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SD3003在计量插座的应用
导读：SD3003在计量插座上的应用，介绍了该芯片在计量插座的应用方案，普通插座通常有一定的额定电流和额定功率，长时间超过额定功率工作插座线材容易烤焦变黄，普通消费者一般不会关心插座上接了多少大功率用电器，因此就产生了计量插座的需求，插座本身带有功率、电量显示等功能，2计量插座方案介绍，计量插座实际就是电表+电压表+电流表的一个集合体，D2LEDR31K1232DVDDP-D1414841P+DVDSD3003在计量插座上的应用 摘 要：本文阐述了SD3003芯片的主要功能特点，介绍了该芯片在计量插座的应用方案，对电压、电流采样以及功率、电量的计算做了详细的介绍。
关键词：SD3003；计量插座；电表；电流表；电压表
随着家用电器在居民日常生活中的普及，在给人们带来便利的同时，其安全性也日益引起人们的重视。普通插座通常有一定的额定电流和额定功率，长时间超过额定功率工作插座线材容易烤焦变黄，甚至造成线路短路引起火灾。普通消费者一般不会关心插座上接了多少大功率用电器，有没有超出额定功率，根本没有意识到这样的危险性，形成较大的安全隐患。 随着居民生活水平的提高，越来越多的家用电器进入千家万户，居民用电量节节攀升，但各种家用电器的耗电量到底是多少呢，为什么会用这么多电，是不是有些电器出现故障了，一般家庭缺少简单有效的监测用电器工作情况的工具，不能做到明白用电、安全用电和节约用电。
因此就产生了计量插座的需求，插座本身带有功率、电量显示等功能，让人们可以清楚知道负载情况，并统计电器的用电量。 2 计量插座方案介绍
计量插座实际就是电表+电压表+电流表的一个集合体，实现方式可以采用分离器件，也可也使用SOC，因为SOC具有成本和可靠性的优势，代表以后的技术发展方向。下面介绍采用SOC芯片SD3003的方案。 如图1和2所示，电源部分采用经典的阻容降压电路；电压采用电阻分压采样；电流是采用锰铜采样；显示可以选择LCD或者LED，时钟采用32.768KHZ时钟，内部有PLL进行倍频，也可以采用外部的高频时钟；需要外接EEPROM进行电量、校正系数等的存储。 芯片自带两路Σ-Δ型ADC，对交流电压、电流信号进行采集，并进行低通和高通滤波，计算出电压有效值，电流有效值；电压和电流相乘并经过滤波处理得到功率信号和电量脉冲信号；芯片内部带有计数器对电量脉冲信号进行累加计数，从而得到总电量；另外芯片内部自带RTC电路，可以自己记录24小时的时间，并可以用来分析用电高峰。 本方案校表过程比较简单，只要加上额定电压，电流信号后，按校表按键就自动完成功率、电压、电流的校正。 如图2所示，该方案没有采取任何特殊的保护措施，可以轻松过4KV以上的群脉冲试验，具有很强的抗干扰能力。 D
LEDR3 1K1232DVDDP-D1414841P+DVDDR4 1KDVDDC120pfY1 32.768KHzC8
330pfDVDDR210KC1010ufS1NRSTREVPXINXOUTXTINXTOUTCFDGNDDVDDVBIASPLLCP20/SEG0/DOUT uf/16vC11
1 0+112P21/SEG1P22/SEG2P23/SEG3P24/SEG4P25/SEG5P26/SEG6P27/SEG7P30/SEG8P31/SEG9P32/SEG10P33/SEG11P34/SEG12
SDICXXXXXXXSD3003VREFAGNDAVDDV2PV2NV1NV1PP57/COM3P56/COM2P55/COM1P54/COM0VPPAVDDV2PC1233nfR7
1KC1433nfI+I-R1
24电压通道信号输入V2PR101KC1833nfDVDD
C410uf/16v+C50.1ufC3+10uf/16vC7
0.1nfAVDDC60.1ufA0A1A2WP1237VDDGNDP17/PPG16P16/PPG8P15/RXDP14/TXDP13/SDAP12/SCLP11/INT1/DINP10/INTO/CLKP36/SEG14P35/SEG13U53C250.1ufINDVDDC9R510KR610KDVDD0.1uf84P 126U 2
24C02VCCGNDZ1UNR131MC21R14D5IN L05OUTGND+C2210uf/16V1P 13DVDDC260.1ufSCL5SDA
C2410nf/250VAC0.47uf100/3W+R15D6C23MOVIN uf/35v2Z2UL图 1. 计量插座应用图
图 2. 计量插座PCB图
3 SD3003的功能特点
SD3003是LCD/LED显示的电能计量的SOC解决方案，可以极大的降低计量插座等产品的设计复杂度，降低成本 ? 高精度电能计量，计量精度满足一级电表使用要求； ? 提供电压有效值和电流有效值； ? 可以计算有功功率、功率因数； ? 可以计算交流电频率； ? 提供高频校验脉冲输出，用于校表； ? 可以对电量进行累计计算； ? 15×4的LCD驱动电路，可切换为I/O，支持LED驱动； ? 带RTC，可以提供24小时的时间显示； ? 带UART和I2C接口； ? 程序存储器为2K*16 OTP，可以在线烧录；数据存储器128BYTES；
计量插座的推广，让人们明明白白用电，正确选择省电的用电设备，养成良好的用电习惯，真正做到低碳社会从身边做起，从细节做起。
作者：杭州晶华微电子有限公司 简介：杭州晶华微电子有限公司专业致力于集成电路芯片的设计、开发、生产和销售。公司拥有美国硅谷的先进技术、资深的海归专家和设计实力雄厚的技术团队。经过多年的发展，在众多领域中开发了优质的产品，积累了丰富的设计经验，公司拥有国内先进的模拟设计技术和成熟的数字设计技术，可以提供模拟产品、数字产品，以及数模混合产品的设计，可以提供SOC产品的设计，测试和成套解决方案。 包含总结汇报、自然科学、经管营销、高中教育、出国留学、外语学习、计划方案、医药卫生以及SD3003在计量插座的应用等内容。
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3秒自动关闭窗口1、电容降压原理：
利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。
注：电容降压电路中，在电容器上不会产生功耗，因为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所做的功为无功功率。所以在一个1uF的电容器上再串联一个阻性组件，则阻性组件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性组件的特性。因此，电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。
2、使用电容降压注意点：
（1）电容的选取应根据负载的电流大小和交流电的工作频率来决定；
（2）限流电容必须采用无极性电容；且，如果电源电压为110V时，电容的耐压值必须在275V以上；如果电源电压为220V时，电容的耐压值需在600V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容；
（3）电容降压不能用于大功率负载；
（4）限流电容须接于火线，且电容降压不适合动态负载；
（5）电容降压不适合容性和感性负载；
（6）需要直流工作时，尽量采用半波整流。不建议采用桥式整流，因为全波整流产生浮置的地，会在陵县和火线之间产生高压，容易造成人体触电伤害。并且需要满足恒定负载的条件。
（7）当电容C确定后，输出电流I是恒定的，而且输出直流电压随着负载电阻RL大小的不同在一定范围内变化。RL越小输出电压越低，RL越大输出电压越高。
（8）稳压管的稳压值应等于负载电路的工作电压。稳压管的最大稳定电流应该取比通过电容电流大一些，而最小稳定电流不得大于通过RL的电流。
3、示例分析：
下图中，C1为降压电容，一般为0.33-3.3uF。在此设为C1=2uF，整流管的导通电阻通常为几欧姆，稳压管VS的动态电阻为10欧姆左右，限流电阻R1及负载电阻RL一般为100-200欧姆，滤波电容一般为100uF-1000uF，其容抗可忽略。因此，可将图1电路等效为图2的交流电路，且满足容抗XC1&R的条件。
电容C1的容抗XC1为：
XC1 =1/（2PI*fC1）= 1/（2*3.14*50*2uF）=1592欧姆
由于R远小于XC1，则R上的压降VR也远小于C1上的压降，所以VC1与电源电压V近似相等，即VC1=V。则有：
整流后的直流电流平均值Id为：
Id =V/XC1=V*（2PI*fC1）= 0.62C1(mA)
（1）在使用电源变压器做整流电源时，当电路中各项参数确定后，输出电压是恒定的，而输出电流Id随负载增减变化；
（2）使用电容降压做整流电路时，由于Id=0.62C1，则Id与C1成正比，则当C1确定后，输出电流Id是恒定的，输出直流电压随负载电阻RL大小的不同在一定范围变化。RL越小，输出电压越低；RL越大，输出电压越高。
C1取值选择：
C1的大小应根据负载电流来选择，如负载电路工作电压为9V，负载平均电流为75毫安，则有Id=0.62C1，可得出C1=1.2uF。由于稳压管VD5的损耗，则C1可取1.5uF,则此时电源实际提供的电流为Id=93mA.
稳压管稳定电流选择：
稳压管的稳压值应等于负载电路的工作电压。由于电容降压电源提供的是恒定电流，因此一般不怕负载短路，但当负载完全开路时，R1及VD5回路中将通过全部的93mA电流，所以VD5的最大稳定电流应该取100mA为宜。又因为RL与VD5并联，则在保证RL取用75mA工作电流是=时，尚有18mA电流通过VD5，所以稳压管的最小稳定电流不得大于18mA,否则将失去稳压作用。
限流电阻取值：
限流电阻取值不能太大，否则将会增加电能损耗，并且也会增加C2的耐压要求。如若R1=100欧姆，R1上的降压为9.3V，则损耗为0.86W，可以取100欧姆1W的电阻。
滤波电容取值：
滤波电容一般为100uF-1000uF，但需注意其耐压值。如负载电压为9V，R1上的压降为9.3V，总压降为18.3V，则滤波电容C2应取25V以上为好。
注：电容降压电源是一种非隔离电源，在应用上需特别注意隔离，以防止触电。
常用电容降压电路：
220V交流电转换为低压直流的简单方法 电容降压
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电阻能降压为什么不用电阻当变压器用呢
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电阻当变压器的缺点：1、由于电阻限流的作用，电路中的电流也会减小，某些需要大电流的场合不合适。2、电阻当变压器的效率很低。所以很少有用电阻当变压器的，另外电阻和电容可以实现阻容降压，这是一种低成本的降压方案，可以用于小型简易型降压场合，比如小家电，但这种降压方法不太安全。
采纳率：60%
来自团队：
电阻除了分压功能外，还有限流的作用，通过电阻后，电流也会减小。对于一些需要大电流低电压的场合，电阻分压特别不合适，一方面电流过小，无法带动负载（比如说小型电动机），另一方面，无谓损耗非常大，功率都被电阻变成热能了，电动机得不到多少能量。PS： 1、电阻降压一般是分压，一般用在电压采样或者对电流要求不高的场合。2、变压器的效率很高，特别是在100W以上时，其效率可以达到95%以上，损耗于变压器的能量极少，大部分可以传送到用电器上。电阻和电容合起来用，可以实现阻容降压，这是一种低成本的降压方案，可以用于小型简易型降压场合，比如小家电，但这种降压方法不太安全，好的产品不会考虑这么用的。 三楼:直流电路真的只能用电阻来降压吗？三端稳压器，DC-DC开关电源都可以用来降压，只是纯电阻降压，会大大损耗功率，只适合提供电压采样，不适合提供电源而已。
本回答被提问者采纳
电阻和变压器是完全不同原理的改变电压的原件，变压器是利用电磁感应定律，通过改变其两线圈的绕组数目来实现电压的改变，而且变压器只能用于交流电中。电阻交流直流都行。直流电路中只能用电阻来降压，
原则是可以的，但它消耗电能大。变压器消耗电能小，安全。
同意楼上的回答，简单明了
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摘要: 一个1微法电容其最大容许流过的电流=70ma。如将其接在220V交流电源上可行否？如果将该电容接在另一交流电源上，其电容电流=100ma，即超过电容最大容许流过的电流，如用阻容降压的方法降压，应串接多大阻值的电阻使其 ...
& 一个1微法其最大容许流过的电流=70ma。如将其接在220V交流上可行否？如果将该电容接在另一交流电源上，其电容电流=100ma，即超过电容最大容许流过的电流，如用阻容降压的方法降压，应串接多大阻值的电阻使其电容电流=70ma？
串接电阻后，如用电容二端做输出，其空载下输出电压=？如用电阻做负载并接电容二端，当负载电阻由大变小时，其输出电压是否变化？如变化其输出电压是增大还是较小？电容的电流又是如何变化。
串接电阻后，如用电阻二端做输出，其空载下输出电压=？如用电阻做负载并接电阻二端，当负载电阻变小时，其输出电压是否变化？输出电压是增大还是较小？电容的电流又是如何变化。
& &我的分析：电容通常提供的参数主要是耐压与电容值，在规定的耐压范围内，使用电容，一般都不会击穿。在交流电路中，电容的容抗 Zc= 1/ωC, ω为角频率（ω = 2πf），如f = 50Hz，则ω=314。如电容二端施加一电压U，则电容的电流 Ic=U*ωC。施加最大耐压Um 时的电容电流，就是该电容容许的最大流过的电流。如果施加的电压超过规定的耐压值，虽然电容的电流可以增大，但电容极易被击穿。下面分几个问题进行分析：
& &1、电容的电压 Uc=I /ωC，如流过1微法电容的电流为70mA=0.07A，电流频率f=50Hz，则：电容的电压Uc=0.07÷（314×0.000001）= 223 V，如果70mA是1μF电容的最大容许电流，则该电容的耐压=223V，即可以将1μF电容直接接在220V交流电源上，不过此时是该电容工作在其耐压的上限值区，若长时间工作不太可靠的，一般选择电容的耐压参数应大于工作电压的2～3倍。
& & 2、 如果该电容直接接在另一电源上，使流过电容的电流=100mA，则另一个电源的输出电压应 =0.1÷（314×0.000001）= 318 V，由于该电容耐压=223V，故此电容工作在318V电压下会因过电压而击穿的。
在此情况下，可以通过串接一电阻来降低电容的电压：如电源电压U=318V，1μF电容的电压要保持 Uc=220V（即电容电流=70mA时的电容电压），则串接的电阻电压UR=:
& 左一图为阻容降压，以电容为输出且带有负载电阻R2的实际，左二图与左图三为左一图按戴维南定理转换成的等效电路图。
& 左图二中RC为作图一的R C值，其电容容抗 Xc =4 = 3.18 KΩ & 电阻 R1 = 3.3 KΩ
& 左图三中的Rr、Xr为由左图二中并联的R C转换为等效的串联R C值，其Rr=1.59 KΩ,Xr=1.65KΩ &
IR2 = 220÷3.07 = 71.66 Ma
& 见下图：R1电阻的电压为UR1，电流为Io, C1的电压为Uo, C1的电流为Ic，R2的电压为Uo,R2的电流为IR2，
&即：当R2=0时，短路电流就等于电源电压除以R1的电阻值。而此时电容的电流=0 &
式（2）与式（3）即为阻容降压且以电容二端做输出的电路，其输出电压Uo、电容电流Ic与负载电阻R2的数学关系式。下面取不同阻值的负载电阻R2进行计算，看其输出电压Uo与电容电流的的变化趋势：
& 1、空载时：其R2 = ∝，将R2带入式（2），其分母值=2.07，计算的结果：Uo≈220V.
& & &此时电容电流 Ic=220÷3180≈70 ma
& 2、加载时，如R2=5KΩ，带入式（2），其分母值=3,53，计算的结果： Uo=169V
& & &此时电容电流 Ic=169÷ ma
& & & 如R2=1KΩ，带入式（2），其分母值=19.5，计算的结果： Uo=72V
& & &此时电容电流 Ic=72÷ ma
& 3、短路时：即使R2=0, 带入式（2），其分母值= ∝，计算的结果： Uo=0V
& 此时电容电流 I c= 0÷3180 = 0 ma
&可见：阻容降压，由电容二端做输出，空载时电容中流过的电流最大，输出电压最高。加载后，随着加载变大（即R2变小）电容的电压逐渐降低，其流过电容的电流也随之变小。而负载电阻R2由无穷大（空载）逐渐↓0时，其电流由0变大，当R2=0时，其短路电流=电源电压除以电阻R1。
& 4、串接电阻后，如用电阻二端做输出，其空载下输出电压=230V。加载后（即在电阻R1二端并接负载电阻
& & &R2）其输出电压将如何变化，电容的电流是增大还是减小？见下图：
时其Ro=0。即：空载时输出Uo等于R1与C1串联电路R1的电压值。
& &上左图中的ABC三角形即为R1、C1、与电源318V的电压三角形：其AB边为圆的直径，它表示为电源电压（318V）矢量，AC边表示为Uo的电压矢量，BC边表示为Uc的电压矢量。二直角边的交点C点位于以AB为直径的圆上。当并上R2且使R2由=∝逐渐小直至=0时，其并联等效电阻Ro值将由=R1逐渐变小直至=0。在此变化过程中，Uo与Uc和电源318V组成的电压三角形始终为直角三角形，由于斜边AB（即电源318V）保持不变，故不同R2值对应的直角三角形的顶点都位于CA圆弧线上，且由C点移向A点。当R2=0时输出电压Uo=0（即AC边=0），此时电压三角形变为一条直线且与AB边重合，，··顶点C移到左图中的A点处。此时Uc=318V。
即：在R2由无穷大（空载）逐渐↓0时，其对应的直角电压三角形的顶点C将沿AC弧线由C点移向A点。从图中可以看到Uo与Uc的变化趋势。
在R2由无穷大（空载）逐渐↓0时，输出Uo电压由空载时的230V逐渐↓0，而Uc电压由空载时的220V逐渐↑到3118V。在整个变化过程中，电容C1的电流由空载时的70ma逐渐上升到100ma，电阻R1的电流由空载时的70ma逐渐下降到0，而负载电阻R2的电流变化却是：由0逐渐上升到最大值（即R2短路，318V施加C产生的电流）。见以下推导：
& 即：R2=0时，其短路电流就等于电源电压除以电容的容抗值。
& &5、如以电容二端做输出，负载固定，要求输出电压=Uo，应串多大电阻的计算：
设电源电压为380V，用阻容串联的方式降压输出（以电容二端作输出），其容值=1μF，与之并联的负载电阻R2=1KΩ，求应串多大电阻？确保输出电压=220V?
解：1、先求出输出电压Uo=220V时，电容C与电阻R2的电流：
Ic=Uo·ω·C=220×314×10=69 Ma & Ic的相位引前Uo相位90
IR2=Uo / R2 = 220÷ mA & & & IR2的相位与Uo同相位。
此β角也为Io与Uo的夹角，故cosβ值又为Uo与UR1夹角的余弦值，见下矢量图：
电阻R1的电压UR1=Io·R1, &UR1的相位与Io同相位，由上图可知：Uo与UR1的（矢量）和电压=380V，据余弦定理可列下等式：
&答：应选阻值为713欧电阻与电容C串联，可确保R2=1KΩ时输出电压Uo=220V
& 从上述分析、计算可知：
& 1、电容通常提供的参数主要是耐压与电容值，知道电容的耐压值，就可得知电容的最大容许流过的电流值。反之知道电容的最大电流值，也可得知电容的耐压值。
& 2、电容在交流电路里，可以通过串接电阻改变电容的电压，其电阻与电容的电压比等于电阻与电容的阻抗比。
& 3、在电阻与电容串联的电路，无论以电阻或电容二端做输出，其输出电压是不稳定的、是随负载变化而变化的：其输出电压会随着负载电阻减小而变小。当负载电阻=0时，输出短路电流=阻容串联的电路电压U 除以与输出端相串联的元件的阻抗值Zx：如以电容二端为输出口，其短路电流=U / R。如以电阻二端为输出口，其短路电流=U / Zc=U·ω·C.
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