CN103618285B - 一种用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，包括滤波整流模块：滤除输入信号中的瞬间过电压脉冲干扰信号，并防止输入信号反接；开关控制模块：接收滤波整流模块输出的电流信号并控制该电流回路的通断；电压采集模块：将来自开关控制模块的电流信号转化成对应的电压信号；以及信号监测模块：监视电压采集模块采集到的电压信号，并与预设电压阈值比较，如果超过预设电压阈值，则立即控制所述开关控制模块断开电流回路，预设阀值电压可以根据需要设定。本发明提供的输入过电流过电压保护电路，能够实现过电流、过电压的保护功能，安全可靠且对输入信号的影响极小。

Description

一种用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路
技术领域
本发明涉及一种保护电路，特别涉及一种用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路。
背景技术
工业应用中，为了克服干扰对信号的影响，通常采用4-20mA电流来传输信号。然而，实际应用过程中，难免会因误操作将***的12V或24V电压信号接入到输入信号端子，或因信号源故障输出大电流，或信号线遭受雷击将高电压耦合到输入信号端子，导致信号输入设备被烧毁，信号采集设备失灵，严重时会导致整个***瘫痪，造成直接或间接的经济损失。
为了避免过流过压，有些加入了独立的输入保护模块。比如图1所示（专利号：200810301869.4），输入电压通过电阻R1、R2分压到电压比较器U1中，U1的输出信号到后面的开关电路，出现过压信号时关断后级的5V_SB信号。有些如图2所示利用LM317L实现过电流过电压保护：电流从VI流入到LM317L，从Output引脚流出到R1，由于内部Adjustment引脚上的电压被限制在1.25V，则LM317L的输出的电流被限制在Ilimit=1.25/R1，使电流被限制在1.25/R1以内。
但这些保护电路对过电压和过电流保护的功能有限，且对电路的输入阻抗影响较大，容易造成输入信号的采集精度变差、输入阻抗变大的不良影响。比如图1中，前端电阻分压采样和后面的开关电路是相互独立的级联关系，关断的也只是后级电路，没有在过电压信号的接入端断开电路，如果有非常高的电压长时间接入，保护电路作用后，由于没有断开外部电压的接入，大电流通过Q1，很可能烧坏Q1，最终失去保护功能。而如图2所示的电路中，此方案仅仅依靠LM317L的自身的1.25V电压限制实现限流功能，当输入Input端接入过高电压，超出了芯片LM317的承受范围，则LM317L本身将会被损坏，最终也将失去保护功能，同时，因LM317L内部电路影响，使输入电路阻抗表现为非线性，输入电路阻抗最大会超过300欧姆。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在工业现场4-20mA电流信号采集应用中，有时因误操作或信号源故障，或信号中耦合到瞬时过电压信号，使输入信号产生过电压或过电流信号，从而导致4-20mA电流输入设备故障。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，包括：
滤波整流模块：滤除输入信号中的瞬时过电压脉冲信号，并防止信号反接；
开关控制模块：接收所述滤波整流模块输出的电流信号并控制该电流信号的通断；
电压采集模块：将来自开关控制模块的电流信号转化成对应的电压信号；以及
信号监测模块：监视电压采集模块采集到的电压信号，并与预设阈值电压比较，如果超过预设电压阈值，则立即控制所述开关控制模块断开电流回路。上述的用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，其中，所述滤波整流模块包括双向TVS管D1、滤波电容C1和防反接二极管D2，所述双向TVS管D1与滤波电容C1并联后连接到防反接二极管D2的正极。
上述的用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，其中，所述开关控制模块为MOS管Q1，所述电压采集模块为采样电阻R3，所述信号监测模块包括电压比较器U1、分压电阻R1以及分压电阻R2；所述MOS管Q1的漏极连接到防反接二极管D2的负极，所述MOS管Q1的栅极连接到电压比较器U1的输出端，所述MOS管Q1的源极则连接到采样电阻R3，同时连接到电压比较器U1的反向输入端，所述电压比较器U1的正向输入端则同时连接到电阻分压电阻R1和分压电阻R2的一端，所述分压电阻R1的另一端连接到电源端V_Set，所述分压电阻R2的另一端连接到接地端GND。
上述的用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，其中，所述MOS管Q1为N沟道增强型MOS管。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，通过滤波整流模块、电压采集模块、开关控制模块和信号监测模块实现过电流、过电压的保护功能；本保护电路对输入信号影响小，对输入电流的误差影响最大小于1uA；保护电路对输入电路的阻抗影响很小，使输入电路能够保持低输入阻抗，对信号源的要求较低；响应速度快，输入信号出现过电流过电压信号时，瞬间彻底断开输入回路，使过电流过电压信号与被保护***隔离，有效保护后级电路，可靠性高；同时可有效防止雷击或瞬间过电压脉冲干扰信号输入到后级电路；本电路使用元器件简单，实施成本低廉。
附图说明
图1为现有过电压保护功能方框示意图；
图2为现有的基于LM317L的过电流保护方框示意图；
图3为本发明输入过电流过电压保护电路方框示意图；
图4为本发明输入过电流过电压保护电路图。
图中：
1滤波整流模块2开关控制模块3信号监测模块
4电压采集模块
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图3为本发明输入过电流过电压保护电路方框示意图。
请参见图3，本发明提供的用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路包括：
滤波整流模块1：滤除输入信号中的瞬时过电压脉冲干扰信号，并防止信号反接；
开关控制模块2：接收滤波整流模块1输出的电流信号并控制该电流回路的通断；
电压采集模块4：将来自开关控制模块2的电流信号转化成对应的电压信号；以及
信号监测模块3：监视电压采集模块4采集到的电压信号，并与预设电压阈值比较，如果超过预设电压阈值，则立即控制所述开关控制模块2断开电流回路。所述电压阈值可以根据需要调节。
本发明提供的用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路工作原理如下：首先通过滤波整流模块1对输入的电流或电压信号进行处理，防止瞬间过电压脉冲干扰信号输入到后级电路，并防止输入信号反接；然后输入信号流入开关控制模块2，开关控制模块2在开启状态时，导通阻抗极低，最后进入到电压采集模块4。电压采集模块4通过一个采样电阻，将电流信号转化成对应的电压信号，而信号监测模块3则时刻监视电压采集模块4采集到的电压信号，并与预设电压阈值比较，一旦电压采集模块采集到的电压超过设定值，瞬间使开关控制模块2断开电流回路，然后信号监测模块3将重新监测电压采集模块4采集到的电压，此时由于电路断开，采集到的电压应该为0V，于是，信号监测模块3使开关控制模块2电路导通；接着信号监测模块3将重新监测电压采集模块4采集到的电压，如果此时采集到的电压仍然高于预设电压阈值，则瞬间再次使开关控制模块2断开电路回路，相反，如果此时采集到的电压低于预设电压阈值，则对开关控制模块2不进行操作，重新进入电压检测模块4等待判定结果，如此循环，使电压采集到的电压被控制在预设电压阈值以下。
图4为本发明输入过电流过电压保护电路图。
请继续参见图4，本发明中的滤波整流模块1可由一个双向TVS管D1、滤波电容C1和防反接二极管D2组成，开关控制模块2可选用N沟道增强型MOS管Q1，信号监测模块3采用电压比较器U1及分压电阻R1、R2组成，电压采集模块4采用采样电阻R3。具体连接方式如下：双向TVS管D1与滤波电容C1并联后连接到防反接二极管D2的正极，防反接二极管D2的负极连接到MOS管Q1的漏极，Q1的栅极连接到电压比较器U1的输出端，Q1的源极则连接到采样电阻R3，同时连接到电压比较器U1的反向输入端，电压比较器U1的正向输入端则同时连接到分压电阻R1和R2的一端，分压电阻R1的另一端连接到电源端V_Set，分压电阻R2的另一端连接到接地端GND。分压电阻R2上对V_Set的分压即为阈值电压。
本发明用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路工作过程如下：正常的4-20mA电流信号输入时，经由双向TVS管D1和滤波电容C1滤波及防反接二极管D2的整流，流入到Q1的漏极，然后从源极出来流入到采样电阻R3中，在采样电阻R3上转换为电压信号，即电压采集模块4采集到的电压，并将该电压传送到后级电路；电压比较器U1的供电电压一般大于或等于3.3V，并且由于电路初始输入状态和输入正常4-20mA信号的情况下，采用电阻R3两端的电压均小于过电压保护电路设定的阈值电压Vset，由此保证电压比较器U1的输出电压在电路输入信号正常时为高电平，此时输出电压为电压比较器的供电电压；为了留有余量，采样电阻R3取为75欧姆，电路保护电压阈值设定为2.5V，当20mA电流输入时，在采样电阻R3上采集到的电压为：U=0.02×75=1.5V；正常4-20mA电流信号输入情况下，电压比较器U1由于正极输入电压大于负极输入电压，输出为高电平，此时对于MOS管Q1，栅极电压等于3.3V，源极电压小于或等于1.5V，则MOS管栅极电压大于源极电压，即Vgs>1.8V，Q1的漏极和源极之间导通。
当出现过电流信号输入时，通过双向TVS管D1、滤波电容C1、防反接二极管D2的滤波整流处理，最终到采样电阻R3上转化成电压，该电压连接到电压比较器U1的反向输入端，电压比较器U1的反向输入电压和正向输入电压比较，由于电压比较器U1的正向输入电压是通过两个电阻分压得到的，所以电压比较器U1的正向输入电压是固定的，该电压可以通过调节R1、R2的电阻值来设定。当采样电阻R3上的电压大于U1的正向输入电压时，电压比较器U1的输出端随即输出为低电平，MOS管Q1的栅极电压小于源极电压，MOS管Q1的源极和漏极之间断开，即电流回路断开，采样电阻R3上的电压变为0V，小于U1的正极输入电压，于是电压比较器U1的输出端又输出高电平，MOS管Q1的漏极和源极导通，电流信号再次流入到采样电阻R3，转化成电压，并与U1的正向输入电压比较，由于是过电流信号，在采样电阻R3上转化的电压大于电压比较器U1的正向输入电压，瞬间输出了低电平，MOS管Q1的源极和漏极断开，如此反复，最终保证R3上的电压小于或等于U1的正向输入电压，即R1、R2分压后的电压。
当出现过电压信号输入时，本发明描述的保护电路的工作原理与电流信号输入时的工作原理是类似的；当过电压信号是瞬间高电压信号，如雷击等时，则TVS管D1将瞬间导通，将电压泄放到GND上，保护后级电路；当过电压信号是稳定的高电压信号时，则通过C1、D2的滤波整流处理，最终到采样电阻R3上，并与电压比较器U1的正向输入电压比较，当采样电阻R3上的电压大于U1的正向输入电压时，电压比较器U1的输出端随即输出为低电平，MOS管Q1的源极和漏极之间断开，即输入回路断开，采样电阻R3上的电压跟着变为0V，小于U1的正极输入电压，于是U1的输出端又输出高电平，MOS管Q1导通，电压信号转化到R3上，并与U1的正向输入电压比较，由于是过电压信号，大于U1的正向输入电压，瞬间输出为低电平，MOS管Q1的源极和漏极断开，如此反复，最终保证采样电阻R3上的电压小于或等于U1的正向输入电压，即R1、R2分压后的电压。
综上所述，本发明提供的用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，通过滤波整流模块、电压采集模块、开关控制模块和信号监测模块实现过电流、过电压的保护功能；本保护电路对输入信号影响小，对电流输入信号采集最大误差小于1uA；信号输入阻抗低，对信号源的要求较低；响应速度快，输入信号出现过电流过电压信号时，瞬间彻底断开输入回路，使过电流过电压信号与被保护***隔离，有效保护后级电路，可靠性高；同时可有效防止雷击或瞬间过电压脉冲等干扰信号输入到后级电路。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (2)

1.一种用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，其特征在于，包括：
滤波整流模块：滤除输入信号中的瞬时过电压脉冲信号，并防止信号反接；
开关控制模块：接收所述滤波整流模块输出的电流信号并控制该电流回路的通断；
电压采集模块：将来自开关控制模块的电流信号转化成对应的电压信号；以及
信号监测模块：监视电压采集模块采集到的电压信号，并与预设电压阈值比较，如果超过预设电压阈值，则立即控制所述开关控制模块断开电流回路；
所述滤波整流模块包括双向TVS管D1、滤波电容C1和防反接二极管D2，所述双向TVS管D1与滤波电容C1并联后连接到防反接二极管D2的正极；
所述开关控制模块为MOS管Q1，所述电压采集模块为采样电阻R3，所述信号监测模块包括电压比较器U1、分压电阻R1以及分压电阻R2；所述MOS管Q1的漏极连接到防反接二极管D2的负极，所述MOS管Q1的栅极连接到电压比较器U1的输出端，所述MOS管Q1的源极则连接到采样电阻R3，同时连接到电压比较器U1的反向输入端，所述电压比较器U1的正向输入端则同时连接到电阻分压电阻R1和分压电阻R2的一端，所述分压电阻R1的另一端连接到电源端V_Set，所述分压电阻R2的另一端连接到接地端GND。
2.如权利要求1所述的用于4-20mA电流输入电路的过电流过电压保护电路，其特征在于，所述MOS管Q1为N沟道增强型MOS管。
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