CN202798651U

CN202798651U - 二进制量输入电路

Info

Publication number: CN202798651U
Application number: CN 201220179326
Authority: CN
Inventors: 刘祥; 卓越; 张激; 吴剑强
Original assignee: Siemens Power Automation Ltd
Current assignee: Siemens Power Automation Ltd
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2022-04-24

Abstract

本实用新型提出了一种二进制量的输入电路。该输入电路包括：判断电路，耦合到所述输入电路的输入端，用于当输入电压高于一个预定阈值时输出一有效电压；线性稳压器，其配置成恒压源，且其输入耦合到所述判断电路的输出，并在所述判断电路的输出为有效电压时输出一驱动电压；电隔离元件，其输入耦合到所述线性稳压器的输出，其输出耦合到该输入电路的输出端；其中，在所述线性稳压器的输出未达到所述驱动电压时，所述电隔离元件输出第一逻辑电平；在所述线性稳压器的输出为所述驱动电压时，所述电隔离元件的输出从第一逻辑电平切换到第二逻辑电平。

Description

二进制量输入电路

技术领域

本实用新型总体涉及输入电路，尤其涉及一种用于向微控制单元提供二进制量输入的输入电路。

背景技术

工业自动化控制过程中，常常先利用探测设备检测并采集现场数据，再由高级的微处理器或微控制器对所采集的数据进行分析，最后根据分析结果控制相关设备执行相应的动作。这一过程可以应用在各种自动化控制系统中。以下将以电力系统中的数字继电保护装置为例描述这一过程。

图1示例性地示出了数字继电保护装置的结构框图。如图1所示，继电保护装置通常包括A/D采样电路110、二进制输入(BI：Binary Input)电路120、微处理器130、二进制输出(BO：Binary Output)电路140、通信单元150、人机接口(HMI：Human MachineInterface)160以及电源模块170。在实际应用中，为了能够检测电力系统中各个区段每相(phase)电的电压和电流，A/D采样电路110通常包括大量的电流互感器(CT：CurrentTransformer)、电压互感器(PT：Potential Transformer)、以及模数转换器(ADC：Analogueto Digital Converter)，以采集所需的电压和电流数据。基于A/D采样电路110收集的数据，微处理器130计算出电力系统的各个参数，例如电流、电压、相序、功率等等，并且利用相关的保护算法来判断电力系统中是否出现了故障。一旦发现故障，微处理器130就会通过BO电路140或者其它操作单元向电力系统中的相关断路器发出脱扣信号。响应于该脱扣信号，相关断路器执行相应的脱扣操作，并利用其操作机制断开电源连接。这样，就可以迅速切断故障电路，而保持电力系统的其他部分正常运行。

在上述过程中，继电保护装置除了利用A/D采用电路110监测、采集模拟量之外，还要利用BI电路120监控电力系统中各个外部继电器的状态，例如，断路器的状态(断开、闭合或脱扣)以及隔离开关(Switch disconnector)的状态(连接或分断)。每个BI通道都需要连接到一个外部继电器的触点，例如断路器的辅助触点。这样，通过检测BI通道的输入电压就可以识别出与之连接的触点的逻辑状态。例如，如果BI通道的输入电压高于一个预定阈值，则表明触点的逻辑状态例如为“1”，表示连接。反之，该触点的逻辑状态例如为“0”，表示分断。

然而，在实际的电力系统中，这些外部继电器可能以不同的额定电压供电，例如直流电压24V、48V、60V、110V、125V、220V或250V，或者例如交流电压115V或230V。这就要求BI电路的各个BI通道能够接收不同额定电压下的电压输入，并且相应地配置不同的阈值电压。例如，如果某外部继电器以110V直流供电，则对于逻辑“1”的输入电压而言，其阈值电压应为直流88V。如果另一个外部继电器以220V直流供电，则其逻辑“1”的阈值电压应为直流176V。因此，BI电路需要一个能够灵活地与现场实际需求匹配的BI通道。

在2005年1月5日公开的、中国专利申请No.200410014252.6中公开了一种直流电压开关量输入状态判断模块。这一开关量输入状态判断模块利用齐纳二极管对输入电压进行阈值判断，并利用三极管为充当电隔离元件的光耦提供恒定的工作电流。具体地，当输入电压低于阈值时，三极管截至，与三极管的集电极串联的光耦不工作，模块输出为高电平。反之，当输入电压高于阈值时，三极管导通，光耦工作，模块输出为低电平。该判断模块因采用三极管做开关元件，模块中需要为三极管布置相应的偏置电阻、限流电阻等多个元件。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提出一种新型的二进制输入电路，其结构简单且具有良好的稳定性和一致性。本实用新型的另一个目的在于提出一种新型的二进制输入电路，其能够灵活地与不同额定电压供电的二进制输入量相匹配。

根据本实用新型一个方面，本实用新型提出了一种二进制量的输入电路，其特征在于：该输入电路包括：输入端，用于接收输入电压；输出端，用于输出第一逻辑电平或第二逻辑电平；判断电路，耦合到所述输入端，用于当所述输入电压高于一个预定阈值时输出一有效电压；线性稳压器，其配置成恒压源，且其输入耦合到所述判断电路的输出，并在所述判断电路的输出为有效电压时输出一驱动电压；电隔离元件，其输入耦合到所述线性稳压器的输出，其输出耦合到所述输出端；其中，在所述线性稳压器的输出未达到所述驱动电压时，所述电隔离元件输出第一逻辑电平；在所述线性稳压器的输出为所述驱动电压时，所述电隔离元件的输出从第一逻辑电平切换到第二逻辑电平。其中，所述电隔离元件优选为光耦。

优选地，所述线性稳压器至少包括：稳压器输入端K、稳压器输出端A以及电压反馈端V_REF。其中，所述电压反馈端用于接收所述稳压器输出端A的输出电压V_A的采样值，以控制所述稳压器输出端A输出一恒定的所述驱动电压Vd。更为优选地，线性稳压器通过串联分压电路配置成恒压源。该串联分压电路耦合到所述稳压器输出端A，且所述电压反馈端V_REF连接到所述串联分压电路的分压点，其中所述串联分压电路中分压电阻的大小决定了所述稳压器输出端A输出的驱动电压Vd的大小。

由此，与现有的二进制输入电路相比，本实用新型提出的利用线性稳压器，且将线性稳压器配置成恒压源来驱动例如光耦的设计，结构简单、元件数目少、成本低。而且，由于线性稳压器具有限流功能，因而如此设计的输入电路具有良好的稳定性和一致性。此外，由于将线性稳压器配置成恒压源不需要电容来进行滤波，因而上升时间得以降低。因此，总体上讲，本实用新型提出的输入电路能够以低成本实现令人满意的性能。

可选地，根据本实用新型的输入电路中的所述判断电路可以包括一个齐纳二极管D2，该齐纳二极管的反向击穿电压为所述阈值电压。可选地，所述判断电路还可以包括：两个或两个以上的齐纳二极管，这些齐纳二极管彼此串联连接；至少一个旁路跳线开关，每一个旁路跳线开关跨接在一个所述齐纳二极管的两端，用于选择性的旁路该齐纳二极管。可选地，所述判断电路可以串联在所述输入电压的路径中。

由此，由于线性稳压器具有较宽的输入电压范围(例如从十几伏到几百伏)，因而在根据本实用新型的输入电路中只需要利用跳线配置不同的阈值电压就可以适应不同额定电压供电下的二进制输入量。

此外，优选地，所述输入电路还包括连接在所述输入端和所述判断电路之间的整流电路，其可以包括一个整流二极管或者是一个整流桥。其中整流桥可用于接收双极性的输入电压。

另外，优选地，所述输入电路还包括低通滤波器，其耦合在所述电隔离元件的输出和所述输出端之间。利用低通滤波器可以滤除将要输送给微处理器的信号中的高频干扰。更为优选地，所述输入电路还包括耦合到所述输出端的施密特触发电路。利用施密特触发电路可以对输出的逻辑信号进行整形，并且施密特触发电路中的迟滞功能可以进一步避免输入电压在阈值电压附近的波动所带来的不期望的干扰。

再者，为了给作为电隔离元件的光耦提供稳定的驱动，根据本实用新型的输入电路优选地还包括一个储能电容C1，其耦合到所述线性稳压器的输出端A。更为优选地，该输入电路还包括一个储能电容C2，其耦合到所述判断电路的输出。储能电容C1和C2的作用是在电压波动时，为后续电路提供瞬时电能，以增强整个电路的稳定性。

此外，本实用新型所提出的输入电路可以应用在多种不同的工业控制领域。优选地，所述输入电路可以用于数字保护继电设备。

附图说明

本实用新型的目的、特点、特征和优点通过以下结合附图的详细描述将变得更加显而易见。其中：

图1示出了现有技术中继电保护装置的结构框图；

图2示例性地示出了根据本实用新型一个实施例的输入电路的结构框图；

图3示例性地示出了根据本实用新型另一个实施例的输入电路的结构框图；

图4示例性地示出了根据本实用新型另一个实施例的输入电路的测试结果。

具体实施方式

以下将结合附图描述本实用新型的各个实施例。通过以下描述，本实用新型的上述优势将会更容易理解。

图2示例性地示出了根据本实用新型一个实施例的二进制量输入电路的结构框图。如图2所示，二进制输入电路200包括输入端210(BI_IN和COM)、输出端220、判断电路230、线路稳压器240、电隔离元件250。

如图2所示，输入端210可以包括两个端子BI_IN_1和COM。其中BI_IN_1可以连接到一个外部继电器的触点的一个引线，COM可以连接到该触点的另一个引线。通常，COM可以作为不同输入量的公共端，其一般为地(GOUND)。优选地，在输入端的每个个端子所在路径上还设置有限流电阻R1和R2，以避免大电流损坏元件。图2中的输出端220用于连接到一个微处理器，以便将根据输入端210的输入电压Vin识别出的逻辑电平(“1”或“0”)发送给微处理器。如前所述，由于输入端210直接连接到外部继电器，其输入电压Vin可能为例如额定直流电压24V、48V、60V、110V、125V、220V或250V，或者例如交流电压115V或230V。输出端220因要连接到微处理器，其输出电压需要与微处理器的输入电压范围相匹配，例如为0-5V。

输入电路200中的判断电路230用于对来自输入端210的输入电压Vin进行阈值判断。可选地，在判断电路230和输入端210之间还可以设置一个整流电路，例如图2所示的一个整流二极管D1，以免电流反向流动。在图2所示的例子中，判断电路230由一个串联在输入电压路径中的齐纳二极管D2构成。齐纳二极管D2的阴极连接到输入端BI_IN_1。这样，只有当输入电压Vin大于D2的阈值电压Vth时，D2才会因被反向击穿而导通，从而使得该输入电压Vin输送到线性稳压器240，即形成有效电压Ve。例如，假设输入电压Vin来自以额定110V直流供电的外部继电器，则D2可以选用阈值电压Vth为88V的齐纳二极管。这里，齐纳二极管还可以采用其他方式连接到输入电路200中。例如D2可以与一个限流电阻串联连接在输入电压路径中，其效果与图2所示例子基本相同。

线性稳压器240可以是普通的线性稳压器，也可以是低压差线性稳压器(LDO：LowDropout Regulator)。线性稳压器240是一种成本低、封装小、外围器件少且抗干扰的降压元件。此外，线性稳压器240的输入电压范围较宽，以Supertex公司的线性稳压器LR8为例，其输入电压范围在例如13.2V～450V之间。另外，由于线性稳压器一般配有限流功能，因而其稳定性和一致性较好。线性稳压器240一般包括至少三端，即稳压器输入端K、稳压器输出端A以及一个电压反馈端(也称作调节端)V_REF。其中稳压器输入端K的输入电压V_K需要大于稳压器输出端A的输出电压V_A。V_REF用于获得输出反馈，即V_A的大小。根据采样的V_A，稳压器240在其内部控制一个调整管(工作在线性工作区)的管压降，从而提供稳定的输出V_A。

在本实用新型的实施例中，线性稳压器240均配置成一个恒压源。图2给出了一个最简单的恒压源配置的例子，即，在稳压器输出端A耦合一串联分压电路241。串联分压电路241可以包括多个串联电阻。串联分压电路241的分压点B连接到稳压器240的电压反馈端V_REF。在图2所示例子中，串联分压电路241优选包括两个串联的电阻R3和R4。V_REF从电阻R3上获取V_A的反馈值。这样，通过合理选择电阻R3和R4的大小，线性稳压器240的输出V_A可以配置成恒定在例如5V的驱动电压Vd。

具体地，假设线性稳压器240采用Supertex公司的稳压器LR8，其内部V_A和V_REF之间的压差恒定在1.20V，且在V_REF端限流在例如I_ADJ＝10μA，这样则可得到在稳压器输入端V_K为有效值(V_K例如大于13.2V时)时，其输出V_A或称为Vd为：

V_A＝Vd＝1.20V*(1+R3/R4)+I_ADJ*R3。

为了使得线性稳压器240工作更稳定，优选地在其输出端A耦合一个电容C1。更为优选地，为电容C1配置一个与之串联的限流电阻R5，以限制在稳压器240上电时电容的充电电流。

在输入电路200中还配置了电隔离元件250，用于将输入端210的输入电压与微处理器侧隔离开来，以免来自输入端210的大电压或电流损坏微处理器侧的元件。优选地，电隔离元件可以选用如图2所示的光耦。当然，如本领域技术人员所熟知的，电隔离元件还可以采用其他能够实现电隔离的元件。在图2中，光耦的发光二极管的阳极连接到线性稳压器240的输出，发光二极管的阴极经由限流电阻R6连接到COM端。这里，R5和R6均可以视作光耦的限流电阻。光耦的光敏三极管耦合到输出端220。具体地，光敏三极管的集电极经由一个上拉电阻R7连接到微处理器侧的电源Vcc＝+5V，其射极连接到微处理器侧的地(GND)。

由此，当输入端210处的输入电压Vin低于判断电路230中齐纳二极管D2的阈值电压Vth(例如88V)时，判断电路无有效输出，即没有电流流入线性稳压器240，从而线性稳压器240不工作。这时，光耦250中的发光二极管也因没有来自线性稳压器240的驱动电流而无法点亮，导致光敏三极管关断，从而输出端220的输出(Vout)为一个逻辑高电平V_H(例如5V)。相反，当输入端210处的输入电压Vin高于判断电路230中齐纳二极管D2的阈值电压Vth(例如88V)时，判断电路输出有效电压，电流流入线性稳压器240，从而线性稳压器240输出稳定的驱动电压，如+5V。这样，光耦250中的发光二极管在线性稳压器240的驱动下点亮，光敏三极管导通，并进而使得输出端220的输出Vout从一个逻辑高电平V_H切换到一个逻辑低电平V_L(例如0V)。

图3示例性地示出了根据本实用新型的另一个实施例的输入电路300。在图3中，输入电路300的线性稳压器240和光耦250与图2所示相同，这里不再赘述。与图3不同的是输入电路300还包括整流桥360、带有跳线的判断电路330、储能电容C2、滤波器370以及施密特触发器380。

具体地，如图3所示判断电路330包括两个串联的齐纳二极管D3和D4。其中，D3的两端跨接有旁路跳线开关J3。根据实际需要，旁路跳线开关J3可以选择性地导通，以旁路齐纳二极管D3。例如，假设每个齐纳二极管的阈值电压均为88V，那么如果跳线J3断开，则两个齐纳二极管D3和D4串联，相应地该判断电路330的阈值电压为2*88＝176V。当J3导通时，只有齐纳二极管D4起作用，判断电路330的阈值电压为88V。当然，本领域技术人员可以理解的是，根据实际阈值电压的需求，齐纳二极管的数目、连接方式，以及每个齐纳二极管的阈值均可以进行灵活选择。

此外，在图3所示的输入电路中，优选地，用整流桥360替代了图2中的单个整流二极管。整流桥360的使用可以适应输入电压Vin为双极性电压的情况。这里，整流电路的设计主要目的是在输入端接反时避免反向电流损坏电路元件。

再者，在图3所示例子中还优选地在线性稳压器240的输入端K耦合一个储能电容C2。电容C2和C1的目的均是为了给光耦提供稳定的驱动电流。耦合在稳压器输入端K的储能电容C2能够在输入电压Vin波动时，为线性稳压器240提供瞬时的电能供给。而耦合在输出端A的电容C1是在线性稳压器240的输出V_A波动时提供瞬时的电能补偿。

另外，在输出侧，图3所示的电路200可选地还包括一个低通滤波电路370和一个施密特触发电路380。如图3所示，低通滤波电路370例如包括由电阻R8和电容C3构成的RC低通滤波电路，以滤除将要送入微处理器的信号中的高频干扰。施密特触发电路380优选设置在低通滤波电路的输出和输出端220之间或者直接耦合到输出端220，用于对光耦输出的信号进行波形整形，并且施密特触发电路还提供迟滞功能，从而能够避免因输入电压在阈值电压附近波动而带来的信号干扰。经施密特触发电路380整形后的波形基本为方波。

图4示出了根据图3所示的BI电路300的测试结果。如图4所示，从低逻辑电平到高逻辑电平的上升响应时间大概在500μs，从高逻辑电平到低逻辑电平的下降响应时间在大约1.3ms，而且输出信号没有明显波动。

与现有的BI电路相比，本实用新型提出的利用线性稳压器，且将其配置成恒压源来驱动光耦的设计，结构简单、元件数目少、成本低。而且，由于线性稳压器具有限流功能，因而如此设计的BI通道稳定性和一致性良好。此外，由于将线性稳压器配置成恒压源不需要大电容来形成恒流源，因而上升时间得以降低。因此，总体上讲，本实用新型提出的BI电路能够以低成本实现令人满意的性能。此外，由于线性稳压器的输入电压范围宽，因而本实用新型提出的BI电路能够通过更改跳线来配置相关的阈值，就可以适应不同额定电压下的输入量。

本领域技术人员应当理解，上面所公开的各个实施例可以在不偏离实用新型实质的情况下做出各种改变和修改，这些改变和修改都应当落在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应当由所附的权利要求书来限定。

Claims

1.一种二进制量的输入电路，其特征在于：该输入电路(200，300)包括：

输入端(210)，用于接收输入电压(Vin)；

输出端(220)，用于输出第一逻辑电平(V_H)或第二逻辑电平(V_L)；

判断电路(230)，耦合到所述输入端(210)，用于当所述输入电压(Vin)高于一个预定阈值(Vth)时输出一有效电压(Ve)；

线性稳压器(240)，其配置成恒压源，且其输入耦合到所述判断电路(230)的输出，并在所述判断电路(230)的输出为有效电压(Ve)时输出一驱动电压(Vd)；

电隔离元件(250)，其输入耦合到所述线性稳压器(240)的输出，其输出耦合到所述输出端(220)；

其中，所述电隔离元件配置成在所述线性稳压器(240)的输出未达到所述驱动电压(Vd)时，所述电隔离元件(250)输出第一逻辑电平(V_H)；在所述线性稳压器(240)的输出为所述驱动电压(Vd)时，所述电隔离元件的输出从第一逻辑电平(V_H)切换到第二逻辑电平(V_L)。

2.如权利要求1所述的输入电路，其特征在于：

所述线性稳压器(240)至少包括：稳压器输入端(K)、稳压器输出端(A)以及电压反馈端(V_REF)；

其中，所述电压反馈端(V_REF)用于接收所述稳压器输出端(A)的输出电压(V_A)的采样值，以控制所述稳压器输出端(A)输出一恒定的所述驱动电压(Vd)。

3.如权利要求2所述的输入电路，其特征在于，所述输入电路(200，300)包括：

串联分压电路(R3，R4)，其耦合到所述稳压器输出端(A)，且所述电压反馈端(V_REF)连接到所述串联分压电路的分压点(B)，其中所述串联分压电路(R3，R4)中分压电阻(R3，R4)的大小决定了所述稳压器输出端(A)输出的驱动电压(Vd)的大小。

4.如权利要求3所述的输入电路，其特征在于，所述判断电路(230)包括一个齐纳二极管(D2)，该齐纳二极管的反向击穿电压为所述阈值电压(Vth)。

5.如权利要求3所述的输入电路，其特征在于，所述判断电路(330)包括：

两个或两个以上的齐纳二极管(D3、D4)，这些齐纳二极管彼此串联连接；

至少一个旁路跳线开关(J3)，其每一个跨接在一个所述齐纳二极管(D3)的两端，用于选择性的旁路该齐纳二极管。

6.如权利要求4或5所述的输入电路，其特征在于，所述判断电路(230，330)串联在所述输入电压的路径中。

7.如权利要求1所述的输入电路，其特征在于，所述输入电路(200，300)还包括连接在所述输入端(210)和所述判断电路(230)之间的整流电路。

8.如权利要求7所述的输入电路，其特征在于，所述整流电路包括一个整流二极管(D1)或者一个整流桥(360)。

9.如权利要求1所述的输入电路，其特征在于，所述输入电路(300)还包括低通滤波器(370)，其耦合在所述电隔离元件(250)的输出和所述输出端(220)之间。

10.如权利要求1所述的输入电路，其特征在于，所述输入电路(300)还包括耦合到所述输出端(220)的施密特触发电路(380)。

11.如权利要求1所述的输入电路，其特征在于，所述输入电路(300)还包括一个储能电容(C2)，其耦合到所述判断电路(230，330)的输出，以在所述判断电路(230，330)的输出波动时，为后续电路提供瞬时电能。

12.如权利要求1所述的输入电路，其特征在于，所述输入电路(200，300)还包括一个储能电容(C1)，其耦合到所述线性稳压器(230)的输出端(A)。

13.如权利要求1所述的输入电路，其特征在于，所述电隔离元件为光耦。