气缸磁性传感器保护电路的设计与制作

在气动控制系统中常常会用到各种磁性传感器（如图1所示），分无触点式和有触点式两种类型。这种传感器为了便于安装在不同的气缸上都作得很精致小巧，但大多都没有保护电路，只要不小心反接电源或有输出短路时都会损坏传感器，特别是学校实训室更是常常出现这种问题。为此，笔者在分析了传感器的原理后设计制作一种保护电路，下文从分析传感器原理开始讲解保护电路的设计与制作。在气动控制系统中常常会用到各种磁性传感器（如图1所示），分无触点式和有触点式两种类型。这种传感器为了便于安装在不同的气缸上都作得很精致小巧，但大多都没有保护电路，只要不小心反接电源或有输出短路时都会损坏传感器，特别是学校实训室更是常常出现这种问题。为此，笔者在分析了传感器的原理后设计制作一种保护电路，下文从分析传感器原理开始讲解保护电路的设计与制作。

为了更详细了解传感器的技术参数，我特意找出了传感器的说明书（如图2所示）。从说明书中，可知道SME-8M-DS-24V传感器的供电电压为DC 24V，传感器最大输出电流为500mA，输出型式为直流三线PNP型。

针对此传感器，为了防止电源反接与输出短路损坏传感器，设计出如图3所示原理图。图中二极管D1起到防止电源接反保护用用，当输入电源反接时，二极管的单向导电性阻止了电流通过，注意的是，选用二极管反向击穿电压必须大于电路工作电压，二极管的最大整流电流必须大于传感器工作电流与保保护电路本身工作电流之和；自恢复保险F1起到防止传感器输出短路或过载保护作用，当传感器信号输出有短路或过载发生时，流过保险丝的大电流使其集温升高，当达到居里温度时，其态密度讯速减小，相变增大，内部的导电链路呈雪崩态变或断裂，保险丝呈阶跃式迁到高阻态，电流被迅速切断，从而对电路进行快速、准确的限制和保护， 其微小的电流使保险丝一直处于保护状态，当断电和故障排除后，其集温降低，态密度增大，相变复原，纳米晶体还原成链状导电通路，自恢复保险恢复为正常状态，无需人工更换保险丝。自恢复保险在参数选择上要注意其耐压值必须大于设备线路上的最大工作电压，选用保险丝的额定工作电流In必须满足：In=Ir/(fo*f1)。（Ir为保护电流，fo为对不同规范保险丝的折减率，对ICE规范的保险丝可以不加折减率，即fo=1，对UL规范的保险丝，折减率fo=0.75，f1为考虑温度后的折减率，环境温度越高，保险丝工作时就越热，寿命就越短。图4给出的是不同特性的保险丝在不同温度下的折减率，曲线A对应于玻璃管保险丝，曲线B对应于陶瓷管保险丝，曲线C对应于高分子自恢复保险丝。）

在本次设计中，笔者实训室所用传感器输出信号要驱动两种负载，一种为DC 24V继电器，工作电流实测值为36.4mA，一种为DC 24V电磁阀，工作电流实测值为65.7mA，取保护电流为150mA（小于传感器最大工作电流500mA，可有效保护传感器不会因为短路或过载而损坏），如果采用高分子PPTC自恢复式保险丝（要求符号UL规范的保险丝），要求该保险丝长期工作在90℃下，则所选 用的保险丝额定电流为In=Ir/(fo*f1)=0.15A/（0.75*0.4）=0.5A，所以推荐选用JY 60-050自恢复保险丝。发光二极管DS1与电阻R1为工作指示电路，当传感器电路工作正常时，DS1点亮，一旦电路出现短路或过载时，自恢复保险断开，指示灯熄灭，故障排除后指示灯又可以恢复正常指示。

电路制作

根据图3所示设计出PCB电路板如图5、6所示，制作好的电路只有25mm*32mm大小，直接可以安装在一个小壳里，使用起来即美观又方便。

保护电路的安装

使用时，J1接传感器+24V电源输入端，J2接传感器输出信号，J3接传感器的电源地，具体如图7所示。

另外，因为PPTC在保护状态下，表面温度高，保护电路在焊接安装时要注意把PPTC放置在通风状态下，对高温敏感元器件不要与PPTC直接按触。如图8、9所示为加装保护电路前后的传感器图。

使用总结

加装保护电路后的传感器比原来的传感器变得更加结实耐用，首先是接头部分，原来的是直接焊接在一起后用热缩管加以固定，但效果不佳，常常会在此位置发生断线，改进后的电路接线变得更结实。保护电路经过三个多月来的反复使用，确实对传感器的断路、过载保护及防电源接反保护起到很好的保护效果，这其中无一因为这些故障引起的传感器损坏。