電源保護電路系統(tǒng)的設(shè)計與制作 (一)

電源愛護電路系統(tǒng)的設(shè)計和制作

為了便利在試驗室做各種電路試驗，試驗室電源系統(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（沒有經(jīng)過穩(wěn)壓的電壓源，便利做電源試驗用）:

輸出電壓為12V的溝通電壓源（便利做電源試驗用）；

在電子技術(shù)試驗室運用較廣泛的綜合電路試驗箱所運用的電源一般有好幾組電源輸出，

如+12V,+5V,-12V等等，數(shù)字試驗電路還有一個+5V電源插口。由于是學(xué)生試驗用儀器,

學(xué)生在做試驗時操作出錯是常有的現(xiàn)象，主要是以下三類錯誤：一是電源干脆短路造成的嚴

峻過載而損壞電源電路，此類錯誤的后果是損壞穩(wěn)壓器，或整流二極管或變壓器；二是負載

過重，這往往是學(xué)生由于接線錯誤，如芯片的線接錯，雖沒有干脆短路，但可能電流超過額

定值，若再加上沒有剛好解除故障，使得時間過長，而損壞電路，如損壞芯片，進一步損壞

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)字試驗電路的+5V電源插口，

這樣造成數(shù)字電路（如凹凸電平信號形成電路，數(shù)碼信號顯示電路等等）中的集成塊損壞，

特殊是TTL集成電路塊的損壞。因此，設(shè)計制作一個電路愛護系統(tǒng)很有必要。

對愛護電路的要求：

過壓愛護：輸出的全部電壓中，只要任何?個電壓超過額定值IV,愛護電路動作。

欠壓愛護：輸出的全部電壓中，只要任何一個電壓低于額定值IV,愛護電路動作。

過流愛護：任何一個輸出電流超過500mA時或全部正電源電流之和超過500mA時或全

部負電源電流之各超過500mA時，愛護電路動作。

電源電壓接錯愛護：在應(yīng)加+5V電源接口處錯誤地加上了其它電源，如+12V,-12V等

等，愛護電路動作。

常用的電路愛護措施有：

熔斷器愛護，即通常用的保險絲，保險管，它是一種過流愛護器件，將它串接在電源電

路中，一旦當(dāng)負載出現(xiàn)故障而使電源供電電流突然增大時，保險絲熔斷，截斷電源和負載的

通路，達到愛護電源和負載本身的目的。留意：并不是電流一超過保險絲的額定電流就馬上

熔斷，通常要超過額定電流1.5倍至2倍，保險絲才熔斷。所以，這種愛護方法是結(jié)構(gòu)簡潔,

成本低，電路設(shè)計便利；但缺點是：愛護電流值不明確，在須要高精度愛護條件下達不到要

求，二是熔斷后，須要更換，在一些燒保險比較常見的狀況卜.（如學(xué)生試驗設(shè)備）就是很麻

煩的一件事情，時間上也難以做到須要愛護時馬上截斷目源。因此這種愛護方式通常只能在

短路愛護中采納。

自復(fù)原保險愛護，實際就是一種熱敏電阻愛護，它也是串接在電源電路中，是一種過流

愛護方法。當(dāng)電流沒有超過額定值時，作為過流愛護用的熱敏電阻溫度正常，所呈現(xiàn)的電阻

很小，不會影響電源電路H勺正常工作，一旦當(dāng)電流超過它的額定電流時，作為過流愛護用的

熱敏電阻溫度徒然上升，所呈現(xiàn)的電阻很大，截斷電源和負載的通路，達到愛護電源和負載

本身的目的,此后由于流過作為過流愛護用的熱敏電阻的電流很小，溫度降低，降低到確定

程度時，作為過流愛護用的熱敏電阻電阻值減小到正常值，電源復(fù)原工作，若故障沒有解除,

將會進入下一輪愛護。這種方法的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，但缺點是反應(yīng)太慢，所以

多數(shù)狀況下也不宜運用。

品閘管愛護，在開關(guān)電源中用得較多，在開關(guān)電源中，有一個振蕩器，我們可以設(shè)計讓

振蕩器是否工作和品閘管的狀態(tài)有關(guān)，而晶閘管的狀態(tài)日其電壓確定，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，電路進入愛護狀態(tài)。

有關(guān)此方面的問題，請實踐者參閱有關(guān)開關(guān)電源的資料。

以繼電器為主要器件的電子愛護電路，繼電器主開關(guān)接在電源主電路中，讓限制電路限

制繼電器線圈而限制繼電器主開關(guān)的通斷。本電子實踐項目中就是一個這樣以繼電器為主要

限制器件的電路。

以電源調(diào)整管（大功率三極管）為主要器件的電子愛護電路，主要方法是讓一個限制電

路限制電源調(diào)整管的通斷（讓調(diào)整管處丁開關(guān)工作狀態(tài)，電路正常時飽和導(dǎo)通，電路不正常

時截止）。這種電路反應(yīng)快，動作值界線確定，具有自復(fù)原功能，是一種較志向的電源愛護

電路，缺點是電路相對困難，成本相對較高。

愛護措施方案的選定：

由于這樣的電源電路從溝通電經(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，所以要在直沆電路上實行愛護措施，就得生二個愛護電路，明顯不太合理。所

以在溝通電路上就實行愛護措施比較恰當(dāng)，而要在溝通支路上愛護，而溝通支路有二路，一

是變壓器初級溝通支路，一是變壓器次級溝通支路，由于初級邊電壓較高，不利于選用愛護

器件，而次級邊電壓較低，利于選用愛護器件。從對愛護電路的要求知，既要接入溝通電路,

以要反映剛好，還要愛護界線特別明顯，選用以繼電器為主要器件愛護電路比較恰當(dāng)，即在

電路正常工作時，繼電器正常導(dǎo)通，當(dāng)電路出現(xiàn)不正常狀態(tài)時，繼電器動作，溝通供電電路

斷開，起到愛護作用。其它幾種愛護電路方案各有不足之處，熔斷器愛護電路對過壓，欠壓

問題沒有什么反映，對這類問題起不到愛護作用，而且愛護界線特別模糊，達不到電路的要

求；自復(fù)原保險愛護的不足之處和熔斷器愛護電路的不足之處一樣，，一樣達不到電路的要

求；調(diào)調(diào)整管愛護電路只適合直流電路上的愛護，而對溝通電路上的愛護無能為力。

電路設(shè)”?萬案的形成:

電路設(shè)計方案的解說：

主電源電路

220V溝通電源接入雙12V電源變壓器，變壓器的功率依據(jù)電源輸出電壓和額定輸出電

流進行計算，若正負二路電源額定輸出電流為0.5A,整流輸出電壓用正負16V計算，則一

邊的功率就是I6*O.5=8W,一共是16W,可選用20W的變壓器。

從變壓器輸出的二路溝通首先分別經(jīng)過繼電器的常閉觸頭（所以要選用有二路觸頭的繼

電器），再接整流濾波電路，最終經(jīng)過穩(wěn)壓電路輸出。

愛護電路

過壓和欠壓故障的愛護：從各電源輸出端引入電壓信號到電壓信號檢測電路，由于有多

個電壓，所以可以選用加法器來進行檢測，得到當(dāng)各電壓正常時加法器的輸出電壓信號，當(dāng)

引入的電壓信號不正常時，本電路的輸出電壓信號確定會發(fā)生改變，將這個信號引入到過壓

比較器和欠壓比較器，這就可以得到一個能夠反映主電源各電壓是否在正常范圍內(nèi)的信號。

過流愛護電路：主電源電流渡過取樣電阻，這樣主電流的大小可以通過取樣電阻的電壓

反映出來，所以首先通過減法相檢測出取樣電阻上的電壓，再送到比較器，推斷是否電流過

大。留意，由于有正負二珞電源，所以這樣的電路有二路。

以上各電路的輸出信號經(jīng)過或門送出。

或門送出的信號不能干脆限制驅(qū)動器，有一個+5V目源接口是否接錯電源的信號，將這

個信號和或門送出的信號再送到加法器。

開機延時電路：由于開機時主電源輸出電壓并不能馬上達到正常值,若不考慮這個因素,

電源將開機不起,因此愛護電路必需在主電源達到正常值后才起先工作，因此要設(shè)計一個開

機延時電路。

或門送出的信號，+5V電源接口是否接錯電源的信號，開機延時信號一起送到加法器進

行加法運算，加法器計算出的結(jié)果就可以反映出電路工作狀態(tài)，再將這個加法器的結(jié)果送到

比較器，比較器輸出限制信號。

由于繼電器的動作電流相對較大，運算放大器是帶K起這個負載的，因此限制信號須要

經(jīng)過驅(qū)動電路再驅(qū)動繼電器。

以上就是整個電路系統(tǒng)的說明，在這個電路系統(tǒng)，開機延時電路和+5V電源接口是否接

錯電源的信號電路是須要仔細考慮的，總的要求是電路要簡潔，工作要有效。具體的解決方

案請閱讀后面的電路設(shè)計的具體說明。

繼電器的要求：

由于試驗電路的電源電路采納的變壓器次級電壓為雙12V,額定電流小于1A,因此，

繼電器必需是二路的，耐壓高于20V,電流大于1A。

選用松下DS2Y-SDC5V雙路繼電器可以達到要求。

松下DS2Y-SDC5V雙路繼電器的外形如圖所示。

電流電壓：2A30DCV。額定動作電壓5V,事實上大于3.75V就動作。若電源電壓采納

的是+5V電源，則可以干脆在限制信號的作用之下加上電源電壓。若電源電壓高于5V,則

須要在電源和繼電器之間串聯(lián)一個限流電阻。

限流大小的計算：經(jīng)則量，本繼電器線圈電阻為120歐姆左右，即動作電流在40亳安

左右，因此，限流電阻的計算須要以此數(shù)據(jù)為依據(jù)進行計算，在此電阻上的電流也為40亳

安左右，例如：電源電壓為+12V,所接限流電阻大小應(yīng)為口=(12-5)/0.04=175歐姆，

可取限流電阻為180歐姆，

有一路開關(guān)，每一路有一位,一位是常閉開關(guān),一路是常開開關(guān)。

■

MA1B1C1

NA2B2C2

■

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個腳。

MN為線圈，留意，這個線圈有“+極，其中M端為“+”極。

“+極的推斷方法，一般狀況下，“+極的推斷應(yīng)當(dāng)用萬用表就可測量出來,

但此繼電器線圈的“+極無法用萬用表測量，正反向測量出的電阻值都在120歐姆左

右，因此，必需采納加電源測試，當(dāng)將5V電源加到線圈兩端時，聽到繼電器動作聲音，說

明電源正極所接的一端為繼電器線圈的正極，另一端為負極，當(dāng)將5V電源加到線圈兩端時,

若聽不到繼電器動作聲音，說明電源正極所接的一端為繼電器線圈的負極，另一端為正極。

A為中間點，A,B之間常閉，A,C之間常開。

也可選用松下DS2Y-SDC12V雙路繼電器。這個繼電器外形，腳的分布和上面所述繼電

器完全相同，只是繼電器動作額定電壓是+I2V,所測得的電阻約為680歐姆，計算得額定

動作電流為18mA。同樣，若須要外接限流電阻時，按以上參數(shù)進行計算。

其它具體資料以及其它品牌和型號的繼電器請實踐者查閱有關(guān)資料。

本電路設(shè)計的中心任務(wù)是，可以讓二路溝通電分別從A1和A2點進入，而分別從B1

和B2點送出。在電路處于正常工作狀態(tài)時，讓MN線圈電流為0,繼電器不動作處于常態(tài),

即AB間處于導(dǎo)通狀態(tài)，溝通電正常送到后續(xù)電路，對電路正常供電。在電路處于非正常工

作狀態(tài)時，讓MN線圈通電，繼電器動作處于暫態(tài)，即AB間處于斷開狀態(tài)，溝通電運電電

路被斷開。對后續(xù)電路起到愛護作用。

愛護電路結(jié)構(gòu)的選擇：

由于所須要愛護的類型較多，而且電源輸出路數(shù)也多，所以選用合適的電路結(jié)構(gòu)特別重

要，否則選用不當(dāng)，設(shè)計電路的難度會加大，而且電路可能比較困難。依據(jù)電路的要求，本

人選用以運算電路和比較器為電路主要結(jié)構(gòu)。

因此運算放大器將成為本電路的核心器件。

通用運算放大器LM358是一塊雙運放集成電路，內(nèi)含二個完全一樣的運算放大器，

引腳8個，引腳編號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

（或者有圓點的位置在左下），左下第一引腳為1,

然后按逆時針依次依次確定2,3,4,5,6,7,8,

即左上腳為8號引腳。實物圖如圖所示。8腳接正

電源.4腳接負電源或地GND.引腳3,2.1三個腳組成A運放（其中引腳3為A運放的

同相輸入端，引腳2為A運放的反相輸入端，引腳1為A運放的輸出端），引腳5,6,7三

個腳組成B運放（其中引腳5為B運放的同相輸入端，引腳6為B運放的反相輸入端，引

腳7為B運放的輸出端）。

有缺口的一方朝左（或者有圓點的位置在左下），左下第一引腳為1,然后按逆時針依次依

次確定2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,即左上腳為14號引腳。實物如圖

所示。4腳接正電源，11腳接負電源或地GND.

引腳3,2,1三個腳組成A運放（其中引腳3為A運放的同相輸入端，引腳2為A運

放的反相輸入端，引腳I為A運放的輸出端）。

引腳5,6,7三個腳組成B運放（其中引腳5為B運放的同相輸入端，引腳6為B運

放的反相輸入端，引腳7為B運放的輸出端）。

引腳10,9,8三個腳組成C運放（其中引腳10為C運放的同相輸入端，引腳9為C

運放的反相輸入端，引腳8為C運放的輸出端）。

引腳12,13,14三個腳組成D運放（其中引腳12為D運放的同相輸入端，引腳13為

D運放的反相輸入端，引腳14為D運放的輸出端）上圖為運算放大器LM324電路符號。

運算放大器LM358和LM324的主要參數(shù)

電源電壓范圍單電源+3.0V-+32V,雙電源±1.5V--±16V

輸出高甩平大約比電源電壓低1.4V,輸出低電平大約比負電源或地GND高電壓低零點

幾V。

最大輸出端拉電流40mA,最大輸出端灌電流20mA。

信號檢測加法器的設(shè)計計算：

本電路工作電壓選用+5V。

過壓欠壓愛護電路：由運算放

大器所構(gòu)成的加法比例放大器電

路如圖所示。

將+12V,+5V,-12V信號分另IJ

從電阻R3,R4,R5的一瑞加入，

為了計算便利，取R3=R4=R5,此

時在正常狀態(tài)下，同相輸入端“3”

的電壓的計算方法是:分另J計算各

信號單獨作用時在同相輸入端“3”

的電壓。

留意，計算+12V單獨作

用時，R4,R5和R6相當(dāng)于是并聯(lián)的，所以

單獨產(chǎn)生的電壓是

^4^5//^X12

R3+R4//R5//R6

計算-12V單獨作用時，R3,R4和R6是并聯(lián)的，所以單獨產(chǎn)

生的電壓是

R3//R4//R6

尺5十尺3〃尺4〃尺6

計算+5V單獨作用時，R3,R5和R6是并聯(lián)的，所以單

獨產(chǎn)生的電壓是

,,R3//R5//R6u

U.=---------------------x5

R4+R3//R5//R6

所以加法電路的輸出結(jié)果（U1A運算放大器同相輸入端的電壓）等于這三個電壓單獨

所產(chǎn)生的結(jié)果之和

U+=U1+U,+u.

由于選用的R3,R4,R5是相同的,所以+12V單獨作用和-12V單獨作用將相互抵消,

所以U.=U3

將R3,R4,R5,R6的數(shù)

值代入計算式后得

U+=1.07V

這個加法比例放大器電

路電路的輸出電壓高不能超

過3.5V,要留有確定的余地，

最好是不超過3V,低不能低

于IV,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)計在較中間的值，如

2.68V(事實上在2V—3V之

間都比較合適)。以此確定R1

和R2的值。

留意：Uo=(l+Rl/R2)Ui

則放大倍數(shù)為

2.7/1.07=2.5

因此，R1和R2的比值為1.5。選用RI=I5Ko

R2=10Ko

此時輸出電壓理論值為2.68Vo

上述探討可知，在電源+12V,-I2V,+5V電壓處于正常值時，加法比例放大器電路輸

出電壓為2.68V,當(dāng)這兒個電壓有改變時，加法比例放大器電路的輸出電壓也將發(fā)生改變。

當(dāng)電壓改變IV時，加法比例放大器電路輸出電壓改變的電壓值為

(2.68/5)*1=0.536V

因此選用加法比例放大器電路輸出電壓可改變的范圍為0.3V左右，即加法比例放大器

電路輸出電壓的改變范圍是

2.4—3.0V

因此加法比例放大器電路后面接二個比較器，

一個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，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，比較器輸出高電平。

一個比較器的比較電壓是2.4V,當(dāng)加法比例放大器電路輸出電壓高于2.4V時。，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，比較器輸出高電平。

具體確定數(shù)據(jù)時，取定其中一個電阻的電阻值，依據(jù)上式計算另外一個電阻的電阻值。

取一個比較電壓為3.0V,以此確定確定第一個比較電壓的電阻R7和R8的值（留意至",

運算放大器輸入端電流為0,所以這個比較電壓就完全由電阻R7和R8確定）。

本人取R7=10K,R8=15K,計算得比較電壓為3.0V。

取另一個比較電壓為2.4V,確定確定其次個比較電壓的電阻R9和R10的值（同樣留意

到，運算放大器輸入端電流為所以這個比較電壓就完全由電阻R9和R10確定）。

本人取R9=20K,R10=18K,計算得比較電壓為2.3V。

即當(dāng)主電源電壓在正常范圍內(nèi)時，這二個比較器都輸出低電平。

當(dāng)主電源不正常時，這二個比較器確定有一個輸出高電平，這就是限制電路的信號之一。

從以上探討可知，這二個比較器后面是一個或門。

或門的選擇：可以用數(shù)字集成電路芯片.也可以用分立元件構(gòu)成的或門電路。本人選用

分立元件構(gòu)成的或門電路，只要二個二極管就可以了，二個二極管的陽極分別接二個比較器

的輸出端，陰極接在一起。當(dāng)二個比較器都是輸出低于電平常，這二個二極管都截止，當(dāng)二

個比較器中有一個輸出高于電平常，這二個二極管中一個導(dǎo)通，另一個截止，因此，連接在

一起的二極管陰極確定為奇電平。

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。

過流愛護電路：

過流信號的取得，在正負電源二個支路上各串聯(lián)一個取樣電阻，取樣電阻阻值為I歐姆。

如圖示，溝通電通過四個二極管橋式整流后再通過電解可容器濾波后變成直流，這個直流再

通過取樣電阻送到后續(xù)電路。

過流檢測信號處理電路一因為電路電流的大小只確定了取樣甩阻兩端的差值，而和

確定值無關(guān)，因此，我們要設(shè)計一

個電路將取樣電阻兩端的電壓差

值檢測出來。用減法器。當(dāng)減法器

這四個電阻相同時，輸出端電壓就

等于G1-G2。留意到，Gl,G2都

為正值，而且G1大于G2,所以輸

出電壓是一個大于0的正值電壓信

號。

當(dāng)主電路電流小于0.5A時，

Gl,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,G1,G2的差值即減法器的輸出電壓將大于0.5V,

過流檢測信號處理電路一因為電路電流的大小只確定了取樣電阻兩端的差值,而和

確定值無關(guān)，因此，我們要設(shè)

計一個電路將取樣電阻兩端的

電壓差值檢測出來。用減法器。

當(dāng)減法器這四個電阻相同時，

輸出端電壓就等于G4-G3。留

G3意到，G3,G4都為負值，而且

G4G3比G4負得更多，所以輸出

電壓是一個大于0的正值電壓

信號。

當(dāng)主電路電流小于0.5A

時，G4,G3的差值即減法器的

輸出電壓小于0.5V,而當(dāng)主電路電流大于0.5A時，G4：G3的差值即減法器的輸出電壓將

大于0.5V,

由于這二個過流檢測信號處理電路輸出信號電壓范圍只有0-0.5V,輸入端的電壓在

-10V-+10V之間，為了保證運算放大器的牢靠正常工作，運算放大器的工作電源應(yīng)當(dāng)加正

負雙電源。本人選擇此塊LM324芯片的工作電源為正負12V。

留意到，運算放大器若加單電源，輸出電壓最低是到不了0的。

過流信號比較器因為過流信號達到0.5V時，說明電路電流達到額定電流值0.5A,

再大，愛護電路就須要動作，因此，二個過流信號的比較電壓都應(yīng)當(dāng)為0.5V,如圖示。輸

出同樣須要經(jīng)過或門后送到限制電路。

或門的選擇：可以用數(shù)字集成電路芯片，也可以用分立元件構(gòu)成的或門電路。本人選用

分立元件構(gòu)成的或門電路，只要二個二極管就可以了，二個二極管的陽極分別接二個比較器

的輸出端，陰極接在一起。當(dāng)二個比較器都是輸出低于電平常，這二個二極管都截止，當(dāng)二

個比較器中有一個輸出高于電平常，這二個二極管中一個導(dǎo)通，另一個截止，因此，連接在

一起的二極管陰極確定為昌電平。

二極管耐壓的選擇，當(dāng)以.上二個二極管中一個導(dǎo)通，一個截止時，處于截止?fàn)顟B(tài)的二極

管一端的電壓是高電平約為I0.6V,低電平約為-10.6V,所以加在二極管上的反向電壓為

21.2Vo所以選用的二極管反向耐壓必需大于22V。

二極管電流的選擇，因為所接負載電阻大于IOK,實際流過二極管的電流小于ImAo

這個電流很小。

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。

限制信號產(chǎn)生電路：

運算放大器作為比較器運用，比較電壓為3.43V,由二個電阻組成的分壓電路就可實現(xiàn)。

VCC

U1D

LM324

接口

R17

150k

同相端輸入的信號電壓構(gòu)成比較困難，由以下幾個信號確定：

過壓欠壓愛護電路輸出信號（二個），只要有過壓或欠壓狀況出現(xiàn)時，這個信號為高電

平，電壓值約為10.6V。

過流愛護電路輸出信號（二個），只要有過流狀況出現(xiàn)時，這個信號為高電平，電壓值

約為I0.6V.（高電平I0.6V減去二極管壓降）。

以上這四個信號加到同一或門（由四個二極管構(gòu)成，工作過程如前述）的輸入端，或門

的輸出端信號加到本電路電阻R19上。這四個二極管的狀態(tài)狀況是：當(dāng)電路沒有過壓，欠

壓，過流狀況出現(xiàn)時，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)電路中過壓，

欠壓，過流狀況出現(xiàn)時，或門輸出高電平，其中一個二極管導(dǎo)通，另三個二極管截止。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電源接口愛護電路的設(shè)計和計算：

應(yīng)考慮兩種非正常狀況：一是可能接入-12V電源，二是可能接入+I2V電源，而正常狀

況是接入+5V電源或者是不接入。原來又可以計算出正常狀態(tài)下的正常電壓范圍，再用二個

比較器檢測出非正常信號，但由于只有一個運放了（再漕加一塊集成塊不合算）。采納如下

方案可以較好地解決這個問題。

這個方案主要是三個電路：兩個二極管D4和D5作為既有隔離作用，又有導(dǎo)通作用;

其次個電路是加法電路，由R13,R14,R15組成，第三個電路是比較器，由Rll,RI2組

成。

在接口處若錯誤接入-12V,則由于二極管D5的導(dǎo)通作用，使輸出電壓端-12V到處于

非正常工作狀態(tài)，上面介紹的由四個二極管構(gòu)成的或門可路就會輸出高電平，電路將進入愛

護狀態(tài)。

若在接口處錯誤接入+12V電源，由于D4導(dǎo)通，將使加法端的電壓大大上升而超過比

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)問題而使得或門的輸出端出現(xiàn)高電平，同樣

由于R19電阻接入較大電壓而使得加法器電壓顯著上升，而使得加法器的電壓超過比較電

壓而使本電路高電平。RI6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

都為低電平常，二個二極管D2和D3截止，但由于R16的存在且電阻值相對于R13很小，

R13左端電壓就會很小，而使得加法器電路的電壓較低，不會超過比較電路電壓。

下面進行具體的計算：

全部檢測點都正常工作時(土電源三個電壓72V,-12V,15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左端電壓的計算：參見總電路原理圖，這個電壓由RI7電阻和和

C2電容所組成的RC電路送來，當(dāng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時，電容器C2相當(dāng)于開路，這個電壓是不

是+12V?,不是的，因在這一點和地GND之間接有電阻R13,RI4,R15,R16,這四個電

阻的等效電阻很簡潔可以計算出

RI4+R15//(R13+R16)=150K

留意到電源和這一點之間接有電阻R17=150K,所以這一點的電壓是150K電阻和150K

電阻對12V電壓的分壓值，很簡潔計算出這個電壓為

U=5*)50/(150+30)=6V

此時，由于D4和Df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//(R13+R16))

=6*50/150=2V

小于比較電壓3.43V(比較電壓由Rll和R12確定)，比較器輸出低電平。

+5V接口處接+5V電源：

此時，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//(RI3+R16)/(R14+R15//(R13+R16))

=6*50/150=2V

小于比較電壓3.43V(比較電壓由Rll和R12確定)，比較器輸出低電平。

從以上探討中可知，當(dāng)全部檢測點都正常工作時(主電源三個電壓+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)，U1D運算放大器

輸出端輸出低電平，驅(qū)動三極管截止，繼電器無電流，繼電器不動作。

+5V接口處正常，不論是懸空還是接+5V電源，當(dāng)主電源三個電壓+12V,-12V,+5出

現(xiàn)異樣狀態(tài)時，或者出現(xiàn)過流狀況時，或門輸出高電平，此時，從前面的探討可知，由于

R14左端電壓6V,

它單獨作用時產(chǎn)生的同相輸入端的電壓為2V,

此時，由于或門輸出高電平，R19上端電壓為運放輸出高電平10V,它單獨作用產(chǎn)生的

同相端的電壓為

UA=10*[(RI3+R14//RI5)//RI6]/[(R13+RI4//R15)//RI6+RI9]

=10*15.84/(30.84)=5.14V

U=5.14*R14//R15/(RI3+R14//R15)

=5.14*50/132=I.95VO

即或門輸出T：電平信號單獨產(chǎn)生的電壓為l.95Vo

共同作用在U1D同相輸入端產(chǎn)生的電壓為2V+1.95V=3.95Vo

大于比較電壓3.43V,U1D運算放大器輸出端輸出高電平，驅(qū)動三極管飽和，繼電器被

加上接近12V的電壓，產(chǎn)生電流，繼電器動作。

主電源工作正常，此時D2的D3截止，+5V電源接口處錯誤接上+12V電源，因在R14

左端輸入電壓約為11.3V,簡潔計算可得同相端的電壓為

U=11.3*R15//(R13+R16)/(R14+R15//(R13+R16))

=11.3*50/150=3.77V

高于反相端的3.43V,UID運算

放大器輸出端輸出高電平，驅(qū)動三極

管飽和，繼電器被加上接近12V的電

壓，產(chǎn)生電流，繼電器動作。

三極管驅(qū)動電路

限制電路輸出信號通過電阻RI8

加到三極管基極，當(dāng)信號為低電平

常，三極管截止，繼電器線圈失電，

不動作，當(dāng)信號為高電平常，三極管

導(dǎo)通，繼電器線圈得電，動作。

基極電阻R18的計算

當(dāng)信號為高電平常，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計算，B以最小值64計算，

則最小基極電流為=40/64=0.63mA

R18的最大值為=10.6/0.63=16.8（K）

取R18=10K,

開機延時的探討：開機時由于主電源濾波電容的充電過程，有可能愛護電路已經(jīng)正常工

作，但主電源還沒有達到正常值，有可能繼電器在開機時電路無故障的狀況下就動作，造成

開機不正常的后果，所以須要在限制電路的限制作用在開機時延時。即須要在主電源達到正

常值后限制電路才起先工作，此電路的R17和C2組合解決了這個問題。開機時，即使D2

或D3輸出高電平，由于C2的充電，RI4的左端電位是漸漸上升的，只有當(dāng)這個電壓上升

到確定值后（可簡潔計算得出）,電路才會輸出限制信號，在此之前,電路不會輸出限制信

號，繼電器不會動作。

開機延時電路的設(shè)計和計算

設(shè)計開機延時電路的必要性，開機時，由于作為愛護電路的工作電源（稱為協(xié)助電源）

其濾波電容量較小，將很快充溢電并起先工作，而主電源的濾波電容量較大，達到正常工作

電壓所需的時間確定比協(xié)助電源達到正常電壓所需的時間長得多，因此，在主電源沒有達到

正常工作電壓之前，愛護電路將檢測到非正常的主電源電壓而在由四個二極管構(gòu)成的或門輸

出高電平信號，而造成電源開機不起的問題。

因此，設(shè)計開機延時電路是必需的，而且，這個延時作用只能在開機時才有，一旦當(dāng)電

路進入正常狀態(tài)之后，只要檢測到電路有過壓欠壓過流可源接錯的狀態(tài)時，愛護電路就要馬

上工作，此時不能有延時作用。

圖中的R17和C2二個器件就是延時電路的主要器件。由于這個電路的作用，電阻R14

左端的電壓在開機時其電位是從0起先漸漸起先上升，最終達到5V的，從前面的探討中可

知，若在開機時，由于愛護電路將檢測到非正常的主電源電壓而在由四個二極管構(gòu)成的或門

輸出高電平信號，但這個高電平信號單獨作用時在限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,愛護電路不會動作。

首先計算電容器充電到多大電壓時，比較器狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即同相端的電壓達到比較電壓值

23.43V,也即這個電壓（R14左端電壓）單獨作用時，在同相端產(chǎn)生的電壓為

3.43V—1.95V=1.48V,

1.85V是四個二極管構(gòu)成的或門輸出的高電平單獨科生的同相端的電壓。

這個I.48V電壓就是R14左端電壓單獨作用時產(chǎn)生的甩壓，設(shè)R14左端電壓為U,則

1.48=U*R15//(R13+RI6)/(R14+R15//(R13+R16))

=U*5O/15O=U/3

得U=4.44V

即當(dāng)電容充電到4.44V后可能繼電器就動作，而在電容器充電到4.44V之前是不會動作

的。

電容充電到4.44V須要多長時間？

估算，因這個電壓正好是電源電壓的百分之六十多，也就是RC電路的時間常數(shù)所表示

的時間。這個時間常數(shù)為RC=30K*l(X)uF=3S。但實際時間比這個時間長，這個只是一個時

間數(shù)量級的計算。這個延時時間已經(jīng)足夠長了。

精確的開機延時時間的計算:

電容等效充電電路圖如圖所示。

設(shè)隨意時刻t電容器上電壓為“(.，則在隨意時刻VCC

t應(yīng)滿意以下電流關(guān)系式

Ucc-"c_+c①

飛I<dtR1

Iit

150K

因RI=R2=R,整理得

〃

dl+°cco@

這是一個一階非齊次微分方程，對應(yīng)的一階齊次

微分方程為CR2

③—150K

其解為lOOuI

?

2t

RC

uc=U(t)e⑤

代入一階非齊次微分方程，

_2t_o_2t__2t_

正一-+-U=0⑥

RCcc

整理得RCU?)e瓦=U??

得到⑧

兩邊同時積分得⑨

將⑨代入⑤得⑩

當(dāng)t=0時，uc=0得

最終得

將R,C,UCC數(shù)據(jù)代入等式得

2/

15

uc=6（l-e）

_2/

當(dāng)Uc=4.44V時，0.26=

3.846=”

In3.846=2〃15

1.347=2t/15

t=10.1（th）

若取電容為22uF,貝！計算得1=2.22（秒）

留意，這個延時作用只是在開機時才有，當(dāng)電路正常工作后，因電容器上已經(jīng)充上也了，

限制電路就始終在等待電路可能出現(xiàn)的錯誤，只要錯誤一但出現(xiàn)，限制電路就馬上動作。

三極管驅(qū)動電路原理比較簡潔，實踐者自己進行分析和計算，關(guān)鍵是三極管基極電阻

RI8的電阻值，就是要保證U1D輸出高電平常，三極管須要達到確定的飽和狀態(tài)，即

運放高電平/R18（三極管的基極電流）＞繼電器電流（三極管集電極電流）/三極管

電流放大系數(shù)（9013在64—300之間）。

電源主電路原理也比較簡潔，實踐者自己進行分析和計算。

元件清單

編號規(guī)格編號規(guī)格編號規(guī)格編號規(guī)格編號規(guī)格編號規(guī)格

R130KR1012KR1915KR2824KC3103D14001

R2I0KR1130KR2010KR291KC4103D24148

R320KR1212KR2110KU1lm324C510uFD34148

R420KRI382KR22I0KU2蜂鳴器10uFD44148

R520KR14I00KR2310KC1IOOUFlOuFD54001

R630KR15100KR2410KC2lOOuFlOuFD64148

R720KRI6I8KR2510K22uFU7805D74148

R820KR17I50KR2610KIOOOUF78124001

R918KR1810KR2710KlOOOuF7912Qi9013

40014001印刷板繼電器40014001

78L1279L12

器件匯總

30K310K1020K518K2

12K282K1100K2150K1

15K124K1IK140017

4148590131IOOOuF2IOOuF2

22uF110310lOuF878051

78121791213171337I

78L12179LI21繼電器1蜂鳴器1

印刷板1變壓器1散熱器5導(dǎo)線5

座子173242

合計105

焊接時留意：二極管，電解電容器，蜂鳴器的二腳是有極性的，確定要相識清晰“+

極以及在印刷板上的對應(yīng)位置。三極管的ebc在印刷板上的對應(yīng)位置,集成塊LM324的方位。

二端穩(wěn)壓器7812,7912,7805的腳的定義。

LM3241234567

對地電阻

對地電壓理論

對地電壓實測

LM324891011121314

對地電阻

對地電壓理論

對地電壓實測

其它測最

UAUBUcUDUEUFUGUHI

理論值

測量值

其中：UA表示延時電路中電容上電路穩(wěn)定時電壓。

UB表示主電源電路電路穩(wěn)定時+5V端子電壓。

Uc表示主電源電躥電路穩(wěn)定時+12V端子電壓。

UD表示主電源電路電路穩(wěn)定時-12V端子電壓。

UE表示主電源電路電路穩(wěn)定時+16V端子電壓。

UF表示主電源電路電路穩(wěn)定時-I6V端子電壓。

UG表示主電源電路電路穩(wěn)定時+U端子不加調(diào)整電阻時的輸出電壓。

UH表示主電源電路電路穩(wěn)定時-U端子不加調(diào)整電阻時的輸出電壓。

I表示主電源電路穩(wěn)定時電流輸出端子不加調(diào)整電阻時的輸出電流。

過載狀態(tài)時愛護電路的工和狀況測試

隨意確定一路正電源，接上負載電阻，可用電子負教代替，將負教電阻阻值從大

往小調(diào)，用電流表表監(jiān)測輸出電流，始終調(diào)到愛護電路起先動作，記錄下愛護電路動

作前電流表的電流值。

Ii=

隨意確定一路負電源，接上負載電阻，可用電子負載代替，將負載電阻阻值從大

往小調(diào)，用電流表表監(jiān)測輸出電流，始終調(diào)到愛護電路起先動作，記錄下愛護電路動

作前電流表的電流值。

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