一種直流保護電路及其保護方法與流程
2024-03-06 13:58:15
本發明涉及一種保護電路，具體涉及一種直流保護電路及其保護方法。
背景技術：
如果電源輸出端的電流已經超過了設計的額定要求,那麼這個電源就處於過載狀態。產生的現象是電流過大，用電設備發熱，線路長期過載會降低線路絕緣水平，甚至燒毀設備或線路；原因是多方面的，比如用電設備過載、線路短路、設備絕緣破壞等，如電動機發生堵轉，吊車吊不動等。
元件損壞、氣象條件影響或人為破壞等因素都可能造成電路短路現象的發生。由於導線的電阻很小，電源短路時電路上的電流會非常大。這樣大的電流，極有可能會造成電源損壞;更為嚴重的是，因為電流太大，會使導線的溫度升高，嚴重時有可能造成火災。
現有技術方案可以解決電路短路或過載問題，具有電路保護功能。但是沒有考慮到電路運轉中的一些實際問題。首先是沒有將短路與過載區別對待。當電路電流超過額定電流時不一定是發生了短路也有可能僅僅是發生了過載。如攪拌機在運行的過程中，偶爾遇到體積較大的攪拌物體被擋住無法正常運轉電動機發生堵轉，可能就會造成攪拌機迴路電流增大，發生過載現象。但是機器會很快克服大體積攪拌物從而恢復正常工作。在上述情況下，機器若是可以在很短的時間內克服過載恢復正常工作，那麼就沒必要將電動機發生堵轉視為短路而直接斷開電路，中斷機器的運行。其次，現有技術也沒有提出電路發生故障後的電壓比較器或電源監控模塊的保護措施，另外，保護電路在系統故障排除後，需要重新上電才可恢復正常，保護電路需要上電重啟。
為解決上述問題，有必要提供一種解決電路短路和過載的保護方法和保護電路。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種直流保護電路及其保護方法，穩定性高，對於短路和過載採用兩種應對措施，通過延時電路控制電路的緩慢關斷，避免了電子設備頻繁切換重啟，當故障排除後，負載重新接入後即可正常工作，無需重新上電。
為實現上述目的，本發明採用了以下技術方案：
一種直流保護電路，包括電路監控系統及開關電路，所述電路監控系統包括監控模塊、延時電路及向監控模塊提供工作電源的電源電路，所述開關電路包括負載及與負載相連用於保護負載在短路或過載狀態下不被損壞的開關管，所述開關管的漏極與監控模塊的輸入端相連，所述延時電路的輸入端與監控模塊的輸出端相連，其輸出端與開關管的柵極相連。
進一步的，所述電路監控系統還包括故障顯示電路，所述故障顯示電路的輸入端與監控模塊的輸出端相連。
進一步的，所述開關管包括mos管q1、q2、q3、q4，所述mos管q1、q2、q3、q4的柵極均與延時電路的輸出端相連，mos管q1、q2、q3、q4的漏極均與監控模塊相連，mos管q1、q2、q3、q4的源極接地、並經電源dc與負載的輸入端相連，mos管q1、q2、q3、q4的柵極分別經電容c4、c5、c6、c7接地。
進一步的，所述監控模塊包括雙運算放大器u1及二極體d5、d6、d7、d8，所述運算放大器u1包括比較器一和比較器二，比較器一的反相輸入端經串聯的電阻r13、r18與開關管的漏極相連，比較器二的反向輸入端經串聯的電阻r14、r15與開關管的漏極相連，所述二極體d5的陽極與比較器二的反相輸入端連接，並經電容c12與電阻r19並聯後與二極體d6的陰極對接，二極體d5的陰極與二極體d6的陽極連接，二極體d6的陰極接地，比較器一及比較器二的輸出端與延時電路連接；所述比較器一的反相輸入端與二極體d7的陽極連接，並經電容c13與電阻r20並聯後與二極體d8的陰極相連，二極體d7的陰極與二極體d8的陽極對接，二極體d8的陰極接地。
進一步的，所述延時電路包括過載故障延時電路和短路故障延時電路，所述過載故障延伸電路包括二極體d3，所述二極體d3的陽極依次經電阻r6與電容c8串聯後接地，電阻r6與電容c8之間的節點經電阻r7與開關管的柵極連接，二極體d3的陰極經電阻r3與開關管的柵極連接；所述短路故障延時電路包括二極體d4，二極體d4的陽極經電阻r4與開關管的柵極連接，其陰極經電阻r5與開關管的柵極連接。
進一步的，所述電源電路包括精密可調穩壓器u2、發光二極體d0、穩壓二極體d1、二極體d2,所述精密可調穩壓器u2的陽極接地，其陰極經兩串聯的電阻r10、r1與二極體d2的陰極相連，二極體d2的陽極與電源相連以獲取基準電壓，所述精密可調穩壓器u2的陽極接地，並經三個串聯的電阻r8、r9、r12與精密可調穩壓器u2的參考端及陰極連接，電阻r8與電阻r9之間的節點以及電阻r9與電阻r12之間的節點分別與監控模塊相連，用於向監控模塊提供不同的基準電壓；所述發光二極體d0的陽極經電阻r2與電源相連，所述發光二極體d0的陰極接地，並與穩壓二極體d1的陽極連接，穩壓二極體d1的陰極與電源監控模塊相連，所述電阻r1的兩端並聯有電阻r11，穩壓二極體d1的兩端並聯有電容c1、c2、c3。
進一步的，所述故障顯示電路包括二極體d9、d10及發光二極體d11，所述二極體d9與發光二極體d11的陰極相連，並與二極體d10的陽極相連，二極體d9的陽極經電阻r21與電源監控模塊連接，二極體d9的陰極與比較器一的輸出端相連，二極體d10的陰極比較器二的輸出端相連。
由上述技術方案可知，本發明所述的直流保護電路及其保護方法，穩定性高，成本低，性價比高，具有很強的推廣和實際應用價值，對於短路和過載採用兩種應對措施，短路由於電流過大採用快速關斷措施，過載使用慢速關斷措施，給予一定的響應時間且對故障後電源監控模塊有保護措施。短路和過載採用不同的延時保護機制，短路電流過大容易損毀電子設備，通過延時電路控制mos管的關斷，避免了電子設備頻繁切換重啟。當短路或過載發生後，mos管斷開供電迴路，故障排除後，負載重新接入後即可正常工作，保護模塊無需重新上電。
附圖說明
圖1是本發明的電路框圖；
圖2是本發明開關管的電路圖；
圖3是本發明監控模塊的電路圖；
圖4本發明延時電路的電路圖；
圖5是本發明電源電路的電路圖；
圖6是本發明故障顯示電路的電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
如圖1所示，本實施例的直流保護電路，包括電路監控系統及開關電路，電路監控系統包括監控模塊1、故障顯示電路4、延時電路2及向監控模塊1提供工作電源的電源電路3，開關電路包括負載6、開關管5及電源dc，開關管5的漏極與監控模塊1的輸入端相連，故障顯示電路4的輸入端與監控模塊1的輸出端相連，延時電路2的輸入端與監控模塊1的輸出端相連，延時電路2的輸出端與開關管5的柵極相連，開關管5的源極與電源dc的負極相連，電源dc7的正極與負載6相連。
延時電路2包括過載故障延時電路21和短路故障延時電路22，該過載故障延伸電路21包括二極體d3，二極體d3的陽極依次經電阻r6與電容c8串聯後接地，電阻r6與電容c8之間的節點經電阻r7與開關管的柵極連接，二極體d3的陰極經電阻r3與開關管的柵極連接；該短路故障延時電路22包括二極體d4，二極體d4的陽極經電阻r4與開關管的柵極連接，其陰極經電阻r5與開關管的柵極連接。
本實施例的開關管5作為保護電路的電子開關，控制保護電路的通斷狀態，以保護負載6或電源在短路或過載狀態下免受損害。監控模塊1用於實時檢測開關管5的端電壓，對於過載和短路兩類故障分別設置保護點電流和保護點電壓，以判定電路是否處於短路或過載狀態，且發生短路或過載故障後，監控模塊1也設置了保護措施，防止其燒壞。當端電壓大於短路或過載閾值電壓時，監控模塊1輸出高電平啟動延時電路2，延時電路2將短路信息或過載信息延時後送給開關管5的受控級，控制開關管5斷開開關電路，以保護電源或負載6。本系統中負載6採用直流電源供電，可以是大功率負載也可以是小功率耗能元器件。
該監控模塊1用於實時檢測開關管5輸入級與輸出級之間端電壓，開關電路中電流由電源正極依次流經負載6，開關管5輸入級經開關管5輸出級流回電源負極。通過開關管5控制開關電路的通與斷，同時開關管5的通斷狀態受電路監控系統控制。當檢測到短路或過載現象時，開關管5受控級接收信號為低電平，開關管5為截止狀態，開關電路斷開。沒有短路或過載現象時，開關管5受控級為高電平，開關管5為導通狀態，開關電路正常工作。
如圖2所示，開關管5由mos管q1、mos管q2、mos管q3及mos管q4組成，mos管q1、q2、q3、q4的柵極相連作為開關管5的柵極以與延時電路2的輸出端相連，mos管q1、q2、q3、q4的漏極相連作為開關管5的漏極與監控模塊1相連，mos管q1、q2、q3、q4的源極作為開關管5的源極接地、該源極經電源dc7與負載6的輸入端相連，mos管q1、q2、q3、q4的柵極分別經電容c4、c5、c6、c7接地。
如圖3所示，本實施例的監控模塊1包括型號為lm358的雙運算放大器u1及二極體d5、d6、d7、d8，該雙運算放大器u1具有兩個輸出端，輸出兩個電壓比較結果，可以檢測電路中的過載或短路故障，其輸出電壓或為高電平「1」或低電平「0」，對應不同的故障狀態。lm358輸出引腳的高低電平用於控制mos管的柵級進而控制mos管的導通或斷開。其內部包括有兩個高增益、獨立的、內部頻率補償的雙運放，引腳3和引腳2是比較器一的同相輸入端和反向輸入端，引腳1是比較器一的輸出端；引腳5和引腳6是比較器二的同相輸入端和反向輸入端，引腳7是比較器二的輸出端。
比較器一的反相輸入端經串聯的電阻r13、r18與開關管5的漏極相連，比較器二的反向輸入端經串聯的電阻r14、r15與開關管5的漏極相連，分別用於檢測電路是否發生短路或過載故障，二極體d5的陽極與比較器二的反相輸入端連接，並經電容c12與二極體d6的陰極對接，二極體d5的陰極與二極體d6的陽極連接，二極體d6的陰極接地，比較器二的反相輸入端與電源dc7的負極相連；比較器一的反相輸入端與二極體d7的陽極連接，並經電容c13與電阻r20並聯後與二極體d8的陰極相連，二極體d7的陰極與二極體d8的陽極對接，二極體d8的陰極接地。mos管的柵級為受控級，受到雙運算放大器u1輸出電平的控制。
具體來說，採樣到的mos管的管壓降電壓通過r18、r13連接電路監控模塊1中運放反向輸入引腳2，採樣到的mos管管壓降電壓通過r15、r14連接電路監控模塊1中運放反向輸入引腳6，分別用於檢測電路是否發生短路或過載故障。運放輸出信號連接延時電路2，延時電路2的輸出連接到mos管控制端柵級。運放輸出的短路故障檢測信號連接到短路故障延時電路22，運放輸出的過載故障檢測信號連接到過載故障延時電路21，運放輸出的短路或過載信號通過延時電路2控制mos管柵級電壓，進而控制mos管的導通或關斷，實現過載或短路時保護電路的效果。
如圖4所示，延時電路2包括二極體d3、d4，二極體d3的陽極經串聯的電阻r6、r7與開關管5的柵極相連，二極體d3的陰極經與其串聯的電阻r3與開關管5的柵極連接，電阻r6與電阻r7之間的節點通過電容c8接地；二極體d4的陽極經與其串聯的電阻r4與開關管5的柵極連接，二極體d4的陰極經電阻r5與開關管5的柵極連接。該延時電路2採取分級處理的方法，對於過載和短路兩類故障不同的延時保護機制。短路電流過大容易損毀電子設備，實行mos管快速關斷措施，延時時間短；過載現象有時電路系統是可以自行修復的，為避免電子設備頻繁切換重啟，所以實行mos管慢速關斷措施，延時時間長。
如圖5所示，電源電路3包括精密可調穩壓器u2、發光二極體d0、穩壓二極體d1、二極體d2，精密可調穩壓器u2的陽極接地，其陰極經兩串聯的電阻r10、r1與二極體d2的陰極相連，二極體d2的陽極與電源相連以獲取基準電壓，精密可調穩壓器u2的陽極接地，並經三個串聯的電阻r8、r9、r12與精密可調穩壓器u2的參考端及陰極連接，電阻r8與電阻r9之間的節點以及電阻r9與電阻r12之間的節點分別與監控模塊1相連，用於向監控模塊1提供不同的基準電壓；發光二極體d0的陽極經電阻r2與電源相連，發光二極體d0的陰極接地，並與穩壓二極體d1的陽極連接，穩壓二極體d1的陰極與電源監控模塊1相連，電阻r1的兩端並聯有電阻r11，穩壓二極體d1的兩端並聯有電容c1、c2、c3。電源電路3為監控模塊1提供工作電源，同時為監控模塊1提供合適的基準電壓。
如圖6所示，故障顯示電路4包括二極體d9、d10及發光二極體d11，二極體d9與發光二極體d11的陰極相連，並與二極體d10的陽極相連，二極體d9的陽極經電阻r21與電源監控模塊1連接。該故障顯示電路4用於顯示故障信息。故障顯示電路4有一個發光二極體，用於顯示短路或過載故障，當有故障發生時，發光二極體被點亮。
電路工作原理如下：mos管作為保護開關管5，當迴路沒有故障時mos管的受控級柵級為高電平「1」，開關管5導通，迴路正常工作；當迴路發生過載故障或短路故障時，在延時緩衝時間內系統未能自動恢復正常狀態的條件下，mos管的柵級為低電平「0」，開關管5截止，電路迴路斷開直到故障排除。mos管在整個迴路中起到了開關的效果。
雙運算放大器u1中兩個同相電壓比較器基準電壓的設置由電路的短路電壓保護點和過載電壓保護點確定。首先依據電路額定電流設定短路電流保護點和過載電流保護點，然後根據歐姆定律和mos管內阻計算得到短路電壓保護點和過載電壓保護點。雙運算放大器u1的引腳3輸入電壓是短路保護點基準電壓，引腳5輸入電壓是過載保護點基準電壓，短路保護點基準電壓高於過載保護點基準電壓，因此引腳3的輸入電壓高於引腳5的輸入電壓。
考慮到mos管和運放的工作特性，接入電路中的運放輸入電阻很大，雙運算放大器u1的反向輸入端接的電阻基本不消耗電壓，mos管漏級採樣電壓通過串接的電阻傳輸給雙運算放大器u1的反向輸入端，mos管漏級採樣電壓基本上等於雙運算放大器u1的反向輸入端電壓。當電路發生短路現象時，mos管的漏級採樣電壓高於短路保護點基準電壓；當發生過載現象時，mos管的漏級採樣電壓高於過載保護點基準電壓但低於短路保護點基準電壓；若迴路沒有發生短路或斷路故障，漏級採樣電壓低於過載保護點基準電壓同時也低於短路保護點基準電壓。
當電路發生短路現象時，雙運算放大器u1的反向輸入端電壓高於短路保護點基準電壓，引腳2和引腳6輸入電壓都高於短路保護點基準電壓，引腳2電壓高於引腳3基準電壓且引腳6電壓高於引腳5基準電壓，雙運算放大器u1的兩個輸出端引腳1和引腳7都輸出低電平「0」，通過圖2的短路和過載驅動延時電路2控制mos管的柵級為低電平「0」，使mos管截止，迴路斷開。
當電路發生過載現象時，雙運算放大器u1的反向輸入端電壓高於過載保護點基準電壓但低於短路保護點基準電壓，引腳2和引腳6輸入電壓都高於過載保護點基準電壓但低於短路保護點基準電壓，因此引腳6電壓高於引腳5基準電壓，電壓比較器的引腳7輸出低電平「0」，引腳2電壓低於引腳3基準電壓引腳1輸出高電平「1」。由於短路和過載驅動延時電路2是一個二極體串接一個或兩個較小的電阻，相對於100ｋ可以忽略不計，當電壓比較器lm358任何一個輸出引腳輸出低電平時，後級mos管柵極輸入低電平「0」，mos管被關斷，電源停止輸出。
若迴路沒有發生短路或斷路故障，雙運算放大器u1的引腳2和引腳6輸入電壓都低於短路保護點基準電壓同時低於過載保護點基準電壓，雙運算放大器u1的兩個輸出端引腳1和引腳7都輸出高電平「1」，通過短路和過載驅動延時電路2輸出高電平「1」送入mos管柵級，mos管導通，電路正常工作。
如負載6電路正常工作時迴路電流即流過mos管的電流為72a，設定過載電流為迴路額定電流的1.5倍，過載電流保護點為108ａ，考慮到mos管內阻3.7毫歐姆，四個mos管並聯後內阻約0.93毫歐姆，mos管管壓降為108*0.93=0.1v，過載保護點電壓為0.1ｖ即過載保護點基準電壓為0.1v；設定過載電流為迴路額定電流的7.5倍，短路電流保護點540ａ，mos管管壓降為540*0.93=0.5v短路電壓保護點為0.5ｖ即短路保護點基準電壓為0.5v。雙運算放大器u1的兩個同相輸入端即引腳3和引腳5的基準電壓設為0.5v和0.1v，引腳3的0.5v是短路保護點基準電壓，引腳5的0.1v是過載保護點基準電壓。
負載6發生短路現象時，mos管漏級採樣電壓高於0.5v，導致雙運算放大器u1的2引腳輸入電壓高於3引腳基準電壓，引腳1輸出低電平「0」，同時mos管d級採樣電壓高於0.1v，導致雙運算放大器u1的6引腳輸入電壓高於5引腳基準電壓，引腳7也輸出低電平「0」，後級mos管柵極輸入低電平，mos管被關斷，電源停止輸出。發生過載而沒有達到短路點時，mos管漏級採樣電壓高於0.1v小於0.5v，此時雙運算放大器u1的1引腳輸出高電平「1」，7引腳輸出低電壓「0」，後級mos管的柵極輸入低電平，mos管被關斷，電源停止輸出。無短路或過載故障發生時，回流電流小於過載電流保護點108a，也小於短路保護電流點540a，雙運算放大器u1的6引腳輸入電壓和3引腳輸入電壓低於過載保護點基準電壓也低於短路保護點基準電壓，引腳1和引腳7都輸出高電平「1」，後級mos管的柵極輸入高電平「1」，mos管導通，電路正常工作。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。