电源保护电路系统的设计与制作

1 电源保护电路系统的设计与制作电源保护电路系统的设计与制作 为了方便在实验室做各种电路实验，实验室电源系统应具有如下的功能： 输出+12V，-12V，+5V 固定电压的直流稳压电压源； 输出输出电压从 1.25V 到 12V 可调的直流稳压电压源； 输出电流从 2mA 到 40mA 可调的直流电流源； 输出电压约为+16V，-16V 的直流电压源（没有经过稳压的电压源，方便做电源实验 用） ； 输出电压为 12V 的交流电压源（方便做电源实验用） ； 在电子技术实验室使用较广泛的综合电路实验箱所使用的电源一般有好几组电源输出， 如+12V，+5V，-12V 等等，数字实验电路还有一个+5V 电源插口。由于是学生实验用仪器， 学生在做实验时操作出错是常有的现象，主要是以下三类错误：一是电源直接短路造成的 严重过载而损坏电源电路，此类错误的后果是损坏稳压器，或整流二极管或变压器；二是 负载过重，这往往是学生由于接线错误，如芯片的线接错，虽没有直接短路，但可能电流 超过额定值，若再加上没有及时排除故障，使得时间过长，而损坏电路，如损坏芯片，进 一步损坏电源电路器件；还有一种可能是将+12V 或者-12V 电源插入到数字实验电路的 +5V 电源插口，这样造成数字电路（如高低电平信号形成电路，数码信号显示电路等等） 中的集成块损坏，特别是 TTL 集成电路块的损坏。因此，设计制作一个电路保护系统很有 必要。 对保护电路的要求： 过压保护：输出的所有电压中，只要任何一个电压超过额定值 1V，保护电路动作。 欠压保护：输出的所有电压中，只要任何一个电压低于额定值 1V，保护电路动作。 过流保护：任何一个输出电流超过 500mA 时或所有正电源电流之和超过 500mA 时或 所有负电源电流之各超过 500mA 时，保护电路动作。 电源电压接错保护：在应加+5V 电源接口处错误地加上了其它电源，如+12V，-12V 等等，保护电路动作。 2 常用的电路保护措施有： 熔断器保护，即通常用的保险丝，保险管，它是一种过流保护器件，将它串接在电源 电路中，一旦当负载出现故障而使电源供电电流突然增大时，保险丝熔断，截断电源与负 载的通路，达到保护电源和负载本身的目的。注意：并不是电流一超过保险丝的额定电流 就立即熔断，通常要超过额定电流 1.5 倍至 2 倍，保险丝才熔断。所以，这种保护方法是 结构简单，成本低，电路设计方便；但缺点是：保护电流值不明确，在需要高精度保护条 件下达不到要求，二是熔断后，需要更换，在一些烧保险比较频繁的情况下（如学生实验 设备）就是很麻烦的一件事情，时间上也难以做到需要保护时立即截断电源。因此这种保 护方式通常只能在短路保护中采用。 自恢复保险保护，实际就是一种热敏电阻保护，它也是串接在电源电路中，是一种过 流保护方法。当电流没有超过额定值时，作为过流保护用的热敏电阻温度正常，所呈现的 电阻很小，不会影响电源电路的正常工作，一旦当电流超过它的额定电流时，作为过流保 护用的热敏电阻温度徒然升高，所呈现的电阻很大，截断电源与负载的通路，达到保护电 源和负载本身的目的，此后由于流过作为过流保护用的热敏电阻的电流很小，温度降低， 降低到一定程度时，作为过流保护用的热敏电阻电阻值减小到正常值，电源恢复工作，若 故障没有排除，将会进入下一轮保护。这种方法的优点是电路结构简单，成本低，但缺点 是反应太慢，所以多数情况下也不宜使用。 晶闸管保护，在开关电源中用得较多，在开关电源中，有一个振荡器，我们可以设计 让振荡器是否工作与晶闸管的状态有关，而晶闸管的状态由其电压决定，在电路正常工作 条件下，让晶闸管处于截止状态，而一旦电路出现不正常状态，晶闸管导通，电路进入保 护状态。有关此方面的问题，请实践者参阅有关开关电源的资料。 以继电器为主要器件的电子保护电路，继电器主开关接在电源主电路中，让控制电路 控制继电器线圈而控制继电器主开关的通断。本电子实践项目中就是一个这样以继电器为 主要控制器件的电路。 以电源调整管（大功率三极管）为主要器件的电子保护电路，主要方法是让一个控制 电路控制电源调整管的通断（让调整管处于开关工作状态，电路正常时饱和导通，电路不 正常时截止） 。这种电路反应快，动作值界线确定，具有自恢复功能，是一种较理想的电源 保护电路，缺点是电路相对复杂，成本相对较高。 保护措施方案的选定： 3 由于这样的电源电路从交流电经整流滤波后有二路，一路产生+12V 电源，另一路产生 -12V 电源，所以要在直流电路上采取保护措施，就得有二个保护电路，显然不太合理。所 以在交流电路上就采取保护措施比较恰当，而要在交流支路上保护，而交流支路有二路， 一是变压器初级交流支路，一是变压器次级交流支路，由于初级边电压较高，不利于选用 保护器件，而次级边电压较低，利于选用保护器件。从对保护电路的要求知，既要接入交 流电路，以要反映及时，还要保护界线非常明显，选用以继电器为主要器件保护电路比较 恰当，即在电路正常工作时，继电器正常导通，当电路出现不正常状态时，继电器动作， 交流供电电路断开，起到保护作用。其它几种保护电路方案各有不足之处，熔断器保护电 路对过压，欠压问题没有什么反映，对这类问题起不到保护作用，而且保护界线非常模糊， 达不到电路的要求；自恢复保险保护的不足之处与熔断器保护电路的不足之处一样， ，一样 达不到电路的要求；调调整管保护电路只适合直流电路上的保护，而对交流电路上的保护 无能为力。 4 电路设计方案的形成： 加法比较 器 +5V 电源 接口信号 检测电路 继电器驱 动电路 辅助电 源电路 开机延时 电路 电源电压信号的 检测 过压比较 或门 欠压比较 减法器 比较器 变压器 双 12V 继电器取样电阻整流滤波 电路 稳压电路 5 电路设计方案的解说： 主电源电路 220V 交流电源接入双 12V 电源变压器，变压器的功率根据电源输出电压和额定输出 电流进行计算，若正负二路电源额定输出电流为 0.5A，整流输出电压用正负 16V 计算，则 一边的功率就是 16*0.5=8W，一共是 16W，可选用 20W 的变压器。 从变压器输出的二路交流首先分别经过继电器的常闭触头（所以要选用有二路触头的 继电器） ，再接整流滤波电路，最后经过稳压电路输出。 保护电路 过压与欠压故障的保护：从各电源输出端引入电压信号到电压信号检测电路，由于有 多个电压，所以可以选用加法器来进行检测，得到当各电压正常时加法器的输出电压信号， 当引入的电压信号不正常时，本电路的输出电压信号肯定会发生变化，将这个信号引入到 过压比较器和欠压比较器，这就可以得到一个能够反映主电源各电压是否在正常范围内的 信号。 过流保护电路：主电源电流渡过取样电阻，这样主电流的大小可以通过取样电阻的电 压反映出来，所以首先通过减法器检测出取样电阻上的电压，再送到比较器，判断是否电 流过大。注意，由于有正负二路电源，所以这样的电路有二路。 以上各电路的输出信号经过或门送出。 或门送出的信号不能直接控制驱动器，有一个+5V 电源接口是否接错电源的信号，将 这个信号和或门送出的信号再送到加法器。 开机延时电路：由于开机时主电源输出电压并不能立即达到正常值，若不考虑这个因 素，电源将开机不起。因此保护电路必须在主电源达到正常值后才开始工作，因此要设计 一个开机延时电路。 或门送出的信号，+5V 电源接口是否接错电源的信号，开机延时信号一起送到加法器 进行加法运算，加法器计算出的结果就可以反映出电路工作状态，再将这个加法器的结果 送到比较器，比较器输出控制信号。 由于继电器的动作电流相对较大，运算放大器是带不起这个负载的，因此控制信号需 要经过驱动电路再驱动继电器。 以上就是整个电路系统的说明，在这个电路系统，开机延时电路和+5V 电源接口是否 接错电源的信号电路是需要认真考虑的，总的要求是电路要简单，工作要有效。具体的解 决方案请阅读后面的电路设计的具体说明。 6 继电器的要求： 由于实验电路的电源电路采用的变压器次级电压为双 12V， 额定电流小于 1A，因此，继电器必须是二路的，耐压高于 20V，电流大于 1A。 选用松下 DS2Y-SDC5V 双路继电器可以达到要求。 松下 DS2Y-SDC5V 双路继电器的外形如图所示。 电流电压：2A30DCV。额定动作电压 5V，实际上大于 3.75V 就动作。若电源电压采 用的是+5V 电源，则可以直接在控制信号的作用之下加上电源电压。若电源电压高于 5V， 则需要在电源与继电器之间串联一个限流电阻。 限流大小的计算：经测量，本继电器线圈电阻为 120 欧姆左右，即动作电流在 40 毫安 左右，因此，限流电阻的计算需要以此数据为依据进行计算，在此电阻上的电流也为 40 毫 安左右，例如：电源电压为+12V，所接限流电阻大小应为 R（12-5）/ 0.04 = 175 欧姆， 可取限流电阻为 180 欧姆。 有二路开关，每一路有二位，一位是常闭开关，一路是常开开关。 此为底视图，即将继电器底部朝向眼睛，所看到的继电器的 8 个脚。 MN 为线圈，注意，这个线圈有“+” “-”极，其中端为“+”极。 “+” “-”极的判断方法，一般情况下， “+” “-”极的判断应该用万用表就可测量出来， 但此继电器线圈的“+” “-”极无法用万用表测量，正反向测量出的电阻值都在 120 欧姆左 右，因此，必须采用加电源测试，当将 5V 电源加到线圈两端时，听到继电器动作声音， 说明电源正极所接的一端为继电器线圈的正极，另一端为负极，当将 5V 电源加到线圈两 端时，若听不到继电器动作声音，说明电源正极所接的一端为继电器线圈的负极，另一端 为正极。 A 为中间点，A，B 之间常闭，之间常开。 也可选用松下 DS2Y-SDC12V 双路继电器。这个继电器外形，脚的分布与上面所述继 电器完全相同，只是继电器动作额定电压是+12V，所测得的电阻约为 680 欧姆，计算得额 定动作电流为 18mA。同样，若需要外接限流电阻时，按以上参数进行计算。 其它详细资料以及其它品牌和型号的继电器请实践者查阅有关资料。 本电路设计的中心任务是，可以让二路交流电分别从 A1 和 A2 点进入，而分别从 B1 和 B2 点送出。在电路处于正常工作状态时，让 MN 线圈电流为，继电器不动作处于常 M A1 B1 C1 N A2 B2 C2 7 态，即 AB 间处于导通状态，交流电正常送到后续电路，对电路正常供电。在电路处于非 正常工作状态时，让 MN 线圈通电，继电器动作处于暂态，即 AB 间处于断开状态，交流 电送电电路被断开。对后续电路起到保护作用。 保护电路结构的选择： 由于所需要保护的类型较多，而且电源输出路数也多，所以选用合适的电路结构非常 重要，否则选用不当，设计电路的难度会加大，而且电路可能比较复杂。根据电路的要求， 本人选用以运算电路和比较器为电路主要结构。 因此运算放大器将成为本电路的核心器件。 通用运算放大器 LM358 是一块双运放集成电路，内含二个完全一样的运算放大器， 引脚 8 个，引脚编号 1，2，3，4，5，6，7，8 按如下方 法确定：正面朝上，有缺口的一方 朝左（或者有圆点的位置在左下） ，左下第一引 脚为 1，然后按逆时针顺序依次确定 2，3，4，5，6，7，8，即左上脚为 8 号引脚。实物图如图所示。8 脚接正电源，4 脚接负 电源或地 GND引脚 3，2，1 三个脚组成 A 运放（其中引脚 3 为 A 运放的同相输入端， 引脚 2 为 A 运放的反相输入端，引脚 1 为 A 运放的输出端） ，引脚 5，6，7 三个脚组成 B 运放（其中引脚 5 为 B 运放的同相输入端，引脚 6 为 B 运放的反相输入端，引脚 7 为 B 运 放的输出端） 。 通用运算放大器 LM324 简介 通用运算放大器 LM324 是四运放集成电路，内含四个 完全一样的运算放大 器，引脚 14 个，引 脚编号 1，2，3，4，5，6， 7，8，9，10，11，12，13，14 按如下方法确定：正面朝上，有缺口的 一方朝左（或者有圆点的位置在左下） ，左下第一引脚为 1，然后按逆 时针顺序依次确定 2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14， 即左上脚为 14 号引脚。实物如图所示。4 脚接正电源，11 脚接负电源或地 GND 引脚 3，2，1 三个脚组成 A 运放（其中引脚 3 为 A 运放的同相输入端，引脚 2 为 A 运放的反相输入端，引脚 1 为 A 运放的输出端） 。 引脚 5，6，7 三个脚组成 B 运放（其中引脚 5 为 B 运放的同相输入端，引脚 6 为 B 运 放的反相输入端，引脚 7 为 B 运放的输出端） 。 8 引脚 10，9，8 三个脚组成 C 运放（其中引脚 10 为 C 运放的同相输入端，引脚 9 为 C 运放的反相输入端，引脚 8 为 C 运放的输出端） 。 引脚 12，13，14 三个脚组成 D 运放（其中引脚 12 为 D 运放的同相输入端，引脚 13 为 D 运放的反相输入端，引脚 14 为 D 运放的输出端）上图为运算放大器 LM324 电路符号。 运算放大器 LM358 和 LM324 的主要参数 电源电压范围 单电源 +3.0V-+32V， 双电源1.5 V-16 V 输出高电平大约比电源电压低 1.4V，输出低电平大约比负电源或地 GND 高电压低零 点几 V。 最大输出端拉电流 40mA，最大输出端灌电流 20mA。 信号检测加法器的设计计算： 本电路工作电压选用+5V。 过压欠压保护电路：由运算 放大器所构成的加法比例放大器 电路如图所示。 将+12V，+5V，-12V 信号分 别从电阻 R3，R4，R5 的一端加 入，为了计算方便，取 R3=R4=R5，此时在正常状态下， 同相输入端“3”的电压的计算方 法是：分别计算各信号单独作用 时在同相输入端“3”的电压。 注意，计算+12V 单独作 用时，R4，R5 与 R6 相当于是并联的，所以 单独产生的电压是 12 6/5/43 6/5/4 1 RRRR RRR U 计算-12V 单独作用时，R3，R4 与 R6 是并联的，所以单独产 生的电压是 )12( 6/4/35 6/4/3 2 RRRR RRR U 计算+5V 单独作用时，R3，R5 与 R6 是并联的，所以单 独产生的电压是 9 5 6/5/34 6/5/3 3 RRRR RRR U 所以加法电路的输出结果（U1A 运算放大器同相输入端的电压）等于这三个电压单独 所产生的结果之和 321 UUUU 由于选用的 R3，R4，R5 是相同的，所以+12V 单独作用与-12V 单独作用将相互抵消， 所以 3 UU 将 R3，R4，R5，R6 的 数值代入计算式后得 U+ = 1.07V 这个加法比例放大器电 路电路的输出电压高不能超 过 3.5V，要留有一定的余地， 最好是不超过 3V，低不能低 于 1V，本人选择 2.7V 左右。 同相输入端“3”的电压.为上述结果之和。加法器的输出电压设计在较中间的值，如 2.68V（实际上在 2V3V 之间都比较合适） 。以此确定 R1 和 R2 的值。 注意：UO=(1+R1/R2)Ui 则放大倍数为 2.7/1.072.5 因此，R1 与 R2 的比值为 1.5。选用 R1 = 15K。 R2 = 10K 。 此时输出电压理论值为 2.68V。 上述讨论可知，在电源+12V，-12V，+5V 电压处于正常值时，加法比例放大器电路输 出电压为 2.68V，当这几个电压有变化时，加法比例放大器电路的输出电压也将发生变化。 当电压变化 1V 时，加法比例放大器电路输出电压变化的电压值为 (2.68 / 5)*1= 0.536V 因此选用加法比例放大器电路输出电压可变化的范围为 0.3V 左右，即加法比例放大器 10 电路输出电压的变化范围是 2.4 3.0V 因此加法比例放大器电路后面接二个比较器， 一个比较器的比较电压是 3.0V，当加法比例放大器电路输出电压低于 3.0V 时，比较 器输出低电平，当加法比例放大器电路输出电压高于 3.0V 时，比较器输出高电平。 一个比较器的比较电压是 2.4V，当加法比例放大器电路输出电压高于 2.4V 时，比较 器输出低电平，当加法比例放大器电路输出电压低于 2.4V 时，比较器输出高电平。 具体确定数据时，取定其中一个电阻的电阻值，按照上式计算另外一个电阻的电阻值。 取一个比较电压为 3.0V，以此确定决定第一个比较电压的电阻 R7 和 R8 的值（注意到， 运算放大器输入端电流为 0，所以这个比较电压就完全由电阻 R7 和 R8 决定） 。 本人取 R7=10K，R8=15K，计算得比较电压为 3.0V。 取另一个比较电压为 2.4V，确定决定第二个比较电压的电阻 R9 和 R10 的值（同样注 意到，运算放大器输入端电流为 0,所以这个比较电压就完全由电阻 R9 和 R10 决定） 。 本人取 R9=20K，R10=18K，计算得比较电压为 2.3V。 即当主电源电压在正常范围内时，这二个比较器都输出低电平。 当主电源不正常时，这二个比较器一定有一个输出高电平，这就是控制电路的信号之 一。 从以上讨论可知，这二个比较器后面是一个或门。 或门的选择：可以用数字集成电路芯片，也可以用分立元件构成的或门电路。本人选 用分立元件构成的或门电路，只要二个二极管就可以了，二个二极管的阳极分别接二个比 较器的输出端，阴极接在一起。当二个比较器都是输出低于电平时，这二个二极管都截止， 当二个比较器中有一个输出高于电平时，这二个二极管中一个导通，另一个截止，因此， 连接在一起的二极管阴极一定为高电平。 二极管和选择：因输出电流很小，所以选用二极管 4148 就可以了。 过流保护电路： 过流信号的取得，在正负电源二个支路上各串联一个取样电阻，取样电阻阻值为 1 欧 姆。如图示，交流电通过四个二极管桥式整流后再通过电解电容器滤波后变成直流，这个 直流再通过取样电阻送到后续电路。 11 过流 检测信号处理电路一 因为电路电流的大小只决定 了取样电阻两端的差值，而与绝对值无关，因此，我 们要设计一个电路将取样电阻两端的电压差值检测出 来。用减法器。当减法器这四个电阻相同时，输出端 电压就等于 G1-G2。注意到，G1，G2 都为正值，而 且 G1 大于 G2，所以输出电压是一个大于 0 的正值电 压信号。 当主电路电流小于 0.5A 时，G1，G2 的差值即减 法器的输出电压小于 0.5V，而当主电路电流大于 0.5A 时，G1，G2 的差值即减法器的输出电压将大于 0.5V， 过流检测信号处理电路二 因为电路电流的大小只决定了取样电阻两端的差值，而 与绝对值无关，因此，我们要 设计一个电路将取样电阻两端 的电压差值检测出来。用减法 器。当减法器这四个电阻相同 时，输出端电压就等于 G4- G3。注意到，G3，G4 都为负 值，而且 G3 比 G4 负得更多， 所以输出电压是一个大于 0 的 正值电压信号。 12 当主电路电流小于 0.5A 时，G4，G3 的差值即减法器的输出电压小于 0.5V，而当主电 路电流大于 0.5A 时，G4，G3 的差值即减法器的输出电压将大于 0.5V， 由于这二个过流检测信号处理电路输出信号电压范围只有 0-0.5V，输入端的电压在- 10V-+10V 之间，为了保证运算放大器的可靠正常工作，运算放大器的工作电源应该加正 负双电源。本人选择此块 LM324 芯片的工作电源为正负 12V。 注意到，运算放大器若加单电源，输出电压最低是到不了 0 的。 过流信号比较器 因为过流信号达到 0.5V 时，说明电路电流达到额定电流值 0.5A，再大，保护电路就需要动作，因此，二个过流信号的比较电压都应该为 0.5V，如图 示。输出同样需要经过或门后送到控制电路。 或门的选择：可以用数字集成电路芯片，也可以用分立元件构成的或门电路。本人选 用分立元件构成的或门电路，只要二个二极管就可以了，二个二极管的阳极分别接二个比 较器的输出端，阴极接在一起。当二个比较器都是输出低于电平时，这二个二极管都截止， 当二个比较器中有一个输出高于电平时，这二个二极管中一个导通，另一个截止，因此， 连接在一起的二极管阴极一定为高电平。 二极管耐压的选择，当以上二个二极管中一个导通，一个截止时，处于截止状态的二 13 极管一端的电压是高电平约为 10.6V，低电平约为-10.6V，所以加在二极管上的反向电压为 21.2V。所以选用的二极管反向耐压必须大于 22V。 二极管电流的选择，因为所接负载电阻大于 10K，实际流过二极管的电流小于 1mA。 这个电流很小。 二极管和选择：因输出电流很小，所以选用二极管 4148 就可以了。 4148 的最高反向耐压大于 75V，最大电流为 150mA。这些指标足够用了。 控制信号产生电路： 运算放大器作为比较器使用，比较电压为 3.43V，由二个电阻组成的分压电路就可实 现。 同相端输入的信号电压构成比较复杂，由以下几个信号决定： 过压欠压保护电路输出信号（二个） ，只要有过压或欠压情况出现时，这个信号为高电 平，电压值约为 10.6V。 过流保护电路输出信号（二个） ，只要有过流情况出现时，这个信号为高电平，电压值 约为 10.6V.（高电平 10.6V 减去二极管压降） 。 以上这四个信号加到同一或门（由四个二极管构成，工作过程如前述）的输入端，或 14 门的输出端信号加到本电路电阻 R19 上。这四个二极管的状态情况是：当电路没有过压， 欠压，过流情况出现时，由于其输入端都为低电平，二极管全部处于截止状态。当电路中 过压，欠压，过流情况出现时，或门输出高电平，其中一个二极管导通，另三个二极管截 止。输出的高电平电压为 10V（高电平 10.6V 减去二极管压降） 。 数字电路+5V 电源接口保护电路的设计与计算： 应考虑两种非正常情况：一是可能接入-12V 电源，二是可能接入+12V 电源，而正常 情况是接入+5V 电源或者是不接入。本来又可以计算出正常状态下的正常电压范围，再用 二个比较器检测出非正常信号，但由于只有一个运放了（再增加一块集成块不合算） 。采用 如下方案可以较好地解决这个问题。 这个方案主要是三个电路：两个二极管 D4 和 D5 作为既有隔离作用，又有导通作用； 第二个电路是加法电路，由 R13，R14，R15 组成，第三个电路是比较器，由 R11，R12 组 成。 在接口处若错误接入-12V，则由于二极管 D5 的导通作用，使输出电压端-12V 处处于 非正常工作状态，上面介绍的由四个二极管构成的或门电路就会输出高电平，电路将进入 保护状态。 若在接口处错误接入+12V 电源，由于 D4 导通，将使加法端的电压大大升高而超过比 较器的比较电压。而使输出端为高电平。 若是因主电源+12V，-12V，+5V 电源出现问题而使得或门的输出端出现高电平，同样 由于 R19 电阻接入较大电压而使得加法器电压显著升高，而使得加法器的电压超过比较电 压而使本电路高电平。R16 的作用是作为 D2 和 D3 输出端的下拉电阻，因当 D2 和 D3 左 端都为低电平时，二个二极管 D2 和 D3 截止，但由于 R16 的存在且电阻值相对于 R13 很 小，R13 左端电压就会很小，而使得加法器电路的电压较低，不会超过比较电路电压。 下面进行具体的计算： 所有检测点都正常工作时（主电源三个电压+12V，-12V，+5 输出电压值在正常的误 差范围内，+5 接口处正常，即或悬空或接+5V 电源）： +5V 接口处悬空： D4 和 D5 截止，R14 左端电压的计算：参见总电路原理图，这个电压由 R17 电阻和和 C2 电容所组成的 RC 电路送来，当达到稳定状态时，电容器 C2 相当于开路，这个电压是 不是+12V？，不是的，因在这一点和地 GND 之间接有电阻 R13，R14，R15，R16，这四 个电阻的等效电阻很容易可以计算出 R14+R15/(R13+R16)=150K 注意到电源与这一点之间接有电阻 R17150K，所以这一点的电压是 150K 电阻和 150K 电阻对 12V 电压的分压值，很容易计算出这个电压为 U=5*150/(150+30)=6V 15 此时，由于 D4 和 D5 截止，加法器输出电压（即 U1D 同相输入端的电压）为 U=6*R15/(R13+R16)/(R14+R15/(R13+R16) =6*50/150=2V 小于比较电压 3.43V（比较电压由 R11 和 R12 决定） ，比较器输出低电平。 +5V 接口处接+5V 电源： 此时，由于原二极管 D4 右端电压为 6V，而现在左端加上 5V 电压，因此二极管 D4 还是截止，二极管右端即 R14 左端电压就被定在 6V（考虑到二极管的管压降） ，加法器输 出电压（即 U1D 同相输入端的电压）为 U=6*R15/(R13+R16)/(R14+R15/(R13+R16) =6*50/150=2V 小于比较电压 3.43V（比较电压由 R11 和 R12 决定） ，比较器输出低电平。 从以上讨论中可知，当所有检测点都正常工作时（主电源三个电压+12V，-12V，+5 输出电压值在正常的误差范围内，+5 接口处正常，即或悬空或接+5V 电源） ，U1D 运算放 大器输出端输出低电平，驱动三极管截止，继电器无电流，继电器不动作。 +5V 接口处正常，不论是悬空还是接+5V 电源，当主电源三个电压+12V，-12V，+5 出现异常状态时，或者出现过流情况时，或门输出高电平，此时，从前面的讨论可知，由 于 R14 左端电压 6V， 它单独作用时产生的同相输入端的电压为 2V， 此时，由于或门输出高电平，R19 上端电压为运放输出高电平 10V，它单独作用产生 的同相端的电压为 UA =10*（R13+R14/R15）/ R16 / （R13+R14/R15）/ R16+R19 = 10*15.84/（30.84）= 5.14V U = 5.14*R14/R15 / （R13+R14/R15） = 5.14*50 / 132 =1.95V。 即或门输出主电平信号单独产生的电压为 1.95V。 共同作用在 U1D 同相输入端产生的电压为 2V+1.95V=3.95V。 大于比较电压 3.43V，U1D 运算放大器输出端输出高电平，驱动三极管饱和，继电器 被加上接近 12V 的电压，产生电流，继电器动作。 主电源工作正常，此时 D2 的 D3 截止，+5V 电源接口处错误接上+12V 电源，因在 R14 左端输入电压约为 11.3V，简单计算可得同相端的电压为 U=11.3*R15/(R13+R16)/(R14+R15/(R13+R16) =11.3*50/150 = 3.77V 16 高于反相端的 3.43V，U1D 运 算放大器输出端输出高电平，驱动 三极管饱和，继电器被加上接近 12V 的电压，产生电流，继电器动 作。 三极管驱动电路 控制电路输出信号通过电阻 R18 加到三极管基极，当信号为低 电平时，三极管截止，继电器线圈 失电，不动作，当信号为高电平时， 三极管导通，继电器线圈得电，动 作。 基极电阻 R18 的计算 当信号为高电平时，让三极管饱和导通，即基极电流的 倍大于集电极电流。 集电极电流 继电器电流约 20mA + 蜂鸣器电流（不大于 20mA) 集电极电流以 40mA 计算， 以最小值 64 计算， 则最小基极电流为 40 / 64 = 0.63mA R18 的最大值为 10.6 / 0.63 = 16.8(K) 取 R18 = 10K。 开机延时的讨论：开机时由于主电源滤波电容的充电过程，有可能保护电路已经正常 工作，但主电源还没有达到正常值，有可能继电器在开机时电路无故障的情况下就动作， 造成开机不正常的后果，所以需要在控制电路的控制作用在开机时延时。即需要在主电源 达到正常值后控制电路才开始工作，此电路的 R17 和 C2 组合解决了这个问题。开机时， 即使 D2 或 D3 输出高电平，由于 C2 的充电，R14 的左端电位是慢慢上升的，只有当这个 电压上升到一定值后（可简单计算得出） ，电路才会输出控制信号，在此之前，电路不会输 出控制信号，继电器不会动作。 开机延时电路的设计与计算 设计开机延时电路的必要性，开机时，由于作为保护电路的工作电源（称为辅助电源） 其滤波电容量较小，将很快充满电并开始工作，而主电源的滤波电容量较大，达到正常工 17 作电压所需的时间肯定比辅助电源达到正常电压所需的时间长得多，因此，在主电源没有 达到正常工作电压之前，保护电路将检测到非正常的主电源电压而在由四个二极管构成的 或门输出高电平信号，而造成电源开机不起的问题。 因此，设计开机延时电路是必须的，而且，这个延时作用只能在开机时才有，一旦当 电路进入正常状态之后，只要检测到电路有过压欠压过流电源接错的状态时，保护电路就 要立即工作，此时不能有延时作用。 图中的 R17 和 C2 二个器件就是延时电路的主要器件。由于这个电路的作用，电阻 R14 左端的电压在开机时其电位是从 0 开始逐渐开始升高，最后达到 5V 的，从前面的讨 论中可知，若在开机时，由于保护电路将检测到非正常的主电源电压而在由四个二极管构 成的或门输出高电平信号，但这个高电平信号单独作用时在控制电路中的加法电路中产生 的电压只有 1.85V，比比较电压 3.43V 低，保护电路不会动作。 首先计算电容器充电到多大电压时，比较器状态转换，即同相端的电压达到比较电压 值 23.43V，也即这个电压（R14 左端电压）单独作用时，在同相端产生的电压为 3.43V1.95V = 1.48V， 1.85V 是四个二极管构成的或门输出的高电平单独科生的同相端的电压。 这个 1.48V 电压就是 R14 左端电压单独作用时产生的电压，设 R14 左端电压为 U。则 1.48=U*R15/(R13+R16)/(R14+R15/(R13+R16) =U*50/150=U/3 得 U=4.44V 即当电容充电到 4.44V 后可能继电器就动作，而在电容器充电到 4.44V 之前是不会动 作的。 电容充电到 4.44V 需要多长时间？ 估算，因这个电压正好是电源电压的百分之六十 多，也就是 RC 电路的时间常数所表示的时间。这个 时间常数为 RC=30K*100uF=3S。但实际时间比这个 时间长，这个只是一个时间数量级的计算。这个延时 时间已经足够长了。 准确的开机延时时间的计算： 电容等效充电电路图如图所示。 设任意时刻 t 电容器上电压为，则在任意时 C u 刻 t 应满足以下电流关系式 dt du C R u R uU CCCCC 21 因 R1=R2=R，整理得 18 02 CCC C Uu dt du RC 这是一个一阶非齐次微分方程，对应的一阶齐次微分方程为 02 C C u dt du RC 其解为 Ut RC uC 2 ln RC t C etUu 2 )( 代入一阶非齐次微分方程， 0)(2)( 2 )( 222 / CC RC t RC t RC t UetUtUe RC etURC 整理得 CC RC t UetRCU 2 / )( 得到 RC t CC e RC U tU 2 / )( 两边同时积分得 1 2 2 )(Ue U tU RC t CC 将代入得 RC t CC C eU U u 2 1 2 当 t = 0 时， 得0 C u 2 1 CC U U 最后得 )1 ( 2 2 RC t CC C e U u 将 R，C，UCC 数据代入等式得 )1 (6 15 2t C eu 当 Uc = 4.44V 时， 15 2 26 . 0 t e 15 2 846 . 3 t e 15/2846 . 3 lnt 1.347 = 2t/15 t = 10.1(秒) 若取电容为 22uF，则计算得 t = 2.22(秒) 19 注意，这