电源保护电路系统的设计与制作.docx

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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。

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：

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。

电路设计方案的形成：

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。

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Ｍ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，Ａ，Ｃ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０，继电器不动作处于常态，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）。

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±1.5V--±16V

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

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　

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

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

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

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2V—3V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

2.7/1.07＝2.5

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。

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。

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R17＝150K，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

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