基于三極管與電磁繼電器的短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)

陳光輝 吳光旭

摘 要：為使避免某測(cè)試設(shè)備實(shí)際工作時(shí)負(fù)載發(fā)生短路后功率電源仍處于接通的危險(xiǎn)狀態(tài)，設(shè)計(jì)了短路保護(hù)電路;本文對(duì)所設(shè)計(jì)的短路保護(hù)電路的工作邏輯進(jìn)行了闡述，通過選擇合適的器件參數(shù)，計(jì)算幾種常用電壓下三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)與功率器件的功率消耗情況，充分地說明了短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：電磁繼電器;短路保護(hù);電路設(shè)計(jì)

概述

本文設(shè)計(jì)的短路保護(hù)電路用于測(cè)試設(shè)備中，當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，能自動(dòng)切斷功率電源，避免負(fù)載短路時(shí)功率電源仍有輸出的危險(xiǎn)。本保護(hù)電路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是控制電路和功率電路共用同一個(gè)直流功率電源，工作前需要通過手動(dòng)開關(guān)給控制電路的三極管提供直流靜態(tài)工作點(diǎn)，控制電路正常工作后使電磁繼電器處于閉合狀態(tài)，手動(dòng)斷開開關(guān)后，控制電路通過流經(jīng)電磁繼電器的直流功率電源維持正常的直流靜態(tài)工作點(diǎn);當(dāng)短路時(shí)，功率電源被拉到零，三極管基級(jí)的直流靜態(tài)工作點(diǎn)為零，三極管截止，控制電路失效，電磁繼電器控制線圈無(wú)電流通過，電磁繼電器觸點(diǎn)斷開，切斷直流功率電源，起到短路保護(hù)作用。

工作原理

原理圖中各器件的作用

短路保護(hù)原理見圖1，各器件作用如下：

開關(guān)S：閉合時(shí)與直流偏置電阻R1、R2、R3給三極管V1、V2提供第一路直流靜態(tài)工作點(diǎn)。

電磁繼電器KV：通過觸點(diǎn)控制直流功率電源的通斷，其工作電壓為12V，控制線圈內(nèi)阻為28.8Ω，接通時(shí)，給負(fù)載RL提供功率，同時(shí)能通過直流偏置電阻R4、R5、R6給三極管V1、V2提供第二路直流靜態(tài)工作點(diǎn)。

功率電阻R7、R8：與三極管V1、V2串聯(lián)，起到幫助三極管分擔(dān)功率的作用，降低三極管上的功耗，利于三極管的選型。

功率三極管V1：起到一定的功率分擔(dān)作用。

功率三極管V2：起到功率分擔(dān)作用，因其集電極和發(fā)射機(jī)間的電壓被穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定在12V，當(dāng)功率電壓發(fā)生變化時(shí)，流過V2的集電極電流發(fā)生變化，使其分擔(dān)的功率隨之改變。

穩(wěn)壓二極管V3：使其兩端的電壓穩(wěn)定在12V，給電磁繼電器KV提供額定工作電壓。

快速恢復(fù)二極管V4：在電磁繼電器斷開瞬間，給控制線圈兩端的反電動(dòng)勢(shì)提供閉合放電回路。

控制電路工作過程

開關(guān)S閉合后，接通R1、R2、R3，給三極管V1、V2提供合適的直流靜態(tài)工作點(diǎn)，V1、V2導(dǎo)通;電壓調(diào)整二極管V3給電磁繼電器KV提供恒定電壓為12V的工作電壓，電磁繼電器觸點(diǎn)閉合，接通負(fù)載，同時(shí)接通R4、R5、R6，給三極管V1、V2提供另一路合適的直流靜態(tài)工作點(diǎn);功率三極管V2在不同直流功率電源電壓下提供分流;功率電阻R7、R8在47V～100V的直流功率電壓下起到分壓限流作用;功率三極管V1給流過電磁繼電器KV和功率三極管V2的電流提供通路;開關(guān)S斷開后，由于電磁繼電器KV觸點(diǎn)處于接通狀態(tài)，能通過直流偏置電阻R4、R5、R6給三極管V1、V2提供直流靜態(tài)工作點(diǎn)，控制電路維持正常工作狀態(tài);負(fù)載發(fā)生短路時(shí)，直流功率電源電壓被拉低到0V，R4、R5、R6上的電壓為0V，三極管V1、V2基級(jí)電壓為0V，V1、V2截止，電磁繼電器控制線圈兩端失去工作電壓，并出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)，快速恢復(fù)二極管V4給反電動(dòng)勢(shì)提供閉合放電回路，電磁繼電器觸點(diǎn)分離，將負(fù)載與直流功率電源斷開。

控制電路參數(shù)配置

靜態(tài)工作點(diǎn)參數(shù)

提供靜態(tài)工作點(diǎn)的直流偏置電阻共兩路，兩路參數(shù)完全一致，R1=R4=4.3kΩ， R2=R5=6.8kΩ，R3=R6=91kΩ;當(dāng)三極管V1和V2開通后，功率電阻R7上的電壓降抬高了三極管V2發(fā)射級(jí)的電壓，故R7的阻值選擇要保證三極管V2的集電極電壓低于基級(jí)電壓至少0.7V，確保V2發(fā)射結(jié)處于正向偏置的工作狀態(tài);三極管V1的基級(jí)電壓，三極管V2的基級(jí)電壓和發(fā)射級(jí)電壓計(jì)算公式如下：

Vb1=Vp*R1/（R1+R2+R3）

Vb2=Vp*（R1+R2）/（R1+R2+R3）

Vc2=（Vp-12）*R7/（R7+R8）

式中，Vp為直流功率電源電壓，Vb1為V1的基級(jí)電壓，Vb2為V2的基級(jí)電壓，Vc2為V2的發(fā)射級(jí)電壓。

功率器件參數(shù)

功率器件有電阻R7、R8，三極管V1、V2;R7的阻值為50Ω，額定功率為200W;R8的阻值為5Ω，額定功率為200W;三極管V1、V2的耐壓均為200V，額定功率均為45W。

控制電路正常工作時(shí)，三極管V1處于飽和狀態(tài)，本身消耗的功率不大，流過三極管V1、V2的集電極電流，三極管V2、功率電阻R7、R8上消耗的功率計(jì)算公式如下：

Ic1=（Vp-12）/（R7+R8）

Ic2=Ic1-VV3/RKV

Pv2=Ic2* VD1

PR1=I2c1* R1

PR2=I2c1* R2

式中，Vp為直流功率電源電壓，Ic1為流過三極管V1集電級(jí)、功率電阻R1、R2的電流，Ic2為流過三極管V2集電級(jí)的電流，VV3為電壓調(diào)整二極管V3兩端的12V電壓，RKV為電磁繼電器控制線圈內(nèi)阻，Pv2為V2的消耗功率，PR1為R1的消耗功率，PR2為R1的消耗功率。

不同電壓下靜態(tài)工作點(diǎn)與功率消耗

在測(cè)試中，常用到的直流功率電壓為47V、56V、70V、80V、90V、100V，在這些常用電壓下，三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)和功率器件的功率消耗按以上公式計(jì)算后列在表1中。

從表1中可以看出，在不同的直流功率電壓下，三極管V2的集電極電壓始終高于基級(jí)電壓，基級(jí)電壓始終高于集電極電壓，三極管V2處于放大狀態(tài)，能在不同的功率電壓下通過不同的電流，其消耗的最大功率為14.2W，未超過其額定功率45W;功率電阻R1消耗的最大功率為12.8W，未超過其額定功率200W;功率電阻R2消耗的最大功率為128W，未超過其額定功率200W。

結(jié)論

本短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)能在開關(guān)接通后使電磁繼電器觸點(diǎn)閉合，在開關(guān)斷開后控制電路維持正常工作狀態(tài)，短路時(shí)電磁繼電器觸點(diǎn)斷開，實(shí)現(xiàn)了短路保護(hù)功能;通過在不同直流功率電壓值下計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)和功率器件的功率消耗情況，各個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)均符合控制電路正常工作要求，功率器件的最大消耗功率均不超過其額定值;可見本短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)工作邏輯正確，器件的參數(shù)選擇合理。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁貴書，董華英. 電路理論基礎(chǔ). 北京：中國(guó)電力出版社，2007