一種用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，包括濾波整流模塊：濾除輸入信號中的瞬間過電壓脈沖干擾信號，并防止輸入信號反接；開關(guān)控制模塊：接收濾波整流模塊輸出的電流信號并控制該電流回路的通斷；電壓采集模塊：將來自開關(guān)控制模塊的電流信號轉(zhuǎn)化成對應的電壓信號；以及信號監(jiān)測模塊：監(jiān)視電壓采集模塊采集到的電壓信號，并與預設電壓閾值比較，如果超過預設電壓閾值，則立即控制所述開關(guān)控制模塊斷開電流回路，預設閥值電壓可以根據(jù)需要設定。本實用新型提供的輸入過電流過電壓保護電路，能夠?qū)崿F(xiàn)過電流、過電壓的保護功能，安全可靠且對輸入信號的影響極小。
【專利說明】—種用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種保護電路，特別涉及一種用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)應用中，為了克服干擾對信號的影響，通常采用4-20mA電流來傳輸信號。然而，實際應用過程中，難免會因誤操作將系統(tǒng)的12V或24V電壓信號接入到輸入信號端子，或因信號源故障輸出大電流，或信號線遭受雷擊將高電壓耦合到輸入信號端子，導致信號輸入設備被燒毀，信號采集設備失靈，嚴重時會導致整個系統(tǒng)癱瘓，造成直接或間接的經(jīng)濟損失。
[0003]為了避免過流過壓，有些加入了獨立的輸入保護模塊。比如圖1所示(專利號:200810301869.4)，輸入電壓通過電阻R1、R2分壓到電壓比較器Ul中，Ul的輸出信號到后面的開關(guān)電路，出現(xiàn)過壓信號時關(guān)斷后級的5V—SB信號。有些如圖2所示利用LM317L實現(xiàn)過電流過電壓保護:電流從VI流入到LM317L，從Output引腳流出到R1，由于內(nèi)部Adjustment引腳上的電壓被限制在1.25V，則LM317L的輸出的電流被限制在Ilimit=L 25/R1，使電流被限制在1.25/R1以內(nèi)。
[0004]但這些保護電路對過電壓和過電流保護的功能有限，且對電路的輸入阻抗影響較大，容易造成輸入信號的采集精度變差、輸入阻抗變大的不良影響。比如圖1中，前端電阻分壓采樣和后面的開關(guān)電路是相互獨立的級聯(lián)關(guān)系，關(guān)斷的也只是后級電路，沒有在過電壓信號的接入端斷開電路，如果有非常高的電壓長時間接入，保護電路作用后，由于沒有斷開外部電壓的接入，大電流通過Q1，很可能燒壞Q1，最終失去保護功能。而如圖2所示的電路中，此方案僅僅依靠LM317L的自身的1.25V電壓限制實現(xiàn)限流功能，當輸入Input端接入過高電壓，超出了芯片LM317的承受范圍，則LM317L本身將會被損壞，最終也將失去保護功能，同時，因LM317L內(nèi)部電路影響，使輸入電路阻抗表現(xiàn)為非線性，輸入電路阻抗最大會超過300歐姆。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，在工業(yè)現(xiàn)場4_20mA電流彳目號米集應用中，有時因誤操作或信號源故障，或信號中耦合到瞬時過電壓信號，使輸入信號產(chǎn)生過電壓或過電流信號，從而導致4-20mA電流輸入設備故障。
[0006]本實用新型為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，包括:
[0007]濾波整流模塊:濾除輸入信號中的瞬時過電壓脈沖信號，并防止信號反接；
[0008]開關(guān)控制模塊:接收所述濾波整流模塊輸出的電流信號并控制該電流信號的通斷；
[0009]電壓采集模塊:將來自開關(guān)控制模塊的電流信號轉(zhuǎn)化成對應的電壓信號；以及[0010]信號監(jiān)測模塊:監(jiān)視電壓采集模塊采集到的電壓信號，并與預設閾值電壓比較，如果超過預設電壓閾值，則立即控制所述開關(guān)控制模塊斷開電流回路。上述的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，其中，所述濾波整流模塊包括雙向TVS管D1、濾波電容Cl和防反接二極管D2，所述雙向TVS管Dl與濾波電容Cl并聯(lián)后連接到防反接二極管D2的正極。
[0011]上述的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，其中，所述開關(guān)控制模塊為MOS管QI，所述電壓采集模塊為采樣電阻R3，所述信號監(jiān)測模塊包括電壓比較器U1、分壓電阻Rl以及分壓電阻R2 ;所述MOS管Ql的漏極連接到防反接二極管D2的負極，所述MOS管Ql的柵極連接到電壓比較器Ul的輸出端，所述MOS管Ql的源極則連接到采樣電阻R3，同時連接到電壓比較器Ul的反向輸入端，所述電壓比較器Ul的正向輸入端則同時連接到電阻分壓電阻Rl和分壓電阻R2的一端，所述分壓電阻Rl的另一端連接到電源端V—Set，所述分壓電阻R2的另一端連接到接地端GND。
[0012]上述的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，其中，所述MOS管Ql為N溝道增強型MOS管。
[0013]本實用新型對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果:本實用新型提供的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，通過濾波整流模塊、電壓采集模塊、開關(guān)控制模塊和信號監(jiān)測模塊實現(xiàn)過電流、過電壓的保護功能；本保護電路對輸入信號影響小，對輸入電流的誤差影響最大小于IuA ;保護電路對輸入電路的阻抗影響很小，使輸入電路能夠保持低輸入阻抗，對信號源的要求較低；響應速度快，輸入信號出現(xiàn)過電流過電壓信號時，瞬間徹底斷開輸入回路，使過電流過電壓信號與被保護系統(tǒng)隔離，有效保護后級電路，可靠性高；同時可有效防止雷擊或瞬間過電壓脈沖干擾信號輸入到后級電路；本電路使用元器件簡單，實施成本低廉。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為現(xiàn)有過電壓保護功能方框示意圖；
[0015]圖2為現(xiàn)有的基于LM317L的過電流保護方框示意圖；
[0016]圖3為本實用新型輸入過電流過電壓保護電路方框示意圖；
[0017]圖4為本實用新型輸入過電流過電壓保護電路圖。
[0018]圖中:
[0019]I濾波整流模塊 2開關(guān)控制模塊 3信號監(jiān)測模塊
[0020]4電壓采集模塊
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進一步的描述。
[0022]圖3為本實用新型輸入過電流過電壓保護電路方框示意圖。
[0023]請參見圖3，本實用新型提供的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路包括:
[0024]濾波整流模塊1:濾除輸入信號中的瞬時過電壓脈沖干擾信號，并防止信號反接；
[0025]開關(guān)控制模塊2:接收濾波整流模塊I輸出的電流信號并控制該電流回路的通斷；
[0026]電壓采集模塊4:將來自開關(guān)控制模塊2的電流信號轉(zhuǎn)化成對應的電壓信號；以及
[0027]信號監(jiān)測模塊3:監(jiān)視電壓采集模塊4采集到的電壓信號，并與預設電壓閾值比較，如果超過預設電壓閾值，則立即控制所述開關(guān)控制模塊2斷開電流回路。所述電壓閾值可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。
[0028]本實用新型提供的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路工作原理如下:首先通過濾波整流模塊I對輸入的電流或電壓信號進行處理，防止瞬間過電壓脈沖干擾信號輸入到后級電路，并防止輸入信號反接；然后輸入信號流入開關(guān)控制模塊2，開關(guān)控制模塊2在開啟狀態(tài)時，導通阻抗極低，最后進入到電壓采集模塊4。電壓采集模塊4通過一個采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)化成對應的電壓信號，而信號監(jiān)測模塊3則時刻監(jiān)視電壓采集模塊4采集到的電壓信號，并與預設電壓閾值比較，一旦電壓采集模塊采集到的電壓超過設定值，瞬間使開關(guān)控制模塊2斷開電流回路，然后信號監(jiān)測模塊3將重新監(jiān)測電壓采集模塊4采集到的電壓，此時由于電路斷開，采集到的電壓應該為0V，于是，信號監(jiān)測模塊3使開關(guān)控制模塊2電路導通；接著信號監(jiān)測模塊3將重新監(jiān)測電壓采集模塊4采集到的電壓，如果此時采集到的電壓仍然高于預設電壓閾值，則瞬間再次使開關(guān)控制模塊2斷開電路回路，相反，如果此時采集到的電壓低于預設電壓閾值，則對開關(guān)控制模塊2不進行操作，重新進入電壓檢測模塊4等待判定結(jié)果，如此循環(huán)，使電壓采集到的電壓被控制在預設電壓閾值以下。
[0029]圖4為本實用新型輸入過電流過電壓保護電路圖。
[0030]請繼續(xù)參見圖4，本實用新型中的濾波整流模塊I可由一個雙向TVS管D1、濾波電容Cl和防反接二極管D2組成，開關(guān)控制模塊2可選用N溝道增強型MOS管Q1，信號監(jiān)測模塊3采用電壓比較器Ul及分壓電阻Rl、R2組成，電壓采集模塊4采用采樣電阻R3。具體連接方式如下:雙向TVS管Dl與濾波電容Cl并聯(lián)后連接到防反接二極管D2的正極，防反接二極管D2的負極連接到MOS管Ql的漏極，Ql的柵極連接到電壓比較器Ul的輸出端，Ql的源極則連接到采樣電阻R3，同時連接到電壓比較器Ul的反向輸入端，電壓比較器Ul的正向輸入端則同時連接到分壓電阻Rl和R2的一端，分壓電阻Rl的另一端連接到電源端V—Set，分壓電阻R2的另一端連接到接地端GND。分壓電阻R2上對V—Set的分壓即為閾值電壓。
[0031]本實用新型用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路工作過程如下:正常的4-20mA電流信號輸入時，經(jīng)由雙向TVS管Dl和濾波電容Cl濾波及防反接二極管D2的整流，流入到Ql的漏極，然后從源極出來流入到采樣電阻R3中，在采樣電阻R3上轉(zhuǎn)換為電壓信號，即電壓采集模塊4采集到的電壓，并將該電壓傳送到后級電路；電壓比較器UI的供電電壓一般大于或等于3.3V，并且由于電路初始輸入狀態(tài)和輸入正常4-20mA信號的情況下，采用電阻R3兩端的電壓均小于過電壓保護電路設定的閾值電壓Vset，由此保證電壓比較器Ul的輸出電壓在電路輸入信號正常時為高電平，此時輸出電壓為電壓比較器的供電電壓；為了留有余量，采樣電阻R3取為75歐姆，電路保護電壓閾值設定為2.5V，當20mA電流輸入時，在采樣電阻R3上采集到的電壓為:U=0.02X75=1.5V ;正常4_20mA電流信號輸入情況下，電壓比較器Ul由于正極輸入電壓大于負極輸入電壓，輸出為高電平，此時對于MOS管Ql，柵極電壓等于3.3V，源極電壓小于或等于1.5V，則MOS管柵極電壓大于源極電壓，即Vgs>l.8V, Ql的漏極和源極之間導通。
[0032]當出現(xiàn)過電流信號輸入時，通過雙向TVS管D1、濾波電容Cl、防反接二極管D2的濾波整流處理，最終到采樣電阻R3上轉(zhuǎn)化成電壓，該電壓連接到電壓比較器Ul的反向輸入端，電壓比較器Ul的反向輸入電壓和正向輸入電壓比較，由于電壓比較器Ul的正向輸入電壓是通過兩個電阻分壓得到的，所以電壓比較器UI的正向輸入電壓是固定的，該電壓可以通過調(diào)節(jié)RU R2的電阻值來設定。當采樣電阻R3上的電壓大于Ul的正向輸入電壓時，電壓比較器Ul的輸出端隨即輸出為低電平，MOS管Ql的柵極電壓小于源極電壓，MOS管Ql的源極和漏極之間斷開，即電流回路斷開，采樣電阻R3上的電壓變?yōu)?V，小于Ul的正極輸入電壓，于是電壓比較器Ul的輸出端又輸出高電平，MOS管Ql的漏極和源極導通，電流信號再次流入到采樣電阻R3，轉(zhuǎn)化成電壓，并與Ul的正向輸入電壓比較，由于是過電流信號，在米樣電阻R3上轉(zhuǎn)化的電壓大于電壓比較器Ul的正向輸入電壓，瞬間輸出了低電平，MOS管Ql的源極和漏極斷開，如此反復，最終保證R3上的電壓小于或等于Ul的正向輸入電壓，即RU R2分壓后的電壓。
[0033]當出現(xiàn)過電壓信號輸入時，本實用新型描述的保護電路的工作原理與電流信號輸入時的工作原理是類似的；當過電壓信號是瞬間高電壓信號，如雷擊等時，則TVS管Dl將瞬間導通，將電壓泄放到GND上，保護后級電路；當過電壓信號是穩(wěn)定的高電壓信號時，則通過C1、D2的濾波整流處理，最終到采樣電阻R3上，并與電壓比較器Ul的正向輸入電壓比較，當米樣電阻R3上的電壓大于Ul的正向輸入電壓時，電壓比較器Ul的輸出端隨即輸出為低電平，MOS管Ql的源極和漏極之間斷開，即輸入回路斷開，采樣電阻R3上的電壓跟著變?yōu)?V，小于Ul的正極輸入電壓，于是Ul的輸出端又輸出高電平，MOS管Ql導通，電壓信號轉(zhuǎn)化到R3上，并與Ul的正向輸入電壓比較，由于是過電壓信號，大于Ul的正向輸入電壓，瞬間輸出為低電平，MOS管Ql的源極和漏極斷開，如此反復，最終保證采樣電阻R3上的電壓小于或等于Ul的正向輸入電壓，即Rl、R2分壓后的電壓。
[0034]綜上所述，本實用新型提供的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，通過濾波整流模塊、電壓采集模塊、開關(guān)控制模塊和信號監(jiān)測模塊實現(xiàn)過電流、過電壓的保護功能；本保護電路對輸入信號影響小，對電流輸入信號采集最大誤差小于IuA ;信號輸入阻抗低，對信號源的要求較低；響應速度快，輸入信號出現(xiàn)過電流過電壓信號時，瞬間徹底斷開輸入回路，使過電流過電壓信號與被保護系統(tǒng)隔離，有效保護后級電路，可靠性高；同時可有效防止雷擊或瞬間過電壓脈沖等干擾信號輸入到后級電路。
[0035]雖然本實用新型已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本實用新型，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍內(nèi)，當可作些許的修改和完善，因此本實用新型的保護范圍當以權(quán)利要求書所界定的為準。
【權(quán)利要求】
1.一種用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，其特征在于，包括: 濾波整流模塊:濾除輸入信號中的瞬時過電壓脈沖信號，并防止信號反接； 開關(guān)控制模塊:接收所述濾波整流模塊輸出的電流信號并控制該電流回路的通斷； 電壓采集模塊:將來自開關(guān)控制模塊的電流信號轉(zhuǎn)化成對應的電壓信號；以及 信號監(jiān)測模塊:監(jiān)視電壓采集模塊采集到的電壓信號，并與預設電壓閾值比較，如果超過預設電壓閾值，則立即控制所述開關(guān)控制模塊斷開電流回路。
2.如權(quán)利要求1所述的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，其特征在于，所述濾波整流模塊包括雙向TVS管D1、濾波電容Cl和防反接二極管D2，所述雙向TVS管Dl與濾波電容Cl并聯(lián)后連接到防反接二極管D2的正極。
3.如權(quán)利要求2所述的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，其特征在于，所述開關(guān)控制模塊為MOS管Q1，所述電壓采集模塊為采樣電阻R3，所述信號監(jiān)測模塊包括電壓比較器U1、分壓電阻Rl以及分壓電阻R2 ;所述MOS管Ql的漏極連接到防反接二極管D2的負極，所述MOS管Ql的柵極連接到電壓比較器Ul的輸出端，所述MOS管Ql的源極則連接到采樣電阻R3，同時連接到電壓比較器Ul的反向輸入端，所述電壓比較器Ul的正向輸入端則同時連接到電阻分壓電阻Rl和分壓電阻R2的一端，所述分壓電阻Rl的另一端連接到電源端V—Set，所述分壓電阻R2的另一端連接到接地端GND。
4.如權(quán)利要求3所述的用于4-20mA電流輸入電路的過電流過電壓保護電路，其特征在于，所述MOS管Ql為N溝道增強型MOS管。
【文檔編號】H02H3/20GK203607820SQ201320800450
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】張保建 申請人:悉雅特萬科思自動化(杭州)有限公司