一种控制器的电流采集通道的防护电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种控制器的电流采集通道的防护电路，包括第一保险丝、第二保险丝、第一TVS、第二TVS、第三TVS、第一泄放电容、第二泄放电容以及采样电阻，第一TVS和第二TVS的击穿电压小于外电源电压，第三TVS的击穿电压小于变送器的供电电压，由于第一TVS和第二TVS的击穿电压小于外电源电压，第三TVS的击穿电压小于变送器的供电电压，则无论是外电源电压误接在电流采集正端还是电流采集负端，均会由于第一TVS、第二TVS或者第三TVS的特性从而使得第一保险丝或者第二保险丝断开，有效的避免了外电源电压对控制器造成损坏，还有效避免了第一TVS、第二TVS、第三TVS以及采样电阻等防护器件由于长时间承受高压而造成的失效问题。
【专利说明】
一种控制器的电流采集通道的防护电路
技术领域
[0001]本发明涉及控制器防护技术领域，特别是涉及一种控制器的电流采集通道的防护电路。
【背景技术】
[0002]在工业现场，很多传感器信号均通过电流型变送器转换为4-20mA的信号，来供DCS(Distributed Control System，分布式控制系统)或者PLC(Programmable LogicController，可编程逻辑控制器)等类似控制器的模拟量采集通道采集，如图1所示，图1为现有的一种控制器的电流采集通道的防护电路的结构示意图，兼容二线制(请参照图2)、三线制(请参照图3)以及四线制(请参照图4)的电流型变送器，其中，R为采样电阻，电流流过R后，在R的两端形成一个电压降，经过运算放大器及其所在的调理电路处理之后，这个电压降再被ADC采集转化为数字信号供控制器处理。D2和D3是双向(有些应用采用单向或者其他类似TVS的防护器件)TVS管，用于端口 EMC防护，当干扰源电压高于TVS管的击穿电压时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，达到钳位的目的。
[0003]但在实际应用中，经常会出现以下情况:工业现场中变送器的接线一般都较长(大于100米)，尤其是在DCS现场，环境复杂，有各种干扰信号，例如浪涌，静电，EFT干扰等;现场的电源线(例如24VDC或者更高的电源线)会和信号线交织在一起走线，可能会出现电源线和信号线搭接的情况;现场线缆数量众多，接线人员难免疏忽大意，会接错线，例如把电源线接到信号端口等。上述情况均会很容易出现信号采集端口接入高压的问题，特别是在电源线和信号线搭接时会有持续的高电压信号接入，这会造成采样电阻以及运算放大器及其所在的调理电路的失效，同时如果电压够高(比如220VAC)也会造成TVS等防护器件失效，这些器件失效都造成控制器模块功能的丧失或者性能下降。
[0004]因此，如何提供一种在信号采集端口误接高电压时能够有效避免高电压对控制器造成损坏的控制器的电流采集通道的防护电路是本领域技术人员目前需要解决的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种控制器的电流采集通道的防护电路，有效的避免了外电源电压对控制器造成损坏，另外，还有效避免了第一 TVS、第二 TVS、第三TVS以及采样电阻等防护器件由于长时间承受高压而造成的失效问题。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种控制器的电流采集通道的防护电路，包括第一保险丝、第二保险丝、第一 TVS、第二 TVS、第三TVS、第一泄放电容、第二泄放电容以及采样电阻，所述第一 TVS和所述第二 TVS的击穿电压小于外电源电压，所述第三TVS的击穿电压小于变送器的供电电压，其中:
[0007]所述防护电路的电流采集正端分别与所述第一保险丝的第一端连接，所述第一保险丝的第二端分别与所述第一 TVS的第一端、所述第三TVS的第一端、所述第一泄放电容的第一端以及所述采样电阻的第一端连接，所述第一 TVS的第二端以及所述第一泄放电容的第二端均与第一地连接，所述采样电阻的第二端分别与所述第二保险丝的第一端、所述第二 TVS的第一端、所述第三TVS的第二端以及所述第二泄放电容的第一端连接，所述第二 TVS的第二端以及所述第二泄放电容的第二端均与第二地连接，所述第二保险丝的第二端与所述防护电路的电流采集负端连接;所述采样电阻的两端作为运算放大器及其所在的信号调理电路连接;所述防护电路的接地端接信号地。
[0008]优选地，当所述控制器包括集成的、用于为所述变送器供电的外供电电路时，则该防护电路还包括二极管、第三保险丝、第四TVS以及第三泄放电容，其中:
[0009]所述二极管的阳极与供电电源连接，所述二极管的阴极分别与所述第四TVS的第一端、所述第三泄放电容的第一端以及所述第三保险丝的第一端连接，所述第四TVS的第二端以及所述第三泄放电容的第二端均与第三地连接;所述第三保险丝的第二端与外供电端口连接。
[0010]优选地，所述外供电电路为24V外供电电路。
[0011]优选地，所述第一保险丝、所述第二保险丝以及所述第三保险丝均为自恢复保险丝。
[0012]优选地，所述自恢复保险丝为工作电压大于250VAC的自恢复保险丝。
[0013]优选地，所述第一 TVS、所述第二 TVS以及所述第四TVS均为工作电压为36VDC的TVSo
[0014]优选地，所述第三TVS为工作电压为15VDC的TVS。
[0015]优选地，所述第一地、所述第二地以及所述第三地均为保护地。
[0016]优选地，所述第一泄放电容、所述第二泄放电容以及所述第三泄放电容为InF/1000V的陶瓷电容。
[0017]优选地，所述二极管为耐压等级为100V的二极管。
[0018]本发明提供了一种控制器的电流采集通道的防护电路，该防护电路在电流采集正端与采样电阻的第一端之间设置了第一保险丝、第一 TVS和第一泄放电容，在电流采集负端与采样电阻的第二端之间设置了第二保险丝、第二 TVS和第二泄放电容，且在采样电阻的两端并接有第三TVS，由于第一TVS和第二TVS的击穿电压小于外电源电压，第三TVS的击穿电压小于变送器的供电电压，则无论是外电源电压误接在电流采集正端还是电流采集负端，均会由于第一 TVS或者第二 TVS或者第三TVS的瞬间变为低阻抗并通过大电流且电压钳位的特性从而使得第一保险丝或者第二保险丝断开，从而有效的避免了外电源电压对控制器造成损坏，另外，还有效避免了第一 TVS、第二 TVS、第三TVS以及采样电阻等防护器件由于长时间承受高压而造成的失效问题。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为现有技术中提供的一种控制器的电流采集通道的防护电路的结构示意图；
[0021]图2为现有技术中提供的一种防护电路与二线制变送器连接的原理图；
[0022]图3为现有技术中提供的一种防护电路与三线制变送器连接的原理图；
[0023]图4为现有技术中提供的一种防护电路与四线制变送器连接的原理图；
[0024]图5为本发明提供的一种控制器的电流采集通道的防护电路的结构示意图；
[0025]图6为本发明提供的一种防护电路与二线制变送器连接的原理图；
[0026]图7为本发明提供的一种防护电路与三线制变送器连接的原理图；
[0027]图8为本发明提供的一种防护电路与四线制变送器连接的原理图。
【具体实施方式】
[0028]本发明的核心是提供一种控制器的电流采集通道的防护电路，有效的避免了外电源电压对控制器造成损坏，另外，还有效避免了第一 TVS、第二 TVS、第三TVS以及采样电阻等防护器件由于长时间承受高压而造成的失效问题。
[0029]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]需要说明的是，本申请着重要保护的是控制器的电流采集通道的防护电路，因此，本申请着重介绍防护电路的电路结构，对于控制器的其他部分请参照现有技术。
[0031]请参照图5-8，其中，图5为本发明提供的一种控制器的电流采集通道的防护电路的结构示意图，图6为本发明提供的一种防护电路与二线制变送器连接的原理图，图7为本发明提供的一种防护电路与三线制变送器连接的原理图，图8为本发明提供的一种防护电路与四线制变送器连接的原理图，其中，第一保险丝对应图5-8中的Fl，第二保险丝对应图5-8中的F2，第三保险丝对应图5-8中的F3，第一TVS对应图5_8中的Dl，第二TVS对应图5_8中的D2，第三TVS对应图5-8中的D3，第四TVS对应图5-8中的D4，第一泄放电容对应图5-8中的Cl，第二泄放电容对应图5-8中的C2，第三泄放电容对应图5-8中的C3，采样电阻对应图5-8中的R，二极管对应图5-8中的D5;防护电路的24 V外供电端口对应图5-8中的端口 A，防护电路的电流采集正端对应图5-8中的端口 B，防护电路的电流采集负端对应图5-8中的端口 C，防护电路的接地端对应图5-8中的端口 D。
[0032]该防护电路包括:
[0033]第一保险丝Fl、第二保险丝F2、第一TVS Dl、第二TVS D2、第三TVS D3、第一泄放电容Cl、第二泄放电容C2以及采样电阻R，第一TVS Dl和第二TVS D2的击穿电压小于外电源电压，第三TVS D3的击穿电压小于变送器的供电电压，其中:
[0034]防护电路的电流采集正端B分别与第一保险丝Fl的第一端连接，第一保险丝Fl的第二端分别与第一TVS Dl的第一端、第三TVS D3的第一端、第一泄放电容Cl的第一端以及采样电阻R的第一端连接，第一TVS Dl的第二端以及第一泄放电容Cl的第二端均与第一地连接，采样电阻R的第二端分别与第二保险丝F2的第一端、第二TVS D2的第一端、第三TVSD3的第二端以及第二泄放电容C2的第一端连接，第二TVS D2的第二端以及第二泄放电容C2的第二端均与第二地连接，第二保险丝F2的第二端与防护电路的电流采集负端C连接;采样电阻R的两端作为运算放大器及其所在的信号调理电路连接；防护电路的接地端D接信号地。
[0035]可以理解的是，采样电阻R两端的电压作为运算放大器及其所在的信号调理电路的输入电压，经过信号调理电路调理后，将采样电阻R两端的电压调整为ADC的输入的合理范围，经过ADC转换为变为数字信号供控制器处理。
[0036]优选地，当控制器包括集成的、用于为变送器供电的外供电电路时，则该防护电路还包括二极管D5、第三保险丝F3、第四TVS D4以及第三泄放电容C3，其中:
[0037]二极管D5的阳极与供电电源连接，二极管D5的阴极分别与第四TVS D4的第一端、第三泄放电容C3的第一端以及第三保险丝F3的第一端连接，第四TVS D4的第二端以及第三泄放电容C3的第二端均与第三地连接;第三保险丝F3的第二端与外供电端口 A连接。
[0038]可以理解的是，本申请中的TVS管还可以选用压敏电阻或者空气放电管等具有相似效应的器件代替，本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。
[0039]另外，本申请中提供的控制器，可以是DCS或者PLC等控制器，当然，还可以为其他类型的控制器，本发明在此不做特别的限定。
[0040]另外，本申请中的采样电阻一般不大于300Ω，功率小于0.5W。
[0041]作为优选地，外供电电路为24V外供电电路。
[0042 ]当然，这里的外供电电路还可以为12V或者其他规格的外供电电路，本发明在此不做特别的限定。
[0043]作为优选地，第一保险丝F1、第二保险丝F2以及第三保险丝F3均为自恢复保险丝。
[0044]可以理解的是，自恢复保险丝具有自身阻抗较低，正常工作时功率损耗小，过流状态响应速度比其它过流保护装置快得多，在过流保护状态，以极小的电流锁定在高阻状态，只有切断电源或过电流消失后，才会恢复低阻状态，在起到过流保护作用后(故障排除)自行复位，无需进行拆换，自复保险丝有极好的耐大电流能力的优点。
[0045]作为优选地，自恢复保险丝为工作电压大于250VAC的自恢复保险丝。
[0046]另外，这里的自恢复保险丝可以采用熔断电流为50mA-100mA的自恢复保险丝。
[0047]当然，这里还可以选用其他类型以及规格的保险丝，根据是实际情况来定，本发明在此不做特别的限定。
[0048]作为优选地，第一TVS D1、第二TVS D2以及第四TVS D4均为工作电压为36VDC的
TVSo
[0049]作为优选地，第三TVS D3为工作电压为15VDC的TVS。
[0050]可以理解的是，上述规格的TVS只是本发明提供的一种优选的方案，对于具体选用何种规格的TVS，根据是实际情况来定，本发明在此不做特别的限定。
[0051 ]作为优选地，第一地、第二地以及第三地均为保护地。
[0052] 值得注意的是，保护地对应图5-8中的PGND。
[0053 ]当然，这里的接地端D接的信号地对应图5-8中的信号地GND。
[0054]作为优选地，第一泄放电容Cl、第二泄放电容C2以及第三泄放电容C3为lnF/1000V的陶瓷电容。
[0055]当然，这里的第一泄放电容Cl、第二泄放电容C2以及第三泄放电容C3还可以是其他规格的陶瓷电容，根据是实际情况来定，本发明在此不做特别的限定。
[0056]作为优选地，二极管D5为耐压等级为100V的二极管。
[0057]当然，还可以选用其他规格的二极管，本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。
[0058]下面结合图5-8以及优选情况下各器件的取值对各端口误接电源线的各种保护机制作介绍:
[0059]当A端口搭接24VDC时，由于二极管D5的反向耐压远高于24VDC，因此，不会对控制器内部造成影响；当A端口搭接更高电压时(高于36VDC，例如220VAC)，第四TVS D4导通，将电压快速(响应时间为nS级)钳位到36V左右，且通过第四TVS D4的电流会急剧增大(如果采用600W的TVS管，电流可以承受15A以上)，第三保险丝F3会快速熔断(20mS以内)，从而有效防止了控制器的内部电路受损；
[0060 ] 当B端口搭接24VDC时，对于二线制和三线制变送器，由于C、D端口短接，所以B、C端口之间会有24VDC压差，由于24V大于第三TVS D3的击穿电压15V，因此，第三TVS D3会导通，通过第三TVS D3的电流会急剧增大，第一保险丝Fl或者第二保险丝F2会快速熔断，从而有效防止了控制器内部电路受损;对于四线制变送器，如果B端口误接的24VDC与控制器的查询电源共地，则防护机制类似于上述三线制变送器;如果B端口误接的24VDC与控制器的查询电源不共地，则不会在控制器内形成回路，不会有大电流形成进而损坏控制器，同时由于四线制变送器是采用差分运放采集，会对共模电压有效抑制，性能不会下降；当B端口误接220VAC电源线或者更高电源时，第一TVS Dl导通，通过第一TVS Dl的电流会急剧增大(如果采用600W的TVS管，电流可以承受15A以上)，第一保险丝Fl会快速熔断，从而有效地防止控制器内部电路受损。
[0061 ]当C端口搭接在24VDC时，对于二线制和三线制变送器，由于C、D端口短接，则相当于24V外供电短路，第三保险丝F3快速熔断，不会对控制器模块的内部24V电源造成影响;对于四线制变送器，如果C端搭接的24VDC电源和控制器的查询电源共地，则相当于24V外供电电路短路，第三保险丝F3会快速熔断，不会对模块内部24V电源造成影响，如果不共地，则不会在控制器内形成回路，不会有大电流形成损坏控制器，同时由于四线制变送器采用差分运放采集，会对共模电压有效抑制，性能不会下降；当C端搭接220VAC电源线或者更高电源时，第二TVS D2会导通，且通过第二TVS D2的电流会急剧增大(如果采用600W的TVS管，电流可以承受15A以上)，第二保险丝F2会快速熔断(20mS以内)，防止控制器的内部电路受损。
[0062]D端口很少会出现搭接高电压的情况，即使搭接高电压，由于D端口内部接地，相当于搭接的电源短路，相应电源也会进行相应的保护。
[0063]如果误将24VDC电源(或者更高电压电源)入B、C两端口或者反接，第三TVSD3会导通，且通过第三TVS D3的电流会急剧增大(如果采用600W的TVS管，电流可以承受40A以上)，第一保险丝Fl或者第二保险丝F2会快速熔断(20mS以内)，防止内部电路受损。
[0064]当现场有浪涌，静电，EFT等干扰源，相应通道的TVS管会导通，同时因为第一保险丝Fl、第二保险丝F2以及第三保险丝F3的存在可以有效去耦。另外，第一保险丝F1、第二保险丝F2以及第三保险丝F3的熔断速度非常快，有效减少了第一 TVS、第二 TVS、第三TVS以及采样电阻等防护器件承受高压高电流的时间，可以有效缓解防护器件长时间工作老化产生失效的问题，且由于第一保险丝F1、第二保险丝F2以及第三保险丝F3选用自恢复保险丝，在故障解除后可以自动恢复，无需返厂维修，操作方便。
[0065]本发明提供了一种控制器的电流采集通道的防护电路，该防护电路在电流采集正端与采样电阻的第一端之间设置了第一保险丝、第一 TVS和第一泄放电容，在电流采集负端与采样电阻的第二端之间设置了第二保险丝、第二 TVS和第二泄放电容，且在采样电阻的两端并接有第三TVS，由于第一TVS和第二TVS的击穿电压小于外电源电压，第三TVS的击穿电压小于变送器的供电电压，则无论是外电源电压误接在电流采集正端还是电流采集负端，均会由于第一 TVS或者第二 TVS或者第三TVS的瞬间变为低阻抗并通过大电流且电压钳位的特性从而使得第一保险丝或者第二保险丝断开，从而有效的避免了外电源电压对控制器造成损坏，另外，还有效避免了第一 TVS、第二 TVS、第三TVS以及采样电阻等防护器件由于长时间承受高压而造成的失效问题。
[0066]需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0067]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种控制器的电流采集通道的防护电路，其特征在于，包括第一保险丝、第二保险丝、第一TVS、第二TVS、第三TVS、第一泄放电容、第二泄放电容以及采样电阻，所述第一TVS和所述第二 TVS的击穿电压小于外电源电压，所述第三TVS的击穿电压小于变送器的供电电压，其中: 所述防护电路的电流采集正端分别与所述第一保险丝的第一端连接，所述第一保险丝的第二端分别与所述第一 TVS的第一端、所述第三TVS的第一端、所述第一泄放电容的第一端以及所述采样电阻的第一端连接，所述第一 TVS的第二端以及所述第一泄放电容的第二端均与第一地连接，所述采样电阻的第二端分别与所述第二保险丝的第一端、所述第二 TVS的第一端、所述第三TVS的第二端以及所述第二泄放电容的第一端连接，所述第二 TVS的第二端以及所述第二泄放电容的第二端均与第二地连接，所述第二保险丝的第二端与所述防护电路的电流采集负端连接;所述采样电阻的两端作为运算放大器及其所在的信号调理电路连接;所述防护电路的接地端接信号地。2.如权利要求1所述的防护电路，其特征在于，当所述控制器包括集成的、用于为所述变送器供电的外供电电路时，则该防护电路还包括二极管、第三保险丝、第四TVS以及第三泄放电容，其中: 所述二极管的阳极与供电电源连接，所述二极管的阴极分别与所述第四TVS的第一端、所述第三泄放电容的第一端以及所述第三保险丝的第一端连接，所述第四TVS的第二端以及所述第三泄放电容的第二端均与第三地连接;所述第三保险丝的第二端与外供电端口连接。3.如权利要求2所述的防护电路，其特征在于，所述外供电电路为24V外供电电路。4.如权利要求2所述的防护电路，其特征在于，所述第一保险丝、所述第二保险丝以及所述第三保险丝均为自恢复保险丝。5.如权利要求4所述的防护电路，其特征在于，所述自恢复保险丝为工作电压大于250VAC的自恢复保险丝。6.如权利要求2所述的防护电路，其特征在于，所述第一TVS、所述第二 TVS以及所述第四TVS均为工作电压为36VDC的TVS。7.如权利要求1所述的防护电路，其特征在于，所述第三TVS为工作电压为15VDC的TVS。8.如权利要求2所述的防护电路，其特征在于，所述第一地、所述第二地以及所述第三地均为保护地。9.如权利要求2所述的防护电路，其特征在于，所述第一泄放电容、所述第二泄放电容以及所述第三泄放电容为InF/lOOOV的陶瓷电容。10.如权利要求2所述的防护电路，其特征在于，所述二极管为耐压等级为10V的二极管。
【文档编号】H02H9/04GK105870901SQ201610188378
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】张玉波
【申请人】杭州和利时自动化有限公司