電源保護(hù)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

/電源愛惜電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作為了便利在試驗(yàn)室做各種電路試驗(yàn)，試驗(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（沒有經(jīng)過穩(wěn)壓的電壓源，便利做電源試驗(yàn)用）；輸出電壓為12V的溝通電壓源（便利做電源試驗(yàn)用）；在電子技術(shù)試驗(yàn)室運(yùn)用較廣泛的綜合電路試驗(yàn)箱所運(yùn)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(yàn)電路還有一個(gè)+5V電源插口。由于是學(xué)生試驗(yàn)用儀器，學(xué)生在做試驗(yàn)時(shí)操作出錯(cuò)是常有的現(xiàn)象，主要是以下三類錯(cuò)誤：一是電源干脆短路造成的嚴(yán)峻過載而損壞電源電路，此類錯(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)載過重，這往往是學(xué)生由于接線錯(cuò)誤，如芯片的線接錯(cuò)，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(shí)間過長，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)字試驗(yàn)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(jì)制作一個(gè)電路愛惜系統(tǒng)很有必要。對愛惜電路的要求：過壓愛惜：輸出的全部電壓中，只要任何一個(gè)電壓超過額定值1V，愛惜電路動(dòng)作。欠壓愛惜：輸出的全部電壓中，只要任何一個(gè)電壓低于額定值1V，愛惜電路動(dòng)作。過流愛惜：任何一個(gè)輸出電流超過500mA時(shí)或全部正電源電流之和超過500mA時(shí)或全部負(fù)電源電流之各超過500mA時(shí)，愛惜電路動(dòng)作。電源電壓接錯(cuò)愛惜：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，愛惜電路動(dòng)作。常用的電路愛惜措施有：熔斷器愛惜，即通常用的保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)管，它是一種過流愛惜器件，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)嚯娫春拓?fù)載的通路，達(dá)到愛惜電源和負(fù)載本身的目的。留意：并不是電流一超過保險(xiǎn)絲的額定電流就立刻熔斷，通常要超過額定電流1.5倍至2倍，保險(xiǎn)絲才熔斷。所以，這種愛惜方法是結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，電路設(shè)計(jì)便利；但缺點(diǎn)是：愛惜電流值不明確，在須要高精度愛惜條件下達(dá)不到要求，二是熔斷后，須要更換，在一些燒保險(xiǎn)比較常見的狀況下（如學(xué)生試驗(yàn)設(shè)備）就是很麻煩的一件事情，時(shí)間上也難以做到須要愛惜時(shí)立刻截?cái)嚯娫?。因此這種愛惜方式通常只能在短路愛惜中接受。自復(fù)原保險(xiǎn)愛惜，實(shí)際就是一種熱敏電阻愛惜，它也是串接在電源電路中，是一種過流愛惜方法。當(dāng)電流沒有超過額定值時(shí)，作為過流愛惜用的熱敏電阻溫度正常，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)電流超過它的額定電流時(shí)，作為過流愛惜用的熱敏電阻溫度徒然上升，所呈現(xiàn)的電阻很大，截?cái)嚯娫春拓?fù)載的通路，達(dá)到愛惜電源和負(fù)載本身的目的，此后由于流過作為過流愛惜用的熱敏電阻的電流很小，溫度降低，降低到確定程度時(shí)，作為過流愛惜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(huì)進(jìn)入下一輪愛惜。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡潔，成本低，但缺點(diǎn)是反應(yīng)太慢，所以多數(shù)狀況下也不宜運(yùn)用。晶閘管愛惜，在開關(guān)電源中用得較多，在開關(guān)電源中，有一個(gè)振蕩器，我們可以設(shè)計(jì)讓振蕩器是否工作和晶閘管的狀態(tài)有關(guān)，而晶閘管的狀態(tài)由其電壓確定，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(jìn)入愛惜狀態(tài)。有關(guān)此方面的問題，請實(shí)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惜電路，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(shí)踐項(xiàng)目中就是一個(gè)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惜電路，主要方法是讓一個(gè)限制電路限制電源調(diào)整管的通斷（讓調(diào)整管處于開關(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)作值界線確定，具有自復(fù)原功能，是一種較志向的電源愛惜電路，缺點(diǎn)是電路相對困難，成本相對較高。愛惜措施方案的選定：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，所以要在直流電路上實(shí)行愛惜措施，就得有二個(gè)愛惜電路，明顯不太合理。所以在溝通電路上就實(shí)行愛惜措施比較恰當(dāng)，而要在溝通支路上愛惜，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，不利于選用愛惜器件，而次級邊電壓較低，利于選用愛惜器件。從對愛惜電路的要求知，既要接入溝通電路，以要反映剛好，還要愛惜界線特殊明顯，選用以繼電器為主要器件愛惜電路比較恰當(dāng)，即在電路正常工作時(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，溝通供電電路斷開，起到愛惜作用。其它幾種愛惜電路方案各有不足之處，熔斷器愛惜電路對過壓，欠壓問題沒有什么反映，對這類問題起不到愛惜作用，而且愛惜界線特殊模糊，達(dá)不到電路的要求；自復(fù)原保險(xiǎn)愛惜的不足之處和熔斷器愛惜電路的不足之處一樣，，一樣達(dá)不到電路的要求；調(diào)調(diào)整管愛惜電路只適合直流電路上的愛惜，而對溝通電路上的愛惜無能為力。電路設(shè)計(jì)方案的形成：加法比較器加法比較器+5V電源接口信號檢測電路繼電器驅(qū)動(dòng)電路幫助電源電路開機(jī)延時(shí)電路電源電壓信號的檢測過壓比較或門欠壓比較減法器比較器變壓器雙12V繼電器取樣電阻整流濾波電路穩(wěn)壓電路電路設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算，若正負(fù)二路電源額定輸出電流為0.5A，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。愛惜電路過壓和欠壓故障的愛惜：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(gè)電壓，所以可以選用加法器來進(jìn)行檢測，得到當(dāng)各電壓正常時(shí)加法器的輸出電壓信號，當(dāng)引入的電壓信號不正常時(shí)，本電路的輸出電壓信號確定會(huì)發(fā)生變更，將這個(gè)信號引入到過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。過流愛惜電路：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，所以首先通過減法器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(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經(jīng)過或門送出?；蜷T送出的信號不能干脆限制驅(qū)動(dòng)器，有一個(gè)+5V電源接口是否接錯(cuò)電源的信號，將這個(gè)信號和或門送出的信號再送到加法器。開機(jī)延時(shí)電路：由于開機(jī)時(shí)主電源輸出電壓并不能立刻達(dá)到正常值，若不考慮這個(gè)因素，電源將開機(jī)不起。因此愛惜電路必需在主電源達(dá)到正常值后才起先工作，因此要設(shè)計(jì)一個(gè)開機(jī)延時(shí)電路?；蜷T送出的信號，+5V電源接口是否接錯(cuò)電源的信號，開機(jī)延時(shí)信號一起送到加法器進(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，比較器輸出限制信號。由于繼電器的動(dòng)作電流相對較大，運(yùn)算放大器是帶不起這個(gè)負(fù)載的，因此限制信號須要經(jīng)過驅(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)的說明，在這個(gè)電路系統(tǒng)，開機(jī)延時(shí)電路和+5V電源接口是否接錯(cuò)電源的信號電路是須要細(xì)致考慮的，總的要求是電路要簡潔，工作要有效。詳細(xì)的解決方案請閱讀后面的電路設(shè)計(jì)的詳細(xì)說明。繼電器的要求：由于試驗(yàn)電路的電源電路接受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(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，事實(shí)上大于3.75V就動(dòng)作。若電源電壓接受的是+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(gè)限流電阻。限流大小的計(jì)算：經(jīng)測量，本繼電器線圈電阻為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)算須要以此數(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，可取限流電阻為180歐姆。有二路開關(guān)，每一路有二位，一位是常閉開關(guān)，一路是常開開關(guān)。MA1B1C1MA1B1C1NA2B2C2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為線圈，留意，這個(gè)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，必需接受加電源測試，當(dāng)將5V電源加到線圈兩端時(shí)，聽到繼電器動(dòng)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(fù)極，當(dāng)將5V電源加到線圈兩端時(shí)，若聽不到繼電器動(dòng)作聲音，說明電源正極所接的一端為繼電器線圈的負(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。也可選用松下DS2Y-SDC12V雙路繼電器。這個(gè)繼電器外形，腳的分布和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，若須要外接限流電阻時(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的繼電器請實(shí)踐者查閱有關(guān)資料。本電路設(shè)計(jì)的中心任務(wù)是，可以讓二路溝通電分別從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)，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(shí)，讓MN線圈通電，繼電器動(dòng)作處于暫態(tài)，即AB間處于斷開狀態(tài)，溝通電送電電路被斷開。對后續(xù)電路起到愛惜作用。愛惜電路結(jié)構(gòu)的選擇：由于所須要愛惜的類型較多，而且電源輸出路數(shù)也多，所以選用合適的電路結(jié)構(gòu)特殊重要，否則選用不當(dāng)，設(shè)計(jì)電路的難度會(huì)加大，而且電路可能比較困難。依據(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，引腳8個(gè)，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(diǎn)的位置在左下），左下第一引腳為1，然后按逆時(shí)針依次依次確定2，3，4，5，6，7，8，即左上腳為8號引腳。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，引腳2為A運(yùn)放的反相輸入端，引腳1為A運(yùn)放的輸出端），引腳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）。通用運(yùn)算放大器LM324簡介通用運(yùn)算放大器LM324是四運(yùn)放集成電路，內(nèi)含四個(gè)完全一樣的運(yùn)算放大器，引腳14個(gè)，引腳編號1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14按如下方法確定：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(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，引腳2為A運(yùn)放的反相輸入端，引腳1為A運(yùn)放的輸出端）。引腳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）。引腳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運(yùn)放的輸出端）上圖為運(yùn)算放大器LM324電路符號。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±1.5V--±16V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。信號檢測加法器的設(shè)計(jì)計(jì)算：本電路工作電壓選用+5V。過壓欠壓愛惜電路：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信號分別從電阻R3，R4，R5的一端加入，為了計(jì)算便利，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：分別計(jì)算各信號單獨(dú)作用時(shí)在同相輸入端“3”的電壓。留意，計(jì)算+12V單獨(dú)作用時(shí)，R4，R5和R6相當(dāng)于是并聯(lián)的，所以單獨(dú)產(chǎn)生的電壓是計(jì)算-12V單獨(dú)作用時(shí)，R3，R4和R6是并聯(lián)的，所以單獨(dú)產(chǎn)生的電壓是計(jì)算+5V單獨(dú)作用時(shí)，R3，R5和R6是并聯(lián)的，所以單獨(dú)產(chǎn)生的電壓是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)電壓單獨(dú)所產(chǎn)生的結(jié)果之和由于選用的R3，R4，R5是相同的，所以+12V單獨(dú)作用和-12V單獨(dú)作用將相互抵消，所以將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3.5V，要留有確定的余地，最好是不超過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（事實(shí)上在2V—3V之間都比較合適）。以此確定R1和R2的值。留意：UO=(1+R1/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R1=15K。R2=10K。此時(shí)輸出電壓理論值為2.68V。上述探討可知，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)電壓有變更時(shí)，加法比例放大器電路的輸出電壓也將發(fā)生變更。當(dāng)電壓變更1V時(shí)，加法比例放大器電路輸出電壓變更的電壓值為(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更的范圍為0.3V左右，即加法比例放大器電路輸出電壓的變更范圍是2.4—3.0V因此加法比例放大器電路后面接二個(gè)比較器，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。詳細(xì)確定數(shù)據(jù)時(shí)，取定其中一個(gè)電阻的電阻值，依據(jù)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，以此確定確定第一個(gè)比較電壓的電阻R7和R8的值（留意到，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確定）。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，確定確定其次個(gè)比較電壓的電阻R9和R10的值（同樣留意到，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確定）。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)比較器確定有一個(gè)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(gè)比較器后面是一個(gè)或門?；蜷T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(gè)二極管就可以了，二個(gè)二極管的陽極分別接二個(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常，這二個(gè)二極管都截止，當(dāng)二個(gè)比較器中有一個(gè)輸出高于電平常，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確定為高電平。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。過流愛惜電路：過流信號的取得，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，溝通電通過四個(gè)二極管橋式整流后再通過電解電容器濾波后變成直流，這個(gè)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?yàn)殡娐冯娏鞯拇笮≈淮_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(jì)一個(gè)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(gè)電阻相同時(shí)，輸出端電壓就等于G1-G2。留意到，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的正值電壓信號。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，過流檢測信號處理電路二因?yàn)殡娐冯娏鞯拇笮≈淮_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(jì)一個(gè)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(gè)電阻相同時(shí)，輸出端電壓就等于G4-G3。留意到，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。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(yùn)算放大器的牢靠正常工作，運(yùn)算放大器的工作電源應(yīng)當(dāng)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。留意到，運(yùn)算放大器若加單電源，輸出電壓最低是到不了0的。過流信號比較器因?yàn)檫^流信號達(dá)到0.5V時(shí)，說明電路電流達(dá)到額定電流值0.5A，再大，愛惜電路就須要?jiǎng)幼鳎虼?，二個(gè)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?；蜷T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(gè)二極管就可以了，二個(gè)二極管的陽極分別接二個(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常，這二個(gè)二極管都截止，當(dāng)二個(gè)比較器中有一個(gè)輸出高于電平常，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確定為高電平。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需大于22V。二極管電流的選擇，因?yàn)樗迂?fù)載電阻大于10K，實(shí)際流過二極管的電流小于1mA。這個(gè)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(yùn)算放大器作為比較器運(yùn)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)。同相端輸入的信號電壓構(gòu)成比較困難，由以下幾個(gè)信號確定：過壓欠壓愛惜電路輸出信號（二個(gè)），只要有過壓或欠壓狀況出現(xiàn)時(shí)，這個(gè)信號為高電平，電壓值約為10.6V。過流愛惜電路輸出信號（二個(gè)），只要有過流狀況出現(xiàn)時(shí)，這個(gè)信號為高電平，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)信號加到同一或門（由四個(gè)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(gè)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(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)電路中過壓，欠壓，過流狀況出現(xiàn)時(shí)，或門輸出高電平，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電源接口愛惜電路的設(shè)計(jì)和計(jì)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+12V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(jì)算出正常狀態(tài)下的正常電壓范圍，再用二個(gè)比較器檢測出非正常信號，但由于只有一個(gè)運(yùn)放了（再增加一塊集成塊不合算）。接受如下方案可以較好地解決這個(gè)問題。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；其次個(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到處于非正常工作狀態(tài)，上面介紹的由四個(gè)二極管構(gòu)成的或門電路就會(huì)輸出高電平，電路將進(jìn)入愛惜狀態(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。R16的作用是作為D2和D3輸出端的下拉電阻，因當(dāng)D2和D3左端都為低電平常，二個(gè)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(huì)很小，而使得加法器電路的電壓較低，不會(huì)超過比較電路電壓。下面進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算：全部檢測點(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：參見總電路原理圖，這個(gè)電壓由R17電阻和和C2電容所組成的RC電路送來，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電容器C2相當(dāng)于開路，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)電阻的等效電阻很簡潔可以計(jì)算出R14+R15//(R13+R16)=150K留意到電源和這一點(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12V電壓的分壓值，很簡潔計(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//(R13+R16))=6*50/150=2V小于比較電壓3.43V（比較電壓由R11和R12確定），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(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），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)異樣狀態(tài)時(shí)，或者出現(xiàn)過流狀況時(shí)，或門輸出高電平，此時(shí)，從前面的探討可知，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+R19]=10*15.84/（30.84）=5.14VU=5.14*R14//R15/（R13+R14//R15）=5.14*50/132=1.95V。即或門輸出主電平信號單獨(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，簡潔計(jì)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，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)電路限制電路輸出信號通過電阻R18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(dòng)作，當(dāng)信號為高電平常，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，動(dòng)作?；鶚O電阻R18的計(jì)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β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，β以最小值64計(jì)算，則最小基極電流為＝40/64=0.63mAR18的最大值為＝10.6/0.63=16.8(K)取R18=10K。開機(jī)延時(shí)的探討：開機(jī)時(shí)由于主電源濾波電容的充電過程，有可能愛惜電路已經(jīng)正常工作，但主電源還沒有達(dá)到正常值，有可能繼電器在開機(jī)時(shí)電路無故障的狀況下就動(dòng)作，造成開機(jī)不正常的后果，所以須要在限制電路的限制作用在開機(jī)時(shí)延時(shí)。即須要在主電源達(dá)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(gè)問題。開機(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)電壓上升到確定值后（可簡潔計(jì)算得出），電路才會(huì)輸出限制信號，在此之前，電路不會(huì)輸出限制信號，繼電器不會(huì)動(dòng)作。開機(jī)延時(shí)電路的設(shè)計(jì)和計(jì)算設(shè)計(jì)開機(jī)延時(shí)電路的必要性，開機(jī)時(shí)，由于作為愛惜電路的工作電源（稱為幫助電源）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(dá)到正常工作電壓所需的時(shí)間確定比幫助電源達(dá)到正常電壓所需的時(shí)間長得多，因此，在主電源沒有達(dá)到正常工作電壓之前，愛惜電路將檢測到非正常的主電源電壓而在由四個(gè)二極管構(gòu)成的或門輸出高電平信號，而造成電源開機(jī)不起的問題。因此，設(shè)計(jì)開機(jī)延時(shí)電路是必需的，而且，這個(gè)延時(shí)作用只能在開機(jī)時(shí)才有，一旦當(dāng)電路進(jìn)入正常狀態(tài)之后，只要檢測到電路有過壓欠壓過流電源接錯(cuò)的狀態(tài)時(shí)，愛惜電路就要立刻工作，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左端的電壓在開機(jī)時(shí)其電位是從0起先慢慢起先上升，最終達(dá)到5V的，從前面的探討中可知，若在開機(jī)時(shí)，由于愛惜電路將檢測到非正常的主電源電壓而在由四個(gè)二極管構(gòu)成的或門輸出高電平信號，但這個(gè)高電平信號單獨(dú)作用時(shí)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，愛惜電路不會(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)生的電壓為3.43V—1.95V=1.48V，1.85V是四個(gè)二極管構(gòu)成的或門輸出的高電平單獨(dú)科生的同相端的電壓。這個(gè)1.48V電壓就是R14左端電壓單獨(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須要多長時(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，這個(gè)只是一個(gè)時(shí)間數(shù)量級的計(jì)算。這個(gè)延時(shí)時(shí)間已經(jīng)足夠長了。精確的開機(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)隨意時(shí)刻t電容器上電壓為，則在隨意時(shí)刻t應(yīng)滿足以下電流關(guān)系式①因R1=R2=R，整理得②這是一個(gè)一階非齊次微分方程，對應(yīng)的一階齊次微分方程為③其解為④⑤代入一階非齊次微分方程，⑥整理得⑦得到⑧兩邊同時(shí)積分得⑨將⑨代入⑤得⑩當(dāng)t=0時(shí)，得最終得將R，C，UCC數(shù)據(jù)代入等式得當(dāng)Uc=4.44V時(shí)，1.347=2t/15t=10.1(秒)若取電容為22uF，則計(jì)算得t=2.22(秒)留意，這個(gè)延時(shí)作用只是