CN115877200A - 一种断线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断线检测系统，涉及断线检测领域，对于光耦驱动电流有要求（有效值低于100μA）的应用场合，本发明增设的抗干扰及阻抗模块利用射极跟随器的电流放大和射极电压跟随作用，解决了CTR过低以及CTR参数离散性导致光耦输出低电平电压值过高无法识别低电平的问题以及光耦输出侧上拉电阻与MCU的IO口电阻分压作用导致的输出电压高电平过低的问题，提升了电路的抗干扰能力和可靠性。

Description

一种断线检测系统

技术领域

本发明涉及一种断线检测系统，属于断线检测领域。

背景技术

国家电网颁布的《2022年专变终端通用技术规范》中，对于继电器的断线检测功能和指标做出了明确要求：“常开控制输出应具备断线检测功能，用于检测控制回路是否处于断线开路状态，判断开关是否正常接入；在接入220V控制线的情况下，漏电流有效值不大于100μA”。断线检测的对象通常是断路器脱扣分励器的驱动电压（为220VAC或者380VAC）；由于涉及到市电及工业用电，为安全起见，通常使用光耦作为隔离和信号传递通道。

根据前述技术要求，作为隔离和信号传递的光耦，其驱动电流不能大于100μA；在此驱动电流范围内，光耦的一些参数特性已经发生变化，会导致输出特性变得不稳定；因此需要在现有检测方案得基础上进行改进，稳定检测电路的输出特性。

现有技术方案原理如图1和图2所示，继电器触点闭合情况下，继电器触点闭合检测端口（包括端口1和端口2）、限流电阻、光耦驱动侧形成交流电回路；每个交流电周期光耦导通一次，对应的输出信号发生逻辑变化。反之继电器触点断开，没有交流电加载在上述光耦驱动侧回路中，输出信号不变，其中图2中的R1~R6=470kΩ对应图1中的限流电阻，与光耦OP1的驱动侧构成了继电器触点闭合检测回路。上拉电阻R7=1MΩ与光耦的输出侧构成了输出回路，将输出信号送至后级的MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）的IO（Input/Output，输入输出）口。

现有技术方案存在以下问题：

1）图2中所示的光耦OP1，在量测行业内使用数量最多、成本最低的型号是816；但是此光耦在驱动电流有效值低于100μA情况下，传输比CTR（Current Transfer Ratio，电流传输比）已经降至10%左右，考虑到十多年的光衰特性，长时间运行后光耦的CTR可能降低至8%甚至更低（高温下可能降至约5%），对应的输出侧电流有效值大概在8μA以内；CTR参数的降低以及CTR的离散性，在驱动回路导通情况下，即使光耦输出上拉电阻不变，也会导致光耦输出侧CE结之间的压降VCE增加，最终造成输出低电平电压过高，后级的MCU无法识别到有效的低电平。

如图3所示为模拟图2电路选取CTR参数较低的光耦电路对应的输入输出波形，输入为继电器触点闭合检测端口1信号，输出为输出信号。从波形图可以看出在交流电正半周波峰附近的1ms时间段内，光耦处于导通状态，但是由于CTR较低，使得光耦输出电流IC值偏小，与上拉电阻R7结合后，使得光耦输出侧CE结的压降的VCE达到了约1.3V，已经高于3.3V对应TTL电平的输入低电平最大电压值VIL=0.8V，会导致后级MCU无法识别到低电平。

2）如1)中所描述，光耦侧驱动电流有效值低于100μA以及816光耦CTR的参数特性（驱动电流小于100μA范围内，CTR小于10%），决定了光耦输出侧的上拉电阻R7取值必须大于500kΩ（VCC=3.3V），对应输出信号输出低电平电电压幅值才能低于3.3V TTL电平的输入低电平最大电压值VIL=0.8V；VCC=5V情况下，R7的阻值需要进一步增加才能满足上述电平匹配要求。通常输出信号连接的MCU IO口输入阻抗为500kΩ至数MΩ，如果后级的MCU的IO口输入阻抗偏小，设定输入阻抗Rload为500kΩ，在光耦导通之前，由于输入阻抗Rload与R7的分压作用，导致输入到IO口的高电平电压值可能低于TTL高电平输入的最小电压值VIH=2V，进而使MCU无法有效识别高电平。

如图4所示为模拟图2电路选取MCU输入阻抗Rload为500kΩ对应的输入输出波形，输入为继电器触点闭合检测端口1信号，输出为输出信号。从波形图可以看出在交流电正半周波峰附近的1ms时间段内，光耦处于导通状态，但是由于输入阻抗Rload的分压作用，使得输出的高电平电压值=1.13V，低于TTL高电平输入的最小电压值VIH=2V，导致后级MCU无法识别到高电平。

发明内容

本发明的目的是提供一种断线检测系统，为解决CTR过低以及CTR参数离散性导致光耦输出低电平电压值过高以及光耦输出上拉电阻阻值过大导致光耦输出高电平电压值过低问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案包括：

本发明的断线检测系统包括光耦，光耦原边的一端连接断线检测端口，光耦副边的一端通过上拉电阻连接电源，另一端接地，还包括抗干扰及阻抗转换模块，抗干扰及阻抗转换模块包括开关管和分压电阻，开关管的控制端连接光耦原边的一端，开关管的输入端连接电源，开关管的输出端通过分压电阻接地，且开关管的输出端还连接处理器，供处理器根据开关管输出端的信号对断线检测端口所连接的检测对象是否出现断线现象进行判断。

有益效果为：本发明增设抗干扰及阻抗模块，抗干扰：通过开关管的压降使输出电压落在低电平输入最大值范围内，使得电路的低电平输出指标对于光耦CTR的离散性参数敏感程度大大减弱，解决了CTR过低以及CTR参数离散性导致光耦输出低电平电压值过高无法识别低电平的问题，提升了电路的抗干扰能力和可靠性；阻抗转换：通过开关管和分压电阻使得开关管射极电压拉高，超过电源电压，使输出电压大于输入高电平电压最小值，确保输出有效高电平，不再受到MCU输入阻抗叠加效应的影响，提升了电路的抗干扰能力和可靠性。

进一步地，光耦原边的一端通过限流支路连接所述断线检测端口，所述限流支路上串设有至少一个限流电阻。

有益效果为：限流支路上设置限流电阻，以防止电流过大烧坏所串联的器件。

进一步地，开关管为三极管。

有益效果为：通过三极管与分压电阻组成的射极跟随器，使系统具有抗干扰和阻抗转换的功能，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。

进一步地，处理器为MCU。

有益效果为：MCU将输入的电压信号进行处理分析，用于检测系统是否出现断线故障。

进一步地，所述分压电阻阻值的取值范围为100kΩ至500kΩ。

有益效果为：分压电阻阻值大于或等于500kΩ，使得开关管射极电压拉高，超过电源电压，使输出电压大于输入高电平电压最小值，确保输出有效高电平，不再受到MCU输入阻抗叠加效应的影响，提升了电路的抗干扰能力和可靠性。

附图说明

图1是现有技术的原理逻辑框架图；

图2是现有技术的电路原理图；

图3是现有技术中CTR过低以及CTR参数离散性的输入和输出电压波形图；

图4是现有技术中光耦输出上拉电阻阻值过大时输入和输出电压波形图；

图5是本发明的原理逻辑框架图；

图6是本发明的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

断线检测系统的实施例：

本实施例的断线检测系统是在继电器的控制回路中增设的继电器触点检测系统，且该继电器的控制回路是一种常开控制输出。

如图5所示，本发明的断线检测系统包括：限流电阻、光耦、抗干扰及阻抗转换模块和MCU；抗干扰及阻抗模块包括三极管Q1和分压电阻R8，Q1的输入输出电路方式为射极跟随器形式。

如图6所示，继电器触点闭合检测端口1输出信号通过限流电阻连接至光耦原边的一端；光耦原边的另一边连接继电器触点闭合检测端口2；光耦副边一端连接三极管Q1的基极，通过上拉电阻R7连接电源，还通过电容C1接地；光耦副边另一端接地；三极管Q1的集电极连接电源，发射极通过分压电阻R8接地，还将输出信号传输给MCU的IO口。

继电器触点闭合情况下，继电器触点闭合检测端口（包括端口1和端口2）、限流电阻、光耦驱动侧形成交流电回路；每个交流电周期光耦导通一次，对应的输出信号发生逻辑变化。反之继电器触点断开，没有交流电加载在上述光耦驱动侧回路中，输出信号不变。

抗干扰及阻抗模块产生的具体作用如下：

1）抗干扰：Q1组成的射极跟随器加入到光耦和输出端之间；根据射极跟随器的电路特性，如图6所示，输出信号的电压幅值始终跟随Q1的基极电压VB（对应前述OP1的VCE电压），并且输出信号与Q1的基极电压VB之间有0.6V~0.7V的直流压降；所以即使由于光耦离散性或者在高温条件下CTR减小，导致光耦输出侧CE结的压降VCE（对应Q1的基极电压VB）达到了约1.3V，也能通过抗干扰及阻抗转换模块，将光耦输出侧CE结的压降VCE的电压再削减0.6V，使得最终输出的输出信号降低至约0.7V，落在TTL低电平输入最大值VIL=0.8V范围内。这样就使得电路的低电平输出指标对于光耦CTR的离散性参数敏感程度大大减弱，解决了CTR过低以及CTR参数离散性导致光耦输出低电平电压值过高无法识别低电平的问题，提升了电路的抗干扰能力和可靠性。

2）阻抗转换：Q1组成的射极跟随器加入到光耦和输出端之间；在光耦处于截止状态下OP1的输出为断开状态，VCC通过上拉电阻R7给Q1的基极供电，使基极导通，对应基极电流IB≈(VCC-VBE)/R7=2.6μA，Q1型号为LBC817-40LT1G，对应电流放大倍数约为250~600，对应Q1的集电极电流IC≈650μA，流经电阻R8之后，理论上形成的压降VR8≈0.65mA*500kΩ=325V，已经超过供电电压VCC，因此Q1的集电极电流IC流经R8之后，将Q1的射极电压VE拉高至VE≈VCC-VBE=3.3-0.6=2.7V，即光耦前端没有接入交流电情况下，输出信号（对应Q1的发射极电压VE）≈2.7V，大于3.3V的TTL输入高电平电压最小值VIH=2V，以及CMOS输入高电平电压最小值VIH=2.3V，确保输出有效高电平，解决了前述问题2，不再受到MCU输入阻抗叠加效应的影响，提升了电路的抗干扰能力和可靠性。

其中，分压电阻R8的取值需要考虑如下几方面因素：

1）R8取值受晶体管电流放大倍数β及后级MCU输入高电平最小值影响。在没有施加交流电压，即光耦处于截止状态下，VCC通过上拉电阻R7给Q1的基极供电，使基极导通，对应基极电流IB≈(VCC-VBE)/R7=2.6μA，后级三极管Q1的直流放大倍数β通常有个范围，β∈（β1，β2）；取电流放大倍数的最小值β1，则电流IB经过Q1放大β1倍之后，Q1的集电极电流IC≈IB×β1；Q1的集电极电流IC流经电阻R8之后，在R8两端形成的电压值需稳定的大于后级MCU可识别的输入高电平最低值VIH=2.3V，即IC×R8>VIH=2.3V可以推导出R8>VIH/IC=VIH/(IB×β1)。由于晶体管的β值受到温度的影响，会在一定范围内变化，设计时，通常留取20%的裕量。

2）R8取值受抗干扰影响。由于R8与Q1的连接点输出信号通常与后级MCU的IO口相连接；通常MCU的IO口输入阻抗Rin阻值在1MΩ以上，如果R8取值过大，使得R8与输入阻抗Rin并联后的等效输入电阻Rin’>1MΩ，那么大阻值的等效输入电阻，容易引入外部的干扰信号，造成识别错误；根据量测产品的硬件电路电磁兼容设计经验，通常选取R8≤500kΩ，以降低等效输入阻抗，减小干扰造成的识别风险。

因而，根据现有MCU输入阻抗和电平特性，结合晶体管LBC817-40LT1G的参数，通常选取R8∈[100kΩ，500kΩ]。

本发明利用射极跟随器的电流放大和射极电压跟随作用，可以有效解决前述光耦输出侧不完全导通导致的输出电压低电平过高，以及光耦输出侧上拉电阻与MCU的IO口电阻分压作用导致的输出电压高电平过低的问题。

本实施例中的断线检测系统针对的是继电器的触点检测，当然还可将断线检测系统应用于其他设备的断线检测中，不局限于继电器触点检测系统。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种断线检测系统，包括光耦，光耦原边的一端连接断线检测端口，光耦副边的一端通过上拉电阻连接电源，另一端接地，其特征在于，还包括抗干扰及阻抗转换模块，抗干扰及阻抗转换模块包括开关管和分压电阻，开关管的控制端连接光耦原边的一端，开关管的输入端连接电源，开关管的输出端通过分压电阻接地，且开关管的输出端还连接处理器，供处理器根据开关管输出端的信号对断线检测端口所连接的检测对象是否出现断线现象进行判断。

2.根据权利要求1所述的断线检测系统，其特征在于，光耦原边的一端通过限流支路连接所述断线检测端口，所述限流支路上串设有至少一个限流电阻。

3.根据权利要求1所述的断线检测系统，其特征在于，所述开关管为三极管。

4.根据权利要求1所述的断线检测系统，其特征在于，所述处理器为MCU。

5.根据权利要求1-4任一项所述的断线检测系统，其特征在于，所述分压电阻阻值的取值范围为100kΩ至500kΩ。

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