CN113690083A - 一种固有安全的小型化安全与门 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固有安全的小型化安全与门，所述安全与门包括有依次连接的高频信号生成模块、安全控制模块、信号隔离放大及反馈模块；所述信号隔离放大及反馈模块与高频信号生成模块连接。本发明提供的固有安全的小型化安全与门，能使电源在通过安全与门后保持恒压输出。

Description

一种固有安全的小型化安全与门

技术领域

本发明属于电路保护技术领域，特别涉及一种固有安全的小型化安全与门。

背景技术

安全与门在轨道电路、联锁等系统具有广泛的应用，但目前所使用的安全与门具有输出不恒压、驱动能力不足、电路输出驱动能力弱、安全等级不足等一项或多项问题，为了统一解决此问题，设计出一种可解决以上诸多问题的安全输出定型电路，可用于轨道电路、联锁等有安全输出需求的系统内。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种固有安全的小型化安全与门，所述安全与门包括有依次连接的高频信号生成模块、安全控制模块、信号隔离放大及反馈模块；

所述信号隔离放大及反馈模块与高频信号生成模块连接。

进一步的，所述信号隔离放大及反馈模块，用于对电源的功率进行识别和对电源的功率进行放大及整型；

所述信号隔离放大及反馈模块可将识别结果，反馈给高频信号生成模块。

进一步的，所述高频信号生成模块，用于生成驱动信号，并可根据识别结果的反馈，来调整驱动信号。

进一步的，所述安全控制模块，用于控制驱动信号或经过调整后的驱动信号是否传输给信号隔离放大及反馈模块。

进一步的，所述安全控制模块包括有安全控制电路。

进一步的，所述安全控制电路包括有第一高速光耦；

所述第一高速光耦的输入端与高频信号生成模块连接，所述第一高速光耦的输出端与信号隔离放大及反馈模块连接，所述第一高速光耦的驱动可由安全可控电源控制。

进一步的，所述安全控制电路包括有依次连接的第一高速光耦、第二高速光耦；

所述高频信号生成模块与第一高速光耦的输入端连接，所述信号隔离放大及反馈模块与第二高速光耦的输出端连接；

所述第一高速光耦的驱动可由一路外部动态方波信号经交直变化后进行控制，所述第二高速光耦的驱动可由另一路外部动态方波信号经交直变化后进行控制。

进一步的，所述安全控制电路包括有依次连接的第一高速光耦、第二高速光耦、第三高速光耦；

所述高频信号生成模块与第一高速光耦的输入端连接，所述信号隔离放大及反馈模块与第三高速光耦的输出端连接；

所述第一高速光耦的驱动可由一路外部动态方波信号经交直变化后进行控制，所述第二高速光耦驱动的可由另一路外部动态方波信号经交直变化后进行控制，所述第三高速光耦的驱动由驱动电源控制。

进一步的，所述安全与门与电源之间设有保险模块，所述电源直流电源。

进一步的，所述保险模块为保险丝。

进一步的，所述驱动信号为高频的PWM信号或高频信号。

进一步的，其中，反馈的识别结果为电源过压或者过流。

本发明提供的固有安全的小型化安全与门，能使电源在通过安全与门后保持恒压输出；且本发明提供的固有安全的小型化安全与门，能驱动目前铁路系统内绝大多数的继电器。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的原理图。

图2示出了根据本发明实施例安全控制模块的第一种控制方式的电路示意图。

图3示出了根据本发明实施例安全控制模块的第二种控制方式的电路示意图。

图4示出了根据本发明实施例安全控制模块的第三种控制方式的电路示意图。

图5示出了根据本发明实施例基于图2中，第一种控制方式而延伸出的另外一种控制方式的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种固有安全的小型化安全与门，安全与门包括有依次连接的高频信号生成模块、安全控制模块、信号隔离放大及反馈模块；信号隔离放大及反馈模块与高频信号生成模块连接。进一步的，安全与门与电源之间设有保险模块；如图1所示的，保险模块连接在电源的输入端，用于保护整个安全与门及其输出，防止在整个安全与门内部的元器件故障的情况下，安全与门过热或电源纹波造成安全与门错误输出。保险模块为保险丝，本实施例中，电源为24V的直流电源。

具体的，如图1所示的，在电源通过保险丝进行防护后，通过信号隔离放大及反馈模块对电源的功率进行识别，同时通过高频信号生成模块生成一个驱动信号，进一步的，驱动信号为高频的PWM信号或高频信号，该PWM信号或高频信号可通过安全控制模块控制是否传输给信号隔离放大及反馈模块，具体的，安全控制模块控制是通过外部的控制信号来控制该PWM信号或高频信号是否传输给信号隔离放大及反馈模块的，而PWM信号或高频信号是否传输给信号隔离放大及反馈模块，取决于安全控制模块是否输出控制信号，而安全控制模块是否输出控制信号，取决于安全与门输出的是高电平还是低电平，当安全控制模块输出控制信号时，由高频信号生成模块产生的PWM信号或高频信号将传输给隔离放大及反馈模块，从而驱动隔离放大及反馈模块进行输出，安全与门输出高电平，当安全控制模块未输出控制信号时，将切断PWM信号或高频信号与隔离放大及反馈模块的连接，从而关闭隔离放大及反馈模块的输出，安全与门输出低电平。

初始时，信号隔离放大及反馈模块在PWM信号或高频信号的驱动下对电源进行放大及整型处理，具体的，信号隔离放大及反馈模块对电源的功率进行放大，且为了防止放大后的电源的纹波较大，将较大的纹波还进行整形，形成一个平滑的直流电源。在电源的功率放大过程中，若安全与门输出未出现过压或过流，信号隔离放大及反馈模块将安全与门输出没有过压或者过流的信号反馈给高频信号生成模块，高频信号生成模块继续生成PWM信号或高频信号，该信号在安全控制模块控制下，传输给信号隔离放大及反馈模块，在接收到PWM信号或高频信号后，信号隔离放大及反馈模块可将经过处理后的平滑的直流电源输出给继电器。

在信号隔离放大及反馈模块对电源的功率进行放大过程中，若安全与门输出出现过流或过压，信号隔离放大及反馈模块会识别出该情况，那么此时，信号隔离放大及反馈模块将电源过压或者过流的信号进行反馈给高频信号生成模块，高频信号生成模块根据反馈的结果，调整生成的PWM信号或高频信号的占空比，或停止输出PWM信号或高频信号，如果是经过调整的PWM信号或高频信号，则此时经过调整的PWM信号或高频信号会通过安全控制模块控制输给信号隔离放大及反馈模块，经过调整的PWM信号或高频信号会驱动信号隔离放大及反馈模块减小安全与门输出的电压或电流，经过减小处理后的电源电压和电流在满足要求后，会恒压传输给终端的继电器。

如果是停止输出PWM信号或高频信号，没有PWM信号或高频信号的驱动，信号隔离放大及反馈模块将停止输出，直至过压或过流情况消失后，恢复输出PWM信号或高频信号。

进一步的，安全控制模块中以及信号隔离放大及反馈模块中，均具有对各自的关键信号状态进行采集并反馈的反馈模块，在检测出故障后，可将故障导向安全侧。

具体的，安全控制模块的反馈模块对安全控制模块是否正常工作进行采集并反馈，从而利于将安全控制模块的故障检测出来，如若检测出安全控制模块发生故障，则关闭安全控制模块的动态输入信号，关闭安全控制模块输出，最终关闭安全与门输出，实现故障安全。

具体的，信号隔离放大及反馈模块的反馈模块对信号隔离放大及反馈模块是否正常工作进行反馈，从而利于将信号隔离放大及反馈模块的故障检测出来，在检测出信号隔离放大及反馈模块发生故障时，可通过安全控制模块切断高频信号生成模块与隔离放大及反馈模块的连接，使得PWM信号或高频信号不传输给信号隔离放大及反馈模块，从而关闭安全与门输出，实现故障安全。

由于铁路一般安全型继电器的驱动电压为24V，但继电器的线圈电阻各有不同，根据继电器的线圈电阻以及驱动继电器的电压，可计算出驱动继电器的所需要功率，驱动继电器所需要的功率通过如下公式一计算：

P＝U²/R

公式一中，P表示驱动继电器所需要的功率，U表示驱动继电器的电压，R表示标继电器的线圈电阻，因此，根据公式一，可计算出驱动继电器所需要的功率。

由于电源通过信号隔离放大及反馈模块传输给继电器，因此，通过信号隔离放大及反馈模块传输给继电器的电源功率，就是驱动继电器所需要的功率。根据传输给继电器的电源的功率以及电压，可计算出传输给继电器的电流，传输给继电器的电流通过如下公式二计算：

I＝P₁/U₁

公式二中，P₁和U₁分别表示传输给继电器的电源的功率以及电压，其中P₁＝P，U₁＝U，I表示传输给继电器的电流。

以继电器的线圈电阻为800Ω为例时，通过公式一可计算出驱动继电器的功率P＝0.72W，而此时通过公式二，可计算出传输给继电器的电流I＝0.03A，因此，可设计传输给线圈电阻为800Ω的继电器的电流为0.03A，此时，如果传输给继电器的电流小于0.03A，即I减小，因此，在I减小而U₁不变的情况下，P₁减小，由于P₁＝P，通过公式一进行变化得到公式三：R＝U²/P，由公式三可知，在P₁减小时，R就会大于800Ω的，因此，在传输给线圈电阻为800Ω的继电器的电流小于0.03A时，则驱动不了线圈电阻小于800Ω的继电器。

同理，在继电器线圈电阻为240Ω时，可计算出传输给继电器的功率及电流分别为2.4W、0.1A，因此，在传输给线圈电阻为240Ω的继电器的电流小于0.1A时，则驱动不了线圈电阻小于240Ω的继电器。在需要驱动线圈电阻为240Ω的继电器时，可设计传输给线圈电阻为240Ω的继电器的最高输出功率为3W，此时，可以预留出20％的功率裕量以保护安全与门，防止安全与门内部的器件满功率工作，导致安全与门内部的器件使用寿命减少的问题。

综上，本发明的安全与门除可用于驱动负载阻抗不小于240Ω的继电器外，还可应用于更大功率的安全电路中，对于更大功率的安全电路，可采用本发明中的小型化安全与门替换到大功率安全电路的电源输入部分，仅重新设计信号隔离放大及反馈模块的参数即可，这种方式实现简单，基本不需要新的开发。

如图2所示的，在一个实施例中，安全控制模块包括有安全控制电路，安全控制电路包括有一个第一高速光耦，第一高速光耦的输入端与高频信号生成模块连接，第一高速光耦的输出端与信号隔离放大及反馈模块连接。第一高速光耦的驱动可由安全可控电源控制。

安全控制电路中有第一高速光耦的情况下，外部的控制信号就是安全可控电源，在安全可控电源控制下，第一高速光耦处于打开状态的，高频信号生成模块生成的PWM信号或高频信号，通过第一高速光耦传输给信号隔离放大及反馈模块。

进一步的，此时安全控制模块中的反馈模块只有一个，这一个反馈模块用于对第一高速光耦是否正常工作进行信息采集后反馈出去。

具体的，在如图2对应的一个实施例中，当图2中的安全控制电路，采用安全可控电源，驱动信号隔离放大及反馈模块的能力不足(即驱动信号隔离放大及反馈模块的电压或电流弱)时，为了使驱动信号隔离放大及反馈模块的能力强，加上一个第二高速光耦，如图5所示的，第二高速光耦与第一高速光耦连接(第一高速光耦的中的发射极连接在第二高速光耦中的二极管正极)，高频信号生成模块与第一高速光耦的输入端连接，信号隔离放大及反馈模块与第二高速光耦的输出端连接。

第一高速光耦的驱动可由一路外部提供的安全可控电源进行控制(安全可控电源的正极连接在第一高速光耦的三极管的集电极，安全可控电源的负极连接在第二高速光耦中的二极管负极)，第二高速光耦的驱动可由一路直流电源进行控制。

当外部的安全可控电源以及直流电源存在时，可控制PWM或高频信号通过第一高速光耦、第二高速光耦后有足够强的驱动能力，能驱动信号隔离放大及反馈模块，从而使安全与门稳定输出。

具体的，在一个实施例中，如图3所示的，安全控制电路包括有依次连接的第一高速光耦、第二高速光耦(第一高速光耦的中的发射极连接在第二高速光耦中的二极管正极)；高频信号生成模块与第一高速光耦的输入端连接，信号隔离放大及反馈模块与第二高速光耦的输出端连接。

当安全控制电路中有第一高速光耦和第二高速光耦时，外部的控制信号包括有一路外部动态方波信号和另一路外部动态方波信号，具体的，第一高速光耦的驱动可由一路外部动态方波信号，经交直变换电路交直变化(即图3中，第一高速光耦上对应的动态输入就是这一路外部动态方波信号输入到交直变换电路)后进行控制(该交直变换电路输出端的正极连接在第一高速光耦中三极管的集电极，该交直变换电路输出端的负极连接在第二高速光耦中二极管的负极)，第二高速光耦的驱动可由另一路外部动态方波信号，经交直变换电路交直变化后(即图3中，第二高速光耦上对应的动态输入就是这一路外部动态方波信号输入到交直变换电路)进行控制(该交直变换电路输出端的正极连接在第二高速光耦中三极管的集电极，该交直变换电路输出端的负极连接在信号隔离放大及反馈模块输入端的负极)，一路外部动态方波信号和另一路外部动态方波信号分别由两个不同的CPU发出，由于方波的频率低，因此本实施例中，两个不同的CPU占用的资源都少。

当两路外部动态方波信号均存在，可控制第一高速光耦和第二高速光耦同时打开时，高频信号生成模块生成的PWM信号或高频信号会依次通过第一高速光耦和第二高速光耦后，传输给信号隔离放大及反馈模块，当任一外部动态信号不存在或两路外部动态信号均不存在时，第一高速光耦和第二高速光耦无法同时打开，则高频信号生成模块生成的PWM信号或高频信号无法传输给信号隔离放大及反馈模块。

通过设置的第一高速光耦和第二高速光耦，从而保证了整个安全控制模块的“二取二”功能。通过设置的两个交直变换电路，可将频率范围均在1KHz～4KHz的两路外部动态方波信号变换成直流，因此，在两路外部动态方波信号频率均为1KHz～4KHz时，整个安全控制模块可正常工作，超出本范围则无法工作；通过在每个交直变换电路的输入端均加一个隔直电容，隔离直流信号，可防止对应的CPU在故障时发出了直流信号，以及在对应的CPU未启动但却错误的发出了直流信号，使对应的高速光耦打开。

进一步的，此时安全控制模块的反馈模块有两个，其中一个反馈模块用于对第一高速光耦以及连接在第一高速光耦上的交直变化电路是否正常工作进行信息采集后反馈出去；另一个反馈模块用于对第二高速光耦与第二高速光耦连接的交直变换电路是否正常工作进行信息采集后反馈出去。

如图4所示的，在一个实施例中，安全控制电路包括有依次连接的第一高速光耦、第二高速光耦、第三高速光耦；高频信号生成模块与第一高速光耦的输入端连接，信号隔离放大及反馈模块与第三高速光耦的输出端连接。

当安全控制电路中有第一高速光耦、第二高速光耦以及第三高速光耦时，第一高速光耦、第二高速光耦以及第三高速光耦依次连接(第一高速光耦的中的发射极连接在第二高速光耦中的二极管正极，第二高速光耦的中的发射极连接在第三高速光耦中的二极管正极)，外部的控制信号包括有一路外部动态方波信号、另一路外部动态方波信号以及驱动电源，一路外部动态方波信号和另一路外部动态方波信号也分别由两个不同的CPU发出，驱动电源是一个单独接入的，为了驱动第三高速光耦。具体的，第一高速光耦的驱动可由一路外部动态方波信号，经交直变换电路交直变化(即图4中，第一高速光耦上对应的动态输入就是这一路外部动态方波信号输入到交直变换电路)后进行控制(该交直变换电路输出端的正极连接在第一高速光耦中三极管的集电极，该交直变换电路输出端的负极连接在第二高速光耦中二极管的负极)，第二高速光耦驱动的可由另一路外部动态方波信号，经交直变换电路交直变化(即图3中，第二高速光耦上对应的动态输入就是这一路外部动态方波信号输入到交直变换电路)后进行控制(该交直变换电路输出端的正极连接在第二高速光耦中三极管的集电极，该交直变换电路输出端的负极连接在第三光耦中二极管的负极)，第三高速光耦的驱动由驱动电源控制，该驱动电源电压较高，可以防止一路外部动态方波信号以及另一路外部动态方波信号经过交直变换后，驱动信号隔离放大及反馈模块的能力不足的问题。

进一步的，安全控制模块还包括有两个反馈模块，其中一个反馈模块用于对第一高速光耦以及连接在第一高速光耦上的交直变化电路是否正常工作进行信息采集后反馈出去；另一个反馈模块用于对第二高速光耦与第二高速光耦连接的交直变换电路是否正常工作进行信息采集后反馈出去。

本发明所涉及的安全与门，结构简单，能减少安全与门的占用空间。

以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (12)

1.一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述安全与门包括有依次连接的高频信号生成模块、安全控制模块、信号隔离放大及反馈模块；

所述信号隔离放大及反馈模块与高频信号生成模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述信号隔离放大及反馈模块，用于对电源的功率进行识别和对电源的功率进行放大及整型；

所述信号隔离放大及反馈模块可将识别结果，反馈给高频信号生成模块。

3.根据权利要求2所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述高频信号生成模块，用于生成驱动信号，并可根据识别结果的反馈，来调整驱动信号。

4.根据权利要求3所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述安全控制模块，用于控制驱动信号或经过调整后的驱动信号是否传输给信号隔离放大及反馈模块。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述安全控制模块包括有安全控制电路。

6.根据权利要求5所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述安全控制电路包括有第一高速光耦；

所述第一高速光耦的输入端与高频信号生成模块连接，所述第一高速光耦的输出端与信号隔离放大及反馈模块连接，所述第一高速光耦的驱动可由安全可控电源控制。

7.根据权利要求5所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述安全控制电路包括有依次连接的第一高速光耦、第二高速光耦；

所述高频信号生成模块与第一高速光耦的输入端连接，所述信号隔离放大及反馈模块与第二高速光耦的输出端连接；

所述第一高速光耦的驱动可由一路外部动态方波信号经交直变化后进行控制，所述第二高速光耦的驱动可由另一路外部动态方波信号经交直变化后进行控制。

8.根据权利要求5所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述安全控制电路包括有依次连接的第一高速光耦、第二高速光耦、第三高速光耦；

所述高频信号生成模块与第一高速光耦的输入端连接，所述信号隔离放大及反馈模块与第三高速光耦的输出端连接；

所述第一高速光耦的驱动可由一路外部动态方波信号经交直变化后进行控制，所述第二高速光耦驱动的可由另一路外部动态方波信号经交直变化后进行控制，所述第三高速光耦的驱动由驱动电源控制。

9.根据权利要求2所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述安全与门与电源之间设有保险模块，所述电源直流电源。

10.根据权利要求9所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述保险模块为保险丝。

11.根据权利要求2所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，所述驱动信号为高频的PWM信号或高频信号。

12.根据权利要求2所述的一种固有安全的小型化安全与门，其特征在于，其中，反馈的识别结果为电源过压或者过流。

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