CN1182393A - 用于数据采集电路的交流输入单元 - Google Patents
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Abstract
用于数据采集电路的交流输入单元(特别是在铁路应用中),该单元至少包括两条具有相同元件的线路(A和B),每条线路至少包括一个齐纳二极管(DZ1或DZ2),一个含有一个发光二极管、一个二极管(D2或D4)以及一个电阻(R1或R3)的光耦合器(U1或U2),所述诸元件中的每一个串联连接。
Description
本发明主要涉及到一种用于数据采集电路(特别是在铁路应用中)的交流输入单元。
目前，用于数据采集电路的交流输入单元主要由简单地通过电缆连接起来的机械式安全继电器构成。
本发明的目的在于提供一种用于数据采集电路(特别是在铁路应用中)的交流输入单元，该单元在安全性方面具有至少与现有技术相同的性能，同时还具有紧凑、易于维护和安装以及使用寿命更长的固有优点。
特别地，本发明的目的在于提供一种错读现象总是发生在安全性许可范围内的单元。
本发明的目的还在于检测单元各组成部分所出现的故障。
此外，本发明的目的还在于，减少在外部因素(例如温度升高)影响下，所用元件性能发生变化所带来的影响。
本发明涉及到一种用于数据采集电路的交流输入单元，此单元至少包含一个用于检测输入电压正半周高于参考电压的装置和一个用于检测输入电压负半周高于参考电压的装置。
每一检测装置都包含一个齐纳二极管，一个由一个发射发光二极管、一个二极管和一个电阻构成的光耦合器(optocoupler)，这些元件被串联连接。
根据本发明的第一个优选实施例，构成上述每一检测装置的元件被分别安放在一条支路上，这两条支路被并联连接。
在此情况下，构成负半周检测装置的元件的排列顺序与构成正半周检测装置的元件的排列顺序相反。
根据另一个实施例，两个检测装置被串联连接于同一条支路上，在此情况下，构成负半周检测装置的元件的排列顺序与构成正半周检测装置的元件的排列顺序相反。
特别有利的是，在每一光耦合器上都并联有一电阻，使得限制由齐纳二极管的泄漏电流造成的影响成为可能。
本发明将在下述附图的帮助下得到更详细的描述：
图1和图2为表示构成本发明所述装置中的主要元件的概略图。图3给出运用图1和图2所述原理而实施的本发明所述装置的一个实施例。
为便于理解根据本发明的装置所依据的设计原理，将主要介绍图1和图2，它们包括了主要的特征元件。
如图1所示，根据本发明的装置，通常被称为用于数据采集电路的交流输入单元，它主要由被称为A和B的两条支路构成，它们分别包含一个用于检测输入电压正半周高于参考电压的装置(支路A)和一个用于检测输入电压负半周高于参考电压的装置(支路B)。
通常，电压阈值检测主要是通过测量在一个半周内输入电压高于参考电压的时间来完成的。若此时间大于预先限定的时间，就认为输入电压是充足的，否则就认为输入端没有充足的电压。
支路A和B包含相同元件，但元件的排列顺序相反。支路A构成了正半周的检测装置，它包括一个齐纳二极管DZ1、一个光耦合器U1、一个二极管D2和一个电阻R1，这些元件串联连接；而支路B构成了负半周的检测装置，它包括一个齐纳二极管DZ2、一个光耦合器U2、一个二极管D4和一个电阻R3，这些元件也是串联连接，但排列与支路A相反。
根据图2所示的一种优选实施例，可以设想将图1所示的支路A和B中的所有元件放置在同一条支路上，两组元件--齐纳二极管DZ1、光耦合器U1和齐纳二极管DZ2、光耦合器U2--以相反的顺序排列。
图2所示的组织方式的主要缺陷在于齐纳二极管DZ1和DZ2可能会有相当大的泄漏电流，此电流随温度升高而增大。
有利的是，为了解决这个问题，一个电阻R7或R13被并联连接于光耦合器U1和U2的发光二极管上。
也可以设想将另一个具有相同功能的元件与U1或U2并联。但是电阻看来是最可靠并且最简单的元件。
此装置具有可获得电流阈值检测的主要优点。
这种布置方式的另一个优点是节省空间和增加安全性。
图3描述了根据本发明的装置的一个实际例子，它应用了图2所述原理。
图3所示的装置为一110伏-50赫兹交流输入单元，它主要由三个级联的功能单元组成。
第一个单元(单元I)主要是使得限制过压成为可能。
第二个单元(单元II)保证了输入功率的消耗。
第三个单元(单元III)进行单元的电压阈值检测以及在输入和输出处理线路之间隔离直流。
单元I包括一个变阻器VR1、一个电阻R5、用于保护单元避免过压的二极管和放电器，而单元II则用来保证最小额定功耗(无功功率)，它包括一个“四端”电容C4，此电容将单元输入端同提供电压阈值检测的单元III耦合在一起。
变阻器VR1箝制在差分放电过程中发生的过压，而电阻R5限制放电过程中“四端”电容C4内的电流峰值幅度以及dV/dt。
“四端”电容C4应被设计为能够确保对于给定的5 0赫兹输入电压的最小功耗。
用于检测输入电压正半周高于参考电压的装置位于支路A，主要由图1和图2所示的元件组成：齐纳二极管DZ1、光耦合器U1、二极管D2和电阻R1，而用于检测输入电压负半周高于参考电压的装置位于支路B，主要由图1和图2所示的元件组成：齐纳二极管DZ2、光耦合器U2、二极管D4和电阻R3。
此外，支路A或B上还分别有一个保险丝F1或F2。
两个光耦合器U1和U2的选择标准是，能够在发光二极管可能最小电流下工作，使得在串联电阻R1和R3上消耗的功率为最小。还使得减小发光二极管的特性对电压阈值的贡献成为可能。
光耦合器U1和U2的导通时间的测量是通过对发送到输出处理线路的电平采样并累计具有逻辑状态“0”的采样值的数目来完成的，采样方式为每20毫秒常规时间段(从而对应于50赫兹)内采样32次。
U1的发光二极管在输入电压高于支路A阈值电压的整个时间内发光。光耦合器U1中的此发光二极管的发光导致按“上拉”方式连接于光耦合器U1上的电阻R2、R9、R10接地，这样就导致Q1被截止并且在由处理线路A(Q1发射极)扫描的多路合成器的输入端读出逻辑“0”电平。
U2的发光二极管在输入电压高于支路B阈值电压的整个时间内发射。光耦合器U2中的此发光二极管的发光导致按“上拉”方式连接于光耦合器U2上的电阻R4、R11、R12接地，这样就导致由处理线路B(U2输出三极管的集电极)扫描的多路合成器的输入端读出逻辑“0”电平。
对于110伏交流输入单元，有两个安全准则得到保证：
—对于50赫兹正弦电压，检测阈值不能低于某一限定值。
—在50赫兹正弦电压下，对于处于逻辑状态1的输入所消耗的功率不
得低于另一限定值。
应该注意的是，除了四端电容之外，用于构成交流输入单元的各元件没有其他内部的安全性保证。因此，安全性的保证主要依靠使用冗余配置以及检查提供给处理线路的数据的相干性。
特别地，处理线路A扫描Q1发射极上的电压，而处理线路B与光耦合器U2的输出三极管的集电极相连。在每一扫描周期的末尾，A和B互换各自在U1或U2导通时所采集的样本数目，其目的在于相互核实。
单元输出端的有用信号自然地出现在输出光耦合器的集电极上，其中，高输出阻抗状态表示电状态“1”，而低阻抗状态表示电状态“0”。仅对于处理线路A，采取了一个防护措施，即使用了一个缓冲级，此缓冲级由一个倒转输出阻抗状态的三极管构成，从而在这里低阻抗状态代表电状态“1”而高阻抗状态代表电状态“0”。
当故障在于不同单元的输出信号之间发生短路时，上述特征就会有在两个处理线路之间产生逻辑“或”的危险(当考虑到诸输入的状态时)。
此缓冲级包括放置在处理线路A上的三极管Q1和电阻R6。
通过这种方式在两条线路间产生一种非对称性，当出现多种寄生通路并且可能影响两条处理线路的同一单元时，单元的行为得益于以下因素：相当于线或(按电平)的功能在线路A的诸单元中发生，而相当于线与(按电平)的功能在线路B的诸单元中发生。
这样就使得当被寄生通路影响的两个单元处于不同状态时，两条处理线路之间的差异就可以立即被检测到。
Claims (5)
1、用于数据采集电路的交流输入单元(特别是在铁路应用中)，此单元至少包含两条具有相同元件的线路(A和B)，每条线路至少包括一个齐纳二极管(DZ1或DZ2)、一个由一发光二极管和一个二极管(D2或D4)以及一个电阻(R1或R3)构成的光耦合器(U1或U2)，每条线路中的元件都串联连接。
2、根据权利要求1的单元，其特征在于：两条线路(A和B)并联连接，第一条线路的元件排列顺序与第二条线路元件排列顺序相反。
3、根据权利要求1的单元，其特征在于：两条线路(A和B)的诸元件串联连接，第一条线路的元件排列顺序与第二条线路元件排列顺序相反。
4、根据以上任何权利要求之一的单元，其特征在于：一个电阻(R7或R13)与每一光耦合器(U1或U2)的发光二极管并联连接。
5、根据以上任何权利要求之一的单元，其特征在于：仅在一条线路(A)上包含一缓冲级，此缓冲级中有一个用来倒转输出阻抗状态的三极管(Q1和R6)。
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