CN106786464B - 主动防护式传感器隔离保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器隔离保护方法及电路结构。一种主动防护式传感器隔离保护方法，实现过程包括：1）采用限压器或等效限压组件，将被保护的传感器与所述限压器或等效限压组件并联，然后通过自恢复保险元件或隔离器接入传感器网络；2）把限压器或等效限压组件的保护动作临界值取在正常工作数值向故障值变化的临界处，通过检测流经传感器的电流引起的传感器工作电压变化趋势，利用所述限压器或等效限压组件的电气特性达到传感器隔离保护目的。一种实现所述隔离保护方法的主动防护式传感器隔离保护电路，采用限压器或等效限压组件，将被保护的传感器与所述限压器或等效限压组件并联，然后通过自恢复保险元件或隔离电路接入传感器网络。

Description

主动防护式传感器隔离保护电路

技术领域

本发明涉及一种传感器隔离保护方法及电路结构，尤其是涉及一种主动防护式传感器隔离保护方法及隔离保护电路。

背景技术

烟雾传感器广泛应用在工厂、小区、学校、家庭、商务办公、仓储、石油、化工、燃气输配等众多领域的消防系统中。为提高监测的可靠性，提高工作效率并便于管理，目前的消防报警系统均采用主机控制检测的网络结构。而二线式（电流型）传感器由于引线少，安装、联接相对简单、方便，因此在网络式结构中被广泛采用。

网络式结构把众多传感器通过导线连在了一起，给其供电的低电压直流电源线遍布整个监测区域，监控区域内由于照明、工作、动力等的需要，交流220V电源线也遍布其间，由于二者均布线距离远、布线面积大，经常出现并行或交叉走线现象；在安装过程中由于需要大量的人工重复操作，很容易出现接错、误接现象；再者，在使用过程中由于出现磨损老化、设备维护操作等原因，也往往会出现某一局部网络发生故障（例如传感器短路损坏、交流市电串入传感器网络等）造成整个报警系统无法正常工作的情况，甚至造成一个故障波及全体失效或损坏。

为防止交流电串入传感器监测网络破坏监控网络和损坏传感器，理论上可以在监测网络电源输入端加装电感器，根据电感器可以通过直流隔离交流的原理实现对其保护。但在实际上，由于这种电感器电感量大、体积大、成本高，占用空间大和容易引起监测信号畸变等多种原因不能实施；更何况交流电的侵入位置没有确定性，单控制电源输入端根本没有效果，所以最可靠的方法是对传感器进行分区隔离处还应该对每个传感器进行保护，而从目前的实用情况看，还没有对传感器个体实施保护的方案或产品出现。

在网络式火灾自动报警系统中，为了对传感器进行有效保护，目前采用的保护措施是采用隔离器。把传感器以最多32个为一区，每区安装一个隔离器再与另外区域相连，当有交流市电串入时，由隔离器把发生故障的网络部分与整个网络隔离开来，以保证网络系统的其它部分能够正常工作，同时便于确定发生故障的网络部位以提高维修效率缩短维修时间。当故障部分修复后，隔离器自行恢复工作，将被隔离出去的部分重新纳入网络内。隔离器的工作原理是：当隔离器输出所连接的电路发生交流电串入后，隔离器内部电路中的自复熔丝断开，同时内部电路中的继电器吸合，将隔离器输出所连接的电路与其它传感器网络完全断开。总线短路故障修复后，继电器释放，自复熔丝恢复导通，隔离器输出所连接的电路重新纳入系统。

从隔离器的作用和应用情况可以看出：隔离器并不是理想的防护器件，它存在有下列不足：1、属于被动防护。隔离器是靠故障出现后产生的故障电流使自恢复保险丝断开隔离器才开始工作的，所以只能有了故障电流（即形成故障后）才有后续的动作，而且从故障电流导致的自恢复保险丝断开到隔离完成，其间的每一步都应该有相应电路依次响应并动作，这些动作不仅在时间上有前后而且也有延迟，这就造成隔离延迟，这期间会造成网络内的传感器损坏。2、纵然被隔离，而隔离区域内又有数十个传感器存在，这些传感器无法避免要受牵连导致不能正常工作甚至损坏。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出了一种主动防护式传感器隔离保护方法及保护电路，能够实现传感器的局部网络隔离+个体保护。

本发明所采用的技术方案：

一种主动防护式传感器隔离保护方法，实现过程包括：

1）采用限压器或等效限压组件，将被保护的传感器与所述限压器或等效限压组件并联，然后通过自恢复保险元件或隔离器接入传感器网络；

2）把限压器或等效限压组件的保护动作临界值取在正常工作数值向故障值变化的临界处，通过检测流经传感器的电流引起的传感器工作电压变化趋势，利用所述限压器或等效限压组件的电气特性达到传感器隔离保护目的。

所述的主动防护式传感器隔离保护方法，限压器或等效限压组件采用稳压二极管，稳压二极管的稳压值取传感器最大耐压值的0.8～0.95倍，稳压二极管的最大稳压电流大于自恢复保险丝的最大动作电流。

所述的主动防护式传感器隔离保护方法，限压器或等效限压组件采用稳压二极管D1、晶体管Q、二极管D2组成等效的稳压电路，晶体管Q、二极管D2并联，稳压二极管D1正向端与晶体管Q的控制基极连接，稳压二极管D1的稳压值取传感器最大耐压值的0.8～0.95倍。

所述的主动防护式传感器隔离保护方法，限压器或等效限压组件采用双向可控硅，设置双向可控硅的导通条件是在正常供电电压下可控硅处于截止状态，电压升高接近传感器的最高承受电压时可控硅导通，流过自恢复保险丝的电流增大到超过它的动作电流，自恢复保险丝关断，达到保护和隔离目的。

所述的主动防护式传感器隔离保护方法，自恢复保险元件的工作电压值取大于电路中出现故障时的最大电压值1.2～1.5倍，动作电流值取稍大于最大工作电流。

一种实现所述隔离保护方法的主动防护式传感器隔离保护电路，采用限压器或等效限压组件，将被保护的传感器与所述限压器或等效限压组件并联，然后通过自恢复保险元件或隔离电路接入传感器网络（供电电源）。

所述的主动防护式传感器隔离保护电路，限压器或等效限压组件采用稳压二极管或等效的两端稳压电路，等效两端稳压电路采用稳压管D1、晶体管Q、二极管D2组成，晶体管Q、二极管D2并联，稳压管D1正向端与体管Q的控制基极连接。

所述的主动防护式传感器隔离保护电路，限压器或等效限压组件采用双向可控硅D3、稳压管D1、稳压管D2和取样电阻R1、R2组成等效的两端稳压电路，所述双向可控硅D3与被保护的传感器并联，取样电阻R1、R2串联后接在传感器供电电源入口到自恢复保险丝之间，取样电阻R1、R2的节点通过两个反接的稳压管连接双向可控硅D3的控制端。

一种实现所述隔离保护方法的主动防护式传感器隔离保护电路，对于单个传感器或局部传感器网络，采用稳压二极管或等效稳压组件及二极管整流桥构成隔离保护电路，所述传感器供电电源通过自恢复保险丝F1施加在二极管整流桥的输入端，所述二极管整流桥的输出端通过自恢复保险丝F2和所述稳压二极管施加在传感器上。

一种实现所述隔离保护方法的主动防护式传感器隔离保护电路，对于单个传感器或局部传感器网络，采用二极管组成的整流桥构成等效限压组件，所述整流桥串联一隔直电容连接在传感器或局部传感器网络的供电端，该供电端通过自保护保险元件及一继电器连接隔离器供电电源，所述继电器受控连接于前述整流桥的输出端。

本发明的有益效果：

1、本发明主动防护式传感器隔离保护方法及保护电路，在保留隔离器的基础上增加了对传感器个体的保护。不仅只是当有交流电串入，而且在传感器损坏、工作异常时既保证串入区域网络被隔离（不对整体网络有影响），同时也保护交流电串入的这个局部网络内的传感器不被损坏。变被动成主动，变隔离成保护，由对传感器的区域网络保护变成对传感器个体的保护。

2、本发明主动防护式传感器隔离保护电路，在电路组成上，由自恢复保险丝和两端稳压器或等效的两端稳压组件组成，省略了故障检测取样、放大、信号处理、故障隔离等电路和元件，具有实施容易，成本低，可靠性高，性能优异等优点。

3、本发明主动防护式传感器隔离保护方法，把相关元器件进行组合，充分利用电子元件的特性，由隔离器的检测电流变成检测工作电压变化趋势，把保护动作临界值取在正常工作数值向故障值变化的临界处，直接利用所用半导体元件和电子元件的电气特性达到隔离保护目的。采用元件少，线路简单，工作可靠，成本低廉，实施容易，以简单的结构达到所需要的目的。

4、本发明主动防护式传感器隔离保护电路，可以做成独立器件再与传感器接在一起使用，也可以直接与传感器做在一起形成一个整体。从保护对象上讲，它是由隔离器的对区域网络的隔离变成对传感器个体的保护；哪个传感器或周围线路出现故障或被交流电串入，就只对哪个传感器和出故障线路进行隔离，保护这个传感器不被损坏并从网络中隔离，不影响其它处于正常状态下的传感器工作。除传感器外，本发明隔离保护电路同样适用于对其它二线式供电的电子元件、组件或器件进行隔离保护。

附图说明

图1是本发明主动防护式传感器隔离保护方法的应用示意图；

图2是本发明主动防护式传感器隔离保护电路结构示意图之一；

图3是本发明主动防护式传感器隔离保护电路结构示意图之二；

图4是本发明主动防护式传感器隔离保护电路结构示意图之三；

图5是本发明主动防护式传感器隔离保护电路结构示意图之四；

图6是本发明主动防护式传感器隔离保护电路结构示意图之五；

图7是本发明主动防护式传感器隔离保护电路结构示意图之六；

图8是图5、图6所示的隔离保护电路隔离保护原理示意图；

图9是图7所示隔离保护电路的隔离保护原理示意图；

图10是本发明主动防护式传感器隔离保护电路结构示意图之七；

图11是本发明主动防护式传感器隔离保护电路结构示意图之八。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述：

实施例1

参见图1，本发明主动防护式传感器隔离保护方法，实现过程包括：

1）采用限压器或等效限压组件，将被保护的传感器与所述限压器或等效限压组件并联，然后通过自恢复保险元件或隔离器接入传感器网络（供电电源）；

2）把限压器或等效限压组件的保护动作临界值取在正常工作数值向故障值变化的临界处，通过检测流经传感器的电流引起的传感器工作电压变化趋势，利用所述限压器或等效限压组件的电气特性达到传感器隔离保护目的。

实施例2

参见图1、图2，本实施例的主动防护式传感器隔离保护方法，与实施例1不同的是：限压器或等效限压组件采用稳压二极管，稳压二极管的稳压值取传感器最大耐压值的0.8～0.95倍，稳压二极管的最大稳压电流大于自恢复保险丝的最大动作电流。

稳压二极管在这里起限压作用，稳压二极管的耗散功率满足使用要求。

实施例2以自恢复保险丝F和稳压二极管D为核心元件组成。连接关系如图2所示。看电路结构与并联型稳压电路相似，关键是元件取值不同造成电路的作用与并联型稳压电路截然不同。

工作与保护动作过程：

在正常供电电压范围内，电源通过自保护保险丝加在传感器和稳压二极管两端，由于电源电压远低于稳压管稳压值，稳压管呈高阻状态，对电源和传感器均没有任何影响，传感器正常工作。

当电源电路有交流220V进入时，在交流电的正半周内电压通过自恢复保险丝加在传感器和稳压二极管两端，当交流电压从0V升高到稳压二极管稳压值之前，传感器所加电压在允许范围内，仍然可以正常工作且不会被损坏；当电压升到稳压二极管的导通电压时，稳压二极管导通将流过很大电流，这个增大的电流必须从自恢复保险丝流过，当这个电流达到自恢复保险丝的动作电流时，自恢复保险丝动作切断电源，传感器被保护。当交流电处于负半周时，稳压二极管处于正向导通状态，交流电压在稳压二极管上的压降更低，电路对交流电来说近似于短路，电流增大速度会更快，自恢复保险丝会在负半周的刚开始就被动作切断电源回路，从而保护传感器不被损坏。

实施例3

参见图1、图3，本实施例的主动防护式传感器隔离保护方法，与实施例1不同的是：限压器或等效限压组件采用稳压二极管D1、晶体管Q、二极管D2组成等效的稳压电路，晶体管Q、二极管D2并联，稳压管D1正向端与晶体管Q的控制基极连接。

自恢复保险丝的耐压值取大于电路中出现故障时的最大电压1.2倍以上并留有余地，动作电流大小取稍大于正常工作时的最大电流；稳压二极管的稳压值取传感器0.8～0.95倍最高承受电压值，最大稳压电流大于自恢复保险丝的最大动作电流。

实施例4

参见图1、图4，本实施例的主动防护式传感器隔离保护方法，与实施例1不同的是：限压器或等效限压组件采用双向可控硅，设置双向可控硅的导通条件是在正常供电电压下可控硅处于截止状态，电压升高接近传感器的最高承受电压时可控硅导通，流过自恢复保险丝的电流增大到超过它的动作电流，自恢复保险丝关断，达到保护和隔离目的。可控硅耐压值≥400V。

这样无论是供电电压过高还是交流电串入都会导致可控硅导通使流过自恢复保险丝的电流增大到超过它的动作电流，自恢复保险丝关断达到保护和隔离目的。

实施例4以自恢复保险丝F和可控硅D3为核心元件组成。连接关系如图4所示。传感器RL、自恢复保险丝与可控硅D3串联接入供电电源，传感器与可控硅并联。可控硅控制极由电压取样电阻R1、R2控制，R1、R2连接在电波输入端。

电阻R1/R2 =（传感器最高承受电压－VT － VD1 － VD2）/（VT + VD1 + VD2）。

工作与保护动作过程：

在供电电压正常时，由于供电电压低，合理设置可控硅控制端取样电阻R1、R2的电阻比，使二者节点处的电压低于可控硅的动作电压VT + VD1 + VD2的电压和，让可控硅处于截止状态。电源电压经自恢复保险丝加在传感器上，传感器正常工作。

当供电电源电压高于传感器的最高承受电压时，可控硅控制端取样电阻R1、R2的节点处的电压等于可控硅的动作电压VT + VD1 + VD2的电压和，可控硅导通，电路电流增大自恢复保险丝动作切断电源供应，传感器得到保护。

所述的主动防护式传感器隔离保护方法，自恢复保险元件的工作电压值取大于电路中出现故障时的最大电压值1.2～1.5倍，动作电流值取稍大于最大工作电流。

所述的主动防护式传感器隔离保护方法，与所述传感器并联设有吸收转折脉冲的滤波电容。电容在保护时起吸收瞬间尖峰波作用，可根据情况选择大小并接入。

实施例5

本发明实现前述隔离保护方法的主动防护式传感器隔离保护电路，采用限压器或等效限压组件，将被保护的传感器与所述限压器或等效限压组件并联，然后通过自恢复保险元件或隔离器接入传感器网络（供电电源）。

参见图2，本实施例的主动防护式传感器隔离保护电路，限压器或等效限压组件采用稳压二极管。稳压二极管参数设置如前所述。

实施例6

参见图3，本实施例的主动防护式传感器隔离保护电路，采用稳压管D1、晶体管Q、二极管D2组成等效的稳压电路，晶体管Q、二极管D2并联，稳压管D1正向端与体管Q的控制基极连接。该电路可以用在传感器工作电流较大的电路中。

实施例7

参见图4，本实施例的主动防护式传感器隔离保护电路，限压器或等效限压组件采用双向可控硅D3、稳压管D1、稳压管D2和取样电阻R1、R2组成等效的两端稳压电路，所述双向可控硅D3与被保护的传感器并联，取样电阻R1、R2串联在传感器供电电源的良机之间，取样电阻R1、R2的节点通过两个反接的稳压管连接双向可控硅D3的控制端。

所述的主动防护式传感器隔离保护电路，包括吸收转折脉冲的滤波电容，所述吸收转折脉冲的滤波电容与限压器或等效限压组件并联，所述滤波电容取值在0.1-1uF之间，滤波电容在保护时起吸收瞬间尖峰波作用。

实施例8

参见图5、图8，本实施例的主动防护式传感器隔离保护电路，对于单个传感器或局部传感器网络，采用稳压二极管或等效稳压组件及二极管整流桥构成隔离保护电路，所述传感器供电电源通过自恢复保险丝F1施加在二极管整流桥的输入端，所述二极管整流桥的输出端通过自恢复保险丝F2和所述稳压二极管施加在传感器上。

如图5所示，几个常用元件构成了隔离保护电路器。供电电源经过这个隔离保护电路加在这个由数十个传感器组成的局部网络内所有传感器上。电路正常时隔离器不动作，当负载或连接短路或有交流电串入时把其连接的传感器网络与其它传感器形成隔离。

其工作原理是：

传感器电源经过J1和J2加在二极管整流桥上，通过整流桥和自恢复保险丝F1、F2加在传感器上形成回路，传感器正常工作。二极管整流桥的第一个作用就是消除了直流电源与隔离器连接时的极性要求，无论操作时怎样连接都能保证传感器得到正确的电源极性，提高了安装效率并降低了操作要求。第二个作用是与自恢复保险丝、稳压二极管配合实现隔离功能。

隔离动作过程是：

1、交流电在隔离器前端串入。无论交流电的正负半周均在通过整流桥时被整流加在局部网络的传感器上，同时也加在内部的稳压二极管D5上，当交流电压以抛物线上升至D5的稳压值时，D5导通其导通电阻突然减小，造成电路中的电流增大引起自恢复保险丝F1动作，交流回路被阻断。于是交流电被隔离于隔离器之前，保护了隔离器及隔离器后面的网络及传感器的安全。

2、交流电在隔离器后端串入。当串入的交流电处于前半周时，即在电路图中是电压方向是上正下负时，由于交流电压加在整流桥的2引脚端，桥内二极管D1、D2属于反向偏置，交流回路被阻断形不成回路与前端隔离。同时，由于D5反射击穿形成大电流使自恢复保险丝F2动作关断。当交流电的负半周即在电路图上是下正上负时，电流经自恢复保险丝F2和稳压管D5形成回路，D5正向偏置，负半周的电压刚升高即造成F2动作切断回路，实现了与前端的隔离。

该隔离器的元件取值原则：二极管整流桥的反向耐压要≥600V，工作电流≥500mA；稳压二极管D5的稳压值取小于传感器最高承受电压2V,稳压承受电流大于自恢复保险丝动作电流2倍以上，自恢复保险丝的动作电流≥2倍传感器最大工作电流。

实施例9

参见图6、图8，本实施例的主动防护式传感器隔离保护电路，与实施例8的不同之处在于：图6中，整流桥D1-D4起消除隔离器极性的作用，J1、J2任意接供电电源的正负极，后面电路才能得到正确的电源极性。供电电源经D1-D4、F1、F2给本局部网络的传感器供电。

以Q1为核心由Q1、F1、R1、R2和由Q2为核心由F2、R3、R4分别组成两个限压阻流电路，分别对来自前级和后面的交流串入电压进行保护。设置两个限压阻流器的动作电压在传感器最高承受电压处，正常情况下两个限压阻流器都不动作，它们不影响网络的正常工作。

当由本电路组成的隔离器前面即供电总电路有交流电串入时，该交流电经D1-D4整流加在了以Q1为核心的限压阻流电路上，该串入电压要高于限压阻流器动作电压很多，所以当这个电压达到限压阻流器的动作电压时以Q1为核心的限压阻流器动作，即MOS管饱和导通，传感器两端的电压下降接近为0V，这样既保护了传感器，Q1饱和导通形成的大电源又让自恢复保险丝F1动作切断了供电电路，把串入电压隔离在F1前面。

当本隔离电路后面即局部网络的供电电路有交流电串入时，该交流电的正半周加在电阻R3、R4上，这样可以让Q2在该电压升至传感器的最高承受电压时导通引起自恢复F2保险丝动作；在该交流电的负半周时，生成电流由Q2和Q1的体二极管和F2形成回路，同样引起自恢复保险丝F2动作，由F2切断供电通路，把串入的交流电隔离在F2之后。达到双向都能隔离的目的。

同时，电路中的F1、F2还同时起后级发生短路故障时切断电源通路，把该隔离器后面的网络电路与前面的总电路隔离开的作用。

为进一步提高隔离器的灵敏度和可操作性，可在电压检测电阻R1、R2和R3、R4与Q1、Q2之间各加一级信号放大电路。

实施例10

参见图7、图9。本实施例的主动防护式传感器隔离保护电路，对于单个传感器或局部传感器网络，采用二极管组成的整流桥构成等效限压组件，所述整流桥串联一隔直电容连接在传感器或局部传感器网络的供电端，该供电端通过自保护保险元件及一继电器连接隔离器供电电源，所述继电器受控连接于前述整流桥的输出端。其与实施例8和实施例9不同的是，同样是采用几个常用的元器件组成隔离保护电路，其特点是交流串入电压的阻断采用了物理方法。

其工作过程是：

隔离器内的继电器两个常闭触点分别接在该局部网络与外部的进口处控制着供电电源的正负极，供电电源由J2经继电器的其中一个常闭触点向该继电器控制的传感器供电，电流经传感器再经继电器的另一个触点由J1流出。在正常情况下，由于C1的隔直作用，继电器的控制线圈无电，触点处于闭合状态，正常供电，传感器正常工作。一旦该区域内有交流电串入，隔离器中的电容降压整流电路工作，有电流形成，这个电流通过继电器的控制线圈，继电器动作，常闭触点分开，该区域从整个网络中被断开。串入的交流电被隔离在该网络内。

一旦串入的交流电消失，隔离器内的电容降压整流电路也随之停止工作，继电器线圈失电，触点释放闭合，被隔离的传感器与网络接通恢复工作。

图中虚线框内是该申请中的隔离器电路组成。其取值原则是：C1耐压≥600V，其电容值的大小应满足通过的电流大于继电器K的吸合电流；继电器K选用有两组常闭触点的小型继电器；稳压二极管D5的稳压值应略大于继电器的额定工作电压。C2耐压应大于继电器的额定电压1.5倍以上。

图10为图6的简化电路，电路中省略了Q2、R3、R4，单独有F2和Q1的体二极管组成负半周引发F2动作的作用。把图10再去掉自恢复保险丝F2可变成图11，它可以用来对单体传感器器进行保护。

Claims (2)

1.一种主动防护式传感器隔离保护电路，其特征在于：采用限压器或等效限压组件，将被保护的传感器与所述限压器或等效限压组件并联，然后通过自恢复保险元件或隔离电路接入传感器网络，限压器或等效限压组件采用稳压二极管或等效的两端稳压电路，等效两端稳压电路采用稳压管D1、晶体管Q、二极管D2组成，晶体管Q、二极管D2并联，稳压管D1正向端与体管Q的控制基极连接；把限压器或等效限压组件的保护动作临界值取在正常工作数值向故障值变化的临界处，通过检测流经传感器的电流引起的传感器工作电压变化趋势，利用所述限压器或等效限压组件的电气特性达到传感器隔离保护目的。

2.一种主动防护式传感器隔离保护电路，其特征在于：采用限压器或等效限压组件，将被保护的传感器与所述限压器或等效限压组件并联，然后通过自恢复保险元件或隔离电路接入传感器网络，对于单个传感器或局部传感器网络，采用稳压二极管或等效稳压组件及二极管整流桥构成隔离保护电路，所述传感器供电电源通过自恢复保险丝F1施加在二极管整流桥的输入端，所述二极管整流桥的输出端通过自恢复保险丝F2和所述稳压二极管施加在传感器上，把限压器或等效限压组件的保护动作临界值取在正常工作数值向故障值变化的临界处，通过检测流经传感器的电流引起的传感器工作电压变化趋势，利用所述限压器或等效限压组件的电气特性达到传感器隔离保护目的。

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