CN103852676A

CN103852676A - 无源触点检测装置及方法

Info

Publication number: CN103852676A
Application number: CN201210506497.5A
Authority: CN
Inventors: 包章尧; 陈嘉; 张红申; 吴笛
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-11

Abstract

本发明提出一种用于无源触点的检测装置，包括：一隔离变压器（210，310）；一无源触点（S1），其串联在所述隔离变压器（210，310）副边的回路中；一驱动电路（220，320），其连接在所述隔离变压器（220，320）原边的回路中，用于向所述隔离变压器（210，310）提供交替变化的直流电流；一检测电路（230,330），耦合在所述隔离变压器（210，310）原边，用于响应于所述隔离变压器（210，310）原边的等效阻抗变化，输出用于指示所述无源触点（S1）是导通状态，还是关断状态的电平。

Description

无源触点检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测无源触点状态的检测装置，尤其涉及一种用于无源触点的隔离检测装置及方法。

背景技术

有源触点（wet contact）和无源触点（dry contact）是工业领域常见的应用。所谓有源触点是指触点的导通与否关系到回路中是否有电源供电。例如，墙壁上的开关即为有源触点，当墙壁上的开关导通时即可为例如室内灯提供220V电源。相反，所谓无源触点是指其导通与否与回路中是否有电源供电无关，其导通或关断仅用于指示现场的某一开关量的状态。这个现场开关量的状态可由例如主系统通过检测无源触点的信号来获得。例如，火警报警器的按钮，当该按钮被按下时其仅仅导通一个电回路而不为该回路提供电压，且火警系统可检测到按钮是否被按下的开关状态。

无源触点在工业场合中的应用越来越多。例如，无源触点可以包括但不限于限位开关、行程开关、脚踏开关、旋转开关、温度开关、液位开关、各种按键（例如即停按钮），以及各种传感器输出（如：水浸传感器、火灾报警传感器、玻璃破碎、振动、烟雾和凝结传感器等等。无源触点的另一个实际应用例子是在漏电保护器（RCD）中的外部触发功能。也就是说，RCD提供一个外部输入端，操作人员在必要（电气故障预警）时可以利用该外部输入端手动地触发RCD执行脱扣动作，而不考虑RCD是否实际检测到了漏电状况，并由此人工断开供电线路。

为了避免电气故障对设备或人员的损伤，在大部分应用场合中都需要将无源触点所在回路与供电回路隔离开来。这就需要无源触点检测装置能够实现可靠的隔离。

在申请号为201110108596.3的中国专利申请中公开了一种简单的隔离检测装置100，如图1所示。在图1中，无源触点S1所在回路的电源VCC1与带MCU（微控制单元）的主系统的电源VCC2之间采用电源隔离部件110（例如，AC-DC隔离电源或DC-DC隔离电源等）。无源触点S1所在回路与主系统所在回路之间通过光耦120实现了信号隔离。在运行时，图1中的无源触点S1导通，则按照图1所示，主系统侧的MCU检测到例如低电平；无源触点S1断开，则主系统侧的MCU检测到例如高电平。这样，无源触点和主系统之间就通过电源隔离部件和光耦实现了较为可靠的电隔离。

发明内容

本发明的一个目的旨在提供一种无源触点隔离检测装置，其能够以较小的体积实现可靠的电隔离。本发明的另一个目的旨在提供一个更低成本、更小体积的无源触点隔离检测装置。

为实现上述目的，本发明提出一种用于无源触点的检测装置，包括：一隔离变压器；一无源触点，其串联在所述隔离变压器副边的回路中；一驱动电路，其连接在所述隔离变压器原边的回路中，用于向所述隔离变压器提供交替变化的直流电流；一检测电路，耦合在所述隔离变压器原边，用于响应于所述隔离变压器原边的等效阻抗变化，输出用于指示所述无源触点是导通状态，还是关断状态的电平。优选地，所述隔离变压器连接有续流二极管，其连接在隔离变压器的原边两端。

采用本发明提出的检测装置，可以用单个的隔离变压器来替代之前所使用的电源隔离装置和信号隔离装置，而且由于隔离变压器在体积上小于电源隔离装置，因而本发明提出的检测装置在保证相同的可靠隔离的前提下在体积上具有明显优势。此外，由于本发明提出的检测装置没有使用电源隔离装置，因而在成本上也同样具有优势。

在本发明一个实施例中，所述检测电路包括：阈值判断电路，用于在检测到所述隔离变压器的原边电压的幅度大于一个预定阈值时输出有效电平；指示电平输出电路，响应于所述阈值判断电路的所述有效电平，而输出第一电平值，该第一电平值指示出所述无源触点处于断开状态，否则输出第二电平值，该第二电平值指示出所述无源触点处于闭合状态。

在本发明中，由于考虑到隔离变压器副边等效阻抗对原边等效阻抗的影响，因而可以在提供交变方波电流的情况下，方便地采用判断原边电压幅度的方式来确定原边等效阻抗的变化。

在本发明另一个实施例中，所述检测电路还包括：单向导通电路，其在隔离变压器原边电压方向与所述单向导通电路同向时导通，否则截止；其中，所述阈值判断电路连接在所述单向导通电路的下游；而且所述指示电平输出电路包括：开关电路，用于响应于所述阈值判断电路的所述有效电平而导通，否则截止。充放电电路，响应于所述开关电路的导通而放电，响应于所述开关电路的截止而充电，其中所述输出的第一电平值和第二电平值为所述充放电电路的输出，且所述充放电电路的放电时间快于充电时间。

在本发明实施例中，可以方便地仅检测隔离变压器单向（或正向）电平的幅度，就可以确定无源触点的状态，而对于负向电平采用更长延时的方式，使其不会对输出电平产生大的影响。

在本发明另一个实施例中，所述驱动电路包括：受控电流源，用于响应于一控制信号而输出直流电流；控制电路，用于响应于一外部的脉冲信号而输出所述控制信号到所述受控电流源。优选地，所述脉冲信号为50%占空比的方波信号。更为优选地，所述脉冲信号为10KHz。此驱动电路结构简单，便于实现。

根据本发明另一个方面，本发明还提出一种用于检测无源触点状态的方法，包括：在一隔离变压器的原边提供交替变化的直流驱动电流，其中该隔离变压器的副边回路中串联有一无源触点；响应于所述隔离变压器原边的等效阻抗变化，输出指示电平，用于指示所述无源触点是导通状态，还是关断状态。优选地，所述输出指示电平的步骤包括：比较所述隔离变压器的原边电压的幅度是否大于一个预定阈值：在所述隔离变压器的原边电压的幅度大于一个预定阈值时，输出第一电平值，该第一电平值指示出所述无源触点处于断开状态，否则输出第二电平值，该第二电平值指示出所述无源触点处于闭合状态。更为优选地，所述比较步骤包括：比较所述隔离变压器的原边电压的正向周期内的电压幅度，在所述隔离变压器的原边电压的负向周期内，延迟所述第二电平值的输出。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1示出现有的一种无源触点检测装置的示意图；

图2示例性地示出根据本发明一个实施例无源触点检测装置的原理图；

图3示例性地示出根据本发明另一个实施例的无源触点检测装置的原理图；

图4A和图4B示例性地示出无源触点断开和闭合情况下Tp1点和输出端OUT的电压波形图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图2示例性地示出了根据本发明一个实施例的无源触点检测装置200。检测装置200包括一个隔离变压器210。隔离变压器210副边串联有无源触点S1。无源触点S1的导通或关断状态反应出该检测装置外部的状态变化。在图2中无源触点S1连接成（优选与至少一阻值较小的限流电阻串联在副边）在其导通时隔离变压器210副边的等效阻抗很小或几乎为零，且无源触点S1断开时隔离变压器210副边的等效阻抗很大或几乎为断路。隔离变压器210的原边连接有驱动电路220，其用于为隔离变压器210提供交替变换的直流电流，即，实际上为使得隔离变压器耦合的直流激励源。隔离变压器210的原边还耦合有检测电路230。检测电路230能够检测出隔离变压器原边的等效阻抗变化，并将该等效阻抗变化转换为用于指示无源触点S1状态（开或关）的指示电平，送入主系统的MCU中。

在图2所示的例子利用了隔离变压器原边和副边之间等效阻抗的转换特性，如以下公式所示：

R1=（N^2）*R2,

公式中R2为副边阻抗，R1为原边等效阻抗，N为原边和副边的匝数比。在图2中，由于无源触点S1与一个小电阻串联在隔离变压器210的副边，当无源触点S1闭合时，副边阻抗接近为零，其等效到原边的等效阻抗R1按照上述公式也近似为零；无源触点S1断开时，副边的阻抗接近为无穷大，则其等效到原边的等效阻抗也为无穷大。由此，检测电路230可利用这一特点通过检测等效阻抗的变化来检测无源触点S1的状态。

在图2所示的例子中，为了使隔离变压器210正常工作，驱动电路220需要向隔离变压器210施加交替变化的激励电流。优选地，直流激励电流例如为直流脉冲方波。当然其他能够提供交替变化的直流激励的方式也同样适用在图2所示的例子中。此外，检测电路230同样可以采用多种方式来检测隔离变压器210原边的等效阻抗变化，再将这一等效阻抗变化转换为例如高、低电平的变化，输送给MCU。优选地，在驱动电路提供不变的直流脉冲电流的情况下，隔离变压器210原边的等效阻抗变化可反馈出原边的电压变化。当隔离变压器原边的电压幅度大于预定阈值时，表示无源触点S1处于断开状态，否则为闭合状态。由此，优选地，检测电路230可通过阈值判断电路确定出原边电压幅度是否满足阈值，再经指示电平输出电路将原边的阈值判断电路的结果转换为高、低电平来指示出无源触点S1的开、关状态。

图3为根据本发明又一个具体实施例的无源触点检测装置300。如图3所示，检测装置300包括隔离变压器310。隔离变压器310的副边串联有无源触点S1。隔离变压器310的原边连接有驱动电路320和检测电路330。隔离变压器310的原、副边的匝数比为2:1。

在图3所示的例子中，优选地，隔离变压器310在其原边两端之间优选连接有双向TVS管，以防止变压器损坏。此外，如图3所示，优选限流电阻R11连接在驱动电路320和隔离变压器310原边的Tp1点之间，以达到限流保护的目的。二极管D4一端连接在电阻R11与驱动电路320的结合点上，另一端连接到隔离变压器310的原边的负端(地)上。二极管D4作用在于当驱动电路提供的交替变化的直流激励处于负半周期时，使得变压器原边的电流能够经过D4续流。关于D4的操作将在后面详述。

无源触点S1与电阻R4串联在隔离变压器310的副边。无源触点S1的断开和导通反应了外界信号的变化。电阻R3、R4为保护电阻，其中R4为小电阻。当无源触点S1闭合时，副边等效阻抗接近为R4。按照上述公式，其等效到原边的等效阻抗接近为4R4，由于R4很小，原边的等效阻抗很小，隔离变压器原边的点TP1的电压接近为零。这时，通过转换TP1的电压可获得与此等效状态对应的检测电平，例如高电平。相反，当无源触点S1断开时，副边等效阻抗接近无穷大，则隔离变压器近似等效为一个电感。这时，可利用交替变化的驱动电流对该等效电感充电来获得与此等效状态对应的电平，例如低电平。

图3具体示出了一种优选的驱动电路320。如图3所示，驱动电路320可以为一个由脉冲信号P控制的电流源。在图3所示的例子中，脉冲信号P为方波，其幅度例如为5V，频率优选为10KHz，占空比为50%。脉冲信号的频率、幅度以及占空比可以根据实际需要进行设定。脉冲信号P控制的电流源也可以有多种电路实现方式。图3中仅示出了一种优选的实现方式。

图3所示的驱动电路320包括三极管Q1和Q3。三极管Q1为受控电流源，用于提供驱动电流。三极管Q3为控制电路，用于响应于脉冲信号P来控制三极管Q1的导通时间。具体地，Q1为PNP型三极管其连接成共基极电路，基极由三极管Q3控制。也就是说，Q1的射极连接到电源（例如18V），Q1的集电极连接到隔离变压器310。电阻R2为偏置电阻，电阻R1为限流电阻。Q3连接成共射极电路，其基极接收脉冲信号P，射极接地，集电极经限流电阻R7连接到三极管Q1的基极，电阻R10为偏置电阻。图3中驱动电路320工作时，如果脉冲信号P为高电平，Q3导通，并进而使得Q1导通，电流施加到隔离变压器310上。如果脉冲信号P为低电平，Q3截止，并进而导致Q1截止，驱动电路320停止给隔离变压器310提供驱动电流，这时变压器原边电流可以通过二极管D4续流。

检测电路330实际上可以是一个带有阈值判断的指示电平输出电路。实际应用中，检测电路330可以检测Tp1的电压，并响应于Tp1的变化而输出相应的电平。在图3的例子中优选地检测电路330检测R11上的电压。如果检测到的电压大于一个预定的阈值，则检测电路330开始进行电平切换，即从例如高电平切换为低电平，以此表示无源触点的一种状态。如果检测到的电压低于一个预定的阈值，则检测电路320保持输出例如高电平，以此表示无源触点的另一种状态。

在图3所示的具体例子中，检测电路330主要包括二极管D1、稳压二极管D3、三极管Q2以及电容C1。二极管D1构成一个单向导通电路，其阳极连接到待测电压，且仅当待测电压为正电平时导通，否则截止。稳压二极管D3仅在待测电压高于D3的稳压值时导通，并进而使得连接成共射极电路的三极管Q2导通。所以D3构成了阈值判断电路。三极管Q2为指示电平输出电路331的开关电路。Q2的基极连接到稳压二极管D3的阳极，射极连接到地，集电极经上拉电阻R5连接的+5V电源。电阻R9为Q2的偏置电阻。Q2的集电极经电阻R8输出指示电平到MCU，指示电平输出端OUT和地之间连接有充放电电容C1。C1、R8和R5构成充放电电路。由此，当待测电压为正电平且大于D3的稳压值时，Q2导通，电容C1通过阻值较小的电阻R8放电，Vout为低电平。当待测电压V为负电平或者待测电压低于D3的稳压值时，Q2截止，C1经过阻值较大的电阻R5充电。由于C1的放电比充电速度快得多，因而当待测电压V的正电平的幅度大于D3的稳压值时，即使V存在正负电平的周期变化，输出端OUT仍为低。相反，如果待测电压V的幅度小于D3的稳压值，则Q2始终截止，输出端OUT一直保持高电平。

在图3所示的例子中，当无源触点S1断开时，隔离变压器310原边的等效阻抗为无穷大，则隔离变压器近似等效为一电感。这时，脉冲信号P为高电平时，Q3、Q1导通，对作为电感的变压器310充电，其电流增加，Tp1点电压迅速升高，电流增加，当电压达到最大值后慢慢下降，直至为零，电流达到最大值。Tp1点电压在正电平时可推动D1导通。当Tp1点电压高于D3的稳压值时进而导致Q2导通。由此C1通过阻值较小的R8迅速放电，使得输出端OUT为低电平。在脉冲信号P为低电平时，Q3和Q1截止。原边电流经过D4续流，感应出反电动势，即Tp1点出现负电平，电流减小。在Tp1点为负电平时，D1截止，进而导致Q2截止，从而C1通过阻值较大的电阻R5充电。但是如上所述，由于C1放电比充电速度快，在下一个Tp1点正电平时，Q2又迅速导通，C1放电。由此，输出端OUT一直基本上保持低电平。在无源触点S1断开情况下，Tp1点和输出端OUT点的电压波形请参见图4A。

在图3所示的例子中，当无源触点S1闭合时，隔离变压器310副边的等效阻抗近似为4*R4，由于R4的阻值很小，因而副边等效阻抗近似为零。这样，隔离变压器原边的等效阻抗也近似为零，从而Tp1点电压很低，如图4B的电压波形所示。在此情况下，由于检测电压即使在正电平时其幅值也低于D3的稳压值，因而三极管Q2一直截止。由此，输出端OUT一直基本上保持高电平。在无源触点S1闭合情况下，Tp1点和输出端OUT点的电压波形请参见图4B。

以上结合附图2-4描述了本发明提出的无源触点检测装置的电路结构和工作原理。本领域技术人员可以理解的是，图3中的驱动电路和检测电路还可以采用多种其它的结构来实现以上所述的功能。例如，驱动电路可以采用其他结构的受控电流源来实现，而检测电路也可以用比较器和非门等来实现。同样的，无源触点S1在隔离变压器的副边的连接方式同样可以根据实际需求加以调整。这些对于本领域技术人员而言都是显而易见的。

此外，本发明提出的检测装置可以应用在多种场合。例如上述检测装置可以应用在RCD漏电保护的外部操作按钮上，也可以应用在火警报价按钮上，或限位开关、开关量传感器等等。

本发明还提出了用于检测无源触点状态的方法，包括：在一隔离变压器的原边提供交替变化的直流驱动电流，其中该隔离变压器的副边回路中串联有一无源触点S1；响应于所述隔离变压器原边的等效阻抗变化，输出指示电平，用于指示所述无源触点S1是导通状态，还是关断状态。优选地，所述输出指示电平的步骤包括：比较所述隔离变压器310的原边电压的幅度是否大于一个预定阈值：在所述隔离变压器310的原边电压的幅度大于一个预定阈值时，输出第一电平值，该第一电平值指示出所述无源触点处于断开状态，否则输出第二电平值，该第二电平值指示出所述无源触点处于闭合状态。更为优选地，所述比较步骤包括：比较所述隔离变压器310的原边电压的正向周期内的电压幅度，在所述隔离变压器310的原边电压的负向周期内，延迟所述第二电平值的输出。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种用于无源触点的检测装置（200，300），包括：

一隔离变压器（210，310）；

一无源触点（S1），其串联在所述隔离变压器（210，310）副边的回路中；

一驱动电路（220，320），其连接在所述隔离变压器（220，320）原边的回路中，用于向所述隔离变压器（210，310）提供交替变化的直流电流；

一检测电路（230,330），耦合在所述隔离变压器（210，310）原边，用于响应于所述隔离变压器（210，310）原边的等效阻抗变化，输出用于指示所述无源触点（S1）是导通状态，还是关断状态的电平。

2.如权利要求1所述的检测装置，其中，所述检测电路包括：

阈值判断电路，用于在检测到所述隔离变压器（310）的原边电压的幅度大于一个预定阈值时输出有效电平；

指示电平输出电路，响应于所述阈值判断电路的所述有效电平，而输出第一电平值，该第一电平值指示出所述无源触点处于断开状态，否则输出第二电平值，该第二电平值指示出所述无源触点处于闭合状态。

3.如权利要求2所述的检测装置，其中，所述检测电路（330）还包括：

单向导通电路（D1），其在隔离变压器原边电压方向与所述单向导通电路同向时导通，否则截止；

其中，所述阈值判断电路（D3）连接在所述单向导通电路（D1）的下游；

所述指示电平输出电路（331），包括：

开关电路（Q2），用于响应于所述阈值判断电路的所述有效电平而导通，否则截止。

充放电电路（C1，R8，R5），响应于所述开关电路（Q2）的导通而放电，响应于所述开关电路（Q2）的截止而充电，其中所述输出的第一电平值和第二电平值为所述充放电电路（C1，R8，R5）的输出，且所述充放电电路的放电时间快于充电时间。

4.如权利要求1所述的检测装置，其中，所述隔离变压器（310）连接有续流二极管（D4），其连接在隔离变压器（310）的原边两端。

5.如权利要求1所述的检测装置，其中，所述驱动电路（320）包括：

受控电流源（Q1），用于响应于一控制信号而输出直流电流；

控制电路（Q3），用于响应于一外部的脉冲信号（P）而输出所述控制信号到所述受控电流源（Q1）。

6.如权利要求5所述的检测装置，其中，所述脉冲信号为50%占空比的方波信号。

7.如权利要求5所述的检测装置，其中，所述脉冲信号为10KHz。

8.一种用于检测无源触点状态的方法，包括：

在一隔离变压器的原边提供交替变化的直流驱动电流，其中该隔离变压器的副边回路中串联有一无源触点（S1）；

响应于所述隔离变压器原边的等效阻抗变化，输出指示电平，用于指示所述无源触点（S1）是导通状态，还是关断状态。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述输出指示电平的步骤包括：

比较所述隔离变压器（310）的原边电压的幅度是否大于一个预定阈值：

在所述隔离变压器（310）的原边电压的幅度大于一个预定阈值时，输出第一电平值，该第一电平值指示出所述无源触点处于断开状态，否则输出第二电平值，该第二电平值指示出所述无源触点处于闭合状态。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述比较步骤包括：

比较所述隔离变压器（310）的原边电压的正向周期内的电压幅度，

在所述隔离变压器（310）的原边电压的负向周期内，延迟所述第二电平值的输出。