電源保護(hù)電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 (一)

電源愛護(hù)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(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(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)電路愛護(hù)系統(tǒng)很有必要。

對(duì)愛護(hù)電路的要求：

過壓愛護(hù)：輸出的全部電壓中，只要任何?個(gè)電壓超過額定值IV,愛護(hù)電路動(dòng)作。

欠壓愛護(hù)：輸出的全部電壓中，只要任何一個(gè)電壓低于額定值IV,愛護(hù)電路動(dòng)作。

過流愛護(hù)：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)，愛護(hù)電路動(dòng)作。

電源電壓接錯(cuò)愛護(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，愛護(hù)電路動(dòng)作。

常用的電路愛護(hù)措施有：

熔斷器愛護(hù)，即通常用的保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)管，它是一種過流愛護(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)嚯娫春拓?fù)載的

通路，達(dá)到愛護(hù)電源和負(fù)載本身的目的。留意：并不是電流一超過保險(xiǎn)絲的額定電流就馬上

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，這種愛護(hù)方法是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,

成本低，電路設(shè)計(jì)便利；但缺點(diǎn)是：愛護(hù)電流值不明確，在須要高精度愛護(hù)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)比較常見的狀況卜.（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護(hù)時(shí)馬上截?cái)嗄吭?。因此這種愛護(hù)方式通常只能在

短路愛護(hù)中采納。

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

愛護(hù)方法。當(dāng)電流沒有超過額定值時(shí)，作為過流愛護(hù)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H勺正常工作，一旦當(dāng)電流超過它的額定電流時(shí)，作為過流愛護(hù)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)到愛護(hù)電源和負(fù)載

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

程度時(shí)，作為過流愛護(hù)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)入下一輪愛護(hù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。

品閘管愛護(hù)，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(jìn)入愛護(hù)狀態(tài)。

有關(guān)此方面的問題，請(qǐng)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護(hù)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護(hù)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)整管處丁開關(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護(hù)

電路，缺點(diǎn)是電路相對(duì)困難，成本相對(duì)較高。

愛護(hù)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(shí)行愛護(hù)措施，就得生二個(gè)愛護(hù)電路，明顯不太合理。所

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

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

器件，而次級(jí)邊電壓較低，利于選用愛護(hù)器件。從對(duì)愛護(hù)電路的要求知，既要接入溝通電路,

以要反映剛好，還要愛護(hù)界線特別明顯，選用以繼電器為主要器件愛護(hù)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，起到愛護(hù)作用。其它幾種愛護(hù)電路方案各有不足之處，熔斷器愛護(hù)電路對(duì)過壓，欠壓

問題沒有什么反映，對(duì)這類問題起不到愛護(hù)作用，而且愛護(hù)界線特別模糊，達(dá)不到電路的要

求；自復(fù)原保險(xiǎn)愛護(hù)的不足之處和熔斷器愛護(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)整管愛護(hù)電路只適合直流電路上的愛護(hù)，而對(duì)溝通電路上的愛護(hù)無(wú)能為力。

電路設(shè)”?萬(wàn)案的形成:

電路設(shè)計(jì)方案的解說(shuō)：

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(hù)電路

過壓和欠壓故障的愛護(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)確定會(huì)發(fā)生改變，將這個(gè)信號(hào)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(hào)。

過流愛護(hù)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(lái)，所以首先通過減法相檢測(cè)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)二珞電源，所以這樣的電路有二路。

以上各電路的輸出信號(hào)經(jīng)過或門送出。

或門送出的信號(hào)不能干脆限制驅(qū)動(dòng)器，有一個(gè)+5V目源接口是否接錯(cuò)電源的信號(hào)，將這

個(gè)信號(hào)和或門送出的信號(hào)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馬上達(dá)到正常值,若不考慮這個(gè)因素,

電源將開機(jī)不起,因此愛護(hù)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。

或門送出的信號(hào)，+5V電源接口是否接錯(cuò)電源的信號(hào)，開機(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，比較器輸出限制信號(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K起這個(gè)負(fù)載的，因此限制信號(hào)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(shuō)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(hào)電路是須要仔細(xì)考慮的，總的要求是電路要簡(jiǎn)潔，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。

繼電器的要求：

由于試驗(yàn)電路的電源電路采納的變壓器次級(jí)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。若電源電壓采納

的是+5V電源，則可以干脆在限制信號(hào)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)則量，本繼電器線圈電阻為120歐姆左右，即動(dòng)作電流在40亳安

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(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(wàn)用表就可測(cè)量出來(lái),

但此繼電器線圈的“+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，必需采納加電源測(cè)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(shuō)

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(shuō)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+I2V,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，若須要外接限流電阻時(shí)，按以上參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

其它具體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(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)，溝通電運(yùn)電電

路被斷開。對(duì)后續(xù)電路起到愛護(hù)作用。

愛護(hù)電路結(jié)構(gòu)的選擇：

由于所須要愛護(hù)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(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(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(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，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）。

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(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，引腳2為A運(yùn)

放的反相輸入端，引腳I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(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±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(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。

過壓欠壓愛護(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)分另IJ

從電阻R3,R4,R5的一瑞加入，

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:分另J計(jì)算各

信號(hào)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

^4^5//^X12

R3+R4//R5//R6

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

R3//R4//R6

尺5十尺3〃尺4〃尺6

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

,,R3//R5//R6u

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

R4+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+=U1+U,+u.

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U.=U3

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(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=(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(shí)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(shí)，加法比例放大器電路輸

出電壓為2.68V,當(dāng)這兒個(gè)電壓有改變時(shí)，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(shí)，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(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。

具體確定數(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（留意至",

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(hào)之一。

從以上探討可知，這二個(gè)比較器后面是一個(gè)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(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(hù)電路：

過流信號(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I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可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(cè)信號(hào)處理電路一因?yàn)殡娐冯娏鞯拇笮≈淮_定了取樣甩阻兩端的差值，而和

確定值無(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。留意到，Gl,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(hào)。

當(dāng)主電路電流小于0.5A時(shí)，

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(shí),G1,G2的差值即減法器的輸出電壓將大于0.5V,

過流檢測(cè)信號(hào)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(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。留

G3意到，G3,G4都為負(fù)值，而且

G4G3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(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(hào)比較器因?yàn)檫^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，愛護(hù)電路就須要?jiǎng)幼?，因此，二個(gè)過流信號(hào)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(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昌電平。

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?yàn)樗迂?fù)載電阻大于IOK,實(shí)際流過二極管的電流小于ImAo

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(hào)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)。

VCC

U1D

LM324

接口

R17

150k

同相端輸入的信號(hào)電壓構(gòu)成比較困難，由以下幾個(gè)信號(hào)確定：

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

平，電壓值約為10.6V。

過流愛護(hù)電路輸出信號(hào)（二個(gè)），只要有過流狀況出現(xiàn)時(shí)，這個(gè)信號(hào)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(gè)信號(hào)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(hào)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電源接口愛護(hù)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+I2V電源，而正常狀

況是接入+5V電源或者是不接入。原來(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(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Rll,RI2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)成的或門可路就會(huì)輸出高電平，電路將進(jìn)入愛

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(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)超過比較電路電壓。

下面進(jìn)行具體的計(jì)算：

全部檢測(cè)點(diǎn)都正常工作時(shí)(土電源三個(gè)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(jì)算：參見總電路原理圖，這個(gè)電壓由RI7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,RI4,R15,R16,這四個(gè)電

阻的等效電阻很簡(jiǎn)潔可以計(jì)算出

RI4+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(duì)12V電壓的分壓值，很簡(jiǎn)潔計(jì)算出這個(gè)電壓為

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

此時(shí)，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(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//(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(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)，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*[(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(hào)單獨(dú)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(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)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,UID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(hào)通過電阻RI8

加到三極管基極，當(dāng)信號(hào)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(hào)為高電平常，三極管

導(dǎo)通，繼電器線圈得電，動(dòng)作。

基極電阻R18的計(jì)算

當(dāng)信號(hào)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(jì)算，B以最小值64計(jì)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(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，有可能愛護(hù)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(wú)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，RI4的左端電位是漸漸上升的，只有當(dāng)這個(gè)電壓上升

到確定值后（可簡(jiǎn)潔計(jì)算得出）,電路才會(huì)輸出限制信號(hào)，在此之前,電路不會(huì)輸出限制信

號(hào)，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)，由于作為愛護(hù)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(dá)到正常工作

電壓所需的時(shí)間確定比協(xié)助電源達(dá)到正常電壓所需的時(shí)間長(zhǎng)得多，因此，在主電源沒有達(dá)到

正常工作電壓之前，愛護(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)成的或門輸

出高電平信號(hào)，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(cè)到電路有過壓欠壓過流可源接錯(cuò)的狀態(tài)時(shí)，愛護(hù)電路就要馬

上工作，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起先漸漸起先上升，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

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(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)I.48V電壓就是R14左端電壓?jiǎn)为?dú)作用時(shí)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(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(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*l(X)uF=3S。但實(shí)際時(shí)間比這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)，這個(gè)只是一個(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。

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(gè)一階非齊次微分方程，對(duì)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(shí)積分得⑨

將⑨代入⑤得⑩

當(dāng)t=0時(shí)，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(shí)，0.26=

3.846=”

In3.846=2〃15

1.347=2t/15

t=10.1（th）

若取電容為22uF,貝！計(jì)算得1=2.22（秒）

留意，這個(gè)延時(shí)作用只是在開機(jī)時(shí)才有，當(dāng)電路正常工作后，因電容器上已經(jīng)充上也了，

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

三極管驅(qū)動(dòng)電路原理比較簡(jiǎn)潔，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

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

運(yùn)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(jiǎn)潔，實(shí)踐者自己進(jìn)行分析和計(jì)算。

元件清單

編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格編號(hào)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(jì)105

焊接時(shí)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(shí)清晰“+

極以及在印刷板上的對(duì)應(yīng)位置。三極管的ebc在印刷板上的對(duì)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(duì)地電阻

對(duì)地電壓理論

對(duì)地電壓實(shí)測(cè)

LM324891011121314

對(duì)地電阻

對(duì)地電壓理論

對(duì)地電壓實(shí)測(cè)

其它測(cè)最

UAUBUcUDUEUFUGUHI

理論值

測(cè)量值

其中：UA表示延時(shí)電路中電容上電路穩(wěn)定時(shí)電壓。

UB表示主電源電路電路穩(wěn)定時(shí)+5V端子電壓。

Uc表示主電源電躥電路穩(wěn)定時(shí)+12V端子電壓。

UD表示主電源電路電路穩(wěn)定時(shí)-12V端子電壓。

UE表示主電源電路電路穩(wěn)定時(shí)+16V端子電壓。

UF表示主電源電路電路穩(wěn)定時(shí)-I6V端子電壓。

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

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

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

過載狀態(tài)時(shí)愛護(hù)電路的工和狀況測(cè)試

隨意確定一路正電源，接上負(fù)載電阻，可用電子負(fù)教代替，將負(fù)教電阻阻值從大

往小調(diào)，用電流表表監(jiān)測(cè)輸出電流，始終調(diào)到愛護(hù)電路起先動(dòng)作，記錄下愛護(hù)電路動(dòng)

作前電流表的電流值。

Ii=

隨意確定一路負(fù)電源，接上負(fù)載電阻，可用電子負(fù)載代替，將負(fù)載電阻阻值從大

往小調(diào)，用電流表表監(jiān)測(cè)輸出電流，始終調(diào)到愛護(hù)電路起先動(dòng)作，記錄下愛護(hù)電路動(dòng)

作前電流表的電流值。

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