CN110806522A - 一种电弧信号检测调理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧信号检测调理电路，其包括电弧信号幅值调理电路和电弧信号频率调理电路，电弧信号幅值调理电路包括功率回路和调理回路，功率回路中的电弧信号经调理回路进行幅值调理后传送至电弧信号频率调理电路，电弧信号频率调理电路由六阶高通滤波器和六阶低通滤波器组成高阶带通滤波器，对幅值调理后的电弧信号进行频率调理，高通滤波器的截止频率为10KHz，低通滤波器的截止频率为200KHz。本发明体积小、成本低，电路简单，可靠性高，幅值调理电路采用高精度差分电路，可精确地放大差分电弧信号，有效的抑制共模干扰的影响，频率调理电路采用高阶频带选择电路，保证良好的截止特性，有效地去除无用信号，加快运算速度。

Description

一种电弧信号检测调理电路

技术领域

本发明属于航空二次配电电气安全领域，涉及交流固态功率控制器故障电弧检测，具体涉及一种电弧信号检测调理电路。

背景技术

在航空配电系统中常使用固态功率控制器作为电气负载控制的主要设备，且通过热积累计算对线路进行过流和短路保护，而对于故障电弧检测则无相关的技术手段。

电弧故障发生时，若电路总电流小于额定电流，固态功率控制器无法对线路做出保护，但电弧放出的热量却远远大于线路能承受的热量，将引起线路绝缘层的进一步损坏；电弧发生时，若电路的总电流将大于额定电流，由于电弧具有短暂性，固态功率控制器无法对出快速响应，仍然不能对线路进行保护。

电弧的特点是温度高，持续时间短，一旦出现击穿点，则会形成碳化路径并频繁出现，并使故障迅速扩大，直至点燃附近可燃物。接通过程产生的电弧与触头材料及电路电压有关，而分断电路过程产生的电弧还取决于电路的电流。交流电弧也有类似特性。

电弧的发生具有随机性，使得故障电弧很难用传统的方法进行检测。传统的故障电弧检测方法多基于电流互感器、传感器等对故障电弧信号采集，传感器体积大，不利于航空配电高密度、小体积的检测系统。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种电弧信号检测调理电路，解决目前航空二次配电技系统中故障电弧检测问题，避免由于功率管通断和通电线路老化、损坏引起的电弧放电安全隐患。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电弧信号检测调理电路，其包括电弧信号幅值调理电路和电弧信号频率调理电路，电弧信号幅值调理电路包括功率回路和调理回路，功率回路中的电弧信号经调理回路进行幅值调理后传送至电弧信号频率调理电路，电弧信号频率调理电路由六阶高通滤波器和六阶低通滤波器组成高阶带通滤波器，对幅值调理后的电弧信号进行频率调理，高通滤波器的截止频率为10KHz，低通滤波器的截止频率为200KHz。

其中，所述电弧信号幅值调理电路中，采样电阻R5与功率管V1、功率管V2串联构成功率回路，功率管V1的栅极通过电阻R1和电阻R2分别连接至驱动端Ctrol_P和采样电阻R5一端，功率管V2的栅极通过电阻R3和电阻R4分别连接至驱动端Ctrol_N和采样电阻R5另一端，采样电阻R5用于采集功率回路中的电弧信号。

其中，所述电弧信号幅值调理电路中，调理回路包括运放N1A，运放N1A的同相输入端通过电阻R7和电阻R8分别连接至采样电阻R5的一端和参考电压VREF，参考电压VREF的电压值为Vref，运放N1A的反相输入端通过电阻R6和电阻R9分别连接至采样电阻R5的另一端和运放N1A输出端，电阻R7与电阻R8、电阻R6与电阻R9构成比例电阻对。

其中，所述采样电阻R5一端处的电压值为Vsam，另一端处的电压值为Vpout，运放N1A的同相输入端电压值为Vp1，反相输入端电压值为Vn1，则：

式中，R6、R7、R8、R9分别为电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9的电阻值；

根据虚短可知，Vp1＝Vn1，且R6＝R7，R8＝R9，因此运放N1A输出为：

式中，Vout1为运放N1A的输出电压值。

其中，所述电弧信号频率调理电路中，运放N2A、电容C1、电容C2和电阻R10、电阻R11构成二阶高通滤波电路，由节点电压法可知：

以上两式中，Vp2为运放N2A同向输入端电压值，Vn2为运放N2A反向输入端电压值，Vmid为运电容C1和电容C2中间电压连接点处电压值，R10、R11分别为电阻R10、电阻R11的电阻值，C1、C2分别为电容C1、电容C2的电容值，根据运放的虚短可知Vp2＝Vn2，S＝jω，ω＝2πf_OH，则高通滤波器的截止频率foh为：

同理可知，以N4A的二阶低通滤波器的截止频率fol为：

式中，R16、R17分别为电阻R16、电阻R17的电阻值，C7、C8分别为电容C7、电容C8的电容值。

其中，多个所述滤波电路级联形成高阶滤波电路。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的电弧信号检测调理电路，体积小、成本低，电路简单，可靠性高，幅值调理电路采用高精度差分电路，可精确地放大差分电弧信号，有效的抑制共模干扰的影响，频率调理电路采用高阶频带选择电路，保证良好的截止特性，有效地去除无用信号，减少后级信号处理器的工作量，加快运算速度。

附图说明

图1是本发明电弧信号幅值调理电路；

图2是本发明电弧信号频率调理电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明电弧信号检测调理电路包括电弧信号幅值调理电路和电弧信号频率调理电路，电弧信号幅值调理电路包括功率回路和调理回路，功率回路中的电弧信号经调理回路进行幅值调理后传送至电弧信号频率调理电路，电弧信号频率调理电路由六阶高通滤波器和六阶低通滤波器组成高阶带通滤波器，对幅值调理后的电弧信号进行频率调理，高通滤波器的截止频率为10KHz，低通滤波器的截止频率为200KHz。

参照图1、图2对电弧信号幅值调理电路和电弧信号频率调理电路分别进行详细说明。

图1是本发明的电弧信号幅值调理电路，它主要由轨对轨运放和差分放大电阻构成。

采样电阻R5与功率管V1、功率管V2串联构成功率回路，功率管V1的栅极(引脚1)通过电阻R1和电阻R2分别连接至驱动端Ctrol_P和采样电阻R5一端。功率管V2的栅极(引脚1)通过电阻R3和电阻R4分别连接至驱动端Ctrol_N和采样电阻R5另一端。采样电阻R5用于采集功率回路中的电弧信号。运放N1A的同相输入端通过电阻R7和电阻R8分别连接至采样电阻R5的一端和参考电压VREF，参考电压VREF的电压值为Vref。运放N1A的反相输入端通过电阻R6和电阻R9分别连接至采样电阻另一端和运放N1A输出端。电阻R7与电阻R8，电阻R6与电阻R9构成比例电阻对。采样电阻一端处的电压值为Vsam，另一端处的电压值为Vpout，其电压值随功率回路电特性变化而变化。运放N1A的同相输入端电压值为Vp1，反相输入端电压值为Vn1，则

式中，R6、R7、R8、R9分别为电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9的电阻值。

根据虚短可知Vp1＝Vn1，且R6＝R7，R8＝R9，因此运放输出为

式中，Vout1为运放N1A的输出电压值。

运放N1A的输出电压值Vout1为采样电阻R5两端的差分电压值(Vsam-Vpout)放大R9/R6倍后的电压值与直流偏置电压值Vref的和，直流偏置将运放输出电平提高，当输入差分信号电压值(Vsam-Vpout)大于0，运放输出小于直流偏置，但大于零；当输入差分信号电压值(Vsam-Vpout)小于0时运放输出大于直流偏置，但小于运放供电电压。因此该差分放大通过增加直流偏置Vref，保证交直流故障电弧信号的精确采集和调理。同时差分电路还可有效地抑制共模信号带来的干扰。

图2是本发明中电弧信号频率调理电路，由六阶高通滤波器和六阶低通滤波器组成的高阶带通滤波器。电弧信号的频域处理频率范围为10K-200KHz，因此设置高通滤波器的截止频率为10KHz，低通滤波器的截止频率为200KHz，理论截止特性为±100dB/dec。

以运放N2A为例对高通滤波电路进行说明。运放N2A、电容C1、电容C2和电阻R10、电阻R11构成二阶高通滤波电路。由节点电压法可知

以上两式中，Vp2为运放N2A同向输入端电压值，Vn2为运放N2A反向输入端电压值，Vmid为运电容C1和电容C2中间电压连接点处电压值，R10、R11分别为电阻R10、电阻R11的电阻值，C1、C2分别为电容C1、电容C2的电容值，

根据运放的虚短可知Vp2＝Vn2，S＝jω，ω＝2πf_OH，则高通滤波器的截止频率foh为

同理可知，以N4A的二阶低通滤波器的截止频率fol为

式中，R16、R17分别为电阻R16、电阻R17的电阻值，C7、C8分别为电容C7、电容C8的电容值。

多个滤波电路可级联形成高阶滤波电路，相较于低阶滤波电路，高阶滤波电路的截止特性更好，更接近理想的滤波器。

电路中滤波器阶数的选择考虑的原因主要有两个，一个是选择合理的截止特性，另一个是满足后级电路的需求。从经济性和适用性考虑，六阶滤波器的截止特性可达±100dB/dec，因此在本发明设计时应考虑阶数大于等于六阶才能满足后级电路的需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电弧信号检测调理电路，其特征在于，包括电弧信号幅值调理电路和电弧信号频率调理电路，电弧信号幅值调理电路包括功率回路和调理回路，功率回路中的电弧信号经调理回路进行幅值调理后传送至电弧信号频率调理电路，电弧信号频率调理电路由六阶高通滤波器和六阶低通滤波器组成高阶带通滤波器，对幅值调理后的电弧信号进行频率调理，高通滤波器的截止频率为10KHz，低通滤波器的截止频率为200KHz。

2.如权利要求1所述的电弧信号检测调理电路，其特征在于，所述电弧信号幅值调理电路中，采样电阻R5与功率管V1、功率管V2串联构成功率回路，功率管V1的栅极通过电阻R1和电阻R2分别连接至驱动端Ctrol_P和采样电阻R5一端，功率管V2的栅极通过电阻R3和电阻R4分别连接至驱动端Ctrol_N和采样电阻R5另一端，采样电阻R5用于采集功率回路中的电弧信号。

3.如权利要求2所述的电弧信号检测调理电路，其特征在于，所述电弧信号幅值调理电路中，调理回路包括运放N1A，运放N1A的同相输入端通过电阻R7和电阻R8分别连接至采样电阻R5的一端和参考电压VREF，参考电压VREF的电压值为Vref，运放N1A的反相输入端通过电阻R6和电阻R9分别连接至采样电阻R5的另一端和运放N1A输出端，电阻R7与电阻R8、电阻R6与电阻R9构成比例电阻对。

4.如权利要求3所述的电弧信号检测调理电路，其特征在于，所述采样电阻R5一端处的电压值为Vsam，另一端处的电压值为Vpout，运放N1A的同相输入端电压值为Vp1，反相输入端电压值为Vn1，则：

式中，R6、R7、R8、R9分别为电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9的电阻值；

根据虚短可知，Vp1＝Vn1，且R6＝R7，R8＝R9，因此运放N1A输出为：

式中，Vout1为运放N1A的输出电压值。

5.如权利要求4所述的电弧信号检测调理电路，其特征在于，所述电弧信号频率调理电路中，运放N2A、电容C1、电容C2和电阻R10、电阻R11构成二阶高通滤波电路，由节点电压法可知：

以上两式中，Vp2为运放N2A同向输入端电压值，Vn2为运放N2A反向输入端电压值，Vmid为运电容C1和电容C2中间电压连接点处电压值，R10、R11分别为电阻R10、电阻R11的电阻值，C1、C2分别为电容C1、电容C2的电容值，根据运放的虚短可知Vp2＝Vn2，S＝jω，ω＝2πf_OH，则高通滤波器的截止频率foh为：

同理可知，以N4A的二阶低通滤波器的截止频率fol为：

式中，R16、R17分别为电阻R16、电阻R17的电阻值，C7、C8分别为电容C7、电容C8的电容值。

6.如权利要求5所述的电弧信号检测调理电路，其特征在于，多个所述滤波电路级联形成高阶滤波电路。

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