到一定值时(压敏的动作电压),压敏电阻会非常快速地阻值下降到零(短路。这个时间为 t、t 为 1nS—10 nS,t 因 选择的压敏型号不同而不同)。而对多少电压值(动作电压)会开始阻值下降也是因选用的型号不同而不同,一般是型号 上的数值。比如:20K510 的压敏电阻,则最大不动作电压为 510V,可以查相关的电子元件资料,电子文档文件路径: Z:\研发中心\综合组\陈大全。
压敏电阻 RV1 在本电路中的作用
当输入电表的电压线上有带高能量的短时高电压时,压敏电阻动作,使高电压短路(A—N,三线为 A—B),达到保 护电表的目的。此处的高电压不是由于错误接线产生的 380V 或 420V 之类的持续高压,而是由于雷电或其他情况产生的 短时浪涌电压。
压敏电阻特别注意事项
压敏电阻在动作时可以承受 1000A 甚至于 8000A 的电流(因型号不同而不同),但是不能持续工作在动作状态(短 路状态),因为压敏电阻是一种耗尽型的电子元件,通俗地说就是“动作一次就少一次,直至最后烧毁”,如果压敏电阻
一直工作在动作状态(短路),那压敏电阻会因为电流持续时间长而爆炸。最初的电子式电能表使用 380V 的动作电压压 敏电阻时,就有过电网发生接地故障(产生压敏两端一直有 380V 电压)而使整条电网线路上的电子式电表压敏电阻都 爆炸的事件。后来就用 420V 的,再后来又认为 420V 的还不保险,现在就用 510V 的。
2、 热敏电阻 PTC1
热敏电阻的工作原理 热敏电阻在正常状态下呈现一个固定的阻值[我们使用的热敏电阻的型号中有(30Ω—60Ω)的标记,这个标记不是
指一个热敏电阻的阻值在正常情况下可以在 30Ω—60Ω之间变化,而是指这一批的热敏电阻的阻值在 30Ω—60Ω的范围 内。],当通过热敏电阻的电流达到一定值时(动作电流,因热敏电阻的型号不同而不同),热敏电阻的阻值会增大,按 照欧姆定律 I=U/R 的原理,使流过有热敏电阻的回路中电流降低,保护此回路中的其他器件。
热敏电阻 PTC1 在本电路中的作用
以上电路中,热敏电阻和 T1 初级串联,当输入电压正常时,此时热敏电阻和 T1 初级串联的回路中的电流为电表正 常的电流(因为国标要求电表单相功耗不能超过 2W,且要保证供电电路为电表提供足够的工作电流,由 P=UI 可以得出 三相四线 220V 电表一般为 10 毫安左右),热敏电阻处于正常状态(固定的阻抗,因选择的型号不同而不同)。当输入电 压变大时(一般是接地故障),热敏电阻和 T1 初级串联的回路中的电流也将变大,当此电流达到或超过热敏电阻的动作 电流时,热敏电阻将动作,热敏电阻阻值会变大,而阻值变大的速度取决于此时电流的大小,电流越大,速度越快。当 热敏的阻值变大时,由欧姆定律 I=U/R,可以得出整个回路的电流将变小,T1 初级得到保护。如果没有热敏电阻,T1 初 级的电流过大后,线圈会发热,发热的热量会使 T1 的绕组(漆包铜线)上的绝缘漆熔化,从而导致 T1 绕组匝间短路, 最后烧毁 T1。如果变压器本身能承受 420V 时的电流而不会烧毁(不会出现匝间短路),那是最好的,可以不用热敏电阻。 并且,变压器如果输入端为 420V 时,变压器次级输出的电压必须满足:整流后的电压值不能大于滤波电容的耐压值和三 端稳压块的输入极限电压,这样才不会损坏滤波电容和三端稳压块。
热敏电阻特别注意事项
1、热敏电阻的选型,必须达到电表正常工作时,热敏电阻不能动作,这里有个问题是:当环境温度变高时,热敏电 阻的动作电流会变小。这种情况要注意:常温 220V 电表可以工作,虽然高温时电表工作的功耗电流和常温一样,但是 热敏电阻的动作电流在高温下已经改变为现在的电流甚至更低,高温(比如 70 度)时 220V 可能热敏电阻已经动作,电 表不工作了。所以热敏电阻选型要满足 1.2 倍正常电压高温不保护。要求 1.5 倍正常电压下电表要工作时,则要满足 1.5 倍正常电压高温不保护。
2、热敏电阻的选型,最好(企业标准是必须)在动作后,电表能显示并走字(精度可不要求)。这样就要使热敏动 作后达到:T1 初级与热敏电阻分压后,T1 初级的电压仍然是 220V 左右,保证电表工作。这也是选型时要试验后才能定 的。
3、三相三线的电表不需要热敏电阻,因为三相三线的三根线无论如何错接,其电压差都不会变大,只是如果在调试 和使用中如果错误地接到了 220V 电压上,电表的变压器将被烧毁,所以高档的三线电表或者客户有要求的表还是加了 热敏的。
4、57.7V 的四线表使用的热敏动作电流比 220V 的要大(因为国标要求的功耗、电表本身需要的工作功率决定的), 工作原理与 220V 相同。
3、 变压器 T1
变压器的工作原理 变压器是把漆包线绕在磁性材料上,绕好后,初级通电产生磁场,这个磁场旁边的次级再感应出电压,以此达到把
电压改变的目的。其原理定理为:Uin/Uout=N1/N2;Iin/Iout=N2/N1,Uin 为输入电压,Uout 为输出电压,N1 为初级绕 组的匝数,N2 为次级绕组的匝数,Iin 为输入电流(流过初级绕组的电流),Iout 为输出电流(流过次级绕组的电流)。
变压器 T1 在本电路中的作用
T1 初级 N12 加电压 Uin :A—N(三线为 A—B),则在 T1 次级 N34 感应到一个电压,我们设为 U34,在 N56 感应 到一个电压,我们设为 U56。具体的电压变化按照变压器原理:Uin/Uout=N1/N2 进行计算,我们可以按照变压器的型号 查看我公司的自制件文件,电子文档文件路径:Z:\研发中心\综合组\陈大全\自制件文件,使用“搜索”功能查文件名关 键字可以很容易查到:比如查“TET35I01-220”,搜索“TET35I”就可以,然后在搜索的结果中寻找需要的型号。纸制的 文件在我公司下发技术文件的各个部门文员处。通过以上途径我们可以知道变压器的具体输出电压,可以知道绕组脚分 布情况,以便检测变压器是否损坏。因为对电表的安全性的要求(人身安全和设备安全),电表的试验和实际使用中都会 要求电表的输出端子必须和强电(既 A、B、C、N)隔离,而电表的端子中如果有 485 口,那么 485 电路的供电电源也 要和强电隔离:因为 485 口和 485 电源之间是不能做到要求的隔离强度的,既 485 口和 485 电源应该看做是等电位。U56 为供 485 电压的次级电压,U34 为供电表除 485 电路以外的电路的次级电压,所以 N56 与初级、N56 与 N34 是隔离的, 按照国家标准 GB/T 17215,GB/T17883 的要求,必须满足施加交流 4KV 电压 60S 时间,N56 与初级之间漏电流不能超 过 1 毫安,N56 与 N34 之间漏电流也不能超过 1 毫安。
变压器 T1 在本电路中的作用则是:1、输出两个次级电压 U34 和 U56;2、U56 和 Uin 之间,U56 和 U34 之间必须
做到施加交流 4KV 电压 60S 时间,漏电流不能超过 1 毫安。
变压器特别注意事项
1、变压器每个绕组都应该有一个固定的阻值(组成绕组的铜线决定:次级十几欧姆到几十欧姆左右,初级 1.5K 欧 姆左右。),如果是开路或者是短路都表示变压器的这个绕组坏了,或者是变压器绕组脚的分布与图纸不符。
2、因为有三个变压器供电,所以检测电表时要做单相供电试验。这里的单相供电和误差测试时检测单相电压不是同 的:因为供电是一个电路,而电压取样是另外一个电路,两者没有任何联系。既:能检测到 A 相电压只能表明 A 相电压 采样正常,不能表示 A 相供电正常;同样,供电正常也不能表示采样正常。且各相的供电和采样都没有关联关系,需要 一个个地全面检测,才能判断所有相的供电和采样是否正确。
4、 半波整流 D5
半波整流的工作原理
由于二极管是 PN 结组成的,具有单向导电性:P 到 N 的电压为正(加正向电压),且到一定值(二极管的阀值,硅
管:硅材料二极管为 0.6V—0.8V,锗管:锗材料二极管为 0.2V—0.3V)后二极管会呈现低阻抗状态(导通),使电流通 过二极管。而 N 到 P 的电压为正时(加反向电压),二极管会呈现高阻抗状态(开路),电流不能通过二极管。所以当有 一个正弦波通过一个硅二极管时将产生如下图的波形变化:正弦交流电将成为一个断续的只有正且大于 0.7V 的电压,这 个电压已不再是交流电压,而是直流电。当然,只是一个断续的、不稳定的直流电压。
半波整流 D5 在此电路中的作用
半波整流 D5 在此电路中的作用是:把交流电压 U56 整流为断续的、不稳定的直流电压。
半波整流特别注意事项
1、每个变压器都有一组供电是电表的 485 供电,所以当某相变压器没有输出(变压器坏或 D5 损坏),而其他两相
或一相有输出时,485 电路仍然可以工作,但是可能会成功率会降低(因为功率不够),也可能没有问题(一相或两相完 全满足 485 电路的功率要求)。所以检测时要单相通 485,才能检测到某一相 485 供电是否正常。
5、 桥式整流 D1、D2、D3、D4
桥式整流的工作原理
桥式整流也是利用二极管的单向导电性能工作的,以电路中 D1、D2、D3、D4 进行分析,当有一个正弦波通过一个
桥式整流二极管网络时,将产生如下图的波形变化:
桥式整流 D1、D2、D3、D4 在本电路中的作用
桥式整流 D1、D2、D3、D4 在本电路中的作用是:把交流电压 U34 整流为比较连续的,比较稳定的直流电压。 桥式整流特别注意事项
1、同变压器特别注意事项 2。
2、桥式整流 D1、D2、D3、D4 如果只损坏(或焊反:焊反的可以目测)其中的一个(或同一个整流回路中的两个),
另外一个整流回路正常,比如 D1、D2 坏 D3、D4 好,或 D3、D4 坏 D1、D2 好,则桥式整流还可以输出半波整流后的 波形,仍然可以对后级电路供电,但是功率会只有原来的一半,这样的话电表可能工作,也可能不工作。要检查这种故 障,要对电表进行单相 80%Un 或 70%Un(甚至更低电压)的供电工作检测,对比正常电表的 80%Un 或 70%Un(甚至 更低电压)供电工作情况进行判断某相是否有此故障。
6、 滤波电容 C1、C3、C5、C7
滤波电容的工作原理 电
波容的形结构是两端(有极性的电容则是两极)为导电极,导电极中间是绝缘介质。电容最大的特点是两端电压不能
突变:它的一端加一个电压 U1 时,电容上的电压是要经过一端时间充电才能达到 U2 的(如果电容容值很大,则 C 两端
t
电路中滤波电容 C1、C3、C5、C7 在此电路中是对整流后的电压进行滤波作用的。原理是电容两端电压不能突变,
稳定。
U(V)
滤后波的电波容 形C1、:正C3弦、C5、C7 在此电路中的作用
波负半周时,整
。
0
电压可能一直不能达到 U1),U1 波形到达峰值后,电容两端电压将保持 U2 不变,外部电压变小或变为负,电容将放电,
经过D3、D4整流
电压又会从 U2 开始下降。
对于周期性的高低变化的电压,电容会有充电、放电的过程。这样,整流后的信号将产生如下变化。变为连续的更接近
流网络的输出电
直流的电压。C5 是对 D13(485 绕组)整流后的波形进行滤波。C3、C7 分别对 U1、U2 输出的电压进行滤波:使波形更稳定。
滤波电容 C1、C3、C5、C7 特别注意事项
1、因为 U1 输出的电压是对主板上单片机、计量芯片供电的,所以滤波要求严格些,使用的电容容值大些,充电时 间和放电时间更长,滤波后的波形更平滑,更接近于直流。 U2 输出的电压是对 485 供电,485 电路的工作电压要求没 有单片机、计量芯片的高,所以从节约成本的目的考虑使用容值小一些的电解电容,三角波波形陡峭一些。因为 485 通 讯如果失败可以再重新通讯,单片机、计量芯片则不能出任何异常:电表不允许出现计量错误和程序错误。
2、对于 C1、C3、C5、C7 的耐压值选择问题:由加给电容两端的电压决定。比理论上能施加的最大电压的最大波峰 点的值略大就可以,但为了保险起见大多会选择更大一些的电容。
3、有极性的电容不能焊反:因为反向电压过大,会导致电容反向电流过大,最终击穿电容,甚至于电容爆炸。 4、电容两端不能短路,因为此处的电容两端是电压的正极和负极。
7、 旁路电容 C2、C4、C6、C8
旁路电容的工作原理 电容的两端电压不能突变的性能使电容表现出一个最明显的现象特点:隔直流,通交流。既直流电流不可以通过电
容,交流电流可以通过电容。换个说法就是:电容对于直流的容抗(容抗:电容对信号的衰减阻挡特性,类似于电阻的 阻抗)很大,接近于开路,电容对于交流容抗很小,接近于短路(根据交流电的频率而不同)。电容对于不同频率的交流 电所呈现的容抗按照以下公式计算:Xc=1/2лf C。Xc 为容抗,既交流电的频率越小,电容值越小,容抗越大;频率越大, 电容值越大,容抗越小。л为圆周率,f 为通过电容的交流电的频率,C 为电容的容值。
旁路电容 C2、C4、C6、C8 在此电路中的作用
电路中 C2 是对 D1、D2、D3、D4 整流后的电压进行滤出高频分量的作用。原理就是 Xc=1/2лf C,此处电容对于高 频分量呈现低容抗,把高频分量对地短路,使高频分量不能进入下一级的 U1。而对于直流分量,电容是呈现高容抗的,
直流分量对地是开路的,直流分量进入下一级 U1。为什么要滤除高频分量,使高频分量不能进入 U1 呢?因为我们需要 U1 输出非常稳定的直流电压,稳定的直流电压才能保证电表的各个芯片工作正常,换言之电表的各个芯片的工作电压要 求是比较严格的,单片机电压波动范围一般要求如下: VCC(模拟电路电源电压)波动范围为-0.25%—+0.25%,VDD(数 字电路电源电压)波动范围为-0.15%—+0.15%范围内,当然,如果芯片要求的工作电压波动范围可以更大,我们实际使用 中是乐于见到,产品的电源要求可以低些,相应的用于电源的成本可以降低。所以现在有些芯片的工作电压可以做到 2.7V-5.5V 的宽范围,但是价格可能就会比一般的贵。如果不滤除输入 U1 的高频分量,则 U1 输出的直流电压波动会比 较大,影响电表各个芯片的工作。
电路中 C4、C6、C8 的作用与 C2 的作用相同,只是作用的对象是加到各自的电压。
8、 三端稳压块 U1、U2
三端稳压块的工作原理,三端稳压块 U1、U2 在此电路中的作用
三端稳压块 U1 采用 MC7805CT、U2 采用 MC7805CT 或 78L05。MC7805CT 和 78L05 的工作原理相同,只是带负载
的能力不同,MC7805CT 为 1A,78L05 为 0.1A。工作原理是在 Vin 和 GND 两个管脚之间输入一定数值范围内的电流足 够大的直流电压后(工作电压 7V-25V,但是电压在 20V 左右及 20V 以上时,发热很厉害,最高极限 35V-40V),MC7805CT 和 78L05 在 Vout 和 GND 之间会输出一个稳定的+5V 电压,波动范围为 4.8V—5.2V。485 电路要求功率小,78L05 可以 满足需要。
三端稳压块 U1、U2 特别注意事项
1、三端稳压块的输入电压必须满足它自身的要求,不然将不能输出稳定的 5V 电压。我们的某些电表要求 70%Un 时能工作,可是变压器在 70%Un 时输出的电压、电流过低(特别是要求单相 70%Un 时),被整流网络整流后不能达到 7V,7805 不能输出 5V 电压,电表不能工作。
9、 抬升电压参考点二极管 D16
抬升电压参考点的工作原理、抬升电压参考点二极管 D16 在此电路中的作用
前面讲过硅二极管的 PN 结必须有 0.6V-0.8V 的电压才能导通,整流网络整流后的电压输入到 U1 和 D16 上后,D16
上同样有 0.6V-0.8V 的电压降,而 U1 的 Vin 和 GND 之间仍然满足 7V-25V 的电压,那么在 Vout 和 GND 之间仍然是稳 定的 5V。而 U1 和 D16 输出给下一级的电压(VDD—GND)为 5V 加上 D16 的结电压 0.6V-0.8V,成为 5.6V—5.8V,提 高供给主板的电压,使芯片的工作电压处在合格范围内的高端,更可靠保证电源有轻微波动时,VDD—GND 电压值不会 下降到危险值(影响芯片工作的值),电压高,可以起到增强带载能力的作用。
抬升电压参考点二极管 D16 特别注意事项
1、D16 损坏或焊反都将导致无 5V 输出:因为 U1 的 GND 脚与电路输出的 GND 断开了,Vin 和 GND 间无电压输入。 了解开关电源原理;
开关电源是交流经过变压器变压、二极管整流后,通过控制开关管的导通和断开,以此调节整流后的电压进入下一 级的时间间隔,既开的时候有电压送下去,关的时候没有电压送下去,送下去电压的线路上会有一个电容,有电压时, 此电压对芯片供电并对电容充电(一般是电感、电容组成的滤波网络),当没有电压送下去时,电容放电对芯片供电。输 出的电压幅度由开的时间和关的时间调节,而开和关的时间由对输出电压的取样,取样电压和基准电压的比较电路控制。 1.2、 单相表供电原理:变压器供电、阻容供电;
单相表变压器供电 1、单相表变压器供电原理和三相表变压器供电原理相同,只是只有一个变压器。 单相表阻容供电
1、单相表阻容供电原理图如下:
压敏电阻 RV1、压敏电阻 RV1 的工作原理、压敏电阻 RV1 在此电路中的作用、压敏电阻 RV1 特别注意事项 与三相表中的压敏相同。
聚脂电容 C1
聚脂电容 C1 的工作原理
电容对于交流有容抗:原理就是 Xc=1/2лf C。聚脂电容两极间可以承受的电压能做到很大:250V 以上,一般 275V。 聚脂电容 C1 在此电路中的作用
本电路中 C1 以容抗的原理对输入的 220V、50Hz 的交流电压进行分压,把通过电容后的电压降低到可以用整流二极
管进行整流,后级可以滤波输出直流电的程度。 聚脂电容 C1 特别注意事项 聚脂电容没有极性,但是一定注意耐压值要足够。 线绕电阻 R1
线绕电阻 R1 的工作原理
电阻在电路中由欧姆定律可知:I=U/R。电路中的电流与电路中的电阻成反比:既电路中电阻越大,则电路中的电流 越小,所以电阻在电路中有限制电流太大的作用。且线绕电阻的功率可以做得很大,以满足对供电功率的要求。
线绕电阻 R1 在此电路中的作用
R1 在本电路中的作用就是限制输入下一级(给 D1、D2)的电流过大,达到保护 D1、D2 的目的。
线绕电阻 R1 特别注意事项 线绕电阻是电阻丝绕在瓷芯上制成的电阻,然后再加绝缘层和丝印层。绝缘层的材料一般都不是很强固,使用中要
注意不能损坏绝缘层。 稳压二极管 D1
稳压二极管 D1 的工作原理
稳压二极管的工作原理是利用二极管的反向击穿特性:反向电流到达二极管的限额后,二极管将反向击穿,此时二 极管两端电压将保持在一个固定的值不变,既把电压钳位在一个固定值,达到稳压的的目的。
稳压二极管 D1 在此电路中的作用
D1 在本电路中就是把输入到整流二极管 D2 上的电压钳位为一个 D2 可以承受的电压值。1N4739A 的稳压值是 9V 左右。
稳压二极管 D1 特别注意事项
不能焊反,焊反后将正向导通,C1、R1 直接对地短路,流过 C1、R1、D1 的电流过大,可能损坏以上器件。后级 D2 无电压输入,电表不工作。
整流二极管 D2
整流二极管 D2 的工作原理、整流二极管 D2 在此电路中的作用、整流二极管 D2 特别注意事项
同三相表的 485 电源的半波整流电路。
滤波电容 C2、C3
滤波电容 C2、C3 的工作原理、滤波电容 C2、C3 在此电路中的作用、滤波电容 C2、C3 特别注意事项 同三相表的滤波电容和旁路电容。
三极管偏置电阻 R2、稳压管 D3、三极管 Q1、电容 C4
工作原理、在此电路中的作用
偏置的意思是对三极管而言:三极管的基极和发射极之间的 PN 结如果有正偏置电压和正偏置电流,且达到三极管
的特性要求,三极管集电极有提供足够的电压电流,三极管才能工作在放大和饱和区。如果没有 D3,那么 R2 本来是起 到为 Q1 提供偏置电压和电流的。如果没有 R2,那么 Q1 基极是没有电压和电流的,Q1 是不能工作的。此电路中加了 D3,那么整个电路是这样工作的:经过 D2 整流后的电压通过 R2 后加到稳压管 D3 上,D3 的稳压特性使 Q1 基极的对地 电压钳位为一固定值。同时 R2 为 Q1 基极提供偏置电流,Q1 导通,Q1 输出的电压为 D3 的钳位的基极电压减去 Q1 基 极和发射极之间的结电压。Q1 输出的电流 Ie 等于 R2 提供基极电流 Ib 乘以(Q1 的放大倍数+1),(注意:提供给 Q1 的 电能量是通过送给集电极的整流后的电压和电流,但是输出的电压、电流的变化规律是由基极的电压、电流决定的)。而 且 R2 的阻值大小决定了输入 D3 的电流大小,R2 对 D3 起限电流保护的作用。
通过 R2 的电流 Ib 是经过 D2 整流、C1、C2 滤波后的,Q1 的基极加的电容 C4 也是对 Ib 起旁路作用的,把 Ib 中的 交流分量进一步减小,由 Ie=(1+β)Ib 可知交流分量将很少能从 Q1 发射极输出。此电路有对电源滤波的作用。
综上所述,电阻 R2、稳压管 D3、三极管 Q1、电容 C4 是起稳压、滤波作用的。 三极管偏置电阻 R2 特别注意事项
1、 二极管、三极管极性问题;
2、 二极管工作电流问题,输入电流达到工作电流,二极管才有稳压性能;
3、 R2 的大小决定了 Q1 输出电流大小,也决定了 D3 是否稳压,所以 R2 阻值的选择很重要,要试验;
4、 故障就是与以上 3 点相关的故障。
滤波电容 C5、C6
滤波电容 C5、C6 的工作原理、在此电路中的作用、特别注意事项 与三相表整流后的滤波电容相同。
2.1、电压采样: 电阻降压采样(详细)、 原理图如下:
注意事项
Title
Size Number Revision
A
2、 采样计量原理:
工作原理、在电路中的作用
图中 A 和 GND 为输入的单相电压(相当于 UA 和 N 或火线和零线),计量芯片的采样输入端为 V1P、V1N,计量芯 片会把这两管脚的电压差作为采样信号,并在计量芯片内部进行功率计算(P=UIcosΦ)。
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图中 R1-R15 相当于一个可调电阻 R,然后 R 和 R17 串联分压,再通过 R16 限流、C11、C12 滤波后送入计量芯片。 R18 是个可选器件,当调节 R 使 R 为最小时,送入计量芯片的电压还太高的话再加上 R18,让 R18 与 R16 再串联分压, 使送入计量芯片的电压进一步减小。
R19 是限流电阻,也是使 V1P 管脚与 GND 相连,使 V1N、V1P 之间能输入取样电压。C13 是管脚 V1P 的滤波电容。 特别注意事项
1、电压采样电阻我公司一般使用片式电阻,片式电阻可能会断掉,如果遇见 V1N、V1P 之间没有采样电压或电压
值异常,可以首先测量图中每个电阻是否正常:使用万用表测每个电阻两端,阻值应该比它本身略小(因为在电路中每 个电阻两端都会相当于焊接有并联电阻。直接 2 个电阻并联或电阻一端悬空则不适用以上的阻值测量方法,阻值则要按 实际测量为准)。
电压互感器采样(详解); C 原理图如下:
B
工作原理、在电路中的作用
如图所示,在 1、2 脚之间输入需要采样的电压,3、5 之间则输出采样后的电压,比如输入 220V,输出 0.77V,(输入电 压和输出电压的变化是电压互感器本身决定的,因电压互感器不同而不同)。输出的 0.77V 直接送到计量芯片的 V1N、V1P 管脚。如果是三相电压,则要把三个输出的(对应输入 N)一端(比如图中 1 脚为 UA,2 脚为 N,则 5 脚“为输出的对应输 入为 N 的一端”)连接在一起作为取样信号的基准参考零电位。既我公司电路中的:Vref。
1
UIN 2
3
UOUT 5
使用电压互感器的好处是采样后的电压是和输入的电A压隔离的,对于从电压线路传导来的高频干扰电表的信号有衰减作 Date: 11-Oct-2001 Sheet of
用,电表能通过抗电磁干扰(浪涌、群脉冲、脉冲电压等)的能力比直接电阻降压取样的要强。
File: D:\中转区\MyDesign.ddb DrawnBy:
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但是对电压互感器的变比精度要求高,制作电压互感器的材料工艺都会要求更严格,成本就高。
D
电阻降压再电压互感器采样(详解); 原理图如下:
工作原理、在电路中的作用
电阻降压再电压互感器采样是综合以上两种采样而成的。原理同上两种综合。
注意事项
1、成本比单纯电压互感器采样低,而隔离比单纯电阻采样高。
2、如果 VT1 和 Vref 之间没有电压或电压异常,则要查 R9 与 N 之间有没有电压,如果有,则故障在 VT1 和 Vref 连接的
电路上。如果 R9 和 N 之间没有电压则要查 R8、R7、、、、、R1 对 N 是否有电压(注意改变万用表的量程:UA 和 N 之间是输 入的电压 220V、100V、57.7V 等),来判断是否有个电阻不正常。
2.2、电流采样: 电流互感器采样 原理图如下:
工作原理、在电路中的作用
图中除 RL 外的电路就是电流互感器的电路,电流互感器原理就是变压器原理:U1/U2=T1/T2,I1/I2=T2/T1。那么我们的 电压互感器是输入 1.5A,输出 7.5mA 的话,其实就是初级“1Turn”为 1 圈,则次级”N2Ts”为 1.5A/7.5mA=200 圈。
输出的电流必须要转化为电压加到计量芯片的电流通道上,由欧姆定律 U=RI,在电流通道的两个管脚之间加一个电阻, 则可以使两管脚之间的电压随输入的电流变化而变化。达到采样的目的。
当然 RL 取样电阻周围还有电容旁路、滤波,或者还有电阻限流。其原理和前面讲的相同。
注意事项 1、取样电阻的值要满足计量芯片的输入要求:最小要多少才能计量,最大要多少才不会溢出。这些参数要电流规格、电
流互感器变比、取样电阻值、计量芯片自身参数决定。计量芯片 V1N、V1P 管脚之间没有电压,则查 RL 两端是否短路,没 有短路则焊下电流互感器次级,再给电流互感器次级另外单独焊接一个电阻,加电流测试单独电阻两端是否有电压,有电压, 则电流互感器是好的,芯片电压取样的部分有问题(包括电阻、电容、芯片本身):有短路(把取样电压接地)或开路(电压 线路开路,电压不能到芯片管脚去)。
锰铜分流器采样;
原理图如下:
红色 黄色 蓝色 焊接导
线图
(既GND)
N 2
工作原理、在电路中的作用
图中电流流过锰铜分流器,在黄色和蓝色引线之间的电阻由欧姆定律 U=RI 可以取样流过的电流,其取样值一般会降低 很多倍,和使用的锰铜分流器的取样电阻有关。我公司使用的锰铜分流器取样的电阻一般有:120uΩ、300uΩ、500uΩ、1000u Ω、1600uΩ。那么相应的降低倍数为:1/120u=83333 倍;1/300 u =3333 倍;1/500u=2000 倍;1/1000u=1000 倍;1/1600u=625 倍。然后经过 R1、R2 限流、C1、C2、C3 滤波、移相位,最后送入计量芯片。C2 是调节容感性误差的电容,硬件校表的电 表必须有焊盘保留。软件校表的电表通过软件可以调节容感性误差,一般没有这个焊盘。
2.3、计量芯片原理:电源、晶振、采样输入、脉冲输出、各种信号输出等; 原理图如下:
图中是 ADE7755 的功能框图。
ADE7755 的工作过程大概如下: 1、外部电路提供“AV
DD”模拟电源、“DVDD”数字电源给芯片:一般我们电表直接把这两个脚并联到 VCC 上(电表供给
主芯片的电压),不会分别提供不同的“AVDD”模拟电源、“DVDD”数字电源; 2、外部电路提供外加时钟,一般是在“CLKIN”和“CLKOUT”之间加一个石英晶体振荡器,为 ADE7755 提供时钟; 3、 通过 的电平选择,地和 接通(下拉)或 AVDD (DVDD)与 接通(上拉),从而改变 的电
平状态, 为高电平(上拉)或为低电平(下拉),可以选择高通滤波器 HPF 是否选通, 为高电平时,
HPF 选通。电表使用 ADE7755 时要使 HPF 选通。既 与 AVDD (DVDD)接通。 4、 按照要做的电表的规格需要,确定 SCF、S0、S1 的电平状态(高或低),具体数据如下:
5、 按照电流采样信号的范围情况,确定 G0、G1 是接地还是接高电平。具体数据如下:
图中 G 表示增益。
6、
脚(ADE7755 复位脚)接高电平,使 ADE7755 不会复位。
7、REF(基准电压输入或输出都可以)一般使用 ADE7755 内部的基准源,在 REF 与 GND 之间要加电解电容和瓷片(贴 片)电容滤波、旁路。
8、以上各脚的状态确定后,ADE7755 就可以正常工作了。把 V1 通道(V1N、V1P)和 V2 通道(V2N、V2P)的信号在 内部进行相关处理(P=UIcosΦ,F1、F2 输出脉冲处理,CF 输出脉冲处理等等),输出 F1、F2 间脉冲,CF 的脉冲。
其他的计量芯片工作情况大致与 ADE7755 相象,只是可能是三相电能计量、内置晶振、频率的选择方法等等不同,对于 误差、相位、功率等等有着更精确的算法和补偿。
注意事项
如果电表显示正常,而没有脉冲输出,可以查计量芯片的工作状态。按照如上所说的原理:首查电源,次查输入信号和 输出信号、再查晶振。如果有输入没输出,那就是输出口有问题,开路或对地短路。如果输出口没有开路,也没有对地短路, 那就只能是计量芯片坏了。如果这些都正确,那将可能是计量芯片和单片机通讯线路有问题(开路或对地短路),所以这时要 查电表显示项是否有电压显示(没有校准的电表电压可能不正确,但是显示的电压能随着电表加的电压波动而波动,则表明 计量芯片和单片机通讯正常。这时就要查 485 口是否通,波特率是否正常。注意:查波特率时,程序可能会自适应带“FE” 开头的数据,但是校表软件是不发“FE”的,所以最好的查波特率的办法是使用国标带“FE”的掌机或 PC 机程序设置波特 率为特定的值(1200、2400、4800、9600 等),然后明确地知道波特率,再进行校表。
单片机原理(了解): 工作条件、工作过程
. 1、 电源:有稳定电源才能工作,具体电压数值要满足单片机本身的要求,单片机才能工作;
. 2、 晶振:晶振的频率要正确,单片机才能正常工作;
. 3、 复位脚要满足不复位:在单片机内部出现异常时才需要对芯片复位,使单片机从程序最开始处重新运行,程序正常 运行后复位脚也恢复正常的非复位状态。一直在复位也不正常,则单片机一直不能正常工作,总是在:回到程序最 开始处运行—复位—回到程序最开始处运行。
.
. 4、 与计量芯片的通讯:一般是有专门的线路直接通计量芯片的信号输出脚;
5、脉冲输出:能收到计量芯片的输出信号(电压、电流有显示),如果是从单片机输出脉冲信号,则脉冲灯应该闪烁,
脉冲测试信号应该有输出,如果没有,则进行一次增益校准,增益校准合格,如果脉冲还是没有,则查单片机脉冲输出口是 否有信号。
6、各种信号输出:各种信号(如 1Hz 输出、有功远动输出、需量更替信号输出等等)的输出都是当电表状态满足软件要 输出信号的要求时,由单片机管脚输出信号,经过输出电路的器件(电阻、三极管、光耦等等)输出到功能端子上。
注意事项
判断单片机是否损坏和判断计量芯片的方法相象。
3、主电源 VDD 给电表各个部分(单片机、红外、EEPROM、计量芯片、光耦、脉冲灯)供电的电路 原理图如下:
图一
图二
工作原理、在电路中的作用
工作原理是:
1、 二极管的单向导电性,
此电路中 VDD 到 VCM、VCW、VCU 都是经过了一个二极管,二极管导通时,会有 0.7V 的 PN 结电压降,现在大家可
以明白为什么电源供电电路中要在 MC7805CT 的 GND 管脚加一个二极管抬升电压了。
VDD 到 VCM、VCW、VCU 之间加二极管是为了 VCM、VCW、VCU 之间的电压隔离(只是电路通断的隔离,不是我
们经常说的抗 EMC 的隔离),可以看到:如果 VCM 出现一个异常高压 U,那么 D201 降截止,U 不能影响 VDD,也就不能 影响其他 VCW、VCU。避免了一个电路损坏,而全部电路损坏。
对于只要一个电源的表:比如单相表或三相的简易表则没有这个必要。
2、 电源并联使用特性(电池和超级电容),电容的储能特性(超级电容) 两个电源并联时,起作用的将只有电压高的那个电源,电压低的那个串接有二极管,二极管将因为反偏置而截止,从而
电压低的那个电源不会有电流输出(既不工作)。图中 C203、B201、D204 正是起到了这样的作用。
C203、B201、D204 这样接的原因是:利用电容储能的特性,保证 B201 不会长期工作,达到节约 B201 电能的作用。当 有外部电源供给 VDD 时,VDD 将通过 D203、R201 对 C203 进行充电,当 C203 的电压达到 VDD 减去 D203 的结电压时, C203 上的电压将不能再高,对 C203 的充电完成。当 VDD 消失后(外部电源停止供电),C203 将通过 R201 对 VCU 进行供 电,D203 因为反偏截止,C203 不会对 D203 之前的电路供电。此时 D204 两端电压为反偏,因为 C203 电压是 VDD 减去 D203
的结电压,约 5V,而电池 B201 的电压是 3.6V,所以 B201 不能通过 D204 对电路供电,只有 C203 供电。
当 C203 供电导致自身电压降低到 2.9V(3.6-0.7)时,D204 正偏且电压达到 0.7V,D204 导通,B201 通过 D204 放电对
电路进行供电。并且 B201 也会通过 R201 对 C203 充电,C203 两端电压将一直保持一定值(B201 电压减去 D204 正向压降)。 至于 B202 及其周围电路,则是和 B201 相同,为什么要多加一个电池呢,是为了能够保证使用电池供电的时间更长。当 两个电池供电使,相当于两个电压相同的电源并联,供给外部电路的电流将一个电源一半,电池消耗能量的速度也将是原来
的一半。我公司一般的做法是 B201 及周围电路和 B202 周围电路全做好,B202 不安装在电表上,而把 B202 的位置预留下, 当客户实际使用时,检查 B201 的电压不够了再安装上 B202,由 B202 供电。多功能表检测 3.6V 电池电压可以检测到的电压 值为最高 3.6V,然后电池电压下降则检测值也随之下降,基本保持一致(有一点点偏差,但不会太大),直到电池电压为 0V。
有人会问,那么 B202 不会对 B201 充电吗?对非充电电池充电是可能导致电池损坏,甚至爆炸的啊。这里在 B201 和 B202
之间是有 D204、D206 隔着的。D204 处于反偏,则 B202 不能对 B201 进行充电。
C203、B201、B202 的工作电流检测:测试分别串联在 C203、B201、B202 上的 R201、R202、R204 两端的电压,再使
用欧姆定律 I=U/R 计算,可以得出 C203、B201、B202 相应的工作电流。
B201、B202 的电压检测,B201、B202 分别经过 D205、D207 给单片机一个信号 BATA(电压和电流)。R203 是为了稳
定 BATA 信号,不然 BATA 波动则直接影响单片机检测值。然后 R203 和 C204 组成一个对尖峰噪声的吸收、泻放电路,当有 噪声时,C204 对高频信号短路,使噪声对地。噪声过后,C204 通过 R203 放电,去除 C204 上存储的高于 BATA 的电量。而 R203 的选择要很大(10M 以上),因为 B201、R202、D205、R203 是组成了一个回路的,如果 R203 太小,将导致 B201、B202 通过以上回路放电的电流过大,造成电池功耗损失。
3、 三极管的导通控制特性(6V 电池是否加入 VCU 供电由单片机控制)。
图二是 6V 电池在电表电路中的电路。图中 CTLWB 是单片机给的是否使 6V 电池参加电表工作的信号(控制信号,由软 件控制)。R8、R9 是 Q202 的偏置电阻,B203 通过 R205、R206、R207 给 Q202 集电极提供电源。当 CTLWB 为低电平时, Q202 由于基极没有电压和电流而截止,Q202 截止则 Q201 基极电压悬空,Q201 基极电压为 B6V,Q201 因为基极无电流而 截止,B6V 不能通过 Q201,6V 电池不能参加电路工作。
当 CTLWB 为高电平时,由于 R208、R209 的分压作用,使 Q202 基极和发射极之间有电压(且超过 Q202 的死区电压) 电流,Q202 导通。Q202 导通则 Q202 集电极电压为低电平,R207 接 Q202 集电极端为低。这样 B6V 因为 R206、R207 分压 对 Q201 基极提供偏置电压和基极电流。Q201 导通,B6V 通过 Q201 的集电极到发射极,然后再通过 D208 到 VCU,Q201 对电路进行供电。
各位同事要自己分析各个器件的作用。
注意事项
当已经判断电源板提供的电压是正常的,而 VDD 电压为零或没有 5V 时,可以分别断开 D201、D202、D203 再检查 VDD 是否恢复正常。如果断开某一路后 VDD 恢复正常,则表明此路电路有短路,可以进一步查后级电路。
4、通讯:
4.1、红外通讯; 原理图如下:
工作原理、在电路中的作用
工作原理是红外发射管把电信号变红外光,红外接收头把红外光变电信号。
图中 VCB、VCA 是由 VCU 通过单片机控制的,提供给红外发射电路和红外接收电路的工作电压。C1、C2 对 VCB 进行
滤波(同前面的电源滤波)。R1 为 Q1 的偏置电阻,但是 R1 要选择恰当,做到当没有 TXDI(通讯内容:数字信号,表现为 电平形式,高电平为 1,低电平为 0)信号时,Q1 不会导通,当有 TXDI 信号高电平时 Q1 会导通。R2 是单片机给的 TXDI 信号的限流电阻。当 TXDI 为高时,Q1 导通,VCB 通过 Q1 集电极到发射极,再通过 R3、R4 加到红外发射管 D1 正极上, 电流流过 D1 到电源地,D1 发射出红外光信号。R3、R4 为并联,如果只焊接一个则流过 D1 的电流会小一些,D1 发的红外 光会弱一些,如果调整 R3、R4 的值会影响红外通讯的功耗和通讯距离:功耗大则通讯距离远,功耗小则通讯距离近。当 TXDI
为低时,Q1 截止,VCB 不能通过 Q1,不能使 D1 发射红外信号。这样 D1 就会按照 TXDI 信号的高低电平变化而发射或不发 射红外光信号,接收到 D1 发射的红外光信号按照相反的理论就是红外接收的过程:有光信号则输出高电平,无光信号则输 出低电平。然后按照规约的编码规则进行处理,就实现了红外通讯。
U1 就是把红外光信号转换为高低电平的专门器件:红外接收头。VCA 通过 R5 给 U1 提供电源,C3 是对 VCA 的旁路电 容。U1 的 OUT 脚按照接收到的红外信号的变化而变化,输出高电平或低电平。VCA 通过 R6 给 OUT 脚一个高电平,但是 R6 的阻值很大,当 OUT 脚为低电平时,VCA 通过 R6 给 OUT 脚的高电平将被拉为低电平,给单片机的 RXDI 为低电平。当 OUT 脚为高电平时,给单片机的 RXDI 为高电平。这样给单片机的 RXDI 信号将随 U1 接收到的红外光信号的变化而变化, 实现外部信号和单片机的通讯。
注意事项
红外通讯不成功则按照以上的信号流程检查各个环节是否有电信号,判断相关的器件是否损坏。原则是:信号能通过, 则器件是好的;信号不能通过,则器件是坏的。
4.2、485 通讯; 原理图如下:
工作原理、在电路中的作用
光耦合器的光隔离原理,485 芯片的通信原理。 如图所示,光隔离器内部是一个发光二极管和一个光敏三极管构成的。
图中,U1 的发光二极管正端通过 R4 连接到 V485。当 RXD1A 为高电平时,U1 内的发光二极管由于两端电压没有
达到二极管正向导通电压,所以二极管不导通,二极管不会发出光信号,光敏三极管因为基极没有信号而截止(不导通), Q1 基极也就没有信号,Q1 也是截止,则 RXDA 不能通过 Q1 与 GND(低电平)相通,RXDA 的电压为通过 R1 连通 VCM 的电压,RXDA 为高电平。既 RXD1A 为高电平,RXDA 也为高电平。
当 RXD1A 为低电平时,U1 内部的发光二极管因为正向偏置而导通,发光二极管发出光信号,光敏三极管接收到这 个光信号而导通,VCM 通过光耦的光敏三极管、R3 对 Q1 提供基极偏置电压、电流,Q1 导通,Q1 集电极和发射极导通, RXDA 接在 Q1 集电极,集电极和发射极导通,发射极是接 GND 的,所以 RXDA 电平为 GND,RXDA 为低电平。既 RXD1A 为低电平,TXDA 也为低电平。
以上就是 RXD1A 和 RXDA 的传输,过程中可以看到 RXD1A 转化为 RXDA 后,所有的信息都没有变化,那么为什 么要通过光耦转化一下呢,又没有放大、衰减或进行其他的处理。这里只有一个目的:使 RXD1A 和 RXDA 没有电路(有 电子信号直接连通的电路)上的连接,这样可以使 RXD1A 处出现的破坏性信号(高电压、大能量的干扰或错接)不能 直接加入 RXDA 信号线路,保护 RXDA 线路。
那为什么要保护 RXDA 线路呢?是因为 RXD1A 是 485 通讯的线路信号,485 的通讯线路在实际使用时是有引线连 接到电表表壳以外的,连接到表壳以外的引线就有可能会接入高电压、大能量的破坏性信号(比如被雷电击中)。而 RXDA 线路是直接连接到单片机的管脚的,RXDA 出现的破坏性信号将直接接入单片机,会破坏单片机。此时单片机被破坏将 不只是破坏了 RXDA 这一个线路,而将是不可预知的破坏,可能是 RXDA(通讯)损坏,可能是单片机全部损坏。当 RXDA 和 RXD1A 之间用光耦隔离后,RXD1A 上出现的破坏性信号将被光耦进行隔离(或衰减),因为光敏三极管最大 的输出信号最多只能是它导通的情况,破坏性信号的峰值再大,光敏三极管最多也只能是导通。当然,破坏性信号峰值 很大时,可能会损坏光耦的发光二极管。
但是在实际应用中,也发生过+6KV、-6KV 脉冲电压试验(电表所有电压、电流线短接在一起为 A 点,电表所有功 能端子短接在一起为 B 点,A、B 两点之间加脉冲电压)后,电表单片机损坏的事件。我们分析原因可能是:破坏性信 号的频率很高,电压峰值很高(6KV),通过空间辐射使 RXDA 产生强信号,强信号损坏单片机。当时的那款表会损坏主 要原因是因为使用的单片机的作为 RXDA 的口抗干扰能力不好,为了解决这个问题,我们换用了另外一种有防高电压破 坏信号功能的光耦(TLP421-GR:白色的颜色,可能大家还有影象)。
同 RXD1A 和 RXDA 的光耦隔离原理,TXD1A 和 TXDA、CTLA 和 CTL1A 也是同样进行工作的。 明白了光耦的通信原理,我们接着讲通过光耦的信号是从哪里来的,又到哪里去的。
总体来说 485 通讯电路的目的是实现电表(单片机)和外界(通过 485 口)的仪器(个人电脑或掌上电脑)的通讯,
这里我们定义仪器为主站(因为我们是控制仪器,主动发出信号),电表为从站(跟从主站的信号被动做出反应)。主站 信号肯定是从仪器来,到单片机去;然后应答的信号又从单片机来,到仪器去。从而实现了通讯。
485 电路只有两根线,信号用两根线的电压差来表示(差模传输):电压差为高电平(一般要求 2.9V 以上)则表示 信号 1,电压差为低电平(0.9V 以下)则表示信号 0,换言之就是 485 电路只有一个信号通道。那么主站信号和应答信 号都是从一个信号通道通过,那肯定会冲突,信号传输时,如果主站信号和应答信号一起在通道上出现时,那通道上的 信号将是混乱的,无法分辨哪个电平是主站信号,哪个电平是应答信号,如果全部接收进行解码,那解码后的数据也是 不符合规约的,数据不符合规约,程序就无法识别和进行相应处理,通讯就会失败。所以我们就要控制 485 芯片和单片
机,让它们知道现在是主站信号还是应答信号,然后它们再根据信号的性质进行处理。 当主站没有发出主站信号时,电表也不会发出应答信号。所以,当主站和电表没有进行通信时,电表一直处于等待
主站信号的状态,就要求通道处于接收(电表接收信号)状态,电表接收到主站信号后,单片机对信号进行相应的处理, 单片机控制通道处于发送(电表给仪器信号)状态,单片机发送应答信号,应答信号通过 485 电路给仪器,仪器接收到 信号进行处理。
图中,RE_、DE 是控制 SN75LBC184P 处于接收还是发送通道工作的控制脚。RE_为低时,SN75LBC184P 处于接收 信号通道工作状态,把 A、B(SN75LBC184P 的第 6、第 7 管脚)口之间的信号通过 RO 传输到 RXD1A。当 RE_为高时, SN75LBC184P 不处于接收信号通道工作状态,不能把 A、B 口之间的信号传输给 RO。DE 为高时,SN75LBC184P 处于 发送通道工作状态,把 TXD1A 信号从 A、B 口输出给仪器。当 DE 为低时,SN75LBC184P 不处于发送通道工作状态, 不能把 TXD1A 信号传输给 A、B 口。
所以,我们在使用 SN75LBC184P 时,是把 RE_、DE 接在一起的,RE_、DE 同为低,则 SN75LBC184P 一定处于接 收信号通道工作状态,一定不处于发送通道工作状态。RE_、DE 同为高,则 SN75LBC184P 一定不处于接收信号通道工 作状态,一定处于发送通道工作状态。
而且,在没有仪器和电表通讯时,RE_、DE 是为低电平的。当单片机接收到仪器给的信号,单片机处理后要发应答 信号给仪器,则单片机会置 CTLA 为高电平,从而 CTL1A 为高电平,RE_、DE 为高电平,信号通过 TXD1A 传输到 A、 B 口,仪器通过 A、B 口接收到信号。
注意事项
如果 485 通讯不能成功,则使用仪器连续发通讯命令(可以是抄表或设表),然后按照:仪器→485 的 A、B 口→485 的 RO→RXD1A→RXDA→TXDA(单片机对于抄表、设表命令都会返回应答信号)→TXD1A→485 的 A、B 口来检查。检查每 一个点对地的电压是否变化,有变化表示有信号来到这个点,上级器件正常,再查下一点。没有变化表示信号没有来到 这个点,信号被上级器件阻断了,上级器件损坏或工作不正常。注意一个问题:测试的地要和信号相对应:光耦单片机 一侧的点使用 GND 作为地,光耦 485 芯片一侧的点使用 GND485 作为地。
4.3、GPRS 通讯(了解);
工作原理
我们习惯把无线上网通讯称为 GPRS 通讯,其实 GPRS 通讯是无线上网通讯的数据传输方式中的一种,另外还有一 种数据传输方式是 CDMA 通讯,至于还有没有其他的数据传输方式,现在实用的只有 GPRS 和 CDMA 两种。
电表的 GPRS 通讯原理和手机或电脑的 GPRS 通讯(无线上网)原理是相同的。电表通过使用 GPRS 模块或 CDMA 模块把要发送的信息(程序已经做好)进行编码(CDMA)或封包(GPRS),编码编好的或封包的信息通过网络运营商 的电表附近的基站的作用被基站接收到,基站把数据发送到卫星,卫星再发数据传输到目的地基站,接收仪器(一般是 电脑)通过 GPRS 模块或 CDMA 模块接收到数据,进行数据处理。
实现远程的实时通讯。好处是可以随时知道电表的运行状态和电网情况,只要有无线网络覆盖的地方就能通讯,与 主站(电脑)到电表的距离无关。如果使用人工查看则会耗费很多时间,而且信息会滞后(现在汇报的只能是刚离开时 的情况,现在什么情况是不能肯定的),使用载波通讯方式则通讯距离受很大限制。但是无线上网通讯要向网络运营商付 钱,成本是长期存在的。
5.1、黑白段式液晶和黑白点阵液晶显示: 液晶显示器的电原理图如下:
5、输出:
工作原理、在电路中的作用 黑白段式液晶(显示器)和黑白点阵液晶(显示器)主要是利用液晶的对电场的敏感特性来实现的。液晶是介于固
体和液体之间的一种物质存在状态。大自然中存在(经人工提纯后)的或人工合成的某些液晶有个特殊特性:无电场加 在它们上时,它们是透明的;有电场加到它们之上时,它们会呈现为不透明;电场消失后,它们又恢复原来的透明状态(根 本原理是电场使液晶内部晶体的排列发生变化,造成光能通过液晶或不能通过液晶)。黑白段式液晶(显示器)和黑白点 阵液晶(显示器)就是这样实现的。当需要显示某一段或某一点时,就在这一段或一点液晶上施加一个电场。我们经常 见到和听到的“COM 口”就是加在这些段或点上的一侧电极上的电压,当需要显示某一段(或点)就在这一段(或点) 的另一侧电极上施加一个信号(改变液晶所处环境的电场),这个信号就是液晶上除“COM 口”以外的其他管脚信号(段 电极)。以“COM 口”与其他管脚信号(段电极)的组合,就组成了可以选择点亮液晶的所有段(或点)或只要显示需 要的段(或点)的功能。
具体的电压怎样分压分压,怎样点亮选择点,怎样不会点亮非选择点和半选择点,这些问题我们这里不做详细分析, 因为我们的实际维修中用不到这些具体的知识。有兴趣想知道具体原理的同事可以查阅研发中心书籍《液晶显示应用技 术》。
我们实际维修中如果发现主板有电源但是液晶不显示,可能测试液晶的 COM 口的信号波形,COM 口的正常信号应 该是阶梯波的样子,如下(可能不是完全吻合,但是应该很相象):
实际维修中,我们可能没有示波器来看这些波形是否正确。简易的办法是用万用表测量液晶各个管脚对 GND 是否 有直流电压。一般情况下,如果有直流电压则液晶驱动芯片有输出信号,没有直流电压,则液晶驱动芯片没有输出信号。 没有输出信号则检查液晶驱动芯片的电源是否正确,电源正确则检查单片机输入给液晶驱动芯片的信号是否正确。然后 再按照信号是否正确的方法查单片机等等。可以排除故障。
5.2、背光板电路;
原理图如下:
背光板的工作原理
背光板是使用可发光的物体(电至发光膜、白炽灯、冷阴极发光管、发光二极管等,一般都使用发光二极管)作为 光源,使用透明塑料做导光板,然后导光板背面贴反射膜(用来反射光),导光板正面贴散光膜(用来散射光)。从而使 发光二极管发出的光均匀地从背光板正面散射出去,达到使背光板正面的液晶有光从背面射出,液晶可以在黑暗环境中 显示的目的。
背光板在本电路中的作用
在本电路中,背光板 BGB 的作用是:当有足够电源对背光板作用时,背光板发光。背光板 1 脚(发光二极管的正极) 接 VCM(高电平),当 LIGHT 为低(单片机控制)时,三极管截止,三极管集电极和发射极不导通,背光板 2 脚(发光二 极管的负极)为悬空(未接通 GND),则背光板的发光二极管两端没有电压,发光二极管不能发光。当 LIGHT 为高(单片 机控制)时,三极管导通,三极管集电极和发射极导通,背光板 2 脚(发光二极管的负极)为低电平(接通 GND),VCM 电流经过发光二极管、限流电阻、三极管的集电极、三极管的发射极,最后到 GND。于是形成稳定的电流,发光二极管 发光。
5.2、脉冲灯和光耦隔离误差输出口电路;
原理图如下:
1、电阻 R1 的作用
电阻 R1 是为了稳定 PCF 的波形而用的。当 PCF 为高电平时,R1 的电阻足够大,保证 PCF 不会出现被拉低的情况发
生。当 PCF 为低电平时,LED 不能导通(开路),R1 是 PCF 唯一能通过的电阻,所以噪声被通过 R1 到 GND,噪声被 滤除。R1 就起到了稳定 PCF 的波形的作用。
2、发光二极管 L1 的作用
发光二极管 L1 正极接 PCF,负极通过 R2 和 U1 的发光二极管,然后接 GND。在 PCF 为高电平时,L1 的正极和负
极之间是正的电压,所以 L1 发光,光耦的发光二极管也发光。 3、电阻 R2 的作用
电阻 R2 是起限流作用的。大家可以发现,当 PCF 为高电平时,如果没有 R2,则 PCF 将通过 L1 和 U1 的发光二极 管直接和 GND 短路,产生很大电流,可能烧毁 L1 和 U1 的发光二极管:因为当二极管正向导通时,二极管此时的电阻 很小(接近于零)。所以这里需要 R2 来限制电流过大:用欧姆定律 U=RI 分析:请哪位同事来分析一下。
4、 电容 C1 的作用
电容 C1 是起滤波作用的,因为 PCF 信号的频率是不会很大的,T(单位:秒)=1000*3600/(脉冲常数*当前总功率) 而输出脉冲频率 F(单位:Hz)=1/T(单位:秒),则脉冲常数越大,当前总功率越大,输出脉冲频率就越大。举例:220V、 1.5(6)A 、6400imp/kwh。当测试 9A 电流时。T=1000*3600/(6400*220*9*3)=0.095S,F=1/0.095=10.56Hz.。对于这 个频率以及更低频率的信号,C1 相当于开路:C1 不会影响 PCF 信号。而对于感应到的高频噪声,C1 相当于短路:把高 频噪声信号短接到 GND,使噪声信号不会使 U1 的发光二极管产生误动作,不会使 U1 输出错误脉冲。
5、光耦 U1 的作用
光耦的发光二极管导通时,发光二极管发出光信号,这个光信号触发 U1 的光敏三极管基极,使 WAR+、WAR-短路
导通。于是在 WAR+、WAR-之间就不断出现开路、短路,我们在 WAR+接 5V,WAR-接地(标准表正是这样),于是, 当 PCF 为高时,WAR+、WAR-之间为 0V(短路),当 PCF 为低时,WAR+、WAR-之间为 5V(开路),标准表脉冲拾取 口就有一个与 PCF 高低电平相反的脉冲信号。标准表就按照取高电平的上升沿或下降沿来计量脉冲的间隔时间,按照脉 冲输出时间 T(单位:秒)=1000*3600/(脉冲常数*当前总功率)的原理,对比标准表自身计算出的 T 和脉冲输入口测 试到的时间 T,以此来算出被测表的误差。
这里特别说明一下,我公司使用的 3100 型标准表(大型校验台配备的一般都是)是取 WAR+、WAR-之间信号上升 沿,3002 型标准表(研发中心的小校表台配备的标准表)是取 WAR+、WAR-之间信号下降沿。这样的话,如果脉冲输 出的脉冲宽度不是一定的,比如:PCF 信号上升沿和上升沿之间的时间间隔(对应 WAR+、WAR-之间信号下降沿)是一 定的,但是脉冲宽度不是一定的,那么下降沿和下降沿之间的时间间隔(对应 WAR+、WAR-之间信号上升沿)就是不能 确定的。这样的脉冲波形用 3002 型标准表测试,则误差是正常的,不会有太大跳变,而使用 3100 型标准表测试,则会 发现误差有很大跳变。为了解决这个问题有两个办法:1、设计电表输出脉冲为上升沿之间时间间隔相同,输出脉冲宽度 相同(下降沿之间时间间隔相同);2、了解客户使用的标准表是取上升沿还是下降沿,然后对电路进行相应的设计:输 出脉冲的上升沿是一定或者下降沿一定(使用一个三极管把信号反向就可以了)。
二、电子式电能表维修实例步骤:
1、 一台 7026A 的电表电压、电流显示值不对(加 220,显示 300 左右),精度不对。 1、
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2、 一台电表上电后液晶不显示,报警灯、脉冲灯都无显示。 1、
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王昌国(Marvin) 第一稿 2008 年 3 月 13 日 第二稿 2008 年 5 月 31 日