电源的截止型过流保护电路设计

电源的截止型过流保护电路设计

李云胜

【摘 要】提出了利用晶闸管和电压比较器来设计截止型过流保护电路,分析了截止型过流保护电路的工作原理.实验测试表明,该保护电路具有保护灵敏度高、响应速度快、可靠性强的特点.

【期刊名称】《实验科学与技术》

【年(卷),期】2010(008)001

【总页数】4页(P1-3,18)

【关键词】截止型;过流保护;晶闸管;电压比较器

【作 者】李云胜

【作者单位】西华大学电气信息学院,成都,610039

【正文语种】中 文

【中图分类】TM771

电源的可靠性对于电子设备来说是非常重要的。电源常常因负载损坏而导致电源过流或短路,轻则烧毁保险管和直流稳压电路,重则因直流稳压电路损坏而导致较高的整流电压串入到负载上,把更多昂贵的电路模块烧毁[1-2]。因此,有必要设计更可靠、更安全的过流保护电路来避免更大的损失。在电子设备中,常见的电源过流保护电路有两种:限流型和截止型。参考文献 [3]介绍了基于分立元件的截止型过流保护电路;本文提出了利用晶闸管和电压比较器来设计截止型过流保护电路。

2.1 限流型过流保护电路工作原理 采用三极管的限流型过流保护电路,如图 1所示。Q1是调整管;Q2是限流保护管;R是检流电阻。正常情况下,检流电阻 R上的压降 VR小于0.7 V,故Q2截止;保护电路不起作用。当负载电流 IL超过一定值时,VR大于或等于 0.7 V,使 Q2导通,分流了调整管 Q1的基极电流。这样就利用Q2发射结的钳位作用使调整管的电流基本维持恒定,从而达到过流保护的目的[4-5]。

限流型保护电路对于负载瞬时短路可以防止调整管的损坏,但也存在缺点:过流保护后,负载电流仍然很大,调整管功耗也很大;特别是当负载短路后,调整管 Q1的 C-E压降很大,其功耗极易超过最大功耗 PDmax,故工作较长时间后也可能因过热而损坏。另外,对于线性集成稳压器而言,尽管集成稳压器内部有过流保护 (属于限流型)、过热保护和调整管安全工作区保护电路,但是仍然存在上述问题;并且内部的保护电路对外围的扩流电路没有保护作用,故大功率扩流管也需要保护。

2.2 截止型过流保护电路结构和工作原理

截止型过流保护电路能够克服限流型保护电路的缺陷,可以彻底消除因过流而产生负载电流很大的现象,其工作原理:当电源过流或短路时,具有记忆能力的保护电路被触发而进入保护状态,并把电源输出端彻底断开,从而达到过流保护的目的。理想的过流保护电路应该具备以下 3个特点:

(1)当负载过流或短路时,电源能够迅速地进入保护状态。

(2)进入保护状态后,电源的负载功耗越小越好,最好为零功耗;保护电路本身的功耗也应该越小越好。

(3)保护电路最好具有自解除功能。即进入保护状态后,当负载没有过流或短路时,电源能够自动恢复正常输出。

截止型过流保护电路方框图,如图 2所示。保护电路主要由晶闸管或电压比较器组成一个具有记忆能力的触发器,检流电阻 R对负载电流 IL进行取样,当负载电流 IL超过一定值时,保护电路迅速地进入保护状态,然后驱动继电器切断负载 RL,使 IL=0。这样就彻底消除了过流保护后的负载大电流现象,从而达到过流保护的目的。

3.1 基于晶闸管的截止型过流保护电路

利用晶闸管和继电器来实现的过流保护电路,如图 3所示。图 3中为了突出过流保护电路,三端可调集成稳压器 LM317的应用电路采用了简化形式,设过流值为

ILmax。

过流保护原理:正常工作情况下,负载电流 IL ILmax,则检流电阻 R上的电压VR>VGT,晶闸管 SCR被触发导通,继电器 J动作而切断了负载 RL,从而达到过流保护的目的。晶闸管属于记忆元件,一旦被触发导通,它将维持导通,因此保护状态被锁定。此保护电路过流值

ILmax=VGT/R。改变检流电阻 R大小可调节过流值 ILmax的大小。

蜂鸣器和发光二极管 LED起声光报警提示作用。图 3中 R4、C2的作用是防止在开机瞬间或切换量程时出现瞬时负载电流脉冲而导致晶闸管 SCR被误触发;R1、C1的作用是继电器 J动作的加速电路;二极管D是保护二极管,防止继电器J的线圈产生瞬时感应电压击穿晶闸管 SCR。另外,检流电阻 R设置于整流滤波一侧,目的是防止检流电阻 R影响稳压电源的输出内阻。

为了使电源能够脱离保护状态而恢复正常工作,可以采用 2种方式: (1)人工方式; (2)自动方式。此电路只能采用人工方式解除保护状态,即当电源进入保护状态后,只要按一下复位按钮AN后,晶闸管 SCR又截止,电源重新恢复正常输出;也可以重新开启电源而恢复正常输出。

3.2 基于电压比较器的截止型过流保护电路

利用电压比较器和继电器来实现的过流保护电路如图 4所示。图 4中电压比较器

LM393及外围元件组成一个具有记忆能力的触发器。当负载电流ILVP(VP<0 V,其大小由 R4、R5对 -VCC分压来决定,其输出电压 VO为低电平,Q截止,继电器 J不动作,故稳压电源维持正常输出。

当过流或短路时,即负载电流 IL>ILmax,则电压比较器的VN=-VR=-ILR

当继电器 J动作以后,由于稳压电源的输出电压VL通过 RL、R3使VP>0(当电源进入保护状态, IL=0,VN=-VR=-ILR=0 V),故电压比较器LM393的输出电压VO保持为高电平,Q饱和导通,继电器 J维持动作而锁定于过流保护状态。这种截止型过流保护电路能够自动解除过流保护状态,即只要将负载 RL断开,则VP<0

V,VN=0 V,电压比较器的输出电压VO变为低电平,Q截止,继电器 J释放,直流稳压电源又会恢复正常输出。

图 3保护电路的过流值不便于调节,一般设计成固定值。而图 4保护电路的过流值

ILmax=VP/R,因此,只要把 R4或 R5更换为可调电阻,即可方便调节过流值 ILmax的大小。图 4中 R2、C1的作用是防止出现瞬时负载电流脉冲而造成误保护;D1、C2起一定延时作用,保证继电器 J可靠切换。

触发型过流保护电路的实验测试内容包括可靠性测试和过流值大小测试。下面是以图 3为实验对象来进行测试的结果。主要元件型号和参数:晶闸管 SCR选BT169,它的 VGT典型值为 0.5 V,最大值为0.8 V;R4=1 kΩ,C2=10μF,检流电阻R=

0.5Ω/2 W。

4.1 靠性测试

截止型过流保护电路的保护动作是在瞬间完成的。为了便于捕捉和观察其工作波形,需要采用数字存储示波器,并将其设置为“单次”触发方式。具体方法:将图 3中电阻 R4的右边断开并加入单次脉冲信号(此单次脉冲用于模拟过流或短路的触发信号,由型号为 EM1633的信号发生器提供),用数字示波器观察单次脉冲和VL电压波形。实验测试波形图,如图 5所示。当单次脉冲上升沿到来,滞后一定时间 (该时间小于 800μs)后,VL电压因继电器断开而消失。这个滞后的时间就是过流保护电路的反应时间,它小于调整管进入二次击穿所需要的时间 (约为毫秒级)[3]。由此可见,该截止型过流保护电路动作迅速,能够实现可靠保护。

以上测试采用定量观测波形的方法。另外,还可以采用负载短路法定性测试:当电源输出电压为最大值 30 V时,反复将电源输出端短路,电源进入保护状态,然后按下复位按钮AN让电源又恢复正常输出,如此循环 100次 (耗时约 3 min);最后,用手摸稳压器 LM317自身的散热片一点也不发热,这说明保护电路的响应速度快、可靠性强。

4.2 过流值大小测试

测试方法:为了便于稳定地记录测试数据,这里采用外加电源的方法来测试。断开 RL,在检流电阻 R两端外加一个直流电源,并且串入一个 10Ω/ 50W电阻防止电流过大,再串入一个直流电流表(4位半数字万用表DT9104A)监视电流大小,此电流就是负载电流 IL。逐渐加大外加直流电源的大小,直到过流保护电路工作(继电器发出吸合声)为止。表1是通过实验对过流值 ILmax大小测得的一组数据。理论分析:ILmax=VGT/R,VGT取平均值 0.65 V,理论值 ILmax=0.65 V/0.5Ω=1.3 A,由表

1可知,实验与理论相吻合,相对误差小且很稳定。另外,更换若干只晶闸管 BT169,测得过流值大小差不多(误差不超过 50 mA),说明一致性很好。

截止型过流保护电路是根据触发器原理来实现过流保护的,对以上两种截止型过流保护电路进行实验测试表明,该保护方式具有保护灵敏度高、响应速度快、可靠性强的特点。对于第一种保护电路来说,当进入保护状态后,只有在断开负载 RL并重新开启电源或按下复位按钮AN的情况下,直流稳压电源才能恢复正常输出,其电路结构简单,实用性强;而第二种保护电路则只要断开负载 RL,直流稳压电源即可自动恢复正常输出,且过流值ILmax调节很容易,其电路结构相对较复杂。

【相关文献】

[1] 陆坤,奚大顺 .电子设计技术[M].成都:电子科技大学出版社,1997.

[2] 吴涛,胡仁杰 .参数可调节的电源保护电路 [J].电工技术杂志,2004(5):65-67.

[3] 赵秀华,李永明,吕虹 .触发截止型保护电路 [J].湖南工程学院学报,2002(12):20-22.

[4] 何希才,姜余祥 .新型稳压电源及其应用[M].北京:国防工业出版社,2002.

[5] 王其岗 .高性能电源保护电路 [J].电源技术应用, 2001(5):44-46.