CN102998515B - 输出通道过电流检测和保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出通道过电流检测电路，它由过两个电流检测电阻和过电流检测隔离器件组成，所述电阻串联于输出通道，电阻和隔离器件串联后与电阻并联。本发明电流阈值I_th可调整，能在毫秒级内切断输出，并在断开一段时间T（可调整）之后完成自启动，同时满足电路体积小、结构简单，隔离性能好的特性。

Description

输出通道过电流检测和保护电路

技术领域

本发明属于电子电路设计技术领域，具体是指一种应用于工业控制系统、安全信号系统等系统中的输出通道过电流检测和保护电路。

背景技术

在工业控制系统和安全信号系统（应用于航空电子、铁路信号、核电等行业）中，系统对受控设备的控制通常通过控制输出通道来完成。

如图1所示，是常见的一种输出通道电路设计结构。控制器（A）通过控制固体继电器（B）来控制输出通道是否输出电流到外部负载（外部设备C）。在输出使能的情况下，当输出通道的外部负载内部产生局部短路或其他原因造成阻抗变低，就会导致输出电流超过最大的允许电流，过大的电流称为过电流。为了防止过大的电流造成外部设备（C）过热烧毁或电源过载使整个电路系统不能正常工作或电源损坏，需要有输出通道有自我检测过电流并进行保护的功能。因而图1所示的输出通道电路设计结构中必须包含过流检测电路部分，用于及时发现过电流故障并进行保护。

现有的过流保护电路有串在输出通路中的PTC热敏电阻，或采用专用电压检测芯片实现。PTC热敏电阻可实现过流检测并具有自恢复功能，但由于热敏电阻的动作电流参数依赖于温度变化，对电流阈值的控制波动范围较大，而且反应时间较慢，发生过流时电阻的表面温度过高。由于过流故障可能只持续一段时间，需要通道在关断之后能够自启动以增强系统的可用性。而现有的专用电压检测芯片检测电路，则缺少自恢复的功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种输出通道过电流检测和保护电路，它可以同时满足电路体积小、结构简单，隔离性能好的特性。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种输出通道过电流检测电路，它由过两个电流检测电阻（1），（2）和过电流检测隔离器件（3）组成，所述电阻（1）串联于输出通道，电阻（2）和隔离器件（3）串联后与电阻（1）并联。

本发明的有益效果在于：电流阈值I_th可调整，能在毫秒级内切断输出，并在断开一段时间T（可调整）之后完成自启动，同时满足电路体积小、结构简单，隔离性能好的特性。

所述过电流检测隔离器件（3）可以为固体继电器或者光耦隔离器件，还包括电阻（4），电容（5），稳压二极管（6），电阻（7），组件（8）。电容（5）并联在隔离器件（3）的输出端，通过电阻（4）上拉到V1，稳压管（6）和电阻（7）串联之后与电容（5）并联到地，组件（8）的BE级（三极管）或GS级（场效应管）与电阻（7）并联到地，组件（8）的CE级（三极管）或DS级（场效应）串联在输出使能控制的线路上。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是一种常见的控制系统输出通道电路设计结构示意图；其中，A控制器，B固体继电器，C外部设备。

图2是本发明的输出通道过电流保护电路的原理图。其中，B固体继电器，1、2过电流检测电阻，3过电流检测隔离器件，4电阻，5电容，6稳压二极管，7电阻，8场效应管或三极管。

图3是本发明的一个实施例电路的原理图。

具体实施方式

本发明提供一种输出通道过电流检测和保护电路，电流阈值I_th可调整，能在毫秒级内切断输出，并在断开一段时间T（可调整）之后完成自启动，同时满足电路体积小、结构简单，隔离性能好的特性。

本发明提供一种输出通道过流保护电路，该电路能够应用于安全信号系统、工业控制系统等领域。本发明所指的输出通道过电流检测和保护电路的技术方案是：如图2所示，由采样电阻1，电阻2、光耦3组成过电流检测电路，由电阻4，电容5，稳压管6，电阻7，组件8（三极管或场效应管）组成断开保护电路。设输出通道电流为I₁；电阻1阻值为R₁，电压为V_R；电阻2阻值为R₂，电流为I₂；光耦3的前向电压V_F，开启电流为I_Fon，输出导通电阻为R_on；电阻4阻值为R₄，充电电压为V₁；电容5容值为C₅，电容5上的电压为V₂；稳压管6稳压管稳压电压为V₂；电阻7阻值为R₇，电压为V₃；组件8（三极管或场效应管）导通电压阈值为V_th。

本发明的电路工作的具体步骤是：

1.通道正常工作时：满足V_R＝l₁×R₁＜V_F,光耦3处于断开状态；当组件8为场效应管时，通过R₄和R₇分压后满足V₃略大于场效应管的导通阈值V_th，即组件8导通，输出通道受控于控制器电路。

2.通道发生过流时：过电流阈值I_th由电阻R₁，电阻R₂及光耦的前向导通电流I_Fon和前向电压V_F决定：    当I₂≥I_th时，光耦（3）导通，C₂上的电压V₂由原来的V₂＝V₃+V_z通过光耦电阻R_on放电至V₃+V_z＜V_th+V_z时场效应管断开，输出使能通路被切断，进而关断了组件（B），随着组件（B）的断开，输出通道的电流I₁被切断，从而完成过流时的检测和断开保护。

3.过流后自启动：输出通道被切断之后，采样电阻R₁的电压V_R远小于光耦3的前向电压V_F，光耦3被断开，V₁通过R₄对C₅充电。当电压V₂＞V_th+V_z时组件8导通，输出通道又受控于控制器的逻辑。而从过流到重启的保护时间T取决于V₂从V₀充电至的时间，满足公式：

V₀是光耦3断开之前V₂通过R_on经过时间t（组件B的断开时间t_Boff+光耦3的断开时间t_3off）放电之后的电压。V_O＝V₂×e^-t/Ron×C5由于光耦的导通电阻一般在几十欧，电容取值在uF级，光耦继电器的断开时间在毫秒级，通过计算可知Vo≈0，一般可以不考虑此电压的影响。

如果组件8选择的是三级管，那么只要保证正常工作时它工作在饱和区，V_th＝0.7V，V₂＝V_th+V_z，当过流时V₂放电，三极管截止，输出断开。自启动时的保护时间T也是由V₂从V₀充电到V_th+V_z来算。

总之可以通过对电路上各器件的选择来设定过电流的检测阈值I_th，以及断开的保护时间T。

本发明输出通道漏电流检测电路的优点是：电路的过电流检测阈值I_th易于调整。电路检测到过电流输出后的保护时间T易于调整。电路检测到过流后具有自行打开通道的自恢复功能，可以应付突发的过流情况。电路设计简单，电路所占体积（面积）小，十分适合应用于多输出通道的系统中。

下面结合图3本发明一个实施例电路的原理图，对本发明做进一步说明。

该电路采用PVX6012作为输出固态继电器B，t_Boff=1毫秒；采用R₁＝3.83Ohm，R₂=100Ohm电阻作为过流采样电阻；采用AQY210EHA作为隔离光耦，I_Fon=1.2mA，V_F=1.14V，R_on=18Ohm，IO隔离为5000V，t_3off=0.08毫秒；采用R₄=150kOhm，C₅=2.2uF，稳压管V_z=15V，R₇=39.2kOhm,场效应管BSS138L，V_th=0.5V来构成电路；

1.在正常工作时：输出通道电流I1在10mA-20mA左右，远小于光耦的V_F，光耦3断开，此时：

$V_3=(V_1-V_Z)\×\frac{R_4}{R_3+R_4}=\frac{(24V-15V)\×39.2k}{150k+39.2k}=1.86V>V_{\mathrm{th}}$

故场效应管处于导通状态，输出通道正常工作。

2.通道过流保护时：输出通道过流检测电流阈值：

$I_{\mathrm{th}}=\frac{(I_{\mathrm{Fon}}\&times;R_2+V_F)}{R_1}+I_{\mathrm{Fon}}=\frac{1.2\mathrm{mA}\&times;100\mathrm{Ohm}+1.14V}{3.83\mathrm{Ohm}}+1.2\mathrm{mA}=330\mathrm{mA},$ 当通道电流达到或超过此电流时，隔离光耦3导通，此时电容C₅的电压通过光耦的导通电阻R_on=18Ohm对地放电。，此电压放至15.5V时，V₃<V_th，场效应管截止，固态继电器B断开，输出通道在t_Boff=1毫秒左右断开I₁；

3.当输出通道切断I₁，光耦3在t_3off时间内断开，此时电容C₅上的电压已经放电至

V_O＝V₂×e^-t/Ron×C5＝16.86×e^{-1ms/18×2.2u}≈0V

则断开的保护时间为：

$T=R_4\&times;C_5\ln \frac{V_1}{V_1-(V_{\mathrm{th}}+V_Z-V_O)}=150k\&times;2.2u\ln \frac{24}{24-(0.5+15)}=342\mathrm{ms}$

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (2)

1.一种输出通道过电流检测电路，通过控制器输出使能信号控制固体继电器的输出端的通断来控制输出通道的通断，所述固体继电器的输出端的接通时所述输出通道接通、所述固体继电器的输出端的断开时所述输出通道断开，所述输出通道接通时电源输入到外部设备、所述输出通道断开时所述外部设备的电源输入断开，过电流检测电路由两个过电流检测电阻(1、2)和过电流检测隔离器件(3)组成，令两个所述过电流检测电阻(1、2)分别为第一电阻(1)和第二电阻(2)，其特征在于：所述第一电阻(1)串联于输出通道，第二电阻(2)和过电流检测隔离器件(3)串联后与第一电阻(1)并联；

所述过电流检测隔离器件(3)的输出端信号用于控制所述固体继电器；当所述输出通道接通且所述输出电流小于过电流阈值时，所述过电流检测隔离器件(3)处于断开状态，所述过电流检测隔离器件(3)的输出端的控制信号不对所述固体继电器产生作用；当所述输出通道接通且所述输出电流大于等于所述过电流阈值时，所述过电流检测隔离器件(3)处于接通状态，所述过电流检测隔离器件(3)的输出端信号使所述固体继电器断开；

所述过电流阈值由所述第一电阻(1)，所述第二电阻(2)，所述过电流检测隔离器件(3)的前向导通电流和前向电压决定；

输出通道过电流检测电路包括第四电阻(4)，电容(5)，稳压二极管(6)，第七电阻(7)，场效应管(8)或三极管(8)，电容(5)并联在过电流检测隔离器件(3)的输出端，通过第四电阻(4)上拉到V1，稳压二极管(6)和第七电阻(7)串联之后与电容(5)并联到地，三极管(8)的BE级或场效应管(8)的GS级与第七电阻(7)并联到地，三极管(8)的CE级或场效应管(8)的DS级串联在输出使能控制的线路上。

2.根据权利要求1所述的输出通道过电流检测电路，其特征在于：所述过电流检测隔离器件(3)可以为固体继电器或者光耦隔离器件。