電源保護電路系統(tǒng)的設(shè)計與制作.

1、電源保護電路系統(tǒng)的設(shè)計與制作為了方便在實驗室做各種電路實驗，實驗室電源系統(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， 方便做電源實驗用） 輸出電壓為 12V 的交流電壓源（方便做電源實驗用） ；在電子技術(shù)實驗室使用較廣泛的綜合電路實驗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)字實驗電路還有一個 +5V電源插口。由于是學(xué)生實驗用

2、儀器，學(xué)生在做實驗時操作出錯是常有的現(xiàn)象， 主要是以下三類錯誤： 一是電源直接短路造成的嚴(yán) 重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(fù)載 過重， 這往往是學(xué)生由于接線錯誤， 如芯片的線接錯，雖沒有直接短路，但可能電流超過額 定值，若再加上沒有及時排除故障，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)字實驗電路的 +5V電源插口，這樣造成數(shù)字電路（如高低電平信號形成電路，數(shù)碼信號顯示電路等等）中的集成塊損壞， 特別是 TTL 集成電路塊的損壞。因此，設(shè)計制作一個電路保護系統(tǒng)很有必要。對保護

3、電路的要求：過壓保護：輸出的所有電壓中，只要任何一個電壓超過額定值1V，保護電路動作。欠壓保護：輸出的所有電壓中，只要任何一個電壓低于額定值1V，保護電路動作。過流保護： 任何一個輸出電流超過 500mA 時或所有正電源電流之和超過 500mA 時或所 有負(fù)電源電流之各超過 500mA 時，保護電路動作。電源電壓接錯保護：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，保護電路動作。常用的電路保護措施有：熔斷器保護，即通常用的保險絲，保險管，它是一種過流保護器件，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， 保險絲熔斷， 截斷電源與負(fù)載的 通

4、路， 達到保護電源和負(fù)載本身的目的。 注意：并不是電流一超過保險絲的額定電流就立即 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，這種保護方法是結(jié)構(gòu)簡單， 成本低，電路設(shè)計方便； 但缺點是： 保護電流值不明確， 在需要高精度保護條件下達不到要 求，二是熔斷后，需要更換，在一些燒保險比較頻繁的情況下（如學(xué)生實驗設(shè)備）就是很麻 煩的一件事情， 時間上也難以做到需要保護時立即截斷電源。 因此這種保護方式通常只能在 短路保護中采用。自恢復(fù)保險保護， 實際就是一種熱敏電阻保護， 它也是串接在電源電路中， 是一種過流 保護方法。 當(dāng)電流沒有超過額定值時， 作為過流保護用的熱敏電阻溫度

5、正常， 所呈現(xiàn)的電阻 很小， 不會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， 作為過流保護用的 熱敏電阻溫度徒然升高， 所呈現(xiàn)的電阻很大， 截斷電源與負(fù)載的通路， 達到保護電源和負(fù)載 本身的目的， 此后由于流過作為過流保護用的熱敏電阻的電流很小， 溫度降低， 降低到一定 程度時， 作為過流保護用的熱敏電阻電阻值減小到正常值，電源恢復(fù)工作， 若故障沒有排除，將會進入下一輪保護。這種方法的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單， 成本低， 但缺點是反應(yīng)太慢， 所以 多數(shù)情況下也不宜使用。晶閘管保護，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， 電路進入保護狀態(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保護電路， 繼電器主開關(guān)接在電源主電路中， 讓控制電路控 制繼電器線圈而控制繼電器主開關(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 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電路， 主要方法是讓一個控制電 路控制電源調(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，具有自恢復(fù)功能，

7、是一種較理想的電源保護 電路，缺點是電路相對復(fù)雜，成本相對較高。保護措施方案的選定：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措施，就得有二個保護電路，顯然不太合理。所以在交流電路上就采取保護措施比較恰當(dāng)，而要在交流支路上保護， 而交流支路有二路，是變壓器初級交流支路， 一是變壓器次級交流支路， 由于初級邊電壓較高， 不利于選用保護 器件，而次級邊電壓較低， 利于選用保護器件。 從對保護電路的要求知， 既要接入交流電路， 以要反映及時， 還要保護界線非常明顯， 選用以繼電器為主要器件保護電路比較恰當(dāng)， 即在 電路

8、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，交流供電電路 斷開， 起到保護作用。其它幾種保護電路方案各有不足之處， 熔斷器保護電路對過壓， 欠壓 問題沒有什么反映， 對這類問題起不到保護作用， 而且保護界線非常模糊， 達不到電路的要 求；自恢復(fù)保險保護的不足之處與熔斷器保護電路的不足之處一樣， ，一樣達不到電路的要 求；調(diào)調(diào)整管保護電路只適合直流電路上的保護，而對交流電路上的保護無能為力。電路設(shè)計方案的形成:電路設(shè)計方案的解說：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 流進行計算，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)過穩(wěn)壓電路輸出。保護電路過壓與欠壓故障的保護： 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肯定會發(fā)生變化， 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。過流保

10、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， 所以首先通過減法器檢測出取樣電阻上的電壓， 再送到比較器， 判斷是否電流過 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經(jīng)過或門送出?；蜷T送出的信號不能直接控制驅(qū)動器， 有一個 +5V 電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立即達到正常值，若不考慮這個因素，電源將開機不起。 因此保護電路必須在主電源達到正常值后才開始工作，因此要設(shè)計一個開機延時電路?；蜷T送出的信號， +5V 電源接口是否接錯電源的信號

11、， 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，比較器輸出控制信號。由于繼電器的動作電流相對較大， 運算放大器是帶不起這個負(fù)載的， 因此控制信號需要 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需要認(rèn)真考慮的， 總的要求是電路要簡單， 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。12V，20V，繼電器的要求：由于實驗電路的電源電路采用的變壓器次級電壓為雙 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，實際上大于3.75V就動作。若電源電壓采用 的是+5V電源，則可以直接在控制信號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)一個限流電阻。限流大小的計算：經(jīng)測量，本繼電器線圈電阻為120歐姆左右，即動作電流在 40毫安左右，因此，限流電阻的計算需要以此數(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。有二路開關(guān)，每一路有二位，一位是常閉開關(guān)，一路是常開開關(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個腳。MN為線圈，注意，這個線圈有“+” “-”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，必須采用加電源測試，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(fù)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

14、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，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，腳的分布與上面所述繼電 器完全相同，只是繼電器動作額定電壓是 +12V，所測得的電阻約為 680歐姆，計算得額定 動作電流為18mA。同樣，若需要外接限流電阻時，按以上參數(shù)進行計算。其它詳細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，可以讓二路交流電分別從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)，交流電正常送到后

15、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)，交流電送電電路被斷開。對后續(xù)電路起到保護作用。保護電路結(jié)構(gòu)的選擇:由于所需要保護的類型較多， 而且電源輸出路數(shù)也多， 所以選用合適的電路結(jié)構(gòu)非常重 要，否則選用不當(dāng)，設(shè)計電路的難度會加大，而且電路可能比較復(fù)雜。根據(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,弓I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

16、者有圓點的位置在左下），左下第一引腳為 1,然后按逆時針順序依次確定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(fù)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，弓I腳2為A運放的反相輸入端， 引腳1為A運放的輸出端），弓I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）。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號引腳。實物如圖所示。 4腳接正電源，11腳接負(fù)電源或地 GND 引腳3, 2, 1三個腳組成A運放（其中引腳3為A運放的同相輸入端，弓I腳放的反相輸入端，引腳 1為A運放的輸出端）弓I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）。弓I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

18、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。 過壓欠壓保護電路：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信號分別從電阻R3，R4，R5的一端加入， 為了計算方便，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：

19、分別計算各 信號單獨作用時在同相輸入端“ 3”的電壓。注意，計算+12V單獨作 用時，R4，R5與R6相當(dāng)于是并聯(lián)的，所以U1R4 R5 R6R3 R4/R5/R6單獨產(chǎn)生的電壓是計算-12V單獨作用時，R3，R4與R6是并聯(lián)的，所以單獨產(chǎn)生的電壓是R3/ R4/ R6U2（-R5 + R3/R4/R6計算+5V單獨作用時，R3，R5與R6是并聯(lián)的，所以單 獨產(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 ,Ui U2 U3由于選用的R3, R4, R5是相同的，所以+12V單獨作用與-12

20、V單獨作用將相互抵消,所以U ,5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，要留有一定的余地， 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)計在較中間的值，如2.68V (實際上在 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，加法比例放大器電路輸出電壓為2.68V，當(dāng)這幾個電壓有變化時，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，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，比較器一個比較器的比

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，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，按照上式計算另外一個電阻的電阻值。取一個比較電壓為 3.0V，以此確定決定第一個比較電壓的電阻R7和R8的值（注意到，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決定）。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，確定決定第二個比較電壓的電阻R9和R10的值（同樣注意到，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R9和R10決定）。

23、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，這二個比較器一定有一個輸出高電平，這就是控制電路的信號之一。從以上討論可知，這二個比較器后面是一個或門?；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時，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時，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。過流保護電路：過流信號的取得，在正負(fù)電源二個支路上各串聯(lián)一個取樣電阻，取樣電阻阻值為1歐姆。如圖示，交流電通過四個二極管橋式整流后再通過電解電容器濾波后變成直流，這個直流再通過取樣電阻送到后續(xù)電路。G2 ,G11 WI40011W400114001-4001過流檢測信號處理電路一因為電路電流的大小只決定了取樣電阻兩端的差值,而與絕對值無關(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。注意到，G1，G2都 為正值，而且G1大于G2,所以輸 出電壓是一個大于0

25、的正值電壓信 號。當(dāng)主電路電流小于 0.5A時，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，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為電路電流的大小只決定了取樣電阻兩端的差值，而與G3G4絕對值無關(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。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

26、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可靠正常工作，運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，保護電路就需要動作，因此，二個過流信號的比較電壓都應(yīng)該為0.5V，如圖示。輸出同樣需要經(jīng)過或門后送到控制電路?；蜷T的選擇：可以用數(shù)字集成電路芯片，也可以用分立元

27、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時，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時，這二個二極管中一個導(dǎo)通，另一個截止，因此，連接在 一起的二極管陰極一定為高電平。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，因為所接負(fù)載電阻大于10K，實際流過二極管的電流小于1mA。這個

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?？刂菩盘柈a(chǎn)生電路:運算放大器作為比較器使用比較電壓為3.43V ,由二個電阻組成的分壓電路就可實現(xiàn)。同相端輸入的信號電壓構(gòu)成比較復(fù)雜，由以下幾個信號決定：過壓欠壓保護電路輸出信號（二個），只要有過壓或欠壓情況出現(xiàn)時，這個信號為高電 平，電壓值約為10.6V。過流保護電路輸出信號（二個），只要有過流情況出現(xiàn)時，這個信號為高電平，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

29、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)情況是：當(dāng)電路沒有過壓，欠壓，過流情況出現(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，過流情況出現(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電源接口保護電路的設(shè)計與計算：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;第二個電路是加法電路，由R13, R14, R15組成，第三個電路是比較器，由R11, R12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處處于 非正常工作狀態(tài)， 上面介紹的由四個二極管構(gòu)成的或門電路就會輸出高電平，電路將進入保護狀態(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升高而超過比 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

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，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：所有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)：+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

32、個電壓由 R17 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, R14, R15, R16，這四個電 阻的等效電阻很容易可以計算出R14+R15/(R13+R16)=150K注意到電源與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，很容易計算出這個電壓為U=5*150/(150+30)=6V此時，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，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)所有檢測點都正常工作時（主電源三個電壓+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)異常狀態(tài)時，或者出現(xiàn)過流情況時，或門輸出高電平，此時，從前面的討論可知，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* ( 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。即或門輸出主電平信號單獨產(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，簡單計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)動電路控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 時，三極管截止，繼電器線圈失電， 不動作，當(dāng)信號為高電平時，三極管 導(dǎo)通，繼電器線圈得電，動作?；鶚O電阻 R18 的計算當(dāng)信號為高電平時，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

37、=40 / 64 = 0.63mAR18 的最大值為 =10.6 / 0.63 = 16.8（K）取 R18 = 10K 。開機延時的討論： 開機時由于主電源濾波電容的充電過程， 有可能保護電路已經(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情況下就動作， 造成 開機不正常的后果， 所以需要在控制電路的控制作用在開機時延時。 即需要在主電源達到正 常值后控制電路才開始工作，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， R14 的左端電位是慢慢上升的，只有當(dāng)這個電壓上升 到一定值后（可簡單計算得出） ，電路才會輸

38、出控制信號，在此之前，電路不會輸出控制信 號，繼電器不會動作。開機延時電路的設(shè)計與計算 設(shè)計開機延時電路的必要性，開機時，由于作為保護電路的工作電源（稱為輔助電源） 其濾波電容量較小， 將很快充滿電并開始工作， 而主電源的濾波電容量較大， 達到正常工作 電壓所需的時間肯定比輔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， 保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須的，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電源接錯的狀

39、態(tài)時， 保護電路就要立 即工作，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開始逐漸開始升高，最后達到 5V 的，從前面的討論中可 知，若在開機時， 由于保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

40、為3.43V1.95V = 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1.48V電壓就是R14左端電壓單獨作用時產(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需要多長時間?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*100uF=3S。但實際時間比這個時間長，這個只

41、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。準(zhǔn)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)任意時刻t電容器上電壓為uC，則在任意時刻VCCt應(yīng)滿足以下電流關(guān)系式Ucc -ucucduec -RiR2 dt因R仁R2=R，整理得-J.r 2uc 這是一個一階非齊次微分方程，對應(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、邊同時積分得將代入得U （t）祝 Ui2U蘭uc =WCUieC2當(dāng) t = 0 時，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,0.26 二 e 152t3.846 二 e15In 3.846 =2t/151.347 = 2t/15t = 10.1（秒）若取電容為22uF,則計算得t = 2.22（秒）注意，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)充上電了, 控制電路就一直在等待電路可能出現(xiàn)的錯誤，只要錯誤一但出現(xiàn)，控制電路就立即動作。三極管驅(qū)動電路原理比較簡單，實踐者自己進行分析和計算，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，三極管需要達到確定的飽和狀態(tài)，即運放