CN103887762A - 输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路；包括：固态继电器1、过流采样电阻2、光耦3、P型MOS管4和P型MOS管5、充电限流电阻6、延时电容7及控制与反馈电阻8、9、10、11；所述通道输出串联采样电阻2，光耦3接限流电阻后并联在采样电阻两端；光耦3输出接延时电容7两端；P型MOS管5的栅极接RC延时电路的RC连接处，源极通过电阻接电源，漏极接P型MOS管4的栅极，并通过电阻接地；P型MOS管4的源极接电阻9后到电源，漏极接电阻10后用于控制通道。本发明电路设计简单，只采用少数种类的元件，低成本。

Description

输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路

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和安全信号系统中的通道过流保护电路。

背景技术

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，控制器通过开关输出通道来实现对外部受控信号的开启和关闭。为防止输出短路时损坏输出电路，常设置短路防护设计，增强系统可用性。

常见的设计如图1所示。一种常见的设计是在输出端口（2）处使用PTC。过流后PTC变热，阻抗增大，切断输出；过流消失后，PTC阻抗恢复常态，输出恢复正常。这种方式电路简单，但PTC本身是热敏器件，受温度影响很大，触发电流、保护时间等参数温漂严重。

另一种做法是在（3）处使用延时电路。当通道过流关断后，延时电路开始工作，使通道保持一段时间的关断，然后重新开启。但这种方法要么延时电路复杂，降低了单板可用性；要么延时不好控制，一致性和普适性差。

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可调谐延时式自恢复过流保护电路，它可以实现过流保护阈值和过流关断时间精确可控，受温度等环境影响减小。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路；包括：固态继电器1、过流采样电阻2、光耦3、P型MOS管4和P型MOS管5、充电限流电阻6、延时电容7及控制与反馈电阻8、9、10、11；所述通道输出串联采样电阻2，光耦3接限流电阻后并联在采样电阻两端；光耦3输出接延时电容7两端；P型MOS管5的栅极接RC延时电路的RC连接处，源极通过电阻接电源，漏极接P型MOS管4的栅极，并通过电阻接地；P型MOS管4的源极接电阻9后到电源，漏极接电阻10后用于控制通道。

本发明的有益效果在于：电路设计简单，只采用少数种类的元件，低成本。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。使用电阻作为限流和反馈器件，避免了齐纳管漏电流和温漂的影响。电路过流阈值、延时时间等参数精确可控，调谐方便，普适性好。

根据设计参数的需要，采用不同容值的电容7或者采用不同阻值的电阻6、8、9、10、11的组合，调整电路参数。

P型MOS管5的源极和电阻9之间添加电阻或齐纳管分压。

所述光耦2为隔离器件。

所述光耦2为磁隔离器件。

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，1固态继电器，2正温度系数热敏电阻，3延时控制电路。

图2是本发明的输出通道电压状态检测电路的原理图。其中，1固态继电器，2过流采样电阻，3光耦，4P型MOS管，5P型MOS管，6电阻，7延时电容，8~11电阻。

图3是本发明的一个实施例电路的原理图。

具体实施方式

为实现过流保护阈值和过流关断时间精确可控，受温度等环境影响减小，需要设计一种由分离元器件组成的输出通道过流保护电路。本发明提供一种输出通道过流保护电路，该电路能够应用于包括但并不局限于安全信号系统、工业控制系统等领域。

本发明输出通道状态检测电路的技术方案是：如图2所示，由采样电阻2、光耦3、P型MOS管4、P型MOS管5、延时电容7、电阻6、9、10、11组成。所述通道输出串联采样电阻2，光耦3接限流电阻后并联在采样电阻两端；光耦3输出接延时电容7两端；P型MOS管5的栅极接RC延时电路的RC连接处，源极通过电阻接电源，漏极接P型MOS管4的栅极，并通过电阻接地；P型MOS管4的源极接电阻9后到电源，漏极接电阻10后用于控制通道。根据设计参数的需要，采用不同容值的电容7或者采用不同阻值的电阻6、8、9、10、11的组合，调整电路参数。P型MOS管5的源极和电阻9之间添加电阻或齐纳管分压。所述光耦2为隔离器件，优选的为磁隔离器件。

本发明所述电路设计简单，只采用少数种类的元件，低成本。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。使用电阻作为限流和反馈器件，避免了齐纳管漏电流和温漂的影响。电路过流阈值、延时时间等参数精确可控，调谐方便，普适性好。

根据设计参数的需要，采用不同容值的电容7或者采用不同阻值的电阻6、8、9、10、11的组合，调整电路参数。

P型MOS管5的源极和电阻9之间添加电阻或齐纳管分压。

所述光耦2为隔离器件。

所述光耦2为磁隔离器件。

根据设计参数的需要，可选取不同阻值的电阻6、9、10、11，以及不同电容值的延时电容7调节保护时间、不同阻值的电阻2调节保护阈值等。设电阻2的阻值为R2；光耦3的LED驱动电流和正向压降为I3和U3；P型MOS管4的栅源电压为U4，阈值为U4th；P型MOS管5的栅源电压为U5，阈值为U5th；电阻6的阻值为R6；延时电容7的容值为C7；电阻8的阻值为R8；电阻9的阻值为R9；电阻10的阻值为R10；电阻11的阻值为R11；a点电压为Ua；b点电压为Ub；通道输出过流阈值为I0，过流关断保持时间为t0。

由于P型MOS管5导通时U4约为0，故P型MOS管4和P型MOS管5不会同时导通。当通道打开，即P型MOS管4导通时，a点电压为(R₁₀/(R₉+R₁₀))×VCC。当发生过流，即满足R₂×I₃+U₃＞R₂*I₀时，光耦导通，b点电压通过光耦输出端放电，当放电至U_b＜U_close＝(R₁₀/(R₉+R₁₀))×VCC-U_5th时，P型MOS管5导通，P型MOS管4关断，输出通道关断。

通道关闭后，由于P型MOS管5导通，a点电平为(R₁₁/(R₉+R₁₁))×VCC，延时电容7通过电阻6从不大于Uclose充电，充电电流为(VCC-U_b)/R₆；当充电至U_b＞U_open＝(R₁₁/(R₉+R₁₁))×VCC+U_5th时，P型MOS管5关断，P型MOS管4导通，

输出通道开启，即通道关断保持时间不小于Ub从Uclose充电至Uopen的时间。延时电容7的充电过程满足下式：

带入2个初始值U_open和U_close解微分方程，得到充电时间即关断保持时间为：

$t_{\mathrm{ch}\arg e}=t_0={\∫}_{\mathrm{Uclose}}^{\mathrm{Uopen}}{R}_6\×C_7\×\frac{{\mathrm{dU}}_b}{\mathrm{VCC}-U_b}=R_6\×C_7\×1n\left(\frac{\mathrm{VCC}-U_{\mathrm{close}}}{\mathrm{VCC}-U_{\mathrm{open}}}\right)$

总之，该电路过流保护阈值可通过式R₂×I₃+U₃＞R₂*I₀，即I₀＝I₃+U₃/R₂确定；过流关断保持时间可通过上面t0关系式准确确定。通过选取不同阻值的电阻6、9、10、11，不同电容值的延时电容7即可调节保护时间；选取不同阻值的采样电阻2即可调节保护阈值等。

本发明的技术效果在于：电路设计简单，只采用少数种类的元件，低成本。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。使用电阻作为限流和反馈器件，避免了齐纳管漏电流和温漂的影响。电路过流阈值、延时时间等参数精确可控，调谐方便，普适性好。

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。该实施例采用PVG612AS作为输出固态继电器；采用2.1Ohm电阻作为过流采样电阻；采用SBSS84LT1G作为P型MOS管；采用AQY210EHA作为光耦；采用2.2uF电容作为延时电容；采用150kohm电阻作为充电限流电阻；其他电阻值如图所示。

通道额定输出电流400mA，此时由过流采样造成的输出压降不足1V，不影响系统输出；当输出电流大于800mA时认为过流，光耦导通，延时电容放电，输出通道关闭。此后延时电容重新充电，至少320ms后，通道重新开启，即过流关断保持时间至少为320ms。

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 (5)

1.一种输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路；其特征在于，包括：

固态继电器（1）、过流采样电阻（2）、光耦（3）、P型MOS管（4）和P型MOS管（5）、充电限流电阻（6）、延时电容（7）及控制与反馈电阻（8、9、10、11）；

所述通道输出串联采样电阻（2），光耦（3）接限流电阻（6）后并联在采样电阻（2）两端；

光耦（3）输出接延时电容（7）两端；

P型MOS管（5）的栅极接RC延时电路的RC连接处，源极通过电阻（9）接电源，漏极接P型MOS管（4）的栅极，并通过电阻接地；

P型MOS管（4）的源极接电阻（9）后到电源，漏极接电阻（10）后用于控制通道。

2.如权利要求1所述的输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路，其特征在于：根据设计参数的需要，采用不同容值的电容（7）或者采用不同阻值的电阻（6、8、9、10、11）的组合，调整电路参数。

3.如权利要求2所述的输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路，其特征在于：P型MOS管（5）的源极和电阻（9）之间添加电阻或齐纳管分压。

4.如权利要求3所述的输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路，其特征在于：所述光耦（2）为隔离器件。

5.如权利要求4所述的输出通道可调谐延时式自恢复过流保护电路，其特征在于：所述光耦（2）为磁隔离器件。

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