一種工業控制信號線路的電湧保護器的製作方法

2023-09-17 20:25:05

專利名稱：一種工業控制信號線路的電湧保護器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種工業控制信號線路的電湧保護器，屬於雷電科學與技術領域。
背景技術：
隨著現代電子技術的高速發展，各種電子設備和大規模集成電路的應用越來越廣泛，計算機和各種微電子設備成為工業應用中不可缺少的一部分。由於微電子設備工作電壓低、功耗小，過電壓耐受能力低，因此系統對信號中的過電壓極為敏感。過電壓不僅可以引起電子設備系統誤動作，還可以造成電子設備的永久性損壞，從而造成直接損失以及間接損失。在工業現場，用模擬的電流來傳輸信號，因為模擬的電流信號對小信號的噪聲並不敏感。4 20mA的電流環便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低於4mA 高於20mA的信號用於各種故障的報警。4 20mA工業模擬信號的典型應用是傳感和測量應用，在工業現場有許多種類的傳感器可以被轉換成4 20mA的電流信號，由於變送器晶片含有通用的功能電路比如電壓激勵源、電流激勵流、穩壓電路、儀表放大器等，所以可以很方便地把許多傳感器的信號轉化為4 20mA的信號。工業設備工作時，由於所處複雜的工作環境，如電磁場幹擾、雷電電磁脈衝以及電火花的影響，將在傳輸信號的線纜感應出過電壓，使工業控制設備產生誤動作、報警，嚴重的情況可能使工業設備停機，造成重大的經濟損失。特別是雷電過電壓作用時，使工業控制設備的信號處理電路損壞，工業設備無法正常運行，造成巨大的直接和間接經濟損失。

實用新型內容為了保證在外界各種幹擾信號作用於工業設備時，工業設備能夠正常運行，本實用新型提供了一種工業控制信號線路的電湧保護器，可以抑制外界各種因素產生的過電壓，保證設備安全正常地運行。本實用新型為解決其技術問題採用如下技術方案—種工業控制信號線路的電湧保護器，由保護電路1、低通濾波器、保護電路2和光電隔離電路順序連接而成。所述的低通濾波器由四個電感和四個電容組成，電感Ll和電感L3組成的串聯電路一端連接在電容Cl的輸入端，另一端連接在電容C2的輸入端；電感L2和電感L4組成的串聯電路一端連接在電容Cl的輸出端，另一端連接在電容C2的輸出端；電容C3和電容C4 組成的串聯電路一端與電容C2的輸入端連接，另一端與電容C2的輸出端連接。所述的保護電路2由四個二極體組成，二極體Dl的陰極和二極體D2的陰極連接， 二極體D3的陽極和二極體D4的陽極連接，二極體Dl的陽極和二極體D3的陰極連接，二極體D2的陽極和二極體D4的陰極連接。本實用新型的有益效果如下[0011]1、電湧保護器設計中，設有線-地及線間保護，即對雷電的共模及差模過電壓有抑制的能力。2、線-地通流容量大，最大為10kA。3、電湧保護器採用低通濾波器作為退耦元件，能降低雷電波陡度，提高抑制線路幹擾的能力。4、輸入與輸出間採用線性光耦器件隔離，有效地保護終端設備。5、線性度好，電路簡單，性能穩定可靠，應用廣泛。6、低通濾波電路具有結構簡單，濾波效果好，可靠性高等特點。

圖1電湧保護器的原理方框圖。圖2(a)和圖2(b)組成了電湧保護器電路圖。圖3保護電路1的電路圖。圖4低通濾波器電路圖。圖5保護電路2的電路圖。圖6光電隔離電路的電路圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。工業控制信號線路的電湧保護器原理框圖如圖1所示。4 20mA的傳感器信號經保護電路1，將大能量的雷電波能量釋放到大地，送到低通濾波器，濾除高頻成分的幹擾信號，再送到保護電路2，保護電路2主要功能是線間箝位， 將幹擾信號的幅值限制在一定的電壓範圍，由保護電路2輸出的信號送到光電隔離電路對信號進行處理後輸出，送到工業信號處理器再進行處理。圖1中電湧保護器的原理方框圖各部分的主要功能是保護電路1的主要功能是對大能量的雷電波進行對地釋放，並將線路上的雷電過電壓波的幅值限制在一定的範圍。低通濾波器的主要功能有兩個一是對雷電波而言相當於電湧保護器的退耦元件，起到降低雷電波陡度的功能；二是將小信號的幹擾高頻信號濾除掉。保護電路2的主要功能是當兩信號線間出現差模過電壓時，實現箝位功能，將線間電壓限制在一定的範圍內。光電隔離電路的功能是有效地解決模擬信號與採集處理電路的電氣隔離，防止過電壓及幹擾信號直接加到採集處理電路，造成採集處理電路的損壞。工業控制信號線路電湧保護器的電原理圖如圖2(a)和圖2(b)所示。4 20mA的模擬電流信號，經過由氣體放電管Gl構成的保護電路，將線路中感應的雷電波能量對地釋放，輸出的信號送到由四個電感Li、L2、L3、L4和四個電容Cl、C2、C3 及C4構成的低通濾波器，濾除線路中的幹擾及噪聲信號，輸出的電流模擬信號加到由四個二極體D1、D2、D3及D4構成的限壓箝位電路，對線間信號進行箝位輸出。由箝位電路輸出的信號加到光電隔離電路，由光電隔離電路對信號進行處理，送到工業設備的信號採集系統進行處理。工業控制信號線路電湧保護器各部分電路的結構及工作原理[0029]保護電路1如圖3所示。主要由氣體放電管Gl構成，採用標稱放電電流為5kA，最大放電電流為10kA，直流放電電壓為230V的陶瓷放電管，主要的功能是將雷電波能量對地釋放，也可以實現線間箝位。低通濾波電路如圖4所示。為了提高對幹擾的抑制，採用多級濾波。該電路構成的是一個無源低通網絡。其中電感Li、電感L2是繞在同一磁環上的兩隻獨立線圈，構成共模抑制電感線圈。當信號電流流過時，所產生的磁場可以互相抵消，不會引起磁芯的飽和， 從而使兩個線圈的電感值保持不變，磁芯材料使用導磁率為5000 8000的磁環。電感L3、 電感L4是用來進一步抑制差模噪聲的差模扼流圈，電感L3、電感L4的引入使電容Cl、電容 C2的充電電流減小，達到了抑制差模噪聲的目的。信號線路上對地並接的電容C3、電容C4 對共模噪聲起旁路作用，線路中並接電容Cl、電容C2對差模噪聲起抑制作用。圖4中各元件的參數為ci = C2 = InF, Ll = L2 = IOmH, L3 = L4 = IOmH, C3 = C4 = 4700pF。保護電路2如圖5所示。Dl、D3為矽整流二極體，型號為1N4007。D2、D4為暫態抑制二極體，兩器件並聯的目的是減少暫態抑制二極體的分布電容。當線路中出現差模過電壓時，可以形成雙向箝位的電流迴路。二極體D2、D4型號為1.5kE12A.光電隔離電路如圖6所示。線性光耦器件工作在光電導模式下，信號為正極性輸入，正極性輸出。隔離電路中電阻R2調節運算放大器Al的輸入偏置電流的大小，電容C5起反饋作用，同時濾除電路中的幹擾信號。隨著信號頻率的增加，阻抗將變小，光耦中的初級電流增大，增益隨之變大，因而電容C5的引入對通道在高頻時的增益有一定的影響。電阻R3控制LED的發光強度，對控制通道的增益起一定的作用。電路的工作過程4 20mA的模擬電流信號在採樣電阻Rl上轉換為電壓信號，經運算放大器Al放大驅動發光二極體LEDl將電信號轉換為光信號，接收光電二極體LED3接收的光信號轉換為電信號，經運算放大器A2構成電流放大器輸出電流信號。改變電路的參數，使輸出電流的大小與輸入電流信號幅值一樣。接收二極體LED2吸收光通量的一部分， 從而產生的控制電流il。該電流用來調節補償LEDl的非線性，保證電路輸出的電流與輸入的電流大小一致，電路工作過程中，使輸出與輸入成線性關係。圖6中各元件的參數及型號為Vc = +12V, R2 = IOOkQ , R4 = IOOkQ , R3 = 500 Ω，線性光耦為 HCNK200，Α1、Α2 為 LM358，電源採用士 12V直流電源。
權利要求1.一種工業控制信號線路的電湧保護器，其特徵在於由保護電路1、低通濾波器、保護電路2和光電隔離電路順序連接而成。
2.根據權利要求1所述的一種工業控制信號線路的電湧保護器，其特徵在於所述的低通濾波器由四個電感L1、L2、L3、L4和四個電容C1、C2、C3、C4組成，電感Ll和電感L3組成的串聯電路一端連接在電容Cl的輸入端，另一端連接在電容C2的輸入端；電感L2和電感 L4組成的串聯電路一端連接在電容Cl的輸出端，另一端連接在電容C2的輸出端；電容C3 和電容C4組成的串聯電路一端與電容C2的輸入端連接，另一端與電容C2的輸出端連接。
3.根據權利要求1所述的一種工業控制信號線路的電湧保護器，其特徵在於所述的保護電路2由四個二極體Dl、D2、D3、D4組成，二極體Dl的陰極和二極體D2的陰極連接，二極體D3的陽極和二極體D4的陽極連接，二極體Dl的陽極和二極體D3的陰極連接，二極體 D2的陽極和二極體D4的陰極連接。
專利摘要本實用新型涉及一種工業控制信號線路的電湧保護器，屬於雷電科學與技術領域。該電湧保護器由保護電路1、低通濾波器、保護電路2和光電隔離電路順序連接而成。保護電路1由氣體放電管G1構成，低通濾波器由四個電感L1、L2、L3、L4和四個電容C1、C2、C3、C4組成，保護電路2由四個二極體D1、D2、D3、D4組成，光電隔離電路主要包括兩個運算放大器A1、A2和三個發光二極體LED1、LED2、LED3。該電湧保護器結構簡單、性能穩定、抗幹擾能力強、應用廣泛。
文檔編號H02H9/04GK201975775SQ20112000105
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月5日 優先權日2011年1月5日
發明者唐宏科, 李祥超, 柴健, 王金虎 申請人:南京信息工程大學