CN111879987B - 一种耐高压隔离的触点检测电路 - Google Patents

一种耐高压隔离的触点检测电路 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种耐高压隔离的触点检测电路，包括依次级联的电源逆变隔离电路(1)、触点动作电路(3)、信号光电隔离电路(4)，所述电源逆变隔离电路(1)用于将直流输入电压转换为交流输出电压，并将所述交流输出电压提供到所述触点动作电路(3)，所述触点动作电路(3)用于根据触点的动作而对所述信号光电隔离电路(4)提供交流驱动电压，所述信号光电隔离电路(4)包括在受所述交流驱动电压驱动时发光的发光器件(V1)、以及光敏器件(C1)，所述光敏器件(C1)用于在感测到所述发光器件(V1)发出的光时，输出第一电平。本公开电路简单，成本低，巧妙地实现了电路供电电源和信号输出与被检测端之间的耐高压隔离要求。

Description

一种耐高压隔离的触点检测电路
技术领域
本发明属于防爆电器电子电路设计技术领域，具体涉及一种耐高压隔离的触点检测电路。
背景技术
触点信号是信号传输中最常用的方式，触点信号分为有源触点和无源触点，信号输出时通常采用无源触点。防爆电器常按照GB3836《爆炸性环境》要求设计为隔爆型、增安型、本质安全型、浇封保护型等不同的防爆型式或型式组合，其中防爆监控产品通常采用安全性最高的本质安全型，各类防爆开关、控制及保护产品、电动执行机构等高压控制设备通常采用隔爆型，对应的电路设计则有本质安全电路和非本质安全电路之分，不同防爆型式的设备和电路在电气相连接时需要满足一定的隔离耐压要求以确保电气安全，通常地，非本质安全电路与本质安全电路之间的电气隔离耐压应满足“2U+1000V”(其中，U为非本质安全电路的工作电压)。隔爆型高压控制设备常采用无源触点输出信号向防爆监控产品反馈工作状态，如表征其负荷侧是否存在工频电压。然而，隔爆型高压控制设备通常并未对输出信号进行本质安全设计和相关认证，是一种非本质安全电路，本质安全设计对电路功耗有较严格的限制，因此，作为检测设备的防爆监控产品则需要合适的电路实现本质安全电路对非本质安全电路的隔离检测。
参照图1，现有的一种无源触点隔离检测电路通常由光电耦合器D1和直流电源转换器D2为核心构成，其中虚线左右部分分别为非本质安全电路和本质安全电路，以直流电源转换器D2生成与系统电源VDD、VSS隔离的电源VCC、GND作为无源触点的激励驱动电源，实现非本质安全电路和本质安全电路的电源隔离，无源触点经电阻R1与光电耦合器D1的发光二极管部分构成的检测电路检测，以光电耦合器D1将非本质安全电路的检测信号通过光电耦合传输至本质安全电路，实现非本质安全电路与本质安全电路的信号隔离，最后经电阻R2与光电耦合器D1的光控晶体管部分构成的信号发生电路转换为标准TTL信号传输给监控设备。该电路原理结构简单，在电子电路中被广泛使用。
然而，随着工业化水平的提高，现场设备的供电电压越来越高，隔爆型高压控制设备的负荷侧工作电压一般达到工频交流660V，甚至高达1140V，上述无源触点检测电路，而由直流电源转换器实现的电源隔离耐压较低，通常在500V以下，并且直流—直流转换效率较低，电路自身功耗较大，提高其隔离耐压水平、降低其功耗的成本和技术复杂度很高，不满足防爆监控产品高耐压隔离性能的本质安全电路检测无源触点的要求。
发明内容
本发明针对上述无源触点检测电路存在的耐压隔离水平不足的问题，提出一种耐高压隔离的触点检测电路，该电路结构简单技术复杂度低、耐高压隔离，且电路功耗低，满足防爆监控产品中对非本质安全型无源触点的本质安全检测和耐高压隔离的要求。
根据本发明的实施例，提供了一种耐高压隔离的触点检测电路，包括依次级联的电源逆变隔离电路(1)、触点动作检测电路(3)、信号光电隔离电路(4)，所述电源逆变隔离电路(1)用于将直流输入电压转换为交流输出电压，并将所述交流输出电压提供到所述触点动作检测电路(3)，所述触点动作检测电路(3)用于根据触点的动作而对所述信号光电隔离电路(4)提供交流驱动电压，所述信号光电隔离电路(4)包括在受所述交流驱动电压驱动时发光的发光器件(V1)、以及光敏器件(C1)，所述光敏器件(C1)用于在感测到所述发光器件(V1)发出的光时，输出第一电平。
根据本发明的实施例，所述耐高压隔离的触点检测电路还包括位于所述信号光电隔离电路(4)后级的标准信号发生电路(5)，用于将接收到的第一电平转换为第一标准电平信号。
根据本发明的实施例，所述电源逆变隔离电路(1)包括隔离变压器(T1)及控制电路。
根据本发明的实施例，所述触点动作检测电路(3)由第一电阻器(R1)、第二电阻器(R2)、第五电阻器(R5)和第六电阻器(R5)组成，其中，所述触点包括第一触点和第二触点，所述触点的动作包括在第一触点和第二触点的开路和短路状态之间的切换，第一电阻器(R1)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第一极和第一触点之间，第二电阻器(R2)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第二极和第二触点之间，第五电阻器(R5)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第一极和所述触点动作检测电路(3)的输出端的第一极之间，第六电阻器(R6)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第二极和所述触点动作检测电路(3)的输出端的第二极之间。
根据本发明的实施例，所述耐高压隔离的触点检测电路还包括位于所述电源逆变隔离电路(1)和所述触点动作检测电路(3)之间的第三电阻器(R3)和第四电阻器(R4)，第三电阻器(R3)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第一极和所述触点动作检测电路(3)的输入端的第一极之间，第四电阻器(R4)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第二极和所述触点动作检测电路(3)的输入端的第二极之间。
根据本发明的实施例，当所述第一触点和第二触点开路时，所述发光器件(V1)发光，当所述第一触点和第二触点开路短路时，所述发光器件(V1)不发光。
根据本发明的实施例，所述光敏器件(C1)为光电晶体管或光敏电阻。
根据本发明的实施例，所述标准信号发生电路(5)包括依次级联的比较器(U1A)和跟随器(U1B)，所述第一标准电平信号为低电平信号。
本发明具有的优点和有益效果：
1、本发明通过合理的电路结构，将直流转换器输入输出之间的隔离耐压设计转变为电源逆变器的隔离耐压设计，通过调整逆变器参数，较易获得具有耐高压性能的电源隔离电路，而信号的光电隔离是常用的较易实现耐高压隔离技术，从而巧妙地实现了电路供电电源和信号输出与被检测端之间的耐高压隔离要求；
2、本发明通过将直流—直流隔离转换生成激励驱动电源的设计转变为直流—交流逆变转换生成交流电压驱动无源触点及检测电路，提高了电源转换效率，降低了电路自身功耗，从而实现了电路的低功耗运行，满足本质安全设计对电路低功耗的要求；
3、本发明电路简单，成本低，激励驱动电路和触点检测电路采用电阻简单电路即可，具有极高的安全性，对逆变电路结构和功率要求极低，适于多种具体的逆变实现电路；
4、本发明提出的交流激励驱动方式附带的其他有益效果是提高了光电耦合器件或发光管的寿命。
附图说明
图1是现有技术中的无源触点隔离检测电路原理示意图；
图2是根据本发明的实施例的无源触点检测电路的结构框图；
图3是根据本发明的实施例的电源逆变隔离电路1的示意图；
图4是根据本发明的实施例的触点动作检测电路3的示意图；
图5是根据本发明的实施例的光电隔离电路4的示意图；
图6是根据本发明的实施例的无源触点检测电路具体的总体结构示意图；
图7是根据本发明的实施例的电源逆变电路的原理结构框图。
具体实施方式
下面，结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。
本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。
另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。
首先概述本发明的原理。
根据本发明的实施例，检测电路包括：电源逆变隔离电路、激励驱动电路、触点动作检测电路、信号光电隔离电路和标准信号发生电路。电源逆变隔离电路将本质安全直流供电电源逆变为交流电源，交流电源通过激励驱动电路驱动被测无源触点及触点动作检测电路，被测无源触点的开闭状态将在此交流电压的激励下转化为信号光电隔离电路中发光管的灭和亮，相对应的光信号的变化激发信号光电隔离电路中晶体管输出端电信号的通断，通过此电—光—电的转换和隔离传输给标准信号发生电路生成本质安全的标准信号输出。
该电路通过逆变原理将本质安全的直流电压转换为交流电源，采用逆变隔离变压器，通过调整变压器参数提高其隔离耐压水平，电路输入输出之间在4.2kV(AC)条件下不产生飞弧、闪络现象，大大提高了电源电路隔离耐高压性能。同时，直流—交流转换、以交流电压激励驱动被测无源触点，提高了电源转换效率，降低了激励驱动电路和触点动作检测电路的功耗，从而大大降低了该电路的自身功耗，满足了本质安全设计对功耗的要求。信号的光电隔离则较易实现4.2kV(AC)以上的隔离耐压性能。
下面结合附图对本发明的实施例做详细说明。
图2是根据本发明的实施例的无源触点检测电路的结构框图。
该电路包括电源隔离电路1将本质安全直流供电电源逆变为隔离的交流电压，通过激励驱动电路2驱动被测无源触点及触点动作检测电路3，触点动作检测电路3将检测到的信号传输至信号光电隔离电路4，隔离输出的信号传输至标准信号发生电路5，最后，由标准信号发生电路生成标准信号输出。
图3至图5是本发明实施例提供的主要各部分具体的电路结构示意图，图6是本发明实施例提供的无源触点检测电路具体的电路结构示意图。
参照图3，电源逆变隔离电路1通过隔离变压器T1及控制电路等实现本质安全直流供电电源DC转变为交流电压AC，AC与DC之间通过T1实现电源输入输出端的隔离，电路隔离耐压设计简化至变压器隔离耐压设计，调整变压器隔离性能参数较易满足4.2kV(AC)的耐压能力。图3提供的实施例并非对本发明的实施例所绘示的电源逆变隔离电路作任何限制，例如，图7绘出了电源逆变电路的一种原理结构框图，电源逆变隔离电路1可采用任何适用的具体电路结构实现。
参照图4，电阻R1、R2、R5、R6及发光管V1构成了无源触点动作检测电路3，所述交流电压AC通过激励驱动电路2驱动被测无源触点1、触点2及所述无源触点检测电路，所述触点开路时，发光管V1亮，所述触点闭合时，发光管V1灭，因而光信号表征了触点的开闭状态。
参照图5，所述光信号变化施加至信号光电隔离电路4中的光敏器件C1，光敏器件C1输出端电信号将随光信号通断，由此实现了检测信号电—光—电的转换和隔离。
参照图6，本实施例采用直流5V供电，直流5V经12：220电源逆变隔离电路1，得到91.6V的交流激励电压，被测无源触点开路时，所述激励电压将通过触点动作检测电路3施加至信号光电隔离电路4中发光管V1两端，发光管V1亮，信号光电隔离电路4输出低电平，所述低电平经标准信号发生电路5中的比较器U1A、跟随器U1B后输出标准的0V低电平信号；被测无源触点短路时，所述交流激励电压将施加至无源触点直接构成回路，发光管V1灭，信号光电隔离电路4输出高电平，所述高电平经标准信号发生电路5中的比较器U1A、跟随器U1B后输出标准的5V高电平信号。
通过电源隔离和信号隔离，虚线左右两侧实现了较佳的耐高压隔离，亦即实现了检测设备端与被测无源触点之间的耐高压隔离。
由上，将理解，为了说明的目的，这里已描述了本发明的具体实施例，但是，可作出各个修改，而不会背离本发明的范围。本领域的技术人员将理解，流程图步骤中所绘出或这里描述的操作和例程可以多种方式变化。

Claims (7)

1.一种耐高压隔离的触点检测电路，包括依次级联的电源逆变隔离电路(1)、触点动作检测电路(3)、信号光电隔离电路(4)，
所述电源逆变隔离电路(1)用于将直流输入电压转换为交流输出电压，并将所述交流输出电压提供到所述触点动作检测电路(3)，
所述触点动作检测电路(3)用于根据触点的动作而对所述信号光电隔离电路(4)提供交流驱动电压，
所述信号光电隔离电路(4)包括在受所述交流驱动电压驱动时发光的发光器件(V1)、以及光敏器件(C1)，
所述光敏器件(C1)用于在感测到所述发光器件(V1)发出的光时，输出第一电平，
其中，所述触点检测电路还包括位于所述信号光电隔离电路(4)后级的标准信号发生电路(5)，用于将接收到的第一电平转换为第一标准电平信号。
2.根据权利要求1所述的耐高压隔离的触点检测电路，其中，所述电源逆变隔离电路(1)包括隔离变压器(T1)及控制电路。
3.根据权利要求1所述的耐高压隔离的触点检测电路，其中，所述触点动作检测电路(3)由第一电阻器(R1)、第二电阻器(R2)、第五电阻器(R5)和第六电阻器(R5)组成，
其中，所述触点包括第一触点和第二触点，所述触点的动作包括在第一触点和第二触点的开路和短路状态之间的切换，
第一电阻器(R1)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第一极和第一触点之间，第二电阻器(R2)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第二极和第二触点之间，
第五电阻器(R5)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第一极和所述触点动作检测电路(3)的输出端的第一极之间，第六电阻器(R6)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第二极和所述触点动作检测电路(3)的输出端的第二极之间。
4.根据权利要求3所述的耐高压隔离的触点检测电路，还包括位于所述电源逆变隔离电路(1)和所述触点动作检测电路(3)之间的第三电阻器(R3)和第四电阻器(R4)，
第三电阻器(R3)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第一极和所述触点动作检测电路(3)的输入端的第一极之间，第四电阻器(R4)连接在所述电源逆变隔离电路(1)的输出端的第二极和所述触点动作检测电路(3)的输入端的第二极之间。
5.根据权利要求3或4所述的耐高压隔离的触点检测电路，其中，当所述第一触点和第二触点开路时，所述发光器件(V1)发光，当所述第一触点和第二触点开路短路时，所述发光器件(V1)不发光。
6.根据权利要求1所述的耐高压隔离的触点检测电路，其中，所述光敏器件(C1)为光电晶体管或光敏电阻。
7.根据权利要求1所述的耐高压隔离的触点检测电路，其中，所述标准信号发生电路(5)包括依次级联的比较器(U1A)和跟随器(U1B)，所述第一标准电平信号为低电平信号。
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