专利名称：一种开关量采集隔离电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关量采集隔离电路，尤其是涉及一种前端输入电流恒定的开关量采集隔离电路。
背景技术：
开关量输入采集电路作为一种基本输入电路，它的任务是完成现场开关量的状态信息采集处理，将外部的电气信号转换成内部电路使用的低压数字信号，配合现场设备完 成相应的控制，在物理布置上最接近现场执行机构，工作环境恶劣，可靠性要求高。现有的该类型电路采用的是电阻分压形式，输入电流随输入电压的变化而变化，参数计算过程较复杂，并且不利于相关器件稳定工作，在输入电压较大的情况下，电路消耗功率也较大，会引起电路发热，影响周围电路正常工作。一种现有技术为南京南瑞继保电气有限公司和南京南瑞继保工程技术有限公司于2009年07月24日申请，并于2011年02月02日公开，公开号为CN 101964653A的中国发明专利申请《开关量输入电路》。该电路通过R4和R5电阻分压，待R5上的电压达到稳压二级管Zl的击穿电压值后，电路就满足了电压导通条件，随着输入电压的增加，电路的电流也逐渐增加，满足光耦的电流导通条件后，输入结果反馈一个高电平给执行机构，表明输入电路导通。以往电路的技术缺点
(1)以往的输入电路采用电阻分压的方式来采集分压电阻上的电压来完成电路的导通，电路的电流随外部开关量电压的变化而变化，计算复杂、精度较低、功耗较大，不利于光电率禹合器长期稳定工作；
(2)电路计算复杂，需要计算电压满足条件，再计算电流满足条件，还需计算光电耦合器电流传输比需满足的条件，还应考虑电路降额等；
(3)电路功耗相对高。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关量采集隔离电路，该电路在开关量输入信号采集过程中能够确保输入电流的恒定，保证光电耦合器可靠稳定的工作，电路计算简单，功率较低，电路发热量少。为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种开关量采集隔离电路的技术实现方案，一种开关量采集隔离电路，包括反向保护单元、电流恒定单元、电压测量单元和光电隔离单元。开关量信号输入至反向保护单元，反向保护单元与电流恒定单元相连，反向保护单元保护开关量信号输入与地接反后不会损坏电路。电流恒定单元在满足电压开通条件后，恒定电路中的输入电流。电压测量单元与电流恒定单元相连，电压测量单元控制门槛电压，以达到电路开通的电压信号条件。光电隔离单元与电压测量单元相连，光电隔离单元进行外部输入信号和内部控制信号的隔离，避免外部输入信号干扰及外部故障引起的内部电路损坏。作为本发明一种开关量采集隔离电路技术方案的进一步改进，电流恒定单元包括第二三极管和第二电阻，第二电阻连接在第二三极管的门极和发射极之间，第二三极管的发射极与防反二极管的阴极相连，第二三极管的门极和集电极与电压测量单元相连。作为本发明一种开关量采集隔离电路技术方案的进一步改进，电压测量单元包括第一三极管、稳压二极管和第一电阻，第一电阻连接在第一三极管的门极与集电极之间，稳压二极管的阴极与第一三极管的集电极相连，稳压二极管的阳极与光电隔离单元相连，第一三极管的发射极与第二三极管的门极相连，第一三极管的门极与第二三极管的集电极相连。作为本发明一种开关量采集隔离电路技术方案的另一种改进，电压测量单元包括第一三极管、稳压二极管和第一电阻，第一电阻和稳压二极管串联在第一三极管的门极与集电极之间，稳压二极管的阴极与第一电阻相连，稳压二极管的阳极与光电隔离单元相连，稳压二极管的阳极同时还与第一三极管的集电极相连，第一三极管的发射极与第二三极管 的门极相连，第一三极管的门极与第二三极管的集电极相连。作为本发明一种开关量采集隔离电路技术方案的进一步改进，光电隔离单元包括光耦模块和第三电阻，光耦模块包括发射端和接收端，发射端的发光二极管的阳极与稳压二极管的阳极相连，发射端的发光二极管的阴极与输入的接地端相连，第三电阻连接在光耦模块的接收端与地之间，光耦模块的接收端与结果输出端相连。作为本发明一种开关量采集隔离电路另一种技术方案的进一步改进，光电隔离单元包括光耦模块和第三电阻，光耦模块包括发射端和接收端，发射端的发光二极管的阳极与第二三极管的门极相连，发射端的发光二极管的阴极与第一三极管的发射极相连，第三电阻连接在光耦模块的接收端与地之间，光耦模块的接收端与结果输出端相连。作为本发明一种开关量采集隔离电路技术方案的进一步改进，反向保护单元包括防反二极管，防反二极管的阳极连接开关量输入信号，防反二极管的阴极连接电流恒定单
J Li o作为本发明一种开关量采集隔离电路技术方案的另一种改进，反向保护单元包括防反二极管，防反二极管的阴极连接地，防反二极管的阳极连接光电隔离单元。作为本发明一种开关量采集隔离电路技术方案的进一步改进，第一三极管的门极与集电极之间的电压Vbc为OV至开关量采集隔离电路的输入电压与门槛电压差值之间。作为本发明一种开关量采集隔离电路技术方案的进一步改进，开关量采集隔离电路的门槛电压为防反二极管的导通压降、第二三极管发射极与集电极之间的电压、稳压二极管的击穿电压和光耦模块发射端的发光二极管的导通电压之和。通过实施上述本发明一种开关量采集隔离电路的技术方案，具有以下技术效果
(1)本发明的电路结构简单，采用二极管集电极与发射极两端电压恒定的特点来确保电路电流不变，能快速容易的计算出输入电流大小；
(2)本发明电路的输入电流全部通过光耦，没有其他电路分出电流，确保了光耦在稳定状态下工作；
(3 )本发明电路总体电流大小降低了，减少了功耗。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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I是现有技术一种开关量输入电路的电路原理 图2是本发明开关量采集隔离电路一种具体实施方式
的结构组成框 图3是本发明开关量采集隔离电路实施例I的电路原理 图4是本发明开关量采集隔离电路实施例2的电路原理图；
图5是本发明开关量采集隔离电路实施例3的电路原理 图6是本发明开关量采集隔离电路实施例4的电路原理 图中1-反向保护单元，2-电流恒定单元，3-电压测量单元，4-光电隔离单元，Ql-第一三极管，Q2-第二三极管，Vl-光耦模块，V2-稳压二极管，V3-防反二极管，Rl-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻。
具体实施例方式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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。如附图2至附图6所示，给出了本发明一种开关量采集隔离电路的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。如附图2所示的一种开关量采集隔离电路的具体实施方式
，包括反向保护单元
I、电流恒定单元2、电压测量单元3和光电隔离单元4，开关量信号输入至反向保护单元1，反向保护单元I与电流恒定单元2相连，反向保护单元I保护开关量信号输入与地接反后不会损坏电路，电流恒定单元2在满足电压开通条件后，恒定电路中的输入电流。电压测量单元3与电流恒定单元2相连，电压测量单元3控制门槛电压，以达到电路开通的电压信号条件。光电隔离单元4与电压测量单元3相连，光电隔离单元4进行外部输入信号和内部控制信号的隔离，避免外部输入信号干扰及外部故障引起的内部电路损坏。如附图3的实施例I所示，电流恒定单元2进一步包括第二三极管Q2和第二电阻R2，第二电阻R2连接在第二三极管Q2的门极和发射极之间，第二三极管Q2的发射极与防反二极管V3的阴极相连，第二三极管Q2的门极和集电极与电压测量单元3相连。电压测量单元3进一步包括第一三极管Ql、稳压二极管V2和第一电阻Rl，第一电阻Rl连接在第一三极管Ql的门极与集电极之间，稳压二极管V2的阴极与第一三极管Ql的集电极相连，稳压二极管V2的阳极与光电隔离单元4相连，第一三极管Ql的发射极与第二三极管Q2的门极相连，第一三极管Ql的门极与第二三极管Q2的集电极相连。光电隔离单元4进一步包括光耦模块Vl和第三电阻R3，光耦模块Vl包括发射端和接收端，发射端的发光二极管的阳极与稳压二极管V2的阳极相连，发射端的发光二极管的阴极与输入的接地端相连，第三电阻R3连接在光耦模块Vl的接收端与地之间，光耦模块Vl的接收端与结果输出端相连。反向保护单元I进一步包括防反二极管V3，防反二极管V3的阳极连接开关量输入信号，防反二极管V3的阴极连接电流恒定单元2。如附图4的实施例2所示，在实施例I的基础上变换稳压二极管V2的位置，电压测量单元3进一步包括第一三极管Ql、稳压二极管V2和第一电阻Rl，第一电阻Rl和稳压二极管V2串联在第一三极管Ql的门极与集电极之间，稳压二极管V2的阴极与第一电阻Rl相连，稳压二极管V2的阳极与光电隔离单元4相连，稳压二极管V2的阳极同时还与第一三极管Ql的集电极相连，第一三极管Ql的发射极与第二三极管Q2的门极相连，第一三极管Ql的门极与第二三极管Q2的集电极相连。如附图5的实施例3所示，在实施例2的基础上变换光电隔离单元4的位置，光电隔离单元4进一步包括光耦模块Vl和第三电阻R3，光耦模块Vl包括发射端和接收端，发射端的发光二极管的阳极与第二三极管Q2的门极相连，发射端的发光二极管的阴极与第一三极管Ql的发射极相连，第三电阻R3连接在光耦模块Vl的接收端与地之间，光耦模块Vl的接收端与结果输出端相连。 如附图6的实施例4所示，在实施例I的基础上变换防反二极管V3的位置，反向保护单元I进一步包括防反二极管V3，防反二极管V3的阴极连接地，防反二极管V3的阳极连接光电隔离单元4。第一三极管Ql的门极与集电极之间的电压Vb。为开关量采集隔离电路的输入电压至门槛电压之间。开关量采集隔离电路的门槛电压为防反二极管V3的导通压降、第二三极管Q2发射极与集电极之间的电压、稳压二极管V2的击穿电压和光耦模块Vl发射端的发光二极管的导通电压之和。以实施例I为例，下面将电路原理分析如下开关量采集隔离电路导通需满足的电压门槛值条件防反二极管V3的导通压降为1.0V，AB两点之间的电压Nm=2^Nb=2^0. 6=1. 2V，稳压二极管V2的击穿电压为5. 6V，光耦模块Vl发射端的发光二极管的导通电压VfS I. 2V，那么导通的门槛电压Vsat=L 0+1. 2+5. 6+1. 2=9V。电路满足电压条件后，随着输入电压的增加，电流基本保持恒定。由于第一电阻Rl阻值较大，可忽略第一电阻Rl上产生的电流，I=Vbe/R2=0. 6V/120 Q =5mA。在电压和电流条件均满足的情况下，电路导通，输出结果是一个高电平，其中开关量采集隔离电路输入电路部分中其他变化的电压均加在第一三极管Ql的基极与集电极两端，即附图中3的B点和C点之间的电压Vb。，其电压范围约为0疒输入电压与门槛电压的差值之间。本发明利用PNP三极管Vbe电压恒定的特点，并联第二电阻R2，产生本电路的固定电流，I=Vbe/R2=0. 6/120=5mA，其中该电流可按实际情况进行调整，调整简单易行。利用PNP三极管Vbe可承受较大电压的特点，将电路中除防反二极管V3、第二三极管Q2、稳压二极管V2和光耦模块Vl发射端的发光二极管的压降外，其他电压全部加载在第一三极管Ql的基极与集电极两端，确保电路的稳定。利用稳压二极管V2稳定电压的特点，基本确定开关量采集隔离电路输入电压的门槛值，其中可通过调整稳压值来确定电压门槛值，调整简单易行。电路具有防反接功能，利用防反二极管V3的特点，确保输入电压接反后不至于导通造成器件损坏。电路具有抗干扰能力，利用光电隔离单元中光耦模块Vl的特点，通过光信号转换成电信号，实现外部电气电路与内部信号电路的电气隔离。同时，电路中没有大功率器件、封装小、占用空间少、功耗低，利于密集型多路使用。本电路适用范围较广，可用于工业领域用24V、36V、48V等以及轨道机车领域用55VU10V等各系统中。本发明具有以下技术效果
(1)采用PNP三极管Vbe电压恒定的特点，稳定电路输入电流；
(2)采用PNP三极管Vbe可承受较大电压的特点，将超过电路门槛值的电压加载在其两端，适用范围广，可应用于多电压等级设计中；
(3)采用光电耦合器进行信号隔离；
(4)采用整流二极管进行反向保护；
(5)采用稳压二极管进行输入电压门槛值的设置； (6)如果采用输入电流恒定的方式，输入电压变化时输入电流不变，那么光耦就能稳定的工作，相对电路计算简单；
(7)本发明具有结构新颖、电路简单、实用可靠、成本低廉，在一定范围内可满足工业现场控制的需求等特点，属于一种集经济实用与稳定可靠为一体的开关量输入采集电路。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。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。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，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做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种开关量采集隔离电路，其特征在于，包括反向保护单元(I)、电流恒定单元(2)、电压测量单元(3)和光电隔离单元(4)，开关量信号输入至反向保护单元(1)，所述反向保护单元(I)与电流恒定单元(2)相连，反向保护单元(I)保护开关量信号输入与地接反后不会损坏电路，电流恒定单元(2)在满足电压开通条件后，恒定电路中的输入电流；所述电压测量单元(3)与电流恒定单元(2)相连，电压测量单元(3)控制门槛电压，以达到电路开通的电压信号条件；所述光电隔离单元(4)与电压测量单元(3)相连，光电隔离单元(4)进行外部输入信号和内部控制信号的隔离，避免外部输入信号干扰及外部故障引起的内部电路损坏。
2.根据权利要求I所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述电流恒定单元(2)包括第二三极管(Q2)和第二电阻(R2)，第二电阻(R2)连接在第二三极管(Q2)的门极和发射极之间，第二三极管(Q2)的发射极与防反二极管(V3)的阴极相连，第二三极管(Q2)的门极和集电极与电压测量单元(3)相连。
3.根据权利要求2所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述电压测量单元(3)包括第一三极管(Q1)、稳压二极管(V2)和第一电阻(R1)，第一电阻(Rl)连接在第一三极管(Ql)的门极与集电极之间，稳压二极管(V2)的阴极与第一三极管(Ql)的集电极相连，稳压二极管(V2)的阳极与光电隔离单元(4)相连，第一三极管(Ql)的发射极与第二三极管(Q2)的门极相连，第一三极管(Ql)的门极与第二三极管(Q2)的集电极相连。
4.根据权利要求2所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述电压测量单元(3)包括第一三极管(Q1)、稳压二极管(V2)和第一电阻(R1)，第一电阻(Rl)和稳压二极管(V2)串联在第一三极管(Ql)的门极与集电极之间，稳压二极管(V2)的阴极与第一电阻(Rl)相连，稳压二极管(V2)的阳极与光电隔离单元(4)相连，稳压二极管(V2)的阳极同时还与第一三极管(Ql)的集电极相连，第一三极管(Ql)的发射极与第二三极管(Q2)的门极相连，第一三极管(Ql)的门极与第二三极管(Q2)的集电极相连。
5.根据权利要求3或4所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述光电隔离单元(4)包括光耦模块(Vl)和第三电阻(R3)，光耦模块(Vl)包括发射端和接收端，发射端的发光二极管的阳极与稳压二极管(V2)的阳极相连，发射端的发光二极管的阴极与输入的接地端相连，第三电阻(R3)连接在光耦模块(Vl)的接收端与地之间，光耦模块(Vl)的接收端与结果输出端相连。
6.根据权利要求3或4所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述光电隔离单元(4)包括光耦模块(VI)和第三电阻(R3)，光耦模块(VI)包括发射端和接收端，发射端的发光二极管的阳极与第二三极管(Q2)的门极相连，发射端的发光二极管的阴极与第一三极管(Ql)的发射极相连，第三电阻(R3)连接在光耦模块(Vl)的接收端与地之间，光耦模块(Vl)的接收端与结果输出端相连。
7.根据权利要求5所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述反向保护单元(I)包括防反二极管(V3)，防反二极管(V3)的阳极连接开关量输入信号，防反二极管(V3)的阴极连接电流恒定单元(2)。
8.根据权利要求6所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述反向保护单元(I)包括防反二极管(V3)，防反二极管(V3)的阳极连接开关量输入信号，防反二极管(V3)的阴极连接电流恒定单元(2)。
9.根据权利要求5所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述反向保护单元(I)包括防反二极管(V3)，防反二极管(V3)的阴极连接地，防反二极管(V3)的阳极连接光电隔离单元(4)。
10.根据权利要求6所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述反向保护单元(I)包括防反二极管(V3)，防反二极管(V3)的阴极连接地，防反二极管(V3)的阳极连接光电隔离单元(4)。
11.根据权利要求3、4、7-10中任一权利要求所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述第一三极管(Ql)的门极与集电极之间的电压Vb。为OV至开关量采集隔离电路的输入电压与门滥电压的差值之间。
12.根据权利要求11所述的一种开关量采集隔离电路，其特征在于所述开关量采集隔离电路的门槛电压为防反二极管(V3)的导通压降、第二三极管(Q2)发射极与集电极之间的电压、稳压二极管(V2)的击穿电压和光耦模块(Vl)发射端的发光二极管的导通电压之和。
全文摘要
本发明公开了一种开关量采集隔离电路，包括反向保护单元、电流恒定单元、电压测量单元和光电隔离单元，开关量信号输入至反向保护单元，反向保护单元与电流恒定单元相连，反向保护单元保护开关量信号输入与地接反后不损坏电路，电流恒定单元在满足电压开通条件后，恒定电路中的输入电流。电压测量单元与电流恒定单元相连，电压测量单元控制门槛电压，以达到电路开通的电压信号条件。光电隔离单元与电压测量单元相连，光电隔离单元隔离外部输入信号和内部控制信号，避免外部输入信号干扰及外部故障引起的内部电路损坏。本发明在开关量输入信号采集过程中能够确保输入电流的恒定，保证光电耦合器可靠地工作，电路计算简单，功率低，发热量少。
文档编号H03K19/14GK102739235SQ20121023778
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者付如愿, 易伟民, 汪文心, 王雨, 罗林, 贺盛文 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司