试验装置硬件主要元件工作原理及实现功能
来源：维思自动化 发布时间:2016-04-26 12:18:32
在微型断路器瞬动可靠性试验装置的硬件设计过程中，为满足试验装置的各部分功能要求，需要选取能够实现相应功能的元器件。元件虽小，但在整个设备中，各具核心作用，缺一不可。本文将带你详细了解它们在试验装置中的工作原理及实现功能。
一、数据采集卡
一套合理的微型断路器设备，在进行操作可靠性试验时，需要对触头电压进行精确的采集；在进行瞬动可靠性试验时，需要对所调节的当前电流和电压值进行准确的采集。为实现这些功能，需要采集卡在一个工频周期内要连续进行几百次甚至更多的电压采集，这就意味着采集卡应该有很高的采集转换速度。通过性能比较，维思自动化采用带可编程增益的高性能数据采集卡，其自身提供了一个1K字的FIF0（先进先出）缓冲器，在所有的采集操作完成后再从缓冲器中读取数据并做处理，避免未及时将寄存器中的数据读出采集卡便去进行下一次的采集转换而将寄存器中的数据覆盖掉的错误，再由程序将采集卡驱动后，所有的采集、转换、存储操作都会独立的的完成，最后将需要的数据从FIFO缓冲器读出即可。 这样既可以完全满足试验装置的需求，也为客户节约了一定的成本。
其主要性能如下：
（1）16路单端或8路复端模拟输入，开关选择
（2）12位A/D转化，最大达到100KHz的采样转化速率以及各通道的不同增益选择
（3）软件可选择增益：
（4）X 0.5, 1, 5, 10, 50, 100, 500 或1000
（5）板卡上自带1K字的先进先出（FIFO）缓冲器，软件可选择中断
（6）软件选择模拟输入范围(VDC)：
双极性：士0.005，士0.01，土0.05，土0.1，土0.5，土1，土5，土10
单极性：0-0.01,0-0.1,0-1,0-10
（7）16位数字输入和16位数字输出，TTL/DTL兼容
（8）一个12位的模拟输出同道
（9）可选择的触发方式：软件触发、可编程步进触发和外部脉冲触发
（10）由程序控制、中断方式或DMA方式进行的数据传输
（11）新技术160针1.0μm CMOS ASIC芯片 
二、数字输入输出控制卡
在试验设备中维思自动化所选用的数字输入输出控制卡，有20pin的数字输出端口，可控制信号，以此通过外围电路来控制8台电动机的正转和反转电路的闭合，使得机械手柄驱动试品的合/分闸，同时每台机械手柄的操作机构都设有合/分闸到位信号检测电路，20pin数字量输入口检测到位信号后，控制电动机正反电路的断开。其主要特性如下：
（1）32位数字输入通道
（2）32位数字输出通道
（3）高输出驱动能力
（4）低负载输入
（5）3通道可编程中断计时器
（6）板上晶振时钟源
（7）为用户提供的扩充电路试验板 
三、电力继电器接线板
维思自动化所用的端子板为16通道功率继电器输出板，采用的硬件系统能够将线路中的接线有条理的布线，便于线路的维修和检查。而且它可以通过数字量输出口控制，实现了由微机控制试验设备。其结构很简单，具有16路通道，起到了线路连接中的媒体作用。其主要性能如下：
（1）16个单刀单置电力继电器输出
（2）可承受胡3A/250VAC或者3A/30VDC
（3）接线容易
（4）继电器工作有LED显示
（5）板上有非线性电阻保护继电器触点
（6）可接受20pin连接器和50pin连接器
在进行大电流试验时，需要对试品回路的电流值进行采集，所以我们需要把要采集的电流值转换成相应的电压值进行采集。交流电流变送器是一种将交流电流线型的转换成直流电流或直流电压得装置，广泛应用在通讯基站或机房的环境监控以及各种自动控制领域等行业。维思自动化采用的交流变送器，原边额定电流为交流100A，输出端电压为0-5VDC，供电电源DC+24V。其主要性能如下：
（1）交流测量
（2）反应时间快
（3）标准信号输出
（4）企量程范围内极高的线性度
（5）盘式安装 
五、固态继电器
在本试验装置中，需要通过微机控制电动机回路的通断，来实现试品断路器的分/合闸。因此，就要在微机控制回路（小电压回路）和电机的动力电压回路（电压为AC220V）之间使用种可控制电器。我公司选用固态继电器作为中间的媒介。
继电器是一种自动电器，在控制系统中可用来控制其他电器动作，或在主电路中作为保护用电器。继电器的输入量可以是电压、电流等电量，也可以是温度、速度等非电量。当输入量变化达到某一定值时，控制继电器动作。
维思自动化试验装置中所选用的继电器的技术特性如下：
（1） 激励功率（灵敏度）：一般3V、5～10mA驱动，功率仅十几到三十毫瓦，均可与TTL、HTL逻辑电路兼容，与CMOS电路兼容型只需几百微瓦。
（2）开关速度：一般均在20μS～500μS，高速的只有5，慢5μS～6Μs，慢的不超过5ms，使用于快速控制。 可控硅输出的交流SSR的关断时间和其中的过零型交流SSR的接通时间为最长半个电源周波，有利减小电磁干扰。
（3）输出负载范围：最大输出电压已达AC660V和DC730V，最大输出电流已达AC20OA和DC400A最高负载频率20-100KHz。
（4）输出特性：无抖动的开关，不会引起误动作。输出电压降，采用可控硅作输出器件的交流SSR一般在1.0～1.5V，采用晶体管的SSR一般在0.3～1.0V，采用场效应管的直流SSR的输出接通电阻多为15～60mΩ。输出电压高于40OV，采用1GBT作输出器件的SSR，输出电压降小于3V。输入接通电阻稳定。
（5）对环境和系统的影响：无任何机械碰撞噪音，无电弧火花。
（6）寿命和可靠性：SSR属永久性元件，开关寿命可达108～1012次。 
六、霍尔传感器
维思自动化采用的霍尔开关电路输出级为集电极开关的PNG晶体管，使用规则和任何一种相似的的NPN开关管相同。当输出管截止时，穿透电流很小，一般只有μA，我们可以忽略此电流值，输出电压与电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即最高工作电压24VDC）。当输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因此，必须外接一个电阻R来限制流过管子的电流，使他不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。电压Vcc=24V，R=2.4K时，此时，流过管子的电流为I= ，不超过20mA。
下面计算R的功率P=I2R=9.292mA×2.4K=0.21W。为满足电阻的发热要求，选用电阻的功率为计算结果2～3倍，因此选择2.4K、0.5W上拉电阻满足要求。 
七、光电耦合器
在接收霍尔元件信号时，维思自动化试验装置中用到了光电耦合电路，使得采集信号与采集信号隔离。
光电耦合器是实现光电耦合的基本的器件，它将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘的组合在一起。发光元件为输入回路，它将电能转换成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分的电气隔离，从而可以有效地抑制电干扰。
一套合理的微型断路器设备，在进行操作可靠性试验时，需要对触头电压进行精确的采集；在进行瞬动可靠性试验时，需要对所调节的当前电流和电压值进行准确的采集。为实现这些功能，需要采集卡在一个工频周期内要连续进行几百次甚至更多的电压采集，这就意味着采集卡应该有很高的采集转换速度。通过性能比较，维思自动化采用带可编程增益的高性能数据采集卡，其自身提供了一个1K字的FIF0（先进先出）缓冲器，在所有的采集操作完成后再从缓冲器中读取数据并做处理，避免未及时将寄存器中的数据读出采集卡便去进行下一次的采集转换而将寄存器中的数据覆盖掉的错误，再由程序将采集卡驱动后，所有的采集、转换、存储操作都会独立的的完成，最后将需要的数据从FIFO缓冲器读出即可。 这样既可以完全满足试验装置的需求，也为客户节约了一定的成本。
其主要性能如下：
（1）16路单端或8路复端模拟输入，开关选择
（2）12位A/D转化，最大达到100KHz的采样转化速率以及各通道的不同增益选择
（3）软件可选择增益：
（4）X 0.5, 1, 5, 10, 50, 100, 500 或1000
（5）板卡上自带1K字的先进先出（FIFO）缓冲器，软件可选择中断
（6）软件选择模拟输入范围(VDC)：
双极性：士0.005，士0.01，土0.05，土0.1，土0.5，土1，土5，土10
单极性：0-0.01,0-0.1,0-1,0-10
（7）16位数字输入和16位数字输出，TTL/DTL兼容
（8）一个12位的模拟输出同道
（9）可选择的触发方式：软件触发、可编程步进触发和外部脉冲触发
（10）由程序控制、中断方式或DMA方式进行的数据传输
（11）新技术160针1.0μm CMOS ASIC芯片
在试验设备中维思自动化所选用的数字输入输出控制卡，有20pin的数字输出端口，可控制信号，以此通过外围电路来控制8台电动机的正转和反转电路的闭合，使得机械手柄驱动试品的合/分闸，同时每台机械手柄的操作机构都设有合/分闸到位信号检测电路，20pin数字量输入口检测到位信号后，控制电动机正反电路的断开。其主要特性如下：
（1）32位数字输入通道
（2）32位数字输出通道
（3）高输出驱动能力
（4）低负载输入
（5）3通道可编程中断计时器
（6）板上晶振时钟源
（7）为用户提供的扩充电路试验板
维思自动化所用的端子板为16通道功率继电器输出板，采用的硬件系统能够将线路中的接线有条理的布线，便于线路的维修和检查。而且它可以通过数字量输出口控制，实现了由微机控制试验设备。其结构很简单，具有16路通道，起到了线路连接中的媒体作用。其主要性能如下：
（1）16个单刀单置电力继电器输出
（2）可承受胡3A/250VAC或者3A/30VDC
（3）接线容易
（4）继电器工作有LED显示
（5）板上有非线性电阻保护继电器触点
（6）可接受20pin连接器和50pin连接器
在进行大电流试验时，需要对试品回路的电流值进行采集，所以我们需要把要采集的电流值转换成相应的电压值进行采集。交流电流变送器是一种将交流电流线型的转换成直流电流或直流电压得装置，广泛应用在通讯基站或机房的环境监控以及各种自动控制领域等行业。维思自动化采用的交流变送器，原边额定电流为交流100A，输出端电压为0-5VDC，供电电源DC+24V。其主要性能如下：
（1）交流测量
（2）反应时间快
（3）标准信号输出
（4）企量程范围内极高的线性度
（5）盘式安装
在本试验装置中，需要通过微机控制电动机回路的通断，来实现试品断路器的分/合闸。因此，就要在微机控制回路（小电压回路）和电机的动力电压回路（电压为AC220V）之间使用种可控制电器。我公司选用固态继电器作为中间的媒介。
继电器是一种自动电器，在控制系统中可用来控制其他电器动作，或在主电路中作为保护用电器。继电器的输入量可以是电压、电流等电量，也可以是温度、速度等非电量。当输入量变化达到某一定值时，控制继电器动作。
维思自动化试验装置中所选用的继电器的技术特性如下：
（1） 激励功率（灵敏度）：一般3V、5～10mA驱动，功率仅十几到三十毫瓦，均可与TTL、HTL逻辑电路兼容，与CMOS电路兼容型只需几百微瓦。
（2）开关速度：一般均在20μS～500μS，高速的只有5，慢5μS～6Μs，慢的不超过5ms，使用于快速控制。 可控硅输出的交流SSR的关断时间和其中的过零型交流SSR的接通时间为最长半个电源周波，有利减小电磁干扰。
（3）输出负载范围：最大输出电压已达AC660V和DC730V，最大输出电流已达AC20OA和DC400A最高负载频率20-100KHz。
（4）输出特性：无抖动的开关，不会引起误动作。输出电压降，采用可控硅作输出器件的交流SSR一般在1.0～1.5V，采用晶体管的SSR一般在0.3～1.0V，采用场效应管的直流SSR的输出接通电阻多为15～60mΩ。输出电压高于40OV，采用1GBT作输出器件的SSR，输出电压降小于3V。输入接通电阻稳定。
（5）对环境和系统的影响：无任何机械碰撞噪音，无电弧火花。
（6）寿命和可靠性：SSR属永久性元件，开关寿命可达108～1012次。
维思自动化采用的霍尔开关电路输出级为集电极开关的PNG晶体管，使用规则和任何一种相似的的NPN开关管相同。当输出管截止时，穿透电流很小，一般只有μA，我们可以忽略此电流值，输出电压与电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即最高工作电压24VDC）。当输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因此，必须外接一个电阻R来限制流过管子的电流，使他不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。电压Vcc=24V，R=2.4K时，此时，流过管子的电流为I= ，不超过20mA。
下面计算R的功率P=I2R=9.292mA×2.4K=0.21W。为满足电阻的发热要求，选用电阻的功率为计算结果2～3倍，因此选择2.4K、0.5W上拉电阻满足要求。
七、光电耦合器
在接收霍尔元件信号时，维思自动化试验装置中用到了光电耦合电路，使得采集信号与采集信号隔离。
光电耦合器是实现光电耦合的基本的器件，它将发光元件（发光二极管）与光敏元件（光电三极管）相互绝缘的组合在一起。发光元件为输入回路，它将电能转换成光能；光敏元件为输出回路，它将光能再转换成电能，实现了两部分的电气隔离，从而可以有效地抑制电干扰。
