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CN102998516A - 输出通道电压状态检测电路 - Google Patents

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俞泓
谌锋
杨朝霞
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Abstract

本发明公开了一种输出通道电压状态检测电路，包括：固态继电器、敏感光耦、非线性控制晶体管、检测电路阈值调整限流电阻、检测电路阈值调整齐纳管、阈值调整电阻和上拉电阻；所述非线性控制晶体管的发射极通过阈值调整齐纳管及限流电阻后接输出端口，基极通过敏感光耦连接后到地，集电极通过阈值调整电阻后连接到地。本发明电路设计简单，参数调谐方便，只采用少数种类的元件，低成本。电路所占体积（面积）小，十分适合应用于多输出通道的系统中。实现了对齐纳管漏电流的衰减，可避免因其引起的光耦误导通。对检测电路非线性化，通过改善其开关特性增大了其电压可检测范围。

Description

输出通道电压状态检测电路
技术领域
本发明属于电子电路设计技术领域，具体是指一种应用于工业控制系统和安全信号系统中的通道输出状态检测电路，尤其是较低电压信号的检测。
背景技术
工业控制系统和安全信号系统（应用于航空电子、铁路信号、核电等行业）中，控制器通过开关输出通道来实现对外部受控信号的开启和关闭。为确保通道输出的正确性，一般在输出端口并联电压检测电路，采集输出状态。
如图1所示，是常见的一种输出通道电路设计，该电路由控制器1、固态继电器2、光耦3、齐纳管4及电阻5，电阻6等组成。当通道输出电平高于齐纳管4嵌位电压、且可以产生大于光耦3的LED导通阈值电流时，光耦3的输出端导通，否则关断。图1中，1控制器，2固态继电器，3光耦，4齐纳管，5限流电阻，6上拉电阻。
常规检测电路中，假设光耦在驱动电流小于Isd时关断，大于Iop后导通。在齐纳管击穿后，光耦驱动电流随通道电压线性变化，光耦从确定关断到确定导通的经历的电压范围较大，减小了端口电压可检测范围。此外，在低输出电压的场合，需选取低钳位电压的齐纳管，但其漏电流在uA~mA级，随温度显著增加，可能在通道未达检测阈值时误驱动光耦导通。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种通道输出电压状态检测电路，它可以适合应用于多输出通道的系统中，实现对齐纳管漏电流的衰减，可避免因其引起的光耦误导通。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种通道输出电压状态检测电路，包括：固态继电器、敏感光耦、非线性控制晶体管、检测电路阈值调整限流电阻、检测电路阈值调整齐纳管、阈值调整电阻和上拉电阻；所述非线性控制晶体管的发射极通过阈值调整齐纳管及限流电阻后接输出端口，基极通过敏感光耦连接后到地，集电极通过阈值调整电阻后连接到地。
本发明的有益效果在于：电路设计简单，参数调谐方便，只采用少数种类的元件，低成本。电路所占体积（面积）小，十分适合应用于多输出通道的系统中。实现了对齐纳管漏电流的衰减，可避免因其引起的光耦误导通。对检测电路非线性化，通过改善其开关特性增大了其电压可检测范围。
所述敏感光耦，非线性控制晶体管，检测电路阈值调整限流电阻、检测电路阈值调整齐纳管、阈值调整电阻可以采用不同阈值的齐纳管、或者采用不同阻值的检测电路阈值调整限流电阻、阈值调整电阻的组合。
采用较低导通电流阈值的敏感光耦作为隔离器件。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是一种常见的控制系统输出通道电路设计结构示意图；
图2是本发明的输出通道电压状态检测电路的原理图。
图3是本发明的一个实施例电路的原理图。
具体实施方式
为实现检测电路非线性化，改善了其电压可检测范围，同时衰减齐纳管漏电流对检测的影响，需要设计一种由分离元器件组成的输出电压状态检测电路。
本发明提供一种输出通道电压状态检测电路，该电路能够应用于包括但并不局限于安全信号系统、工业控制系统等领域。本发明输出通道状态检测电路的技术方案是：如图2所示，由光耦2、齐纳管5、P沟道晶体管3、电阻4、电阻6和电阻7组成。其中，1固态继电器，2光耦，3P型晶体管，4电阻，5齐纳管，6电阻，7电阻。
根据设计参数的需要，可选取不同嵌位电压的齐纳管5、不同阻值的电阻4和电阻6，不同增益的P沟道晶体管3，采用一个或多个稳压管串联等。
如图2所示的输出通道电压检测电路，所需检测的电压阈值为U0；光耦2的导通电压阈值为U2，导通电流为I2；P沟道晶体管3在放大区的电流放大倍数为h3，基极电流为Ib，集电极电流为Ic，发射极电流为Ie,；电阻4的阻值为R4；齐纳管5的嵌位电压为U5；电阻6的阻值为R6；各模块之间的参数满足以下关系：
当通道电压远低于检测阈值U0时，齐纳管5未击穿，漏电流极小，无法驱动光耦2输出；对于更大的通道电压，齐纳管漏电流增大，P沟道晶体管3的发射结逐渐正偏，通过选择集电级电阻6可使集电结暂趋向反偏，P沟道晶体管3工作于放大区，Ib=Ie/(h3+1)，即齐纳管5的漏电流主要从集电极流出，只有极少部分从基极流过光耦，不足以驱动光耦2导通；对更大的通道电压，致使齐纳管5击穿后，Ie线性增大，光耦2的LED两端电压增速放缓，直至嵌位到一个二极管压降，即P沟道晶体管3的基极基本嵌位在某电压值，因而Ib及Ic增大，电阻6两端电压不断增大，使P沟道晶体管3集电极正偏，趋向饱和区。由于P沟道晶体管3基极电压基本保持在一个LED压降，基极与集电极电压相差一个二极管压降，因此Ic基本不再增加，电流迅速转为从P管基极流出，光耦2的驱动电流呈指数函数状迅速增加，驱动光耦迅速导通。
设计中通过器件选型来调整各模块的参数，就能够调整电路的电压检测阈值U0。对于检测电压阈值低于1.8V的应用，由于没有更低嵌位电压的齐纳管，可以去掉齐纳管5，相应调整电阻4和电阻6的阻值，一样可以达到目的。
本设计的技术效果在于：电路设计简单，参数调谐方便，只采用少数种类的元件，低成本。电路所占体积（面积）小，十分适合应用于多输出通道的系统中。实现了对齐纳管漏电流的衰减，可避免因其引起的光耦误导通。对检测电路非线性化，通过改善其开关特性增大了其电压可检测范围。
下面结合图3本发明一个实施例电路的原理图，对本发明做进一步说明。该实施采用PVG612AS作为输出固态继电器；采用10k电阻作为限流电阻；采用60k电阻作为阈值控制电阻；采用1.8V齐纳管作为开关；采用PXTA92作为P型晶体管；采用导通阈值为40uA的HCPL-4701#300作为光耦；采用4.75k电阻作为光耦上拉电阻。当输出通道电压较低时，齐纳管5关断，P沟道晶体管3工作于截止或放大区，齐纳管的漏电流大部分从集电极流出；在通道电压低于4.4V时，光耦保持关断；当通道电压高于4.7V时，光耦导通（输出低电平）。采用较低导通电流阈值的敏感光耦2作为隔离器件，使回检电路不对输出造成影响；利用低压齐纳管串在线路中，便于精确控制通道输出的回检阈值电压；齐纳管接N型晶体管集电极或P型晶体管发射极使用，利用晶体管放大区饱和区的不同特性和转换过程，降低齐纳管漏电流的影响。
本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (3)

1.一种输出通道电压状态检测电路，其特征在于，包括：
固态继电器（1）、敏感光耦（2）、非线性控制晶体管（3）、检测电路阈值调整限流电阻（4）、检测电路阈值调整齐纳管（5）、阈值调整电阻（6）和上拉电阻（7）；
所述非线性控制晶体管（3）的发射极通过阈值调整齐纳管（5）及限流电阻（4）后接输出端口，基极通过敏感光耦（2）连接后到地，集电极通过阈值调整电阻（6）后连接到地。
2.根据权利要求1所述的输出通道电压状态检测电路，其特征在于：所述敏感光耦（2），非线性控制晶体管（3），检测电路阈值调整限流电阻（4）、检测电路阈值调整齐纳管（5）、阈值调整电阻（6）可以采用不同阈值的齐纳管、或者采用不同阻值的检测电路阈值调整限流电阻（4）、阈值调整电阻（6）的组合。
3.根据权利要求1所述的输出通道电压状态检测电路，其特征在于：采用较低导通电流阈值的敏感光耦（2）作为隔离器件；低压齐纳管（5）串在线路中；齐纳管（5）接N型晶体管集电极或P型晶体管发射极。
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