CN204945282U - 一种适用于多种防雷元件特性检测的综合系统 - Google Patents

Abstract

一种适用于多种防雷元件特性检测的综合系统，包括高压发生电路、闭合反馈电路、输出切换电路、恒流源电路、SPD自锁电路、和测试信号处理电路；测试信号处理电路包括信号测试接口、AD采样电路、硬件时钟、外部存储器、静电测试仪、上位机通信接口、单片机系统；另还包括信号短路、断路、插入阻抗测试电路、插入损耗接口；所述的高压发生电路采用推挽式变压器开关电源，用于提供测试压敏电阻、绝缘电阻、TVS管功能的测试电压；所述的闭合反馈电路用于实现固定电压输出，通过反馈，实现电压的稳定输出；所述的恒流源电路用于压敏电阻压敏电压的测试；所述的SPD自锁电路用于气放管启动电压测试的反馈自锁。

Description

一种适用于多种防雷元件特性检测的综合系统

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，具体涉及一种能够适用于多种防雷元件特性检测的综合系统。

背景技术

目前，普通的防雷检测仪器普遍存在测量精度低、检测项目单一等现象。常见的浪涌保护器包括压敏电阻、气体放电管和TVS管三种元件，但市面上的防雷测试仪仅能对压敏电阻和气体放电管两种元件进行测试，因此功能还不是很完善。一台专用于计算机网卡防护的网络避雷器，共有8路输入输出，常出现譬如断线、交叉短路和插入损耗过大等问题。要对网络避雷器进行完全测试，需要使用FLUKE测试仪的部分功能，而一台FLUKE测试仪的价格一般都在6.5万元以上。配电线路和设备常常因为老化或杂质因素，出现绝缘强度下降的现象，容易造成漏电或雷击损坏，因此需要进行绝缘强度测试。一台常规的绝缘电阻测试仪的价格一般都要400元左右。在工业生产中，静电危害极大，因此必须做好静电防护，如何检测静电防护的效果，必须采用专用的静电测量仪器进行测试。此外，由于还没有能够实现上述所有检测项目的测试仪器，在工程施工、检测、验收时，施工及检测人员往往必须携带大量仪器，出行及其不方便。因此需要研究集成电源级防雷器(压敏电阻、气体放电管、TVS管)、信号级防雷器(断线、交叉短路、直流阻抗及插入损耗)、绝缘电阻以及静电测试功能，同时又具有测量实时温度、湿度，记录测试数据及测试时间等功能的综合检测系统。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型目的是，提供一种结构简单、集成度高、功能强、小型化、质量轻、能够高精度测量多种防雷元件特性的综合系统。

本实用新型的技术方案是，一种适用于多种防雷元件特性检测的综合系统，其特征在于，包括高压发生电路、闭合反馈电路、输出切换电路、恒流源电路、SPD自锁电路、和测试信号处理电路；测试信号处理电路包括信号测试接口、AD采样电路、硬件时钟、外部存储器、静电测试仪、上位机通信接口、单片机系统；另还包括信号短路、断路、插入阻抗测试电路、插入损耗接口；所述的高压发生电路是采用推挽式变压器产生2000V的高压开关电源；所述的闭合反馈电路是高压开关电源的反馈电路实现电压的稳定输出；所述的恒流源电路用于压敏电阻压敏电压的测试；所述的SPD自锁电路用于气放管启动电压测试的反馈自锁；所述的输出切换电路用于实现高压输出的正负极性反转，用于测试TVS管两个方向的箝位电压；所述的AD采样电路分为电压采样和电流采样两种，用于对电压和电流信号的采集；所述的信号短路、断路、插入阻抗测试电路用于实现信号级防雷器断线、交叉短路及直流阻抗测试；所述的插入损耗接口用于测试信号级防雷器的插入损耗；单片机系统中一块MCU用于完成信号的采集、处理、存储、界面显示及相关测试操作、通讯处理；硬件时钟、外部存储器、上位机通信接口是单片机系统的外围电路；所述的硬件时钟用于记录测试时间；所述的外部存储器用于记录测试信息；所述的上位机通信接口用于电脑对仪器的数据通信；所述的信号测试接口是对常用的DB25、DB15、DB9、RJ45和RJ11等信号级防雷器的接口扩展。

设有静电测试仪、静电测试仪的输出接信号测试接口。

所述的单片机系统由3块MCU组成，联合工作，2块MCU用于信号级防雷器测试的控制及相关信号的产生，一块MCU用于完成信号的采集、处理、存储、界面显示及相关测试操作、通讯处理。

设有温湿度测试电路，所述的温湿度测试电路用于测试环境的温度和湿度。

所述的SPD自锁电路用于气放管启动电压测试的反馈自锁，在气放管启动瞬间，自锁电路完成上升电压的停止及剩余电流的泄放；

所述的SPD自锁电路用于气放管启动电压测试的反馈自锁，在气放管启动瞬间，自锁电路完成上升电压的停止及剩余电流的泄放。SPD自锁电路是具有高安全性的自锁气放管启动电压并泄放剩余电流电路，包括气放管放电端的测量回路、电流采样电路、可调基准电路、第一比较器1、基准电路、第二比较器2、自锁释放控制信号、剩余电流泄放控制电路单片机；所述的电流采样电路采用三运放差分电路对微弱电流进行放大采集，串接在气放管放电端的测量回路中，用于检测气体放电管，在施加气体放电管电压以一定速率上升时，气放管放电端测量回路中得到电流变化情况；所述的可调基准电路用于调节比较值，以便第一比较器1在气体放电管启动瞬间能够工作；第一比较器的正端接可调基准电路的输出，第一比较器的负端接电流采样电路输出，第一比较器的输出接第二比较器的正端输入；所述的第一比较器1采用比较器LM393，用于产生低电平信号即自锁信号；所述的基准电路接第二比较器的负端，用于产生第二比较器2的比较信号；所述的第二比较器2采用比较器LM393，用于对第一比较器1产生的低电平信号即锁定信号进行锁定；所述的自锁释放控制信号用于控制单片机对自锁的释放；所述的剩余电流泄放控制电路通过自锁信号来产生一个控制信号，用于控制并接在气放管放电端测量回路中的开关管或干簧继电器K801A的导通及关断；所述的自锁信号一方面用于提供给单片机停止测量的信号，另一方面用于控制剩余电流泄放电路的启动，还有一方面用于复位施加在气放管上的高压发生电路，停止高压发生电路电压的继续输出。

电路具体工作过程如下：当气体放电管自身电压低于其启动电压时，气体放电管相当于断路情况，其阻抗无限大，因此电流采样时，电压很小，第一比较器1的正端电压高于负端电压，第一比较器1输出高电平。当电流采样电压上升到气体放电管启动电压瞬间，气体放电管瞬间启动，相当于短路情况，回路中电流很大，使比较器1的负端电压高于正端电压，第一比较器1输出低电平，即产生自锁信号。第二比较器2的负端电压高于正端电压，第二比较器2输出低电平，该低电平通过自锁信号反馈线路，使第二比较器2维持输出低电平，达到锁定功能。同时自锁信号提供给单片机停止测量信号，气放管放电端的测量回路断路，开启剩余电流泄放电路，并且复位电压发生电路，停止电压的输出。

自锁释放原理：在进行新的气放管测量前，需对自锁电路进行释放。由控制MCU通过自锁释放控制信号线路给第1比较器的输出端一个持续的高电平，此时第2比较的正端电压高于负端电压，第2比较器输出高电平，泄放回路断开，MCU再次输出低电平，完成自锁释放动作。此时自锁电路可再次使用。

本实用新型的有益效果是，本实用新型提出适用于多种防雷元件特性检测的综合系统，集成了压敏电阻、气体放电管、TVS管、绝缘电阻、插入损耗、静电测试、信号级防雷器的断线、碰线、短路及其直流阻抗测试功能，同时还具有大容量存储器，可存储500测试记录，并支持环境温度，湿度的测试。具有功能多、集成度高、小型化、测量精度高、结构简单、易实现和成本低廉等有益技术效果。

附图说明

图1是本实用新型适用于多种防雷元件特性检测的综合系统功能模块图。

图2是本实用新型SPD自锁电路即具有高安全性的自锁气放管启动电压并泄放剩余电流电路系统功能模块图；

图3是本实用新型图2的电路原理图。

图4是本实用新型高压发生电路系统原理图。

图5是本实用新型恒流源电路。

图6是本实用新型输出切换电路图。

图7是本实用新型硬件时钟电路。

图8是本实用新型外部存储电路。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供的一种适用于多种防雷元件特性检测的综合系统，包括高压发生电路、恒流源电路、SPD自锁电路、AD采样电路、闭合反馈电路、输出切换电路、信号短路、断路、插入阻抗测试电路、温湿度测试电路、插入损耗接口、硬件时钟、外部存储器、静电测试仪、上位机通信接口、信号测试接口、单片机系统。所述的高压发生电路采用推挽式变压器开关电源用以产生2000V的高压，用于测试压敏电阻、绝缘电阻、TVS管等功能。同时能够实现电压以100V/S的速率上升的功能，用于气体放电管的启动电压测试。所述的恒流源电路用于压敏电阻压敏电压的测试。所述的SPD自锁电路用于气放管启动电压测试的反馈自锁，在气放管启动瞬间，自锁电路完成上升电压的停止及剩余电流的泄放。由峰值保持电路维持启动瞬间的电压，用于测试。所述的AD采样电路分为电压采样和电流采样两种，用于对信号的采集。所述的闭合反馈电路用于实现固定电压输出，通过反馈，实现电压的稳定输出。所述的输出切换电路用于实现高压输出的正负极性反转，用于测试TVS管两个方向的箝位电压。所述的信号短路、断路、插入阻抗测试电路用于实现信号级防雷器断线、交叉短路及直流阻抗测试。所述的温湿度测试电路用于测试环境的温度和湿度。所述的插入损耗接口用于测试信号级防雷器的插入损耗。所述的硬件时钟用于记录测试时间。所述的外部存储器用于记录测试信息。所述的静电测试仪用于静电测试。所述的上位机通信接口用于电脑对仪器的数据通信。所述的信号测试接口针对常用的DB25、DB15、DB9、RJ45和RJ11等信号级防雷器的接口扩展。所述的单片机系统由3块MCU组成，联合工作，2块MCU用于信号级防雷器测试的控制及相关信号的产生，1块MCU用于完成信号的采集、处理、存储、界面显示及相关测试操作、通讯处理。

本实用新型设计的一种适用于多种防雷元件特性检测的综合系统，能够实现利用一台仪器测量多种防雷器件的电子特性，如电源级SPD的压敏电阻SPD漏电流测试、压敏电压测试、间隙型SPD启动电压测试，信号级防雷器的带内插入损耗测试、带内插入电阻测试、通断测试、碰线测试，TVS管箝位电压测试，绝缘电阻以及静电测试。本实用新型设计的系统具有功能多、可靠性高、易于实现、结构简单、集成度高且成本低廉的优点。

如图2所示，本实用新型设计了一种具有高安全性的自锁气放管启动电压并泄放剩余电流电路系统，包括电流采样电路、可调基准电路、比较器1、基准电路、比较器2、自锁释放控制信号、剩余电流泄放控制电路。所述的电流采样电路采用三运放差分电路对微弱电流进行放大采集，串接在测量回路中，用于检测气体放电管在电压以一定速率上升时，回路中的电流变化情况；所述的可调基准电路用于调节比较值，以便比较器1在气体放电管启动瞬间能够工作；所述的比较器1采用比较器LM393，用于产生自锁的低电平信号；所述的基准电路用于产生比较器2的比较信号；所述的比较器2采用比较器LM393，用于对比较器1产生的低电平信号进行锁定；所述的自锁释放控制信号用于控制单片机对自锁的释放；所述的剩余电流泄放控制电路通过自锁信号来产生一个控制信号，用于控制并接在测量回路中的干簧继电器K801A的导通及关断；所述的自锁信号一方面用于提供给单片机停止测量的信号，另一方面用于控制剩余电流泄放电路的启动，还有一方面用于复位高压发生电路，停止电压的继续输出。

如图3所示，一种具有高安全性的自锁气放管启动电压并泄放剩余电流电路系统，F_I为电流采样电路的电流检测端，二极管D806正端接高压发生电路的电流控制型PWM控制器SG3525第8脚。G3525的8引脚为软启动接入端，其上接一个软启动电容，只有软启动电容充电至其上的电压为高电平时，SG3525才开始工作。当第8脚被拉低后，SG3525将软启动，使电压上升输出结束。K801A为泄放电流继电器，当继电器K801A闭合后，将对测量回路中存贮的电荷进行泄放。

LM393为运算放大器，C815电容进行滤波，使U803B第5引脚电平平滑。第5引脚和第2引脚通过外围电路已设置号电压值，滑动变阻器RV2可以调节第5脚的电压值，通过滑动变阻器的调节，可以使引脚5的电压有0V至4V之间的变化范围。2引脚基准电压通过R824和R823分压比已设置好，其输入到2引脚的电压值约为1.57V。

在U803B中，当同相输入端5引脚的电压大于反相输入端6脚的电压值时，7引脚电压输出高电平，否则，当同相输入端电压小于反相输入端电压时，7引脚输出低电平，同理，U803A比较器相同。

当运放7引脚为低电平时，3脚输出低电平，同时通过R826将输出反馈到第7脚，使该电路保持输出低电平状态，达到自锁效果，同时使继电器吸合。

由于继电器线圈K801A电感的存在，关断时会产生反电势，此反电势有可能周围电路造成损害。在继电器输入端并联一个二极管，可以在关断瞬间提供泄放回路，避免尖峰的产生危害电路。

该电路在测量气体放电管启动电压时，具体操作分两步：

第一步：测量前，必须使自锁电路复位，继电器K801A断开。此时，在RES_Discharge脚通过单片机输出一个高电平，持续一段时间后，使U803A输出高电平后，RES_Discharge不输出，此时SG3525可以正常工作，同时三极管Q803截止，继电器K801A断开。

第二步：开始测试后，通过F_I脚检测实时电流增加情况，当电流超过一定值时，U803B输出低电平。此时SG3525软启动脚被拉低，SG3525停止工作，同时继电器K801A闭合，泄放存储点电流。同时LOCK脚提供测试完成信号给单片机，停止测试。结束本次测量，并给出启动电压值。

本实用新型设计的一种具有高安全性的自锁气放管启动电压并泄放剩余电流电路系统，当气放管两端电压升高到启动电压的瞬间，导通电路瞬间增大，可以在气体放大管启动瞬间测量出启动电压及同时关闭电压输出、对剩余电荷进行泄放，防止测试人员被电击。本实用新型设计的系统具有测量精度高、功能多、可靠性高、易于实现，安全性高、结构简单且成本低廉的优点。

添加的高压发生电路系统原理图4，如图4所示，一种用于检测SPD产生2000V电压的高压发生电路系统原理，在变压器的中心抽头加入12V直流电压，输出部分采用二极管、电容构成的全波两倍压电路，实现整流，同时降低变压器次级线圈的匝数。在输出点上设有分压电阻，采样的电压通过比较器反馈到SG3525的2脚上，以调节控制输出的方波占空比来稳定输出的电压。同时，在输出点上采用电阻采样回路电流的方式，通过比较器反馈到SG3525的2脚上，实现对输出回路电流的稳定，达到恒流输出的效果。包含了闭合反馈电路闭环反馈电路主要为电路中的过流、过压反馈电路，通过这些电路实现对输出电压、输出电流的控制，达到电压、电流的稳定。过压保护通过电压输出端分压电阻串R881～R888与电阻R878分压产生，同时采样SG3525输出的基准电压，通过与PWM控制信号进行比较，经比较器U802B实现过压保护及稳定电压输出。

恒流源电路如图5所示，图5中，通过控制I_control脚电平的控制，实现1mA基准和0.1mA基准的切换。PJ431精密可调基准电源由如下特点：稳压值从2.5V～36V连续可调，参考电压原误差为±1.0％，低动态输出电阻，典型值为0.22Ω，输出电流1.0～100mA；全温度范围内温度特性平坦，典型值为50ppm，低输出电压噪声。当I_control为高电平时，三极管Q805导通，I_VREF电平由Q807给出，通过调节RV/0.1实现电压的调节，输出基准为0.1mA的基准。当I_control为低电平时，三极管Q805断开，I_VREF电平由Q807和Q807共同给出，通过调节RV/1.0实现电压的调节，输出基准为1mA的基准。

AD采样电路，AD采样电路主要指针对不同测量档位，通过运放电路实现的各种信号放大电路。

闭环反馈电路，闭环反馈电路主要为电路中的过流、过压反馈电路，通过这些电路实现对输出电压、输出电流的控制，达到电压、电流的稳定。

输出切换电路如图6所示：图6电路中，电路通过继电器控制高压输出端的正极和负极的切换，以便在测量双向TVS管时,更加快捷的测量两个方向的箝位电压。

信号短路、断路、插入阻抗测试电路可以参本申请公开的电路。

温湿度测试电路，温湿度测量电路采用AM2302模块实现，该模块由5V供电，通过单总线协议读取实时的温度值和湿度值。

插入损耗接口，采用固定频率的方式测试电气系统中插入损耗，测试固定频率为12MHz(即采用串联型晶体振荡电路产生12MHz正弦波作为测试插入损耗的测试信号)。

该振荡器采用两级放大电路及一级射极跟随器组成，石英晶体Y₁除了构成反馈电路外，还具有选频功能，其选频频率f₀＝f_s，电位器R₃用来调节反馈信号的幅度。

判断反馈电路的类型如下：

因为信号是反馈到Q₂发射极，现假设Q₂发射极电压瞬时极性为“+”，Q₂集电极电压极性为“+”(发射极与集电极是同相关系，当发射极电压上升时集电极电压也上升)，Q₁的基极电压极性为“+”，Q₁发射极电压极性也为“+”，该极性的电压通过C₂，Y₁反馈到Q₂的发射极，反馈电压极性与假设的电压极性相同，故该反馈为正反馈。

电路的振荡过程如下：

接通电源后，三极管Q₁、Q₂导通，Q₁发射极输出变化的电流I_e中包含各种频率的信号，石英晶体Y₁对其中的f₀信号阻抗最小，f₀信号经C₂、Y₁和R₃反馈到Q₂的发射极，该信号经Q₂放大后从集电极输出，又加到Q₂放大后从发射极输出，然后又通过C₂、Y₁和R₃反馈Q₂放大，如此反复进行，Q₁输出的f₀信号幅度越来越大，Q₁、Q₂组成的放大电路放大倍数越来越小，当放大倍数等于反馈衰减系数时，输出f₀信号幅度不再变化，电路输出稳定的f₀信号。Q₃构成的射极跟随器用于提高数功率，防止负载对输入信号的干扰。

单刀双掷继电器K₁用于切换假负载50Ω和75Ω。其中，为了防止电路长期工作，增大功耗。对电源V12采用三极管控制，在测试需要时才打开电源电路，给振荡电路提高工作电压。

硬件时钟3V可充，硬件时钟电路采用PCF85163完成，该电路采用单独的锂电池供电，保证断电后时钟不丢失，开机后，通过5V电压供电，且完成对锂电池的充电。

采用3V可充电锂电池供电。防止断电后，时钟错乱。该电路主要用于为系统提供可靠的时钟，用于测试时刻的记录。可通过上位机软件或手动设置方式校时，保证系统时钟的准确性。

图7硬件时钟电路中，稳压二极管D14型号为3.3V0.5W，用于对锂电池BT1充电保护，防止电压过高对电池的损坏。二极管D1用于防止在无外接电源时，锂电池对其他电路进行放电。同时保证，当外接电源时，时钟芯片PCF85163采用外接电源供电，同时对锂电池进行充电。

图8外部存储电路，外部存储器采用CAT24CXX系列(如CAT24WC64、CAT24WC128、CAT24WC256)串行E²PROM完成，保证测量数据掉电不丢失，并可根据需求扩展存储空间。

静电测试仪，静电测试仪由24V供电，采用日本小金井静电电位EP传感器DTY-EPS-10L/DTY-EPU，实现静电的实时测量。

上位机通信电路采用磁隔离芯片ADUM4160和CH341组成，实现电脑通过USB接口对仪器的测量操作。ADuM41601是一款采用ADI公司iCoupler技术的USB端口隔离器，它将高速CMOS工艺与芯片级变压器技术相结合，可提供优异的工作性能，并且很容易与低速和全速USB兼容外设集成。工作温度最高可达105℃，高共模瞬变抗扰度:>25kV/μs。

单片机系统，采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机，该单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机。闭环反馈电路主要为电路中的过流、过压反馈电路，通过这些电路实现对输出电压、输出电流的控制，达到电压、电流的稳定。

综上，通过建立并实施本实用新型设计的具有高安全性的自锁气放管启动电压并泄放剩余电流电路系统，能够实现对气放管启动电压测量并泄放剩余电流功能，对于防雷仪器、元件的测试准确性及测试人员的安全性具有重要意义，具有广阔的市场应用前景与经济价值。

综上，通过建立并实施本实用新型设计的适用于多种防雷元件特性检测的综合系统，集成了压敏电阻、气体放电管、TVS管、绝缘电阻、插入损耗、静电测试、信号级防雷器的断线、碰线、短路及其直流阻抗测试功能，同时还具有大容量存储器，可存储500测试记录，并支持环境温度，湿度的测试。对于防雷仪器、元件的测试准确性及测试人员的安全性具有重要意义，具有广阔的市场应用前景与经济价值。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种适用于多种防雷元件特性检测的综合系统，其特征在于，包括高压发生电路、闭合反馈电路、输出切换电路、恒流源电路、SPD自锁电路、和测试信号处理电路；测试信号处理电路包括信号测试接口、AD采样电路、硬件时钟、外部存储器、静电测试仪、上位机通信接口、单片机系统；另还包括信号短路、断路、插入阻抗测试电路、插入损耗接口；所述的高压发生电路是采用推挽式变压器产生2000V的高压开关电源；所述的闭合反馈电路是高压开关电源的反馈电路实现电压的稳定输出；所述的恒流源电路用于压敏电阻压敏电压的测试；所述的SPD自锁电路用于气放管启动电压测试的反馈自锁；所述的输出切换电路用于实现高压输出的正负极性反转，用于测试TVS管两个方向的箝位电压；所述的AD采样电路分为电压采样和电流采样两种，用于对电压和电流信号的采集；所述的信号短路、断路、插入阻抗测试电路用于实现信号级防雷器断线、交叉短路及直流阻抗测试；所述的插入损耗接口用于测试信号级防雷器的插入损耗；单片机系统中一块MCU用于完成信号的采集、处理、存储、界面显示及相关测试操作、通讯处理；硬件时钟、外部存储器、上位机通信接口是单片机系统的外围电路；所述的硬件时钟用于记录测试时间；所述的外部存储器用于记录测试信息；所述的上位机通信接口用于电脑对仪器的数据通信；所述的信号测试接口是对常用的DB25、DB15、DB9、RJ45和RJ11等信号级防雷器的接口扩展。

2.根据权利要求1所述的综合系统，其特征在于，设有静电测试仪、静电测试仪的输出接信号测试接口。

3.根据权利要求1所述的综合系统，其特征在于，设有温湿度测试电路，所述的温湿度测试电路用于测试环境的温度和湿度。

4.根据权利要求1所述的综合系统，其特征在于，所述的SPD自锁电路包括气放管放电端的测量回路、电流采样电路、可调基准电路、第一比较器、基准电路、第二比较器、自锁释放控制信号、剩余电流泄放控制电路单片机；所述的电流采样电路采用三运放差分电路对微弱电流进行放大采集，串接在气放管放电端的测量回路中，用于检测气体放电管；第一比较器的正端接可调基准电路的输出，第一比较器的负端接电流采样电路输出，第一比较器的输出接第二比较器的正端输入；所述的第一比较器采用比较器LM393，用于产生低电平信号即自锁信号；所述的基准电路接第二比较器的负端，用于产生第二比较器的比较信号；所述的第二比较器采用比较器LM393，用于对第一比较器产生的低电平信号即锁定信号进行锁定；所述的自锁释放控制信号用于控制单片机对自锁的释放；所述的剩余电流泄放控制电路通过自锁信号来产生一个控制信号，用于控制并接在气放管放电端测量回路中的开关管或干簧继电器K801A的导通及关断。