專利名稱：直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，屬于工業(yè)自動化控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)自動化控制過程中，常常需要通過直流電壓給自動裝置發(fā)開關(guān)量輸入信號，從而根據(jù)開關(guān)量輸入信號的有無來調(diào)整自動裝置的運行狀態(tài)。
據(jù)申請人了解，現(xiàn)有此類模塊主要采用如圖1的電路實現(xiàn)對直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)的判斷。其工作原理為直流電壓Vi在R1電阻上的壓降產(chǎn)生光耦前端電流If，驅(qū)動光耦I(lǐng)C。當Vi為0V時，If＝0，光耦不導通，光耦后端Di信號為高電平；當Vi加入額定正向電壓后，If增加，當If達到并超過光耦導通電流后，光耦導通，后端Di信號變?yōu)榈碗娖健?br> 由于實際應用中，提供給自動裝置的直流開關(guān)量輸入電壓往往從現(xiàn)場環(huán)境直接取得，因此不一定能達到額定電壓值，這樣在工業(yè)自動控制中都對自動裝置有響應精度的要求。具體來說，當開關(guān)量輸入電壓低于額定值一定百分比時，要求自動裝置可靠不響應；當開關(guān)量輸入電壓達到額定值的一定百分比時，要求自動裝置可靠響應。
在自動控制中，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，通常要求模擬部分與數(shù)字部分必須隔離，以防互相干擾并防止大電壓大電流對數(shù)字部分的破壞。所以我們常采用光耦進行隔離。
由于光耦是電流敏感型器件，只有當其前端的驅(qū)動電流If達到額定值時，光耦才能導通。而當光耦后端的集電極對發(fā)射極壓降Vce一定時，If和光耦后端集電極電流Ic的大小呈一定線性關(guān)系，If的大小直接影響到Di的輸出電平。而If的大小又完全取決于開關(guān)量輸入電壓Vi的大小，所以開關(guān)量輸入電壓Vi的大小直接影響到Di的輸出。與三極管一樣，其工作特性受溫度影響較大，且同型號的光耦之間又因為離散性，使得各光耦的特性有一定偏差。如果使用如圖1所示的判斷電路，則可能因為光耦的離散性影響了判斷電路的響應精度。
另外，由于如圖1所示的現(xiàn)有判斷電路，沒有采取對If的限制措施。隨著Vi的增加，If將隨之增加。這樣一來判斷回路的功耗也將快速上升。
如果我們在如圖1所示的現(xiàn)今使用的判斷電路的電阻和光耦間串入穩(wěn)壓管。由穩(wěn)壓管工作原理知當Vi小于穩(wěn)壓管額定穩(wěn)壓值時，If＝0，當Vi大于穩(wěn)壓管額定穩(wěn)壓值時，If開始增加，則可以達到可靠導通的目的。但是這樣的電路仍然不能限制If的大小，既不能限制判斷電路的功耗。
顯然，上述現(xiàn)有電路存在不能同時滿足響應門檻精度和低功耗要求的問題。
檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?2225826.0、申請日為1992.06.23、名稱為《直流電壓隔離檢測裝置》的中國專利申請公開了一種直流電壓隔離檢測裝置，該裝置主要由開關(guān)三極管及其基極輸入耦合電路、初級線圈串接在開關(guān)三極管集電極支路的隔離變壓器和跨接在隔離變壓器次級線圈兩端的可變分壓電阻組成。該專利具有測量精度高、線性度好和工作穩(wěn)定可靠的特點，但因其主要用于對微機控制系統(tǒng)及其它自動控制系統(tǒng)的直流電壓進行隔離測量，而不是對直流電壓的輸入的有無狀態(tài)做判斷，因此并不適合用于解決前述電路存在的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種可以對直流開關(guān)量輸入電壓是否大于響應門檻進行判斷的直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，從而滿足實際應用中對響應門檻和功耗的要求。
不難理解，如果能保證開關(guān)量輸入電壓Vi在低于響應門檻電壓時光耦不導通，達到和超過響應門檻電壓時光耦導通，則可靠響應的問題就可迎刃而解。而如果能保證光耦可靠導通后，If能限制在一定范圍而不隨Vi的增大而一直增大，就可以保證功耗在允許范圍之內(nèi)。分析可知，光耦的導通與否取決于光耦前端電流If的大小，也就是說如果能保證當開關(guān)量輸入電壓Vi低于預定的響應門檻值時，光耦前端電流If＝0；當開關(guān)量輸入電壓Vi高于此響應門檻值時，將光耦前端電流If限制在剛好能使光耦導通的值就可以解決上述問題?；谠撛O(shè)計思想，本發(fā)明提出以下直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊的技術(shù)方案(參見圖2)該模塊包括輸入直流電壓信號的第一電阻(R1)、產(chǎn)生光耦驅(qū)動電流的驅(qū)動光耦(IC)，第一電阻(R1)與光耦(IC)前端正極相連，光耦后端輸出判斷結(jié)果信號到施密特觸發(fā)器，還包括前置三極管(T)，所述光耦(IC)前端的負極接所述前置三極管(T)的集電極，所述前置三極管(T)的發(fā)射極經(jīng)發(fā)射極電阻(RE)接地，所述前置三極管(T)的基極接有基極電阻(RB)，直流電壓信號輸入端與所述基極電阻(RB)之間接有串聯(lián)的穩(wěn)壓管(V1)和分壓電阻(RV)，所述基極電阻(RB)和分壓電阻(RV)之間通過并聯(lián)的另一穩(wěn)壓管(V2)和限流電阻(RS)接地。
采用本發(fā)明，以上技術(shù)方案的直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊工作時，可以利用穩(wěn)壓管的特性，保證在Vi增加到一定值之后三極管的基極電流Ib和基極電壓Vb不隨Vi的增大而增大，從而將光耦前端電流If限制在一定范圍，以滿足低功耗的要求。同時本發(fā)明利用穩(wěn)壓二極管的特性保證響應門檻的精度。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的電路原理圖。
圖2為本發(fā)明實施例一的電路原理圖。
圖3為本發(fā)明實施例二的電路原理圖。
圖4為本發(fā)明實施例三的電路原理圖。
具體實施例方式
在電力系統(tǒng)繼電保護中，常常使用220V、110V、24V作為直流開關(guān)量輸入的額定電壓。自動裝置通過檢測開關(guān)量輸入電壓的有無來確定裝置內(nèi)部的系統(tǒng)參數(shù)和工作狀態(tài)。通常，對自動裝置的規(guī)定為當開關(guān)量輸入電壓低于額定電壓等級的50％時，裝置要可靠不響應；當開關(guān)量輸入電壓達到和超過額定電壓等級的70％時，裝置要可靠響應。為此，申請人選定可靠響應電壓Via為開關(guān)量輸入電壓額定值Vie的65％做為可靠動作門檻電壓。以下實施例為申請人對國家電網(wǎng)750KV改造中采用的設(shè)計方案。
實施例一本實施例的直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊如圖2所示，主要借助模擬電子中的恒流源技術(shù)，由光耦I(lǐng)C、前置三極管T、穩(wěn)壓管以及電阻等組成。光耦I(lǐng)C前端經(jīng)第一電阻R1輸入直流電壓信號，前端負極接前置三極管T的集電極，光耦I(lǐng)C后端經(jīng)施密特觸發(fā)器A輸出判斷結(jié)果信號。前置三極管T的發(fā)射極經(jīng)發(fā)射極電阻RE接地，前置三極管T的基極接有基極電阻RB，直流電壓信號輸入端與基極電阻RB之間接有串聯(lián)的一穩(wěn)壓管V1和一分壓電阻RV。基極電阻RB和分壓電阻RV之間通過并聯(lián)的另一穩(wěn)壓管V2和限流電阻RS接地。
該設(shè)計的指導思想是利用穩(wěn)壓管保證三極管的基極電流Ib和集電極電壓Vb不隨直流開關(guān)量輸入電壓Vi變化，從而保證光耦前端電流If恒定來穩(wěn)定光耦的輸出。其具體工作原理如下設(shè)Vie——開關(guān)量輸入電壓的額定值Via——開關(guān)量輸入電壓的可靠響應門檻電壓，且有Via＜VieVi——開關(guān)量輸入電壓的當前值V1e——穩(wěn)壓管V1的額定穩(wěn)壓值V2e——穩(wěn)壓管V2的額定穩(wěn)壓值假設(shè)Vi由0逐步增加達到額定值Vie，在此過程中，本實施例的模塊經(jīng)歷三個狀態(tài)0＜Vi＜V1e、V2e＜Vi＜V1e+V2e、V1e+V2e＜Vi＜Vie。
當0＜Vi＜V1e時，由穩(wěn)壓管的工作特性可知，流經(jīng)由V1、RV、RS組成的支路的電流幾乎為0，三極管處于截止狀態(tài)，光耦I(lǐng)C前端電流If＝0，光耦不導通，施密特觸發(fā)器A輸出電平為低。
當V2e＜Vi＜V1e+V2e時，穩(wěn)壓管V1開始穩(wěn)壓而V2因為還未到達工作點，流經(jīng)V2的電流幾乎為零，電流流經(jīng)V1、RV、RS，此時三極管的基極電壓Vb主要由RS上的壓降提供，隨著Vi的增加，當RS上的壓降使得三極管導通并進入放大區(qū)時，光耦I(lǐng)C前端電流If開始增加，當If足夠大時，光耦I(lǐng)C導通，使得施密特觸發(fā)器A輸出電平為高。
當Vi＞V1e+V2e并繼續(xù)增加使得RS上的壓降大于V2e時，穩(wěn)壓管V2開始穩(wěn)壓，保證了三極管的基極電壓Vb和基極電流Ib恒定，由三極管的工作原理知，光耦前端電流If也因此保持恒定，從而實現(xiàn)了恒流。
如果Vi繼續(xù)增加甚至Vi＞Vie時，只要Vi的增加不致?lián)p壞元器件，光耦I(lǐng)C前端電流If仍將保持恒定。因此理論上，該電路在過壓的情況下一樣可以使用(當然頻繁過壓使用會對模塊的元器件使用壽命和精度產(chǎn)生一定的不利影響)。
事實上，穩(wěn)壓管V2保證了三極管能得到穩(wěn)定的基極電壓和基極電流，與穩(wěn)壓管V1配合，可以實現(xiàn)可靠的響應門檻電壓判斷。為了減少模塊的功耗，本實施例取光耦I(lǐng)C前端電流If＝0.5mA，選用快速CMOS工藝的施密特觸發(fā)器74HC14，防止光耦I(lǐng)C在臨界導通狀態(tài)的頻繁快速瞬變導通。電阻RS用來限流，并在穩(wěn)壓管V2未工作前提供三極管基極電壓。通過與其他電阻的搭配得到穩(wěn)定的0.5mA的光耦前端電流If。第一電阻R1限流保護光耦不致?lián)p壞。
實施例二上面例舉了開關(guān)量輸入電壓等級為110V時的直流開關(guān)量輸入判斷模塊的工作電路，為使其能方便的適用于開關(guān)量輸入電壓等級為220V的環(huán)境，本實施例如圖3所示，增加了與原穩(wěn)壓管V1和電阻RV參數(shù)相同的串聯(lián)的穩(wěn)壓管V1’和電阻RV’。這樣，既達到了目的，也節(jié)省了生產(chǎn)的成本和復雜度。
實施例三本實施例為在以上實施例基礎(chǔ)上進一步細化和完善形成的技術(shù)方案，如圖4所示，其具體完善之處為在直流電壓信號輸入端加入一保護二極管D，以避免意外的反向電壓破壞工作電路。在保護二極管D后串聯(lián)一后繼限流電阻R，使得流經(jīng)工作電路的電流不致太大。
在直流電壓信號輸入端的保護二極管D和后繼限流電阻R之后并聯(lián)一高壓電容CH，吸收開關(guān)量輸入電壓加入瞬間的大電壓擾動產(chǎn)生的交流分量。
在高壓電容CH旁再并聯(lián)一耐壓等級高的快速瞬變二極管DQ用來吸收因雷擊等原因產(chǎn)生的突然增加的瞬態(tài)大電流，防止工作電路遭受破壞。
在前置三極管T的基極與地之間并聯(lián)一個電容CT，吸收三極管T基極電流的交流分量，穩(wěn)定三極管T的集電極電流，繼而穩(wěn)定光耦I(lǐng)C前端電流If。
在串聯(lián)的穩(wěn)壓管V1’和電阻RV’(或穩(wěn)壓管V1和電阻RV)旁并聯(lián)一個旁路跳線開關(guān)K，這樣可以靈活選擇工作電路的額定工作電壓等級。當開關(guān)K閉合時，額定工作電壓等級為110V；當開關(guān)打開時，額定工作電壓等級為220V。
本實施例的電路設(shè)計完成后，為了檢驗電路的實際工作效果，申請人做了測試。在測試中，將直流開關(guān)量輸入電壓從0V逐步增加到額定電壓值，通過測量施密特觸發(fā)器輸出電平的變化來確定工作電路的可靠響應電壓，且每次測試的對象都是完全功能的獨立工作模塊。測試結(jié)果如下表1

表1開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊測試結(jié)果由測試可以看出，此電路完全達到設(shè)計要求。
除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，包括輸入直流電壓信號的第一電阻(R1)、后端輸出判斷結(jié)果信號的光耦(IC)，所述第一電阻(R1)與光耦(IC)前端正極相連，其特征在于還包括前置三極管(T)，所述光耦(IC)前端負極接所述前置三極管(T)集電極，所述前置三極管(T)的發(fā)射極經(jīng)發(fā)射極電阻(RE)接地，所述前置三極管(T)的基極接有基極電阻(RB)，直流電壓信號輸入端與所述基極電阻(RB)之間接有串聯(lián)的穩(wěn)壓管(V1)和分壓電阻(RV)，所述基極電阻(RB)和分壓電阻(RV)之間通過并聯(lián)的另一穩(wěn)壓管(V2)和限流電阻(RS)接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，其特征在于所述直流電壓信號輸入端與所述基極電阻(RB)之間接有兩組串聯(lián)的穩(wěn)壓管(V1、V1’)和分壓電阻(RV、RV’)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，其特征在于所述直流電壓信號輸入端接有串聯(lián)的保護二極管(D)和后繼限流電阻(R)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，其特征在于所述前置三極管(T)的基極通過一電容(CT)接地。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，其特征在于所述兩組串聯(lián)的穩(wěn)壓管(V1、V1’)和分壓電阻(RV、RV’)之一接有旁路跳線開關(guān)(K)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，其特征在于所述保護二極管(D)和后繼限流電阻(R)之后與地之間并聯(lián)一高壓電容(CH)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，其特征在于所述保護二極管(D)和后繼限流電阻(R)之后與地之間并聯(lián)一耐壓快速瞬變二極管(DQ)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種直流電壓開關(guān)量輸入狀態(tài)判斷模塊，屬于工業(yè)自動化控制技術(shù)領(lǐng)域。該模塊包括第一電阻、后端輸出判斷結(jié)果信號的光耦，還包括前置三極管。第一電阻與光耦前端正極相連，光耦前端負極接前置三極管集電極，前置三極管的發(fā)射極經(jīng)發(fā)射極電阻接地，前置三極管的基極接有基極電阻，直流電壓信號輸入端與基極電阻之間接有串聯(lián)的穩(wěn)壓管和分壓電阻，基極電阻和分壓電阻之間通過并聯(lián)的另一穩(wěn)壓管和限流電阻接地。本發(fā)明可以利用穩(wěn)壓管的特性，保證三極管的基極電流和集電極電壓不隨直流開關(guān)量輸入電壓變化，從而保證光耦前端電流恒定、穩(wěn)定光耦的輸出，達到對直流開關(guān)量輸入電壓的大小進行判斷、不受外界擾動因素影響的目的。
文檔編號H03K17/78GK1560997SQ20041001425
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月9日
發(fā)明者尹秋帆, 王翀 申請人:國電南京自動化股份有限公司