CN206251411U - 一种带检测功能的安全隔离输出电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带检测功能的安全隔离输出电路，包括驱动电路、保护电路、检测电路及节能控制电路，所述驱动电路包括光电耦合器U1和MOS管，控制信号通过光电耦合器U1控制MOS管的通断；所述保护电路为EMC防护电路；检测电路包括光电耦合器U2和光电耦合器U3，光电耦合器U2的阳极为检测编码输入端，光电耦合器U2的阴极接内部地，光电耦合器U3的集电极为回采编码输出端并接上拉电阻R7，光电耦合器U3的发射极接内部地。本实用新型电路元器件体积小、简单可靠、隔离度高、安全性高，可以对外实现安全输出和检测。

Description

一种带检测功能的安全隔离输出电路

技术领域

本实用新型涉及电路***安全信号输出技术，尤其涉及一种待检测功能的安全隔离输出电路。

背景技术

随着国内城市轨道交通的迅速发展，行车安全越来越得到人们的重视，信号***对行车安全尤为关键，对信号***安全要求极高，主要指导原则为故障-安全，即***任何故障发生后不能导致危险态输出的出现或者信号升级，例如控制信号灯输出的信号发生故障后不能将红灯状态升级为绿灯，应该一直保持输出为红灯(安全侧)或者切断驱动电源使其灭灯(安全侧)，所以如果意图输出为安全侧逻辑0，而通过检测发现实际输出状态不为0(危险侧)则可让***切断输出电源使得通道输出导向安全侧。

目前国内主要有两种控制输出方式，一种为静态电平输出，即单纯通过电平输出直接控制外部继电器，没有任何检测，对通道故障不能及时发现，另外一种为动态脉冲信号输出，通过输出一定的脉冲频率对电路中的电容的通交流特性对继电器进行控制输出，如果电容出现故障被击穿可能引起危险侧输出，同时如果断路也不能被及时检测。除此之外目前输出电路对外界电磁干扰没有做到足够的防护，导致工程现场驱动电路在雷击过电压等极端工况下损坏。

实用新型内容

实用新型目的：为了满足轨道交通信号***实现安全输出的要求，本实用新型提供一种带检测功能的安全隔离输出电路。

技术方案：一种带检测功能的安全隔离输出电路，包括驱动电路、保护电路、检测电路及节能控制电路，所述驱动电路包括光电耦合器U1和MOS管，控制信号通过光电耦合器U1控制MOS管的通断；所述保护电路为EMC防护电路；检测电路包括光电耦合器U2和光电耦合器U3，光电耦合器U2的阳极为检测编码输入端，光电耦合器U2的阴极接内部地，光电耦合器U3的集电极为回采编码输出端并接上拉电阻R7，光电耦合器U3的发射极接内部地，光电耦合器U2与光电耦合器U3的连接处设有第一检测点和第二检测点，从第一检测点引出第一导线连接驱动电路的输出端，从第二检测点引出第二导线通过二极管D2接保护电路的输入端。

有益效果：相比较现有技术，本实用新型提供的一种带检测功能的安全隔离输出电路，通过增加检测电路实现闭环控制输出，其中检测编码输入端与回采编码输出端的设计方便将输入编码与回采编码进行比较，从而进行是否发生故障的判定；同时设计了EMC防护电路，解决了传统单独采用电平驱动的不受控弊端，即通过智能处理器不断检测实际输出状态来保证输出的正确性。检测电路和外部驱动电路通过光电耦合器件实现电气隔离，安全隔离检测回路接入输出点外部，实现对实际输出状态检测。该电路元器件体积小、简单可靠、隔离度高、安全性高，可以对外实现安全输出和检测。

附图说明

图1为本实用新型带检测功能的安全隔离输出电路的结构框图；

图2为本实用新型待检测功能的安全隔离输出电路的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，带检测功能的安全隔离输出电路包括驱动电路、保护电路、检测电路及节能控制电路，控制信号CTL从驱动电路输入端输入，检测电路从驱动电路输出端采集信号，检测电路输入端用于输入检测编码信号DR，检测电路输出端用于输出回踩编码输出信号SNS，节能控制电路通过节能控制信号DRE对检测电路进行控制，保护电路采用EMC防护电路。

带检测功能的安全隔离输出电路内部电路和外部电路通过光电耦合器件实现电气隔离，检测电路和节能控制电路内部由电源VCC供电，GND为内部地，驱动电路以及保护电路采用外部提供的三个电压等级实现，高电平V+、低电平V-及外部地Vgnd，高电平V+和低电平V-是以Vgnd为参照的。

如图2所示，所述驱动电路包括光电耦合器U1和MOS管，控制信号通过光电耦合器U1控制MOS管的通断。所述保护电路为EMC防护电路；检测电路包括光电耦合器U2和光电耦合器U3，光电耦合器U2的阳极为检测编码输入端，光电耦合器U2的阴极接内部地，光电耦合器U3的集电极为回采编码输出端并接上拉电阻R7，光电耦合器U3的发射极接内部地，光电耦合器U2与光电耦合器U3的连接处设有第一检测点和第二检测点，从第一检测点引出第一导线连接驱动电路的输出端，从第二检测点引出第二导线通过二极管D2接保护电路的输入端。

所述光电耦合器U2的集电极接光电耦合器U1的发射极，光电耦合器U2的发射极通过二极管D4和电阻R4连接光电耦合器U3的阳极，第一检测点与第二检测点位于二极管D4和电阻R4中间，第一检测点与第二检测点在物理上分离开。

所述节能控制电路包括光电耦合器U0，所述光电耦合器U0的集电极接光电耦合器U3的阴极，光电耦合器U0的发射极经二极管D3接***外部低电平，光电耦合器U0的阳极为节能信号输入端，光电耦合器U0的阴极接内部地。

所述节能控制电路用于控制检测电路工作，所述节能信号输入端为高电平时检测电路工作。CTL输出高电平DRE输出高电平则采集信号SNS和DR无关且恒为低电平，CTL输出低电平且DRE信号高电平则SNS和DR信号呈反码关系，例如DR输入为101010101，则SNS采集到信号应为010101010，如果DRE信号为低电平则采集信号SNS也和DR无关且恒为高电平。

所述保护电路包括自恢复保险丝、电阻R1及TVS二极管，二极管D2的正极接第二导线，二极管D2的负极通过保险丝接电阻R1的一端和TVS二极管的负极，电阻R1的另一端接负载正极，TVS二极管的正极接负载负极以及光电耦合器U1的发射极。电阻R1为抗浪涌水泥绕线电阻。二极管D2防止电流反向作用，同时在负载的Vgnd和F2、R1之间接TVS管，实现一定的过流、过压防护，EMC防护电路主要用于消除或者减轻外部干扰对检测电路输入的影响，可以增加***的可用性和可靠性。

光电耦合器U1的阳极接控制信号输入端，阴极接内部地，本实施例中的MOS管为P型增强型MOS管，光电耦合器U1的集电极通过电阻R3接MOS管的栅极，MOS管栅极和源级之间接电阻R2，电阻R2、R3阻值需呈一定比例关系，保证MOS管Q1能够得到正常的偏置电压。所述第一导线从二极管D4和电阻R4之间引出接MOS管的漏极，MOS管源级接外部高电平，光电耦合器U1的发射极接外部地。通过控制MOS管Q1的栅源偏置电压实现对MOS管的导通或者截止控制，栅源偏置电压通过R2和R3实现，并受控于光耦U1是否导通或者截止。智能处理器控制输出信号CTL通过电阻R5输入到光电耦合器U1中，当信号为高电平时，光电耦合器U1导通，实现栅源偏置电压，MOS管Q1因此导通。MOS管Q1的源极还通过压敏电阻以及保险丝连接到外部控制功率电源，Q1的漏极输出经过第一检测点1、第二检测点2后连接到EMC防护电路最后输出到负载。

根据检测频率的大小，检测电路中的光电耦合器U2和U3可选择采用高速光电耦合器，满足SNS和DR信号的响应速度。

具体检测过程如下：

1、控制信号输出高电平，通过控制光电耦合器U1使功率MOS管Q1输出24V电源，进而驱动外部负载设备。

智能处理器输出信号CTL为高电平(逻辑1)时，光电耦合器U1导通，外部电源V+通过电阻R2、R3、U1到Vgnd形成回路，Q1的栅源偏置电压形成，Q1导通，驱动电源V+通过Q1输出到图2的第一检测点1，经过一段导线后到达第二检测点2，形成输出电压Vo，Vo通过串联二极管D2、自恢复保险丝F2、电阻R1，最后对Vgnd并联D1后输出VoL到负载，形成输出驱动回路。

当输出回路导通后，在图中第一检测点位置电压接近V+，即二极管D4的阴极为V+，光电耦合器U2的三极管集电极电压为Vgnd，发射极电压通过二极管D4连接到Vo，总是呈反向电压，所以当检测编码输入端输入DR信号后U2的集电极和发射极总是截止状态。同时U3中的二极管阳极通过R4接到第二检测点，电压为V+，当节能控制信号DRE输出高电平时光电耦合器U0导通，第二检测点电压Vo、电阻R4、光电耦合器U3、光电耦合器U0、二极管D3到低电平V-形成通路，光电耦合器U3导通，SNS信号接地GND，恒为低电平，所以回采编码输出信号SNS和输入检测编码信号DR没有关系，则认为***输出在危险侧。

例如当DRE为高电平，CTL输出为高电平，同时DR信号连续输出1010100101等编码，此时SNS检测信号应为0000000000，如果不为全0，则说明电路故障或者暂时收到强干扰，可通过告警或者多次检测断定是否故障。

2、控制信号输出低电平，通过控制光电耦合器U1使功率MOS管Q1输出截止。

智能处理器输出信号CTL为低电平(逻辑0)时，光电耦合器U1截止，外部电源V+不能通过电阻R2、R3、U1到Vgnd形成回路，Q1的栅源偏置电压不成立，Q1保持截止，图中第一检测点1输出浮空，输出电压Vo为浮空状态，不能形成输出驱动回路。

此时在图中第一检测点1位置电压浮空，光电耦合器U2的三极管集电极电压为Vgnd，发射极通过D4顺序连接到R4、U3、U0、D3，最后到V-，形成正向偏执导通电压，节能信号DRE输出高电平，U0具备导通条件，当DR为高电平逻辑1，则U2导通，U3导通，回采SNS电平拉低到GND为逻辑0；同样当DR为低电平逻辑0则U2截止，U3截止，回采SNS电平被拉高到VCC为逻辑1。

所以得出结论当DRE输出使能状态下，CTL输出高电平时，SNS信号总是接地GND，恒为低电平，所以回采编码输出信号SNS和输入检测编码信号DR没有必然联系，当CTL输出低电平时，回采信号SNS和驱动信号DR呈反码关系。

例如当DRE为高电平，CTL输出为低电平，同时DR信号连续输出1010100101等编码，此时SNS检测信号应为0101011010。

智能处理器将通过检测SNS信号来判断输出情况，若判断的输出与预期不符，表明通道输出有故障，通知其他子***切断输出驱动电源V+，实现故障-安全。

3、智能处理器编码长度和检测周期设定

智能处理器通过DR和SNS的关系判定本通道的输出状态，输入检测编码信号DR的编码长度决定了采集的安全性，编码越长则安全性越高，如果DR为32位编码，则出错的导向危险侧的概率为2^-32，采集周期和一次采集时长则决定了通道的故障-安全响应速度，可根据***应用场所决定采集时长和时间间隔，例如可设定20ms一个采集周期对输出进行循环检测，一次完整编码检测耗时30ms，则故障检测最大时间为20ms+30ms。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，包括驱动电路、保护电路、检测电路及节能控制电路，所述驱动电路包括光电耦合器U1和MOS管，光电耦合器U1控制MOS管的通断；所述保护电路为EMC防护电路；检测电路包括光电耦合器U2和光电耦合器U3，光电耦合器U2的阳极为检测编码输入端，光电耦合器U2的阴极接内部地，光电耦合器U3的集电极为回采编码输出端并接上拉电阻R7，光电耦合器U3的发射极接内部地，光电耦合器U2与光电耦合器U3的连接处设有第一检测点和第二检测点，从第一检测点引出第一导线连接驱动电路的输出端，从第二检测点引出第二导线通过二极管D2接保护电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，所述光电耦合器U2的集电极接光电耦合器U1的发射极，光电耦合器U2的发射极通过二极管D4和电阻R4连接光电耦合器U3的阳极，第一检测点与第二检测点位于二极管D4和电阻R4中间，第一检测点与第二检测点在物理上分离开。

3.根据权利要求1或2所述的带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，还包括节能控制电路，所述节能控制电路包括光电耦合器U0，所述光电耦合器U0的集电极接光电耦合器U3的阴极，光电耦合器U0的发射极经二极管D3接***外部低电平，光电耦合器U0的阳极为节能信号输入端，光电耦合器U0的阴极接内部地。

4.根据权利要求3所述的带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，所述节能控制电路用于控制检测电路工作，所述节能信号输入端为高电平时检测电路工作。

5.根据权利要求1或2所述的带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，所述保护电路包括自恢复保险丝、电阻R1及TVS二极管，二极管D2的正极接第二导线，二极管D2的负极通过保险丝接电阻R1的一端和TVS二极管的负极，电阻R1的另一端接负载正极，TVS二极管的正极接负载负极以及光电耦合器U1的发射极。

6.根据权利要求5所述的带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，所述电阻R1为抗浪涌水泥绕线电阻。

7.根据权利要求1或2所述的带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，所述MOS管为P型增强型MOS管。

8.根据权利要求1或2所述的带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，光电耦合器U1的阳极接控制信号输入端，阴极接内部地，光电耦合器U1的集电极通过电阻R3接MOS管的栅极，MOS管栅极和源级之间接电阻R2，所述第一导线从二极管D4和电阻R4之间引出接MOS管的漏极，MOS管源级接外部高电平，光电耦合器U1的发射极接外部地。

9.根据权利要求1或2所述的带检测功能的安全隔离输出电路，其特征在于，所述光电耦合器U2和光电耦合器U3采用高速光电耦合器。