電源保護(hù)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作.

1、電源保護(hù)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作為了方便在實(shí)驗(yàn)室做各種電路實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室電源系統(tǒng)應(yīng)具有如下的功能： 輸出 +12V ， -12V ，+5V 固定電壓的直流穩(wěn)壓電壓源； 輸出輸出電壓從 1.25V 到 12V 可調(diào)的直流穩(wěn)壓電壓源； 輸出電流從 2mA 到 40mA 可調(diào)的直流電流源；輸出電壓約為 +16V ，-16V 的直流電壓源 （沒(méi)有經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的電壓源， 方便做電源實(shí)驗(yàn)用） 輸出電壓為 12V 的交流電壓源（方便做電源實(shí)驗(yàn)用） ；在電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室使用較廣泛的綜合電路實(shí)驗(yàn)箱所使用的電源一般有好幾組電源輸出，如+12V, +5V , -12V等等，數(shù)字實(shí)驗(yàn)電路還有一個(gè) +5V電源插口。由于是學(xué)生實(shí)驗(yàn)用

2、儀器，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)操作出錯(cuò)是常有的現(xiàn)象， 主要是以下三類(lèi)錯(cuò)誤： 一是電源直接短路造成的嚴(yán) 重過(guò)載而損壞電源電路， 此類(lèi)錯(cuò)誤的后果是損壞穩(wěn)壓器， 或整流二極管或變壓器； 二是負(fù)載 過(guò)重， 這往往是學(xué)生由于接線(xiàn)錯(cuò)誤， 如芯片的線(xiàn)接錯(cuò)，雖沒(méi)有直接短路，但可能電流超過(guò)額 定值，若再加上沒(méi)有及時(shí)排除故障，使得時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而損壞電路，如損壞芯片，進(jìn)一步損壞電源電路器件；還有一種可能是將+12V或者-12V電源插入到數(shù)字實(shí)驗(yàn)電路的 +5V電源插口，這樣造成數(shù)字電路（如高低電平信號(hào)形成電路，數(shù)碼信號(hào)顯示電路等等）中的集成塊損壞， 特別是 TTL 集成電路塊的損壞。因此，設(shè)計(jì)制作一個(gè)電路保護(hù)系統(tǒng)很有必要。對(duì)保護(hù)

3、電路的要求：過(guò)壓保護(hù)：輸出的所有電壓中，只要任何一個(gè)電壓超過(guò)額定值1V，保護(hù)電路動(dòng)作。欠壓保護(hù)：輸出的所有電壓中，只要任何一個(gè)電壓低于額定值1V，保護(hù)電路動(dòng)作。過(guò)流保護(hù)： 任何一個(gè)輸出電流超過(guò) 500mA 時(shí)或所有正電源電流之和超過(guò) 500mA 時(shí)或所 有負(fù)電源電流之各超過(guò) 500mA 時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作。電源電壓接錯(cuò)保護(hù)：在應(yīng)加 +5V電源接口處錯(cuò)誤地加上了其它電源，如+12V，-12V等等，保護(hù)電路動(dòng)作。常用的電路保護(hù)措施有：熔斷器保護(hù)，即通常用的保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)管，它是一種過(guò)流保護(hù)器件，將它串接在電源電 路中， 一旦當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)故障而使電源供電電流突然增大時(shí)， 保險(xiǎn)絲熔斷， 截?cái)嚯娫磁c負(fù)載的 通

4、路， 達(dá)到保護(hù)電源和負(fù)載本身的目的。 注意：并不是電流一超過(guò)保險(xiǎn)絲的額定電流就立即 熔斷，通常要超過(guò)額定電流 1.5倍至 2 倍，保險(xiǎn)絲才熔斷。 所以，這種保護(hù)方法是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 成本低，電路設(shè)計(jì)方便； 但缺點(diǎn)是： 保護(hù)電流值不明確， 在需要高精度保護(hù)條件下達(dá)不到要 求，二是熔斷后，需要更換，在一些燒保險(xiǎn)比較頻繁的情況下（如學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)備）就是很麻 煩的一件事情， 時(shí)間上也難以做到需要保護(hù)時(shí)立即截?cái)嚯娫础?因此這種保護(hù)方式通常只能在 短路保護(hù)中采用。自恢復(fù)保險(xiǎn)保護(hù)， 實(shí)際就是一種熱敏電阻保護(hù)， 它也是串接在電源電路中， 是一種過(guò)流 保護(hù)方法。 當(dāng)電流沒(méi)有超過(guò)額定值時(shí)， 作為過(guò)流保護(hù)用的熱敏電阻溫度

5、正常， 所呈現(xiàn)的電阻 很小， 不會(huì)影響電源電路的正常工作， 一旦當(dāng)電流超過(guò)它的額定電流時(shí)， 作為過(guò)流保護(hù)用的 熱敏電阻溫度徒然升高， 所呈現(xiàn)的電阻很大， 截?cái)嚯娫磁c負(fù)載的通路， 達(dá)到保護(hù)電源和負(fù)載 本身的目的， 此后由于流過(guò)作為過(guò)流保護(hù)用的熱敏電阻的電流很小， 溫度降低， 降低到一定 程度時(shí)， 作為過(guò)流保護(hù)用的熱敏電阻電阻值減小到正常值，電源恢復(fù)工作， 若故障沒(méi)有排除，將會(huì)進(jìn)入下一輪保護(hù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 成本低， 但缺點(diǎn)是反應(yīng)太慢， 所以 多數(shù)情況下也不宜使用。晶閘管保護(hù)，在開(kāi)關(guān)電源中用得較多，在開(kāi)關(guān)電源中，有一個(gè)振蕩器， 我們可以設(shè)計(jì)讓 振蕩器是否工作與晶閘管的狀態(tài)有關(guān)， 而

6、晶閘管的狀態(tài)由其電壓決定， 在電路正常工作條件 下，讓晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)， 而一旦電路出現(xiàn)不正常狀態(tài)， 晶閘管導(dǎo)通， 電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。 有關(guān)此方面的問(wèn)題，請(qǐng)實(shí)踐者參閱有關(guān)開(kāi)關(guān)電源的資料。以繼電器為主要器件的電子保護(hù)電路， 繼電器主開(kāi)關(guān)接在電源主電路中， 讓控制電路控 制繼電器線(xiàn)圈而控制繼電器主開(kāi)關(guān)的通斷。 本電子實(shí)踐項(xiàng)目中就是一個(gè)這樣以繼電器為主要 控制器件的電路。以電源調(diào)整管 （大功率三極管） 為主要器件的電子保護(hù)電路， 主要方法是讓一個(gè)控制電 路控制電源調(diào)整管的通斷 （讓調(diào)整管處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)， 電路正常時(shí)飽和導(dǎo)通， 電路不正常 時(shí)截止）。這種電路反應(yīng)快，動(dòng)作值界線(xiàn)確定，具有自恢復(fù)功能，

7、是一種較理想的電源保護(hù) 電路，缺點(diǎn)是電路相對(duì)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。保護(hù)措施方案的選定：由于這樣的電源電路從交流電經(jīng)整流濾波后有二路，一路產(chǎn)生 +12V 電源，另一路產(chǎn)生-12V 電源，所以要在直流電路上采取保護(hù)措施，就得有二個(gè)保護(hù)電路，顯然不太合理。所以在交流電路上就采取保護(hù)措施比較恰當(dāng)，而要在交流支路上保護(hù)， 而交流支路有二路，是變壓器初級(jí)交流支路， 一是變壓器次級(jí)交流支路， 由于初級(jí)邊電壓較高， 不利于選用保護(hù) 器件，而次級(jí)邊電壓較低， 利于選用保護(hù)器件。 從對(duì)保護(hù)電路的要求知， 既要接入交流電路， 以要反映及時(shí)， 還要保護(hù)界線(xiàn)非常明顯， 選用以繼電器為主要器件保護(hù)電路比較恰當(dāng)， 即在 電路

8、正常工作時(shí)，繼電器正常導(dǎo)通， 當(dāng)電路出現(xiàn)不正常狀態(tài)時(shí)，繼電器動(dòng)作，交流供電電路 斷開(kāi)， 起到保護(hù)作用。其它幾種保護(hù)電路方案各有不足之處， 熔斷器保護(hù)電路對(duì)過(guò)壓， 欠壓 問(wèn)題沒(méi)有什么反映， 對(duì)這類(lèi)問(wèn)題起不到保護(hù)作用， 而且保護(hù)界線(xiàn)非常模糊， 達(dá)不到電路的要 求；自恢復(fù)保險(xiǎn)保護(hù)的不足之處與熔斷器保護(hù)電路的不足之處一樣， ，一樣達(dá)不到電路的要 求；調(diào)調(diào)整管保護(hù)電路只適合直流電路上的保護(hù)，而對(duì)交流電路上的保護(hù)無(wú)能為力。電路設(shè)計(jì)方案的形成:電路設(shè)計(jì)方案的解說(shuō)：主電源電路220V 交流電源接入雙 12V 電源變壓器，變壓器的功率根據(jù)電源輸出電壓和額定輸出電 流進(jìn)行計(jì)算，若正負(fù)二路電源額定輸出電流為0.5A

9、 ，整流輸出電壓用正負(fù) 16V 計(jì)算，則一邊的功率就是 16*0.5=8W ，一共是 16W ，可選用 20W 的變壓器。從變壓器輸出的二路交流首先分別經(jīng)過(guò)繼電器的常閉觸頭 （所以要選用有二路觸頭的繼 電器），再接整流濾波電路，最后經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路輸出。保護(hù)電路過(guò)壓與欠壓故障的保護(hù)： 從各電源輸出端引入電壓信號(hào)到電壓信號(hào)檢測(cè)電路， 由于有多 個(gè)電壓， 所以可以選用加法器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)， 得到當(dāng)各電壓正常時(shí)加法器的輸出電壓信號(hào)， 當(dāng) 引入的電壓信號(hào)不正常時(shí)， 本電路的輸出電壓信號(hào)肯定會(huì)發(fā)生變化， 將這個(gè)信號(hào)引入到過(guò)壓 比較器和欠壓比較器，這就可以得到一個(gè)能夠反映主電源各電壓是否在正常范圍內(nèi)的信號(hào)。過(guò)流保

10、護(hù)電路： 主電源電流渡過(guò)取樣電阻， 這樣主電流的大小可以通過(guò)取樣電阻的電壓 反映出來(lái)， 所以首先通過(guò)減法器檢測(cè)出取樣電阻上的電壓， 再送到比較器， 判斷是否電流過(guò) 大。注意，由于有正負(fù)二路電源，所以這樣的電路有二路。以上各電路的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)或門(mén)送出?；蜷T(mén)送出的信號(hào)不能直接控制驅(qū)動(dòng)器， 有一個(gè) +5V 電源接口是否接錯(cuò)電源的信號(hào)， 將這 個(gè)信號(hào)和或門(mén)送出的信號(hào)再送到加法器。開(kāi)機(jī)延時(shí)電路： 由于開(kāi)機(jī)時(shí)主電源輸出電壓并不能立即達(dá)到正常值，若不考慮這個(gè)因素，電源將開(kāi)機(jī)不起。 因此保護(hù)電路必須在主電源達(dá)到正常值后才開(kāi)始工作，因此要設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)機(jī)延時(shí)電路?；蜷T(mén)送出的信號(hào)， +5V 電源接口是否接錯(cuò)電源的信號(hào)

11、， 開(kāi)機(jī)延時(shí)信號(hào)一起送到加法器進(jìn) 行加法運(yùn)算， 加法器計(jì)算出的結(jié)果就可以反映出電路工作狀態(tài)， 再將這個(gè)加法器的結(jié)果送到 比較器，比較器輸出控制信號(hào)。由于繼電器的動(dòng)作電流相對(duì)較大， 運(yùn)算放大器是帶不起這個(gè)負(fù)載的， 因此控制信號(hào)需要 經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路再驅(qū)動(dòng)繼電器。以上就是整個(gè)電路系統(tǒng)的說(shuō)明， 在這個(gè)電路系統(tǒng)， 開(kāi)機(jī)延時(shí)電路和 +5V 電源接口是否接 錯(cuò)電源的信號(hào)電路是需要認(rèn)真考慮的， 總的要求是電路要簡(jiǎn)單， 工作要有效。 具體的解決方 案請(qǐng)閱讀后面的電路設(shè)計(jì)的具體說(shuō)明。12V，20V，繼電器的要求：由于實(shí)驗(yàn)電路的電源電路采用的變壓器次級(jí)電壓為雙 額定電流小于1A，因此，繼電器必須是二路的，耐壓高于 電

12、流大于1A。選用松下DS2Y-SDC5V雙路繼電器可以達(dá)到要求。松下DS2Y-SDC5V雙路繼電器的外形如圖所示。電流電壓：2A30DCV。額定動(dòng)作電壓 5V，實(shí)際上大于3.75V就動(dòng)作。若電源電壓采用 的是+5V電源，則可以直接在控制信號(hào)的作用之下加上電源電壓。若電源電壓高于5V，則需要在電源與繼電器之間串聯(lián)一個(gè)限流電阻。限流大小的計(jì)算：經(jīng)測(cè)量，本繼電器線(xiàn)圈電阻為120歐姆左右，即動(dòng)作電流在 40毫安左右，因此，限流電阻的計(jì)算需要以此數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，在此電阻上的電流也為40毫安左右，例如：電源電壓為+12V，所接限流電阻大小應(yīng)為R=( 12-5) / 0.04 = 175歐姆,可取限流電

13、阻為180歐姆。有二路開(kāi)關(guān)，每一路有二位，一位是常閉開(kāi)關(guān)，一路是常開(kāi)開(kāi)關(guān)。MA1B1C1NA2B2C2此為底視圖，即將繼電器底部朝向眼睛，所看到的繼電器的8個(gè)腳。MN為線(xiàn)圈，注意，這個(gè)線(xiàn)圈有“+” “-”極，其中M端為“ +”極。“ +” “-”極的判斷方法，一般情況下，“ + ”“-”極的判斷應(yīng)該用萬(wàn)用表就可測(cè)量出來(lái)，但此繼電器線(xiàn)圈的“ +” “-”極無(wú)法用萬(wàn)用表測(cè)量，正反向測(cè)量出的電阻值都在120歐姆左右，因此，必須采用加電源測(cè)試，當(dāng)將5V電源加到線(xiàn)圈兩端時(shí)，聽(tīng)到繼電器動(dòng)作聲音，說(shuō)明電源正極所接的一端為繼電器線(xiàn)圈的正極，另一端為負(fù)極，當(dāng)將5V電源加到線(xiàn)圈兩端時(shí)，若聽(tīng)不到繼電器動(dòng)作聲音，說(shuō)明

14、電源正極所接的一端為繼電器線(xiàn)圈的負(fù)極，另一端為正極。A為中間點(diǎn)，A, B之間常閉，A,C之間常開(kāi)。也可選用松下DS2Y-SDC12V雙路繼電器。這個(gè)繼電器外形，腳的分布與上面所述繼電 器完全相同，只是繼電器動(dòng)作額定電壓是 +12V，所測(cè)得的電阻約為 680歐姆，計(jì)算得額定 動(dòng)作電流為18mA。同樣，若需要外接限流電阻時(shí)，按以上參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其它詳細(xì)資料以及其它品牌和型號(hào)的繼電器請(qǐng)實(shí)踐者查閱有關(guān)資料。本電路設(shè)計(jì)的中心任務(wù)是，可以讓二路交流電分別從A1和A2點(diǎn)進(jìn)入，而分別從 B1和B2點(diǎn)送出。在電路處于正常工作狀態(tài)時(shí)，讓MN線(xiàn)圈電流為0,繼電器不動(dòng)作處于常態(tài),即AB間處于導(dǎo)通狀態(tài)，交流電正常送到后

15、續(xù)電路，對(duì)電路正常供電。在電路處于非正常工作狀態(tài)時(shí)，讓 MN線(xiàn)圈通電，繼電器動(dòng)作處于暫態(tài)，即AB間處于斷開(kāi)狀態(tài)，交流電送電電路被斷開(kāi)。對(duì)后續(xù)電路起到保護(hù)作用。保護(hù)電路結(jié)構(gòu)的選擇:由于所需要保護(hù)的類(lèi)型較多， 而且電源輸出路數(shù)也多， 所以選用合適的電路結(jié)構(gòu)非常重 要，否則選用不當(dāng)，設(shè)計(jì)電路的難度會(huì)加大，而且電路可能比較復(fù)雜。根據(jù)電路的要求，本 人選用以運(yùn)算電路和比較器為電路主要結(jié)構(gòu)。因此運(yùn)算放大器將成為本電路的核心器件。通用運(yùn)算放大器LM358是一塊雙運(yùn)放集成電路，內(nèi)含二個(gè)完全一樣的運(yùn)算放大器,弓I腳8個(gè)，引腳編號(hào)1，2，3,4，5, 6, 7, 8按如下方法確定：正 面朝上，有缺口的一方朝左（或

16、者有圓點(diǎn)的位置在左下），左下第一引腳為 1,然后按逆時(shí)針順序依次確定2, 3, 4, 5, 6, 7, 8，即左上腳為8號(hào)引腳。實(shí)物圖如圖所示。8腳接正電源，4腳接負(fù)電源或地 GND 引腳3, 2,1三個(gè)腳組成A運(yùn)放（其中引腳3為A運(yùn)放的同相輸入端，弓I腳2為A運(yùn)放的反相輸入端， 引腳1為A運(yùn)放的輸出端），弓I腳5, 6, 7三個(gè)腳組成B運(yùn)放 （其中引腳5為B運(yùn)放的同相 輸入端，引腳6為B運(yùn)放的反相輸入端，引腳 7為B運(yùn)放的輸出端）。法確定：正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圓點(diǎn)的位置在左下），左下第一引腳為1,然后按逆時(shí)針順序依次確定2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,9, 10, 11

17、, 12, 13, 14,即左上腳為14號(hào)引腳。實(shí)物如圖所示。 4腳接正電源，11腳接負(fù)電源或地 GND 引腳3, 2, 1三個(gè)腳組成A運(yùn)放（其中引腳3為A運(yùn)放的同相輸入端，弓I腳放的反相輸入端，引腳 1為A運(yùn)放的輸出端）弓I腳5, 6, 7三個(gè)腳組成B運(yùn)放（其中引腳5為B運(yùn)放的同相輸入端，引腳 6為B運(yùn) 放的反相輸入端，引腳 7為B運(yùn)放的輸出端）。弓I腳10, 9, 8三個(gè)腳組成C運(yùn)放（其中引腳10為C運(yùn)放的同相輸入端，引腳9為C運(yùn)放的反相輸入端，引腳 8為C運(yùn)放的輸出端）引腳12, 13, 14三個(gè)腳組成D運(yùn)放（其中引腳12為D運(yùn)放的同相輸入端，引腳 13為D運(yùn)放的反相輸入端，引腳14為D

18、運(yùn)放的輸出端）上圖為運(yùn)算放大器LM324電路符號(hào)。運(yùn)算放大器LM358和LM324的主要參數(shù)電源電壓范圍單電源+3.0V-+32V， 雙電源土 1.5 V- 16 V輸出高電平大約比電源電壓低1.4V，輸出低電平大約比負(fù)電源或地GND高電壓低零點(diǎn)幾V。最大輸出端拉電流40mA，最大輸出端灌電流 20mA。信號(hào)檢測(cè)加法器的設(shè)計(jì)計(jì)算： 本電路工作電壓選用 +5V。 過(guò)壓欠壓保護(hù)電路：由運(yùn)算放 大器所構(gòu)成的加法比例放大器電 路如圖所示。將+12V，+5V，-12V信號(hào)分別從電阻R3，R4，R5的一端加入， 為了計(jì)算方便，取R3=R4=R5，此 時(shí)在正常狀態(tài)下，同相輸入端“ 3” 的電壓的計(jì)算方法是：

19、分別計(jì)算各 信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)在同相輸入端“ 3”的電壓。注意，計(jì)算+12V單獨(dú)作 用時(shí)，R4，R5與R6相當(dāng)于是并聯(lián)的，所以U1R4 R5 R6R3 R4/R5/R6單獨(dú)產(chǎn)生的電壓是計(jì)算-12V單獨(dú)作用時(shí)，R3，R4與R6是并聯(lián)的，所以單獨(dú)產(chǎn)生的電壓是R3/ R4/ R6U2（-R5 + R3/R4/R6計(jì)算+5V單獨(dú)作用時(shí)，R3，R5與R6是并聯(lián)的，所以單 獨(dú)產(chǎn)生的電壓是R3 R5 R6R4 R3/ R5/ R6所以加法電路的輸出結(jié)果（U1A運(yùn)算放大器同相輸入端的電壓）等于這三個(gè)電壓?jiǎn)为?dú) 所產(chǎn)生的結(jié)果之和U ,Ui U2 U3由于選用的R3, R4, R5是相同的，所以+12V單獨(dú)作用與-12

20、V單獨(dú)作用將相互抵消,所以U ,5將 R3, R4, R5, R6 的數(shù) 值代入計(jì)算式后得U+ = 1.07V這個(gè)加法比例放大器電 路電路的輸出電壓高不能超 過(guò)3.5V，要留有一定的余地， 最好是不超過(guò) 3V，低不能低 于1V，本人選擇2.7V左右。同相輸入端“ 3”的電壓. 為上述結(jié)果之和。加法器的輸 出電壓設(shè)計(jì)在較中間的值，如2.68V (實(shí)際上在 2V 3V之 間都比較合適)。以此確定R1 和R2的值。注意：Uo=(1+R1/R2)U i則放大倍數(shù)為2.7/1.07 = 2.5因此，R1與R2的比值為1.5。選用R1 = 15K。R2 = 10K 。此時(shí)輸出電壓理論值為2.68V。上述討

21、論可知，在電源 +12V , -12V , +5V電壓處于正常值時(shí)，加法比例放大器電路輸出電壓為2.68V，當(dāng)這幾個(gè)電壓有變化時(shí)，加法比例放大器電路的輸出電壓也將發(fā)生變化。 當(dāng)電壓變化1V時(shí)，加法比例放大器電路輸出電壓變化的電壓值為(2.68 / 5)*1= 0.536V因此選用加法比例放大器電路輸出電壓可變化的范圍為0.3V左右，即加法比例放大器電路輸出電壓的變化范圍是2.4 3.0V因此加法比例放大器電路后面接二個(gè)比較器，輸出低電平，當(dāng)加法比例放大器電路輸出電壓高于3.0V時(shí)，比較器輸出高電平。一個(gè)比較器的比較電壓是3.0V，當(dāng)加法比例放大器電路輸出電壓低于3.0V時(shí)，比較器一個(gè)比較器的比

22、較電壓是2.4V，當(dāng)加法比例放大器電路輸出電壓高于2.4V時(shí)，比較器輸出低電平，當(dāng)加法比例放大器電路輸出電壓低于2.4V時(shí)，比較器輸出高電平。具體確定數(shù)據(jù)時(shí)，取定其中一個(gè)電阻的電阻值，按照上式計(jì)算另外一個(gè)電阻的電阻值。取一個(gè)比較電壓為 3.0V，以此確定決定第一個(gè)比較電壓的電阻R7和R8的值（注意到，運(yùn)算放大器輸入端電流為 0，所以這個(gè)比較電壓就完全由電阻R7和R8決定）。本人取R7=10K，R8=15K，計(jì)算得比較電壓為 3.0V。取另一個(gè)比較電壓為 2.4V，確定決定第二個(gè)比較電壓的電阻R9和R10的值（同樣注意到，運(yùn)算放大器輸入端電流為0,所以這個(gè)比較電壓就完全由電阻R9和R10決定）。

23、本人取R9=20K，R10=18K，計(jì)算得比較電壓為 2.3V。即當(dāng)主電源電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，這二個(gè)比較器都輸出低電平。當(dāng)主電源不正常時(shí)，這二個(gè)比較器一定有一個(gè)輸出高電平，這就是控制電路的信號(hào)之一。從以上討論可知，這二個(gè)比較器后面是一個(gè)或門(mén)?；蜷T(mén)的選擇：可以用數(shù)字集成電路芯片，也可以用分立元件構(gòu)成的或門(mén)電路。本人選用分立元件構(gòu)成的或門(mén)電路，只要二個(gè)二極管就可以了，二個(gè)二極管的陽(yáng)極分別接二個(gè)比較器的輸出端，陰極接在一起。當(dāng)二個(gè)比較器都是輸出低于電平時(shí)，這二個(gè)二極管都截止，當(dāng)二 個(gè)比較器中有一個(gè)輸出高于電平時(shí)，這二個(gè)二極管中一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止，因此，連接在 一起的二極管陰極一定為高電平。二極管和

24、選擇：因輸出電流很小，所以選用二極管4148就可以了。過(guò)流保護(hù)電路：過(guò)流信號(hào)的取得，在正負(fù)電源二個(gè)支路上各串聯(lián)一個(gè)取樣電阻，取樣電阻阻值為1歐姆。如圖示，交流電通過(guò)四個(gè)二極管橋式整流后再通過(guò)電解電容器濾波后變成直流，這個(gè)直流再通過(guò)取樣電阻送到后續(xù)電路。G2 ,G11 WI40011W400114001-4001過(guò)流檢測(cè)信號(hào)處理電路一因?yàn)殡娐冯娏鞯拇笮≈粵Q定了取樣電阻兩端的差值,而與絕對(duì)值無(wú)關(guān)，因此，我們要設(shè)計(jì)一 個(gè)電路將取樣電阻兩端的電壓差 值檢測(cè)出來(lái)。用減法器。當(dāng)減法器 這四個(gè)電阻相同時(shí)，輸出端電壓就 等于G1-G2。注意到，G1，G2都 為正值，而且G1大于G2,所以輸 出電壓是一個(gè)大于0

25、的正值電壓信 號(hào)。當(dāng)主電路電流小于 0.5A時(shí)，G1，G2的差值即減法器的輸出電壓小于0.5V，而當(dāng)主電路電流大于 0.5A時(shí)，G1,G2的差值即減法器的輸出電壓將大于0.5V，過(guò)流檢測(cè)信號(hào)處理電路二因?yàn)殡娐冯娏鞯拇笮≈粵Q定了取樣電阻兩端的差值，而與G3G4絕對(duì)值無(wú)關(guān)，因此，我們要設(shè) 計(jì)一個(gè)電路將取樣電阻兩端的 電壓差值檢測(cè)出來(lái)。 用減法器。 當(dāng)減法器這四個(gè)電阻相同時(shí)， 輸出端電壓就等于 G4-G3。注 意到，G3, G4都為負(fù)值，而且 G3比G4負(fù)得更多，所以輸出 電壓是一個(gè)大于 0的正值電壓 信號(hào)。當(dāng)主電路電流小于0.5A時(shí)，G4， G3的差值即減法器的輸出電壓小于0.5V，而當(dāng)主電路電流

26、大于0.5A時(shí)，G4，G3的差值即減法器的輸出電壓將大于0.5V，由于這二個(gè)過(guò)流檢測(cè)信號(hào)處理電路輸出信號(hào)電壓范圍只有0-0.5V，輸入端的電壓在-10V-+10V 之間，為了保證運(yùn)算放大器的可靠正常工作，運(yùn)算放大器的工作電源應(yīng)該加正 負(fù)雙電源。本人選擇此塊LM324芯片的工作電源為正負(fù)12V。注意到，運(yùn)算放大器若加單電源，輸出電壓最低是到不了0的。過(guò)流信號(hào)比較器因?yàn)檫^(guò)流信號(hào)達(dá)到 0.5V時(shí)，說(shuō)明電路電流達(dá)到額定電流值 0.5A ,再大，保護(hù)電路就需要?jiǎng)幼?，因此，二個(gè)過(guò)流信號(hào)的比較電壓都應(yīng)該為0.5V，如圖示。輸出同樣需要經(jīng)過(guò)或門(mén)后送到控制電路。或門(mén)的選擇：可以用數(shù)字集成電路芯片，也可以用分立元

27、件構(gòu)成的或門(mén)電路。本人選用分立元件構(gòu)成的或門(mén)電路，只要二個(gè)二極管就可以了，二個(gè)二極管的陽(yáng)極分別接二個(gè)比較器的輸出端，陰極接在一起。當(dāng)二個(gè)比較器都是輸出低于電平時(shí)，這二個(gè)二極管都截止，當(dāng)二 個(gè)比較器中有一個(gè)輸出高于電平時(shí)，這二個(gè)二極管中一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止，因此，連接在 一起的二極管陰極一定為高電平。二極管耐壓的選擇， 當(dāng)以上二個(gè)二極管中一個(gè)導(dǎo)通，一個(gè)截止時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)的二極管一端的電壓是高電平約為10.6V，低電平約為-10.6V，所以加在二極管上的反向電壓為21.2V。所以選用的二極管反向耐壓必須大于22V。二極管電流的選擇，因?yàn)樗迂?fù)載電阻大于10K，實(shí)際流過(guò)二極管的電流小于1mA。這個(gè)

28、電流很小。二極管和選擇：因輸出電流很小，所以選用二極管4148就可以了。4148的最高反向耐壓大于 75V，最大電流為150mA。這些指標(biāo)足夠用了?？刂菩盘?hào)產(chǎn)生電路:運(yùn)算放大器作為比較器使用比較電壓為3.43V ,由二個(gè)電阻組成的分壓電路就可實(shí)現(xiàn)。同相端輸入的信號(hào)電壓構(gòu)成比較復(fù)雜，由以下幾個(gè)信號(hào)決定：過(guò)壓欠壓保護(hù)電路輸出信號(hào)（二個(gè)），只要有過(guò)壓或欠壓情況出現(xiàn)時(shí)，這個(gè)信號(hào)為高電 平，電壓值約為10.6V。過(guò)流保護(hù)電路輸出信號(hào)（二個(gè)），只要有過(guò)流情況出現(xiàn)時(shí)，這個(gè)信號(hào)為高電平，電壓值 約為10.6V.（高電平10.6V減去二極管壓降）。以上這四個(gè)信號(hào)加到同一或門(mén)（由四個(gè)二極管構(gòu)成，工作過(guò)程如前述）的

29、輸入端，或門(mén) 的輸出端信號(hào)加到本電路電阻R19上。這四個(gè)二極管的狀態(tài)情況是：當(dāng)電路沒(méi)有過(guò)壓，欠壓，過(guò)流情況出現(xiàn)時(shí)，由于其輸入端都為低電平，二極管全部處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電路中過(guò)壓，欠壓，過(guò)流情況出現(xiàn)時(shí)，或門(mén)輸出高電平，其中一個(gè)二極管導(dǎo)通，另三個(gè)二極管截止。輸出 的高電平電壓為10V （高電平10.6V減去二極管壓降）。數(shù)字電路+5V電源接口保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算：應(yīng)考慮兩種非正常情況：一是可能接入 -12V電源，二是可能接入+12V電源，而正常情 況是接入+5V電源或者是不接入。本來(lái)又可以計(jì)算出正常狀態(tài)下的正常電壓范圍，再用二個(gè)比較器檢測(cè)出非正常信號(hào)，但由于只有一個(gè)運(yùn)放了（再增加一塊集成塊不合算）。

30、采用如下方案可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)方案主要是三個(gè)電路：兩個(gè)二極管D4和D5作為既有隔離作用，又有導(dǎo)通作用;第二個(gè)電路是加法電路，由R13, R14, R15組成，第三個(gè)電路是比較器，由R11, R12組成。在接口處若錯(cuò)誤接入-12V，則由于二極管 D5的導(dǎo)通作用，使輸出電壓端 -12V處處于 非正常工作狀態(tài)， 上面介紹的由四個(gè)二極管構(gòu)成的或門(mén)電路就會(huì)輸出高電平，電路將進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。若在接口處錯(cuò)誤接入 +12V 電源，由于 D4 導(dǎo)通，將使加法端的電壓大大升高而超過(guò)比 較器的比較電壓。而使輸出端為高電平。若是因主電源 +12V， -12V， +5V 電源出現(xiàn)問(wèn)題而使得或門(mén)的輸出端出現(xiàn)高電平

31、，同樣 由于 R19 電阻接入較大電壓而使得加法器電壓顯著升高，而使得加法器的電壓超過(guò)比較電 壓而使本電路高電平。R16的作用是作為 D2和D3輸出端的下拉電阻，因當(dāng)D2和D3左端都為低電平時(shí)，二個(gè)二極管D2和D3截止，但由于R16的存在且電阻值相對(duì)于 R13很小，R13 左端電壓就會(huì)很小，而使得加法器電路的電壓較低，不會(huì)超過(guò)比較電路電壓。下面進(jìn)行具體的計(jì)算：所有檢測(cè)點(diǎn)都正常工作時(shí)(主電源三個(gè)電壓 +12V， -12V， +5輸出電壓值在正常的誤差 范圍內(nèi)， +5 接口處正常，即或懸空或接 +5V 電源)：+5V 接口處懸空：D4 和 D5 截止， R14 左端電壓的計(jì)算：參見(jiàn)總電路原理圖，這

32、個(gè)電壓由 R17 電阻和和 C2電容所組成的RC電路送來(lái)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電容器 C2相當(dāng)于開(kāi)路，這個(gè)電壓是不 是+12V ?，不是的，因在這一點(diǎn)和地 GND之間接有電阻 R13, R14, R15, R16，這四個(gè)電 阻的等效電阻很容易可以計(jì)算出R14+R15/(R13+R16)=150K注意到電源與這一點(diǎn)之間接有電阻R17= 150K，所以這一點(diǎn)的電壓是 150K電阻和150K電阻對(duì)12V電壓的分壓值，很容易計(jì)算出這個(gè)電壓為U=5*150/(150+30)=6V此時(shí)，由于D4和D5截止，加法器輸出電壓(即 U1D同相輸入端的電壓)為U=6*R15/(R13+R16)/(R14+R15/(

33、R13+R16)=6*50/150=2V小于比較電壓3.43V (比較電壓由 R11和R12決定)，比較器輸出低電平。+5V 接口處接 +5V 電源：此時(shí)，由于原二極管 D4右端電壓為6V，而現(xiàn)在左端加上 5V電壓，因此二極管 D4還 是截止，二極管右端即R14左端電壓就被定在 6V (考慮到二極管的管壓降)，加法器輸出電壓(即 U1D 同相輸入端的電壓)為U=6*R15/(R13+R16)/(R14+R15/(R13+R16)=6*50/150=2V小于比較電壓3.43V (比較電壓由 R11和R12決定)，比較器輸出低電平。從以上討論中可知，當(dāng)所有檢測(cè)點(diǎn)都正常工作時(shí)（主電源三個(gè)電壓+12V

34、 , -12V , +5輸出電壓值在正常的誤差范圍內(nèi)， +5接口處正常，即或懸空或接+5V電源），U1D運(yùn)算放大器 輸出端輸出低電平，驅(qū)動(dòng)三極管截止，繼電器無(wú)電流，繼電器不動(dòng)作。+5V接口處正常，不論是懸空還是接+5V電源，當(dāng)主電源三個(gè)電壓 +12V，-12V，+5出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，或者出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)，或門(mén)輸出高電平，此時(shí)，從前面的討論可知，由于R14左端電壓6V，它單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的同相輸入端的電壓為2V，此時(shí)，由于或門(mén)輸出高電平，R19上端電壓為運(yùn)放輸出高電平10V，它單獨(dú)作用產(chǎn)生的同相端的電壓為UA =10* ( R13+R14/R15)/ R16 / ( R13+R14/R15)/ R16

35、+R19=10*15.84/ ( 30.84)= 5.14VU = 5.14*R14/R15 /( R13+R14/R15)=5.14*50 / 132 =1.95V。即或門(mén)輸出主電平信號(hào)單獨(dú)產(chǎn)生的電壓為1.95V。共同作用在U1D同相輸入端產(chǎn)生的電壓為2V+1.95V=3.95V 。大于比較電壓3.43V，U1D運(yùn)算放大器輸出端輸出高電平，驅(qū)動(dòng)三極管飽和，繼電器被 加上接近12V的電壓，產(chǎn)生電流，繼電器動(dòng)作。主電源工作正常， 此時(shí)D2的D3截止，+5V電源接口處錯(cuò)誤接上 +12V電源，因在R14左端輸入電壓約為11.3V，簡(jiǎn)單計(jì)算可得同相端的電壓為U=11.3*R15/(R13+R16)/(

36、R14+R15/(R13+R16)=11.3*50/150 = 3.77V高于反相端的3.43V，U1D運(yùn)算 放大器輸出端輸出高電平，驅(qū)動(dòng)三極 管飽和，繼電器被加上接近12V的電 壓，產(chǎn)生電流，繼電器動(dòng)作。三極管驅(qū)動(dòng)電路控制電路輸出信號(hào)通過(guò)電阻R18加到三極管基極，當(dāng)信號(hào)為低電平 時(shí)，三極管截止，繼電器線(xiàn)圈失電， 不動(dòng)作，當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，三極管 導(dǎo)通，繼電器線(xiàn)圈得電，動(dòng)作?；鶚O電阻 R18 的計(jì)算當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，讓三極管飽和導(dǎo)通，即基極電流的B倍大于集電極電流。集電極電流=繼電器電流約20mA +蜂鳴器電流（不大于 20mA）集電極電流以40mA計(jì)算，B以最小值64計(jì)算，則最小基極電流為

37、=40 / 64 = 0.63mAR18 的最大值為 =10.6 / 0.63 = 16.8（K）取 R18 = 10K 。開(kāi)機(jī)延時(shí)的討論： 開(kāi)機(jī)時(shí)由于主電源濾波電容的充電過(guò)程， 有可能保護(hù)電路已經(jīng)正常工 作， 但主電源還沒(méi)有達(dá)到正常值， 有可能繼電器在開(kāi)機(jī)時(shí)電路無(wú)故障的情況下就動(dòng)作， 造成 開(kāi)機(jī)不正常的后果， 所以需要在控制電路的控制作用在開(kāi)機(jī)時(shí)延時(shí)。 即需要在主電源達(dá)到正 常值后控制電路才開(kāi)始工作，此電路的R17和C2組合解決了這個(gè)問(wèn)題。開(kāi)機(jī)時(shí)，即使D2或 D3 輸出高電平，由于 C2 的充電， R14 的左端電位是慢慢上升的，只有當(dāng)這個(gè)電壓上升 到一定值后（可簡(jiǎn)單計(jì)算得出） ，電路才會(huì)輸

38、出控制信號(hào)，在此之前，電路不會(huì)輸出控制信 號(hào)，繼電器不會(huì)動(dòng)作。開(kāi)機(jī)延時(shí)電路的設(shè)計(jì)與計(jì)算 設(shè)計(jì)開(kāi)機(jī)延時(shí)電路的必要性，開(kāi)機(jī)時(shí)，由于作為保護(hù)電路的工作電源（稱(chēng)為輔助電源） 其濾波電容量較小， 將很快充滿(mǎn)電并開(kāi)始工作， 而主電源的濾波電容量較大， 達(dá)到正常工作 電壓所需的時(shí)間肯定比輔助電源達(dá)到正常電壓所需的時(shí)間長(zhǎng)得多，因此， 在主電源沒(méi)有達(dá)到正常工作電壓之前， 保護(hù)電路將檢測(cè)到非正常的主電源電壓而在由四個(gè)二極管構(gòu)成的或門(mén)輸 出高電平信號(hào)，而造成電源開(kāi)機(jī)不起的問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)機(jī)延時(shí)電路是必須的，而且，這個(gè)延時(shí)作用只能在開(kāi)機(jī)時(shí)才有，一旦當(dāng)電 路進(jìn)入正常狀態(tài)之后， 只要檢測(cè)到電路有過(guò)壓欠壓過(guò)流電源接錯(cuò)的狀

39、態(tài)時(shí)， 保護(hù)電路就要立 即工作，此時(shí)不能有延時(shí)作用。圖中的R17和C2二個(gè)器件就是延時(shí)電路的主要器件。由于這個(gè)電路的作用，電阻R14左端的電壓在開(kāi)機(jī)時(shí)其電位是從 0開(kāi)始逐漸開(kāi)始升高，最后達(dá)到 5V 的，從前面的討論中可 知，若在開(kāi)機(jī)時(shí)， 由于保護(hù)電路將檢測(cè)到非正常的主電源電壓而在由四個(gè)二極管構(gòu)成的或門(mén) 輸出高電平信號(hào)， 但這個(gè)高電平信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)在控制電路中的加法電路中產(chǎn)生的電壓只有 1.85V，比比較電壓3.43V低，保護(hù)電路不會(huì)動(dòng)作。首先計(jì)算電容器充電到多大電壓時(shí)， 比較器狀態(tài)轉(zhuǎn)換， 即同相端的電壓達(dá)到比較電壓值 23.43V ,也即這個(gè)電壓（R14左端電壓）單獨(dú)作用時(shí)，在同相端產(chǎn)生的電壓

40、為3.43V1.95V = 1.48V，1.85V 是四個(gè)二極管構(gòu)成的或門(mén)輸出的高電平單獨(dú)科生的同相端的電壓。這個(gè)1.48V電壓就是R14左端電壓?jiǎn)为?dú)作用時(shí)產(chǎn)生的電壓，設(shè)R14左端電壓為U。則1.48=U*R15/(R13+R16)/(R14+R15/(R13+R16)=U*50/150=U/3得 U=4.44V即當(dāng)電容充電到 4.44V后可能繼電器就動(dòng)作，而在電容器充電到 4.44V之前是不會(huì)動(dòng)作的。電容充電到4.44V需要多長(zhǎng)時(shí)間?估算，因這個(gè)電壓正好是電源電壓的百分之六十多,也就是RC電路的時(shí)間常數(shù)所表示的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間常數(shù)為RC=30K*100uF=3S。但實(shí)際時(shí)間比這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)，這個(gè)只

41、是一個(gè)時(shí)間數(shù)量級(jí)的計(jì)算。這個(gè)延時(shí)時(shí)間已經(jīng)足夠長(zhǎng)了。準(zhǔn)確的開(kāi)機(jī)延時(shí)時(shí)間的計(jì)算:電容等效充電電路圖如圖所示。設(shè)任意時(shí)刻t電容器上電壓為uC，則在任意時(shí)刻VCCt應(yīng)滿(mǎn)足以下電流關(guān)系式Ucc -ucucduec -RiR2 dt因R仁R2=R，整理得-J.r 2uc 這是一個(gè)一階非齊次微分方程，對(duì)應(yīng)的一階齊次Ri150IC微分方程為duCRC藥 2u。loom其解為inu-RCt U2tUc 二U(t)e転代入一階非齊次微分方程,旦 2RCU/(t)e RC - eRC2RCU(t) 2U (t)e RC Ucc =02t整理得2RCU，(t)e花二 Ucc得到U-2LU/(t)氓eRCR2150K兩

42、邊同時(shí)積分得將代入得U （t）祝 Ui2U蘭uc =WCUieC2當(dāng) t = 0 時(shí)，Uc =0 得 U1U CC2最后得Uc2tCC （1 -e 怎）將R, C, UCC數(shù)據(jù)代入等式得Uc= 6（12t-e15）2t當(dāng) Uc = 4.44V 時(shí),0.26 二 e 152t3.846 二 e15In 3.846 =2t/151.347 = 2t/15t = 10.1（秒）若取電容為22uF,則計(jì)算得t = 2.22（秒）注意，這個(gè)延時(shí)作用只是在開(kāi)機(jī)時(shí)才有，當(dāng)電路正常工作后，因電容器上已經(jīng)充上電了, 控制電路就一直在等待電路可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，只要錯(cuò)誤一但出現(xiàn)，控制電路就立即動(dòng)作。三極管驅(qū)動(dòng)電路原理比較簡(jiǎn)單，實(shí)踐者自己進(jìn)行分析和計(jì)算，關(guān)鍵是三極管基極電阻R18的電阻值，就是要保證 U1D輸出高電平時(shí)，三極管需要達(dá)到確定的飽和狀態(tài)，即運(yùn)放