浅谈开关量采集回路的设计及交流干扰问题解决方案

开关量采集回路选用光耦隔离,光耦作为电路之间的信号传输,使前端与负载完全隔离,增加安全性,减少电路干扰。该回路的运行质量直接影响着保护动作的准确性,所以需要采取一些电路的保护措施增加开关量采集回路的安全可靠性。光耦回路设计的缺陷是直接导致保护误动的根本原因。以下我们我们就讨论一下解决方案。

1、典型24VDC输入电路设计

典型的开关量采集回路的功能主要是滤波、电平转换、隔离和功率驱动。以光耦输入端为24VDC,隔离输出端为主控CPU系统单元为例,如图

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图中电路选用的光耦型号为TLP521-1,为线性光耦,由于光电耦合的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好,因此,由它构成的逻辑电路更可靠,且体积小,成本低。电阻R1根据输入电压选择,根据GB要求所选电阻值将输入电压控制在55%-70%之间动作。即(55%-70%)U=(13.2V-16.8V),在13.2V以下完全截止,16.8V以上完全导通。假设光耦导通电流为4mA-10mA。当输入为16.8V以上时,此时光耦导通,所以就有1.7K<R1<4.2KΩ。当输入为13.2V以下时,此时光耦电流一定低于4mA,此时光耦不导通,所以有13.2/R1<4mA,即R1>3.4KΩ,电阻R1可以选择3.4K-4.2KΩ之间的一个值。光耦的导通最小电流为4mA,根据它的电流传输比CTR为50%,集电极的电流IC=IF*50%=4mA*50%=2mA,同时为了使光电三极管尽快进入饱和区,选择上拉电阻R2为4.7KΩ。防止输入电压有大的突变,在光耦两端并联一个肖基特二极管D1来保护光耦,电容C1和R1构成低通滤波电路,滤掉输入信号夹杂的各种干扰信号。

2、220VDC输入电路设计

在实际应用中,电力系统外围电路提供给装置输入电压通常为直流220V,上图的电路不能满足需求,因此在回路中串联了一个47V/1W的稳压二极管Z1及限流电阻R3、R4,输入的220VDC电压先经过R4电阻分压,当R4两端电压达到100V以上时,使Z1反向稳压,电压经R1、R3限流达到驱动光耦导通电流后导通。该电路在现场应用中发现,在50Hz交流干扰很大的环境下发生误导通现象,故对该电路进行了改进,如图

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该电路将电容C1并联在电阻R4的两端,增加了一个肖基特二极管D2.并且将稳压管Z1更换为耐压100V/1W的稳压管,提高了回路击穿电压。当加入干扰脉冲时,稳压管Z1不导通电容C1充电过程有效的吸收了脉冲,干扰脉冲过后,电容C1经过R4放电,从而避免了光耦元件U1受干扰导通。未增加二极管D2时候,在输入端做电气骚扰实验,150VAC电压经两个串行电容加到输入端,光耦导通,CPU端有信号输入,实验测得二极管D2负端对地电压为150VAC,增加D2后做电气骚扰实验,输入端加150VAC,电压经过二极管D2,将电压降低为20VAC,该电压启动不了光耦,这样就解决了交流干扰引起的开关量导通的问题。

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