CN221177263U - 一种超高直流电压输入自动保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高直流电压输入自动保护装置。其结构包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、单片机、三极管以及级联的两个稳压二极管；三极管分别与单片机和第一光电耦合器相接，第一光电耦合器还连接信号输入端和信号输出端；三极管用于在单片机所发送的控制信号的作用下控制第一光电耦合器的导通与否，进而来控制信号输入端的接入和断开；第二光电耦合器分别与信号输出端、级联的两个稳压二极管以及单片机相接；第二光电耦合器用于在信号输入端输入的电压高于预设值时，发送电平变化信号给单片机，进而由单片机向三极管发送低电平信号。通过本实用新型可以在输入超高电压时保护电路，且电路结构简单，电路成本较低。

Description

一种超高直流电压输入自动保护装置

技术领域

本实用新型涉及高压电路保护技术领域，具体涉及一种超高直流电压输入自动保护装置。

背景技术

随着科学技术的发展，电力和电子产品日益多样化和复杂化，而电路保护则变得尤为重要，仪器在使用过程中难免会出现输入电压超过设定的阈值的情况，进而导致仪器损坏。当从仪器的外部取得传感器信号或其他模拟信号时，如果信号线漏电、或出现浪涌噪声电压、以及前级设备出现故障，都可能在输入端出现过高电压而损坏仪器。这时就需要设计过压保护电路把输出电压限定在一定安全值的范围内。

常用的保护电路如图1和图2所示，其均属于电源钳位保护法。为了保护运放，防止大电压对其冲击造成损坏，图1在输入端设计Q1和Q2场效应管作为限幅设计，图2在输入端设计D3和D4二极管作为限幅设计，但是图1和图2所示电路对于前端的输入电阻有一定的要求。对于图1而言，假如输入100V直流信号，那么电阻R1上就要承受将近100V的电压，根据功率计算公式P＝U²/R，得出P＝10W，按照这个功率要求只能选用尺寸较大的线绕电阻，显然对于有尺寸要求的电路设计而言，是非常困难的。而如果用常用的引线电阻RJ17-2W-1K，那么达到2W的功率的话，输入最大电压不能超过45V。但是对于有些实际应用而言，不能确保输入信号中没有高频高压的成分。

图3是TVS管保护方法，图4是三极管保护方法。这两种方法有效的改变了输入电压过高的情况下，不会损坏运放，从而提高了硬件电路的可靠性。

但是，以上几种电路除了存在输入电压不能过高的情况，同时还有漏电流的问题，这对于输入阻抗很高(比如1MΩ以上)的信号来讲是完全不允许的。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种超高直流电压输入自动保护装置，该超高直流电压输入自动保护装置能在超高直流电压输入的情况下保护后端电路，且极大地节省成本。

本实用新型技术方案如下：

一种超高直流电压输入自动保护装置，包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、单片机、三极管以及级联的两个稳压二极管；

所述三极管分别与单片机和第一光电耦合器相接，所述第一光电耦合器还连接信号输入端；所述三极管用于接收单片机发送的控制信号，并在单片机所发送的控制信号的作用下控制第一光电耦合器的导通与否，进而来实现控制信号输入端的接入和断开；所述控制信号为高电平信号或低电平信号；

所述第一光电耦合器还通过一个电阻与信号输出端相接；

所述第二光电耦合器一方面连接信号输出端，另一方面连接级联的两个稳压二极管，第三方面还连接单片机；所述第二光电耦合器用于在信号输入端输入的电压高于预设值时，发送电平变化信号给单片机，进而由单片机向三极管发送低电平信号。

优选的，所述第一光电耦合器的型号为AQV258，所述三极管的型号为MMBT3904LT1；所述单片机通过一电阻与三极管的基极相接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极与第一光电耦合器的2脚相接；所述第一光电耦合器的4脚与信号输入端相接，所述第一光电耦合器的6脚通过一个电阻与信号输出端相接。

优选的，所述单片机的型号为STC15F100，所述第二光电耦合器的型号为PS2505L-1；所述第二光电耦合器的4脚与单片机的7脚相接，第二光电耦合器的1脚与信号输出端相接，第二光电耦合器的3脚接电源地。

优选的，所述级联的两个稳压二极管分别为第一稳压二极管和第二稳压二极管；第一稳压二极管的正极与第二稳压二极管的正极相接，第一稳压二极管的负极与第二光电耦合器的2脚相接，第二稳压二极管的负极接信号地。

优选的，在所述单片机内设置有定时器，当单片机向三极管发送低电平信号后，单片机控制定时器启动，待定时器所设定的时间到达后，单片机向三极管发送高电平信号。

优选的，两个稳压二极管的型号均为BZT52C13。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：

1.根据前面的介绍可知，一般的保护电路限压幅度不超过50V，本实用新型中电路的限压幅度可以达到1000V，极大的满足了多数需求高电压保护的生产设计要求。本实用新型采用的第一光电耦合器的开关速度达到了40μs，第二光电耦合器的开关速度达到了5μs，所以在超短的时间内，高电压输入的情况下能立刻做出反应，断开输入端，保护后端电路。

2.电路中的第三电阻起到了限流电阻的作用，按照图1和图2分析的原理，这个电阻应该采用尺寸非常大的功率型电阻，但是在此电路中只需要安装一个普通的RJ14-1/4W电阻即可。正如第1条介绍的一样，由于反应速度非常快，电阻上的功率还没有达到额定功率值时，信号输入端的信号就已经断开了，也变相的保护了电阻。因此选择元器件方面非常灵活。

3.对照输入端可以测试达到1000V来说，本实用新型只采用了两只光电耦合器、一个三极管、两个稳压二极管、三只电阻和一个8个管脚的单片机(CPU)，有非常大的成本优势。

附图说明

图1是背景技术中的电源钳位保护法的电路原理图。

图2是背景技术中的电源钳位保护法的另一电路原理图。

图3是背景技术中的TVS管保护方法的电路原理图。

图4是背景技术中的三极管保护方法的电路原理图。

图5是本实用新型实施例提供的一种超高直流电压输入自动保护装置的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图5所示，本实用新型所提供的超高直流电压输入自动保护装置采用两级光耦隔离的设计方式，具体来说，该超高直流电压输入自动保护装置包括：第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U2、单片机U3、三极管Q1以及级联的两个稳压二极管。级联的两个稳压二极管分别为第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2。图1中各元器件的型号分别如下：第一光电耦合器U1的型号为AQV258，第二光电耦合器U2的型号为PS2505L-1，单片机U3的型号为STC15F100，三极管Q1的型号为MMBT3904LT1，两个稳压二极管的型号均为BZT52C13。

单片机U3分别与三极管Q1和第二光电耦合器U2电连接，三极管Q1还与第一光电耦合器U1电连接；第一光电耦合器U1连接信号输入端Vin，同时，第一光电耦合器U1还通过第三电阻R3与信号输出端Vout相接；第二光电耦合器U2连接信号输出端Vout，第二光电耦合器U2还与级联的两个稳压二极管相接。

单片机U3和三极管Q1通过第二电阻R2(3.16KΩ)连接，具体地：单片机U3的6脚(CON端)和第二电阻R2的一端相连接，第二电阻R2的另一端和三极管Q1的基极相连接，三极管Q1的发射极接地(电源地)，三极管Q1的集电极和第一光电耦合器U1的2脚相连接，第一光电耦合器U1的1脚通过第一电阻R1(215Ω)连接+5V电源，第一光电耦合器U1的4脚和信号输入端Vin相连接，第一光电耦合器U1的6脚通过第三电阻R3(1KΩ)与信号输出端Vout相接。当电路正常工作时，三极管Q1的基极由单片机U3的6脚(CON端)控制为高电平，此时三极管Q1处于导通状态，这样第一光电耦合器U1内部的发光二极管有电流，使得第一光电耦合器U1的4脚和6脚处于导通状态，因此输入信号可以正常输入。通过三极管Q1的高低电平来控制第一光电耦合器U1的导通与否进而来实现信号输入端Vin的接入和断开。

第一光电耦合器U1的隔离电压参数达到了1500Vrms，负载电流达到了0.02A，该电路的超高直流电压为1000V，可以在高电压输入的情况下保护电路。第一光电耦合器U1的开关速度达到了40μs，第二光电耦合器U2的开关速度达到了5μs。

第二光电耦合器U2的1脚直接与信号输出端Vout相接，第二光电耦合器U2的2脚与第一稳压二极管D1的负极相连接，第一稳压二极管D1的正极连接第二稳压二极管D2的正极，第二稳压二极管D2的负极接地(信号地)。第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2均为13V的稳压二极管，设计第一稳压二极管D1和第二稳压二极管D2级联是为了确保可以输入正负电压。

第二光电耦合器U2的3脚接地(电源地)，第二光电耦合器U2的4脚与单片机U3的7脚(INT端)相接。单片机U3的2脚连接+5V的电源，单片机U3的4脚接地(电源地)。

当信号输入端Vin输入较高电压时，第一稳压二极管D1会起作用，第一稳压二极管D1的电压是13V左右，由于二极管自身的压差为0.6V左右，而第二稳压二极管D2的负极接地，因此第二稳压二极管D2的压差为0.6V左右，故截止到第一稳压二极管D1正极的电压为13+0.6V，这时第二光电耦合器U2的内部二极管也导通，压差也是0.6V左右，因此图5中的限幅保护幅度约为13+0.6+0.6＝14.2V，也即当信号输入端Vin的幅度大于14.2V后，第二光电耦合器U2就会发生动作，即第二光电耦合器U2的4脚的电平会发生变化，由于4脚连接了单片机U3的7脚(中断INT0脚)，电平变化时就会产生中断。中断发生后，单片机U3立刻就知道目前的输入电压已经超过预设的幅度要求，因此立刻改变三极管Q1的控制电平，即断开第一光电耦合器U1的输入通道，保护了信号输出端Vout后面连接的电路。

当输入通道处于断开的状态时，即使输入一个小于14.2V的信号，电路也无法正常工作。实际应用中这是无法接受的，需要使电路恢复正常状态，利用单片机U3中的定时器T0(1脚)，利用定时器设计一个计时功能，从产生中断的那一刻起，定时器启动。时间可根据具体应用改变设定时间值，假设时间设定为10ms，那么10ms之后，单片机U3就会恢复三极管Q1的基极电平控制，使得第一光电耦合器U1的4脚和6脚连接。如果此时还是高电压的话，就会重复上述方案的工作状态，再次进入断开状态，周而复始。如果此时输入信号小于14.2V，那么单片机U3就不会产生中断，也就不会产生断开信号输入端Vin的动作，进入正常工作状态。

Claims (6)

1.一种超高直流电压输入自动保护装置，其特征在于，包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、单片机、三极管以及级联的两个稳压二极管；

所述三极管分别与单片机和第一光电耦合器相接，所述第一光电耦合器还连接信号输入端；所述三极管用于接收单片机发送的控制信号，并在单片机所发送的控制信号的作用下控制第一光电耦合器的导通与否，进而来实现控制信号输入端的接入和断开；所述控制信号为高电平信号或低电平信号；

所述第一光电耦合器还通过一个电阻与信号输出端相接；

所述第二光电耦合器一方面连接信号输出端，另一方面连接级联的两个稳压二极管，第三方面还连接单片机；所述第二光电耦合器用于在信号输入端输入的电压高于预设值时，发送电平变化信号给单片机，进而由单片机向三极管发送低电平信号。

2.根据权利要求1所述的超高直流电压输入自动保护装置，其特征在于，所述第一光电耦合器的型号为AQV258，所述三极管的型号为MMBT3904LT1；

所述单片机通过一电阻与三极管的基极相接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极与第一光电耦合器的2脚相接；所述第一光电耦合器的4脚与信号输入端相接，所述第一光电耦合器的6脚通过一个电阻与信号输出端相接。

3.根据权利要求1所述的超高直流电压输入自动保护装置，其特征在于，所述单片机的型号为STC15F100，所述第二光电耦合器的型号为PS2505L-1；所述第二光电耦合器的4脚与单片机的7脚相接，第二光电耦合器的1脚与信号输出端相接，第二光电耦合器的3脚接电源地。

4.根据权利要求3所述的超高直流电压输入自动保护装置，其特征在于，所述级联的两个稳压二极管分别为第一稳压二极管和第二稳压二极管；第一稳压二极管的正极与第二稳压二极管的正极相接，第一稳压二极管的负极与第二光电耦合器的2脚相接，第二稳压二极管的负极接信号地。

5.根据权利要求1所述的超高直流电压输入自动保护装置，其特征在于，在所述单片机内设置有定时器，当单片机向三极管发送低电平信号后，单片机控制定时器启动，待定时器所设定的时间到达后，单片机向三极管发送高电平信号。

6.根据权利要求1所述的超高直流电压输入自动保护装置，其特征在于，两个稳压二极管的型号均为BZT52C13。