專利名稱：一種工業(yè)控制系統(tǒng)信號線路過電壓保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及工業(yè)生產(chǎn)過程的集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程控制器(PLC)的模擬輸入(Al)、模擬輸出(AO)、開關(guān)量輸入(DI) 二線制信號線路的防雷擊防過電壓保護裝置。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外市場上以防雷擊為目的二線制信號線路過電壓保護裝置，基本是采用壓敏電阻、放電管、瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)進行的各種組合裝置，這些過電壓保護裝置對于因為雷擊造成的過電壓有抑制作用，但對于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的事故過電壓，例如在安裝調(diào)試過程中出現(xiàn)的信號線路故障，特別是接錯線，誤將220VAC工頻電源的相線、或者是 將220VAC工頻電源直接接入到集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程控制器(PLC)的直流低壓信號回路的事故時有發(fā)生，這種事故一旦發(fā)生，造成集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程控制器(PLC)輸入卡件瞬間損壞的嚴重事故。在這種情況下，即使是安裝了目前市面上的防雷擊過電壓保護裝置，也不能保護其下游端設備的安全，并且同樣會在瞬間將這些保護裝置自身損壞。另一方面，雷擊過電壓是一種電壓幅值非常高，但持續(xù)時間又非常短(一般在幾十到幾百μ s以內(nèi))的過電壓。而工頻過電壓則是持續(xù)時間非常長的一種事故過電壓，雖然電壓的幅值不像雷擊過電壓那么高達數(shù)KVP_P，但220VAC工頻電源電壓與24VDC直流信號回路相比，其危害程度甚至超過雷擊過電壓，一但出現(xiàn)錯誤，必然造成下游端設備瞬間100%損壞，根本不可能再給你任何改正錯誤的機會！因此，研究解決工業(yè)過程控制系統(tǒng)信號線路預防各種可能出現(xiàn)的過電壓保護問題，具有重要的技術(shù)經(jīng)濟價值。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種工業(yè)控制系統(tǒng)信號線路過電壓保護裝置，不僅對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的雷擊過電壓具有良好的抑制作用，即使是將220VAC的工頻電源錯誤的直接接入到保護裝置的輸入端數(shù)天時間，不僅保護裝置自身不會造成損壞，而且其輸出的下游端設備也同樣不會造成損壞。本實用新型利用大功率瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)對其兩端的過電壓所具有的納秒級的極快響應速度的特點，通過與一種叫做“自恢復保險絲”(PPTC)(PolyerPositiveTemperature Coefficent)的過流電子保護元件進行參數(shù)匹配并構(gòu)成的保護電路，將雷擊過電壓和其它各種形式的事故過電壓鉗制在不會損壞下游端設備的安全電壓范圍內(nèi)，再通過能承受工頻事故電源電壓的PPTC過流電子保護元件將事故過電壓阻斷在該保護裝置之外。具體技術(shù)方案為該過電壓保護裝置的電路構(gòu)成為輸入端分別由接線端子IN+與IN-構(gòu)成，保護裝置的輸出端分別由接線端子OUT+、OUT-和接地端GND構(gòu)成，自恢復保險絲PPTCl與玻璃管保險絲FUSl串聯(lián)后，自恢復保險絲PPTCl的另一端與輸入接線端子IN+相連接，玻璃管保險絲FUSl的另一端分別與瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl的一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2的一端、濾波電容器Cl的一端、濾波電容器C2的一端、輸出接線端子OUT+相連接；自恢復保險絲PPTC2與玻璃管保險絲FUS2串聯(lián)后，自恢復保險絲PPTC2的另一端與輸入接線端子IN-相連接；玻璃管保險絲FUS2的另一端分別與瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl的另一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS3的一端、濾波電容器Cl的另一端、濾波電容器C3的一端、輸出接線端子OUT-相連接；瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2的另一端、濾波電容器C2的另一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS3的另一端、濾波電容器C3的另一端分別與地線GND相連接；整流二極管Dl與發(fā)光二極管LED1、限流電阻R1、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS4串聯(lián)后，整流二極管Dl的另一端與輸入接線端子IN+相連接，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS4的另一端與接地端GND相連接；整流二極管D2與發(fā)光二極管LED2、限流電阻R2、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS5串聯(lián)后，整流二極管D2的另一端與輸入接線端子IN-相連接，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS5的另一端與接地端GND相連接。該過電壓保護裝置自身的輸入直流電阻(將輸出端直接短接測量)在8-22歐姆。該過電壓保護裝置是串聯(lián)安裝在信號線路中間，從而實現(xiàn)對下游端貴重儀器儀表、精密電子設備、DCS系統(tǒng)的輸入輸出卡件的保護功能。如果在信號線路中安裝了這種保護裝置，就相當于在原來的測量線路中增加了 8-22歐姆的線路電阻。這樣的電阻值不會對原來的測·控回路的正常工作造成任何影響。本實用新型的過電壓保護裝置接入到24VDC測控信號回路后，其自身的漏電流一般在1-5 μ Α,這個漏電流與4 20mA的直流信號相比，同樣不會對原來的測控回路的正常工作造成任何影響。該過電壓保護裝置的響應速度極快(納秒級)，工業(yè)控制系統(tǒng)信號線路過電壓保護功能全面，工業(yè)控制信號線路防雷擊防過電壓的保護功能安全可靠，電子元器件選型及配置合理，長期使用免維護。本實用新型的過電壓保護裝置，不僅對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的雷擊過電壓具有良好的抑制作用，即使是將220VAC的工頻電源錯誤的直接接入到保護裝置的輸入端數(shù)天時間，不僅保護裝置自身不會造成損壞，而且其輸出的下游端設備也同樣不會造成損壞。同時，通過2只LED發(fā)光二極管測量出出現(xiàn)事故電壓的相線是哪一根，從而能夠有針對性的盡快查找和排除線路故障。只要排除了線路故障，保護裝置又能自動恢復到正常工作狀態(tài)。

圖I是本實用新型的過電壓保護裝置電路原理圖。
具體實施方式
如圖I所示，本實用新型的過電壓保護裝置電路構(gòu)成為輸入端分別由接線端子IN+與IN-構(gòu)成，保護裝置的輸出端分別由接線端子0UT+、0UT-和接地端GND構(gòu)成，自恢復保險絲PPTCl與玻璃管保險絲FUSl串聯(lián)后，自恢復保險絲PPTCl的另一端與輸入接線端子IN+相連接，玻璃管保險絲FUSl的另一端分別與瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl的一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2的一端、濾波電容器Cl的一端、濾波電容器C2的一端、輸出接線端子OUT+相連接；自恢復保險絲PPTC2與玻璃管保險絲FUS2串聯(lián)后，自恢復保險絲PPTC2的另一端與輸入接線端子IN-相連接；玻璃管保險絲FUS2的另一端分別與瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl的另一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS3的一端、濾波電容器Cl的另一端、濾波電容器C3的一端、輸出接線端子OUT-相連接；瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2的另一端、濾波電容器C2的另一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS3的另一端、濾波電容器C3的另一端分別與地線GND相連接；整流二極管Dl與發(fā)光二極管LED1、限流電阻R1、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS4串聯(lián)后，整流二極管Dl的另一端與輸入接線端子IN+相連接，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS4的另一端與接地端GND相連接；整流二極管D2與發(fā)光二極管LED2、限流電阻R2、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS5串聯(lián)后，整流二極管D2的另一端與輸入接線端子IN-相連接，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS5的另一端與接地端GND相連接。工作原理保護裝置的輸入端IN+、IN-與可能出現(xiàn)過電壓現(xiàn)場端相連接，保護裝置的輸出端OUT+,OUT-與被保護的二線制儀器儀表、精密電子設備相連接。在正常工作情況下，保護裝 置因線路電阻很小(IN+到OUT+之間的直流電阻4 10歐姆，IN-到OUT-之間的直流電阻4 10歐姆)，不會影響和改變原來測量控制回路的工作狀態(tài)。另一方面，在正常工作情況下，保護裝置的輸入端IN+與IN-之間和輸出端OUT+與OUT-之間的電子元器件具有很高的阻抗，即使是直接在OUT+與OUT-的兩端接入24VDC，本保護裝置的漏電流也只有I 5 μ Α。但當保護裝置的輸入端IN+與IN-之間出現(xiàn)任何形式的過電壓時，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS1、TVS2、TVS3就會以納秒級的響應速度迅速導通，將保護裝置的輸出端OUT+與OUT-兩端、OUT+與地端、OUT-與地端分別鉗制在一個安全電壓范圍內(nèi)。同時由于流過自恢復保險絲PPTCl與PPTC2的電流迅速增大，當該電流大到超過PPTCl與PPTC2“過流保護電子元器件”最大額定工作電流時，PPTCl與PPTC2過流保護電子元件就會因為過流而發(fā)熱，從而導致PPTCl與PPTC2電阻值迅速增大，將線路出現(xiàn)的過電壓降落在PPTCl與PPTC2過流保護電子元件的兩端。另一方面，PPTCl與PPTC2電阻的增大又導致其電流迅速減小，最后由PPTCl與PPTC2兩端的電壓乘以流過PPTCl與PPTC2的電流所產(chǎn)生的熱量來維持PPTCl與PPTC2處于一種高阻抗狀態(tài)。該過電壓保護裝置與工業(yè)生產(chǎn)過程的集散控制系統(tǒng)的基本連接方式I.該保護裝置安裝在中央控制室時，采用串聯(lián)方式將工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的二線制模擬輸入(Al)、模擬輸出(A0)、和開關(guān)量輸入(DI)先接入該保護裝置的輸入端(IN+與IN -)，保護裝置的輸出端(OUT+與0UT-)再與中央控制室的集散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程控制器(PLC)的各種二線制模擬輸入(Al)、模擬輸出(AO)、開關(guān)量輸入(DI)的信號端子相連接。這樣，當從現(xiàn)場接入到保護裝置輸入信號線路兩端出現(xiàn)任何形式的過電壓時，保護裝置就能夠迅速將這些事故過電壓鉗制在一個安全的電壓范圍內(nèi)，就能確保保護裝置下游端精密電子設備、器件、模塊免遭各種事故過電壓造成的損壞。2.該過電壓保護裝置安裝在現(xiàn)場時，采用串聯(lián)方式將該保護裝置的輸入端(IN+與IN -)與中央控制室來的信號線路相連接，保護裝置的輸出端(OUT+與0UT-)再與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種二線制儀器儀表相連接；這樣，當從現(xiàn)場接入到保護裝置輸入信號線路兩端出現(xiàn)任何形式的過電壓時，保護裝置就能夠迅速將這些事故過電壓鉗制在一個安全的電壓范圍內(nèi)，就能確保保護裝置下游端的儀器儀表免遭各種事故過電壓造成的損壞。
權(quán)利要求1.一種工業(yè)控制系統(tǒng)信號線路過電壓保護裝置，其特征在于該過電壓保護裝置電路構(gòu)成為輸入端分別由接線端子IN+與IN-構(gòu)成，保護裝置的輸出端分別由接線端子OUT+、OUT-和接地端GND構(gòu)成，自恢復保險絲PPTCl與玻璃管保險絲FUSl串聯(lián)后，自恢復保險絲PPTCl的另一端與輸入接線端子IN+相連接，玻璃管保險絲FUSl的另一端分別與瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl的一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2的一端、濾波電容器Cl的一端、濾波電容器C2的一端、輸出接線端子OUT+相連接；自恢復保險絲PPTC2與玻璃管保險絲FUS2串聯(lián)后，自恢復保險絲PPTC2的另一端與輸入接線端子IN-相連接；玻璃管保險絲FUS2的另一端分別與瞬態(tài)電壓抑制二極管TVSl的另一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS3的一端、濾波電容器Cl的另一端、濾波電容器C3的一端、輸出接線端子OUT-相連接；瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS2的另一端、濾波電容器C2的另一端、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS3的另一端、濾波電容器C3的另一端分別與地線GND相連接；整流二極管Dl與發(fā)光二極管LED1、限流電阻R1、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS4串聯(lián)后，整流二極管DI的另一端與輸入接線端子IN+相連接，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS4的另一端與接地端GND相連接；整流二極管D2與發(fā)光二極管LED2、限流電阻R2、瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS5串聯(lián)后，整流二極管D2的另一端與輸入接線端子IN-相連接，瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS5的另一端與接地端GND相連接。
專利摘要本實用新型是一種工業(yè)控制系統(tǒng)信號線路過電壓保護裝置。利用大功率瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)對其兩端的過電壓所具有的納秒級的極快響應速度的特點，通過與自恢復保險絲(PPTC)的過流電子保護元件進行參數(shù)匹配并構(gòu)成的保護電路，將雷擊過電壓和其它各種形式的事故過電壓鉗制在不會損壞下游端設備的安全電壓范圍內(nèi)，再通過能承受工頻事故電源電壓的PPTC過流電子保護元件將事故過電壓阻斷在該保護裝置之外。本實用新型的過電壓保護裝置，不僅對工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)的雷擊過電壓具有良好的抑制作用，即使是將220VAC的工頻電源錯誤的直接接入到保護裝置的輸入端數(shù)天時間，不僅保護裝置自身不會造成損壞，而且其輸出的下游端設備也同樣不會造成損壞。
文檔編號H02H9/04GK202797945SQ20122046890
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者楊建才 申請人:楊建才