無源觸點檢測裝置及方法
【專利摘要】本發明提出一種用于無源觸點的檢測裝置，包括：一隔離變壓器（210，310）；一無源觸點（S1），其串聯在所述隔離變壓器（210，310）副邊的回路中；一驅動電路（220，320），其連接在所述隔離變壓器（220，320）原邊的回路中，用于向所述隔離變壓器（210，310）提供交替變化的直流電流；一檢測電路（230,330），耦合在所述隔離變壓器（210，310）原邊，用于響應于所述隔離變壓器（210，310）原邊的等效阻抗變化，輸出用于指示所述無源觸點（S1）是導通狀態，還是關斷狀態的電平。
【專利說明】無源觸點檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于檢測無源觸點狀態的檢測裝置，尤其涉及一種用于無源觸點的隔離檢測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]有源觸點(wet contact)和無源觸點(dry contact)是工業領域常見的應用。所謂有源觸點是指觸點的導通與否關系到回路中是否有電源供電。例如，墻壁上的開關即為有源觸點，當墻壁上的開關導通時即可為例如室內燈提供220V電源。相反，所謂無源觸點是指其導通與否與回路中是否有電源供電無關，其導通或關斷僅用于指示現場的某一開關量的狀態。這個現場開關量的狀態可由例如主系統通過檢測無源觸點的信號來獲得。例如，火警報警器的按鈕，當該按鈕被按下時其僅僅導通一個電回路而不為該回路提供電壓，且火警系統可檢測到按鈕是否被按下的開關狀態。
[0003]無源觸點在工業場合中的應用越來越多。例如，無源觸點可以包括但不限于限位開關、行程開關、腳踏開關、旋轉開關、溫度開關、液位開關、各種按鍵(例如即停按鈕)，以及各種傳感器輸出(如:水浸傳感器、火災報警傳感器、玻璃破碎、振動、煙霧和凝結傳感器等等。無源觸點的另一個實際應用例子是在漏電保護器(RCD)中的外部觸發功能。也就是說，RCD提供一個外部輸入端，操作人員在必要(電氣故障預警)時可以利用該外部輸入端手動地觸發RCD執行脫扣動作，而不考慮RCD是否實際檢測到了漏電狀況，并由此人工斷開供電線路。
[0004]為了避免電氣故障對設備或人員的損傷，在大部分應用場合中都需要將無源觸點所在回路與供電回路隔離開來。這就需要無源觸點檢測裝置能夠實現可靠的隔離。
[0005]在申請號為201110108596.3的中國專利申請中公開了一種簡單的隔離檢測裝置100，如圖1所示。在圖1中，無源觸點SI所在回路的電源VCCl與帶MCU (微控制單元)的主系統的電源VCC2之間采用電源隔離部件110 (例如，AC-DC隔離電源或DC-DC隔離電源等)。無源觸點SI所在回路與主系統所在回路之間通過光耦120實現了信號隔離。在運行時，圖1中的無源觸點SI導通，則按照圖1所示，主系統側的MCU檢測到例如低電平；無源觸點SI斷開，則主系統側的MCU檢測到例如高電平。這樣，無源觸點和主系統之間就通過電源隔離部件和光耦實現了較為可靠的電隔離。

【發明內容】

[0006]本發明的一個目的旨在提供一種無源觸點隔離檢測裝置，其能夠以較小的體積實現可靠的電隔離。本發明的另一個目的旨在提供一個更低成本、更小體積的無源觸點隔離檢測裝置。
[0007]為實現上述目的，本發明提出一種用于無源觸點的檢測裝置，包括:一隔離變壓器；一無源觸點，其串聯在所述隔離變壓器副邊的回路中；一驅動電路，其連接在所述隔離變壓器原邊的回路中，用于向所述隔離變壓器提供交替變化的直流電流；一檢測電路，耦合在所述隔離變壓器原邊，用于響應于所述隔離變壓器原邊的等效阻抗變化，輸出用于指示所述無源觸點是導通狀態，還是關斷狀態的電平。優選地，所述隔離變壓器連接有續流二極管，其連接在隔離變壓器的原邊兩端。
[0008]采用本發明提出的檢測裝置，可以用單個的隔離變壓器來替代之前所使用的電源隔離裝置和信號隔離裝置，而且由于隔離變壓器在體積上小于電源隔離裝置，因而本發明提出的檢測裝置在保證相同的可靠隔離的前提下在體積上具有明顯優勢。此外，由于本發明提出的檢測裝置沒有使用電源隔離裝置，因而在成本上也同樣具有優勢。
[0009]在本發明一個實施例中，所述檢測電路包括:閾值判斷電路，用于在檢測到所述隔離變壓器的原邊電壓的幅度大于一個預定閾值時輸出有效電平；指不電平輸出電路，響應于所述閾值判斷電路的所述有效電平，而輸出第一電平值，該第一電平值指示出所述無源觸點處于斷開狀態，否則輸出第二電平值，該第二電平值指示出所述無源觸點處于閉合狀態。
[0010]在本發明中，由于考慮到隔離變壓器副邊等效阻抗對原邊等效阻抗的影響，因而可以在提供交變方波電流的情況下，方便地采用判斷原邊電壓幅度的方式來確定原邊等效阻抗的變化。
[0011]在本發明另一個實施例中，所述檢測電路還包括:單向導通電路，其在隔離變壓器原邊電壓方向與所述單向導通電路同向時導通，否則截止；其中，所述閾值判斷電路連接在所述單向導通電路的下游；而且所述指示電平輸出電路包括:開關電路，用于響應于所述閾值判斷電路的所述有效電平而導通，否則截止。充放電電路，響應于所述開關電路的導通而放電，響應于所述開關電路的截止而充電，其中所述輸出的第一電平值和第二電平值為所述充放電電路的輸出，且所述充放電電路的放電時間快于充電時間。
[0012]在本發明實施例中，可以方便地僅檢測隔離變壓器單向(或正向)電平的幅度，就可以確定無源觸點的狀態，而對于負向電平采用更長延時的方式，使其不會對輸出電平產生大的影響。
[0013]在本發明另一個實施例中，所述驅動電路包括:受控電流源，用于響應于一控制信號而輸出直流電流；控制電路，用于響應于一外部的脈沖信號而輸出所述控制信號到所述受控電流源。優選地，所述脈沖信號為50%占空比的方波信號。更為優選地，所述脈沖信號為ΙΟΚΗζ。此驅動電路結構簡單，便于實現。
[0014]根據本發明另一個方面，本發明還提出一種用于檢測無源觸點狀態的方法，包括:在一隔離變壓器的原邊提供交替變化的直流驅動電流，其中該隔離變壓器的副邊回路中串聯有一無源觸點；響應于所述隔離變壓器原邊的等效阻抗變化，輸出指示電平，用于指示所述無源觸點是導通狀態，還是關斷狀態。優選地，所述輸出指示電平的步驟包括:比較所述隔離變壓器的原邊電壓的幅度是否大于一個預定閾值:在所述隔離變壓器的原邊電壓的幅度大于一個預定閾值時，輸出第一電平值，該第一電平值指示出所述無源觸點處于斷開狀態，否則輸出第二電平值，該第二電平值指示出所述無源觸點處于閉合狀態。更為優選地，所述比較步驟包括:比較所述隔離變壓器的原邊電壓的正向周期內的電壓幅度，在所述隔離變壓器的原邊電壓的負向周期內，延遲所述第二電平值的輸出。
【專利附圖】

【附圖說明】[0015]以下附圖僅旨在于對本發明做示意性說明和解釋，并不限定本發明的范圍。其中，
[0016]圖1示出現有的一種無源觸點檢測裝置的示意圖；
[0017]圖2示例性地示出根據本發明一個實施例無源觸點檢測裝置的原理圖；
[0018]圖3示例性地示出根據本發明另一個實施例的無源觸點檢測裝置的原理圖；
[0019]圖4A和圖4B示例性地示出無源觸點斷開和閉合情況下Tpl點和輸出端OUT的電壓波形圖。
【具體實施方式】
[0020]為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照【專利附圖】

【附圖說明】本發明的【具體實施方式】。
[0021]圖2示例性地示出了根據本發明一個實施例的無源觸點檢測裝置200。檢測裝置200包括一個隔離變壓器210。隔離變壓器210副邊串聯有無源觸點SI。無源觸點SI的導通或關斷狀態反應出該檢測裝置外部的狀態變化。在圖2中無源觸點SI連接成(優選與至少一阻值較小的限流電阻串聯在副邊)在其導通時隔離變壓器210副邊的等效阻抗很小或幾乎為零，且無源觸點SI斷開時隔離變壓器210副邊的等效阻抗很大或幾乎為斷路。隔離變壓器210的原邊連接有驅動電路220，其用于為隔離變壓器210提供交替變換的直流電流，即，實際上為使得隔離變壓器耦合的直流激勵源。隔離變壓器210的原邊還耦合有檢測電路230。檢測電路230能夠檢測出隔離變壓器原邊的等效阻抗變化，并將該等效阻抗變化轉換為用于指示無源觸點SI狀態(開或關)的指示電平，送入主系統的MCU中。
[0022]在圖2所示的例子利用了隔離變壓器原邊和副邊之間等效阻抗的轉換特性，如以下公式所示:
[0023]Rl= (N~2)*R2,
[0024]公式中R2為副邊阻抗，Rl為原邊等效阻抗，N為原邊和副邊的匝數比。在圖2中，由于無源觸點SI與一個小電阻串聯在隔離變壓器210的副邊，當無源觸點SI閉合時，副邊阻抗接近為零，其等效到原邊的等效阻抗Rl按照上述公式也近似為零；無源觸點SI斷開時，副邊的阻抗接近為無窮大，則其等效到原邊的等效阻抗也為無窮大。由此，檢測電路230可利用這一特點通過檢測等效阻抗的變化來檢測無源觸點SI的狀態。
[0025]在圖2所示的例子中，為了使隔離變壓器210正常工作，驅動電路220需要向隔離變壓器210施加交替變化的激勵電流。優選地，直流激勵電流例如為直流脈沖方波。當然其他能夠提供交替變化的直流激勵的方式也同樣適用在圖2所示的例子中。此外，檢測電路230同樣可以采用多種方式來檢測隔離變壓器210原邊的等效阻抗變化，再將這一等效阻抗變化轉換為例如高、低電平的變化，輸送給MCU。優選地，在驅動電路提供不變的直流脈沖電流的情況下，隔離變壓器210原邊的等效阻抗變化可反饋出原邊的電壓變化。當隔離變壓器原邊的電壓幅度大于預定閾值時，表示無源觸點SI處于斷開狀態，否則為閉合狀態。由此，優選地，檢測電路230可通過閾值判斷電路確定出原邊電壓幅度是否滿足閾值，再經指示電平輸出電路將原邊的閾值判斷電路的結果轉換為高、低電平來指示出無源觸點SI的開、關狀態。
[0026]圖3為根據本發明又一個具體實施例的無源觸點檢測裝置300。如圖3所示，檢測裝置300包括隔離變壓器310。隔離變壓器310的副邊串聯有無源觸點SI。隔離變壓器310的原邊連接有驅動電路320和檢測電路330。隔離變壓器310的原、副邊的匝數比為2:1。
[0027]在圖3所示的例子中，優選地，隔離變壓器310在其原邊兩端之間優選連接有雙向TVS管，以防止變壓器損壞。此外，如圖3所示，優選限流電阻Rll連接在驅動電路320和隔離變壓器310原邊的Tpl點之間，以達到限流保護的目的。二極管D4—端連接在電阻Rll與驅動電路320的結合點上，另一端連接到隔離變壓器310的原邊的負端(地)上。二極管D4作用在于當驅動電路提供的交替變化的直流激勵處于負半周期時，使得變壓器原邊的電流能夠經過D4續流。關于D4的操作將在后面詳述。
[0028]無源觸點SI與電阻R4串聯在隔離變壓器310的副邊。無源觸點SI的斷開和導通反應了外界信號的變化。電阻R3、R4為保護電阻，其中R4為小電阻。當無源觸點SI閉合時，副邊等效阻抗接近為R4。按照上述公式，其等效到原邊的等效阻抗接近為4R4，由于R4很小，原邊的等效阻抗很小，隔離變壓器原邊的點TPl的電壓接近為零。這時，通過轉換TPl的電壓可獲得與此等效狀態對應的檢測電平，例如高電平。相反，當無源觸點SI斷開時，副邊等效阻抗接近無窮大，則隔離變壓器近似等效為一個電感。這時，可利用交替變化的驅動電流對該等效電感充電來獲得與此等效狀態對應的電平，例如低電平。
[0029]圖3具體示出了一種優選的驅動電路320。如圖3所示，驅動電路320可以為一個由脈沖信號P控制的電流源。在圖3所示的例子中，脈沖信號P為方波，其幅度例如為5V，頻率優選為ΙΟΚΗζ，占空比為50%。脈沖信號的頻率、幅度以及占空比可以根據實際需要進行設定。脈沖信號P控制的電流源也可以有多種電路實現方式。圖3中僅示出了一種優選的實現方式。
[0030]圖3所示的驅動電路320包括三極管Ql和Q3。三極管Ql為受控電流源，用于提供驅動電流。三極管Q3為控制電路，用于響應于脈沖信號P來控制三極管Ql的導通時間。具體地，Ql為PNP型三極管其連接成共基極電路，基極由三極管Q3控制。也就是說，Ql的射極連接到電源(例如18V)，Q1的集電極連接到隔離變壓器310。電阻R2為偏置電阻，電阻Rl為限流電阻。Q3連接成共射極電路，其基極接收脈沖信號P，射極接地，集電極經限流電阻R7連接到三極管Ql的基極，電阻RlO為偏置電阻。圖3中驅動電路320工作時，如果脈沖信號P為高電平，Q3導通，并進而使得Ql導通，電流施加到隔離變壓器310上。如果脈沖信號P為低電平，Q3截止，并進而導致Ql截止，驅動電路320停止給隔離變壓器310提供驅動電流，這時變壓器原邊電流可以通過二極管D4續流。
[0031]檢測電路330實際上可以是一個帶有閾值判斷的指示電平輸出電路。實際應用中，檢測電路330可以檢測Tpl的電壓，并響應于Tpl的變化而輸出相應的電平。在圖3的例子中優選地檢測電路330檢測Rll上的電壓。如果檢測到的電壓大于一個預定的閾值，則檢測電路330開始進行電平切換，即從例如高電平切換為低電平，以此表示無源觸點的一種狀態。如果檢測到的電壓低于一個預定的閾值，則檢測電路320保持輸出例如高電平，以此表示無源觸點的另一種狀態。
[0032]在圖3所示的具體例子中，檢測電路330主要包括二極管D1、穩壓二極管D3、三極管Q2以及電容Cl。二極管Dl構成一個單向導通電路，其陽極連接到待測電壓，且僅當待測電壓為正電平時導通，否則截止。穩壓二極管D3僅在待測電壓高于D3的穩壓值時導通，并進而使得連接成共射極電路的三極管Q2導通。所以D3構成了閾值判斷電路。三極管Q2為指示電平輸出電路331的開關電路。Q2的基極連接到穩壓二極管D3的陽極，射極連接到地，集電極經上拉電阻R5連接的+5V電源。電阻R9為Q2的偏置電阻。Q2的集電極經電阻R8輸出指示電平到MCU，指示電平輸出端OUT和地之間連接有充放電電容Cl。C1、R8和R5構成充放電電路。由此，當待測電壓為正電平且大于D3的穩壓值時，Q2導通，電容Cl通過阻值較小的電阻R8放電，Vout為低電平。當待測電壓V為負電平或者待測電壓低于D3的穩壓值時，Q2截止，Cl經過阻值較大的電阻R5充電。由于Cl的放電比充電速度快得多，因而當待測電壓V的正電平的幅度大于D3的穩壓值時，即使V存在正負電平的周期變化，輸出端OUT仍為低。相反，如果待測電壓V的幅度小于D3的穩壓值，則Q2始終截止，輸出端OUT 一直保持高電平。
[0033]在圖3所示的例子中，當無源觸點SI斷開時，隔離變壓器310原邊的等效阻抗為無窮大，則隔離變壓器近似等效為一電感。這時，脈沖信號P為高電平時，Q3、Q1導通，對作為電感的變壓器310充電，其電流增加，Tpl點電壓迅速升高，電流增加，當電壓達到最大值后慢慢下降，直至為零，電流達到最大值。Tpl點電壓在正電平時可推動Dl導通。當Tpl點電壓高于D3的穩壓值時進而導致Q2導通。由此Cl通過阻值較小的R8迅速放電，使得輸出端OUT為低電平。在脈沖信號P為低電平時，Q3和Ql截止。原邊電流經過D4續流，感應出反電動勢，即Tpl點出現負電平，電流減小。在Tpl點為負電平時，Dl截止，進而導致Q2截止，從而Cl通過阻值較大的電阻R5充電。但是如上所述，由于Cl放電比充電速度快，在下一個Tpl點正電平時，Q2又迅速導通，Cl放電。由此，輸出端OUT—直基本上保持低電平。在無源觸點SI斷開情況下，Tpl點和輸出端OUT點的電壓波形請參見圖4A。
[0034]在圖3所示的例子中，當無源觸點SI閉合時，隔離變壓器310副邊的等效阻抗近似為4*R4，由于R4的阻值很小，因而副邊等效阻抗近似為零。這樣，隔離變壓器原邊的等效阻抗也近似為零，從而Tpl點電壓很低，如圖4B的電壓波形所示。在此情況下，由于檢測電壓即使在正電平時其幅值也低于D3的穩壓值，因而三極管Q2—直截止。由此，輸出端OUT一直基本上保持高電平。在無源觸點SI閉合情況下，Tpl點和輸出端OUT點的電壓波形請參見圖4B。
[0035]以上結合附圖2-4描述了本發明提出的無源觸點檢測裝置的電路結構和工作原理。本領域技術人員可以理解的是，圖3中的驅動電路和檢測電路還可以采用多種其它的結構來實現以上所述的功能。例如，驅動電路可以采用其他結構的受控電流源來實現，而檢測電路也可以用比較器和非門等來實現。同樣的，無源觸點SI在隔離變壓器的副邊的連接方式同樣可以根據實際需求加以調整。這些對于本領域技術人員而言都是顯而易見的。
[0036]采用本發明提出的檢測裝置，可以用單個的隔離變壓器來替代之前所使用的電源隔離裝置和信號隔離裝置，而且由于隔離變壓器在體積上小于電源隔離裝置，因而本發明提出的檢測裝置在保證相同的可靠隔離的前提下在體積上具有明顯優勢。此外，由于本發明提出的檢測裝置沒有使用電源隔離裝置，因而在成本上也同樣具有優勢。
[0037]此外，本發明提出的檢測裝置可以應用在多種場合。例如上述檢測裝置可以應用在RCD漏電保護的外部操作按鈕上，也可以應用在火警報價按鈕上，或限位開關、開關量傳感器等等。
[0038]本發明還提出了用于檢測無源觸點狀態的方法，包括:在一隔離變壓器的原邊提供交替變化的直流驅動電流，其中該隔離變壓器的副邊回路中串聯有一無源觸點Si;響應于所述隔離變壓器原邊的等效阻抗變化，輸出指示電平，用于指示所述無源觸點Si是導通狀態，還是關斷狀態。優選地，所述輸出指示電平的步驟包括:比較所述隔離變壓器310的原邊電壓的幅度是否大于一個預定閾值:在所述隔離變壓器310的原邊電壓的幅度大于一個預定閾值時，輸出第一電平值，該第一電平值指示出所述無源觸點處于斷開狀態，否則輸出第二電平值，該第二電平值指示出所述無源觸點處于閉合狀態。更為優選地，所述比較步驟包括:比較所述隔離變壓器310的原邊電壓的正向周期內的電壓幅度，在所述隔離變壓器310的原邊電壓的負向周期內，延遲所述第二電平值的輸出。
[0039]應當理解，雖然本說明書是按照各個實施例描述的，但并非每個實施例僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
[0040]以上所述僅為本發明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發明的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結合，均應屬于本發明保護的范圍。
【權利要求】
1.一種用于無源觸點的檢測裝置(200，300)，包括: 一隔離變壓器(210, 310)； 一無源觸點(SI)，其串聯在所述隔離變壓器(210，310)副邊的回路中； 一驅動電路(220，320)，其連接在所述隔離變壓器(220，320)原邊的回路中，用于向所述隔離變壓器(210，310)提供交替變化的直流電流； 一檢測電路(230，330)，耦合在所述隔離變壓器(210，310)原邊，用于響應于所述隔離變壓器(210，310)原邊的等效阻抗變化，輸出用于指示所述無源觸點(SI)是導通狀態，還是關斷狀態的電平。
2.如權利要求1所述的檢測裝置，其中，所述檢測電路包括: 閾值判斷電路，用于在檢測到所述隔離變壓器(310)的原邊電壓的幅度大于一個預定閾值時輸出有效電平； 指示電平輸出電路，響應于所述閾值判斷電路的所述有效電平，而輸出第一電平值，該第一電平值指示出所述無源觸點處于斷開狀態，否則輸出第二電平值，該第二電平值指示出所述無源觸點處于閉合狀態。
3.如權利要求2所述的檢測裝置，其中，所述檢測電路(330)還包括: 單向導通電路(D1)，其在隔離變壓器原邊電壓方向與所述單向導通電路同向時導通，否則截止； 其中，所述閾值判斷電路(D3)連接 在所述單向導通電路(Dl)的下游； 所述指示電平輸出電路(331 )，包括: 開關電路(Q2)，用于響應于所述閾值判斷電路的所述有效電平而導通，否則截止。 充放電電路(Cl，R8，R5)，響應于所述開關電路(Q2)的導通而放電，響應于所述開關電路(Q2)的截止而充電，其中所述輸出的第一電平值和第二電平值為所述充放電電路(Cl，R8，R5)的輸出，且所述充放電電路的放電時間快于充電時間。
4.如權利要求1所述的檢測裝置，其中，所述隔離變壓器(310)連接有續流二極管(D4)，其連接在隔離變壓器(310)的原邊兩端。
5.如權利要求1所述的檢測裝置，其中，所述驅動電路(320)包括: 受控電流源(Q1)，用于響應于一控制信號而輸出直流電流； 控制電路(Q3),用于響應于一外部的脈沖信號(P)而輸出所述控制信號到所述受控電流源(Q1)。
6.如權利要求5所述的檢測裝置，其中，所述脈沖信號為50%占空比的方波信號。
7.如權利要求5所述的檢測裝置，其中，所述脈沖信號為ΙΟΚΗζ。
8.一種用于檢測無源觸點狀態的方法，包括: 在一隔離變壓器的原邊提供交替變化的直流驅動電流，其中該隔離變壓器的副邊回路中串聯有一無源觸點(SI)； 響應于所述隔離變壓器原邊的等效阻抗變化，輸出指示電平，用于指示所述無源觸點(SI)是導通狀態，還是關斷狀態。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述輸出指示電平的步驟包括: 比較所述隔離變壓器(310)的原邊電壓的幅度是否大于一個預定閾值: 在所述隔離變壓器(310)的原邊電壓的幅度大于一個預定閾值時，輸出第一電平值，該第一電平值指示出所述無源觸點處于斷開狀態，否則輸出第二電平值，該第二電平值指示出所述無源觸點處于閉合狀態。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述比較步驟包括: 比較所述隔離變壓器(310)的原邊電壓的正向周期內的電壓幅度， 在所述隔離變壓器 (310)的原邊電壓的負向周期內，延遲所述第二電平值的輸出。
【文檔編號】G01R31/02GK103852676SQ201210506497
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月30日 優先權日:2012年11月30日
【發明者】包章堯, 陳嘉, 張紅申, 吳笛 申請人:西門子公司