過流保護(hù)電路原理 幾種過流保護(hù)方式的比較

過流保護(hù)通過在電路中串聯(lián)快速熔斷器實(shí)現(xiàn)，適用于晶閘管和GTO，因?yàn)樗鼈冇休^高的浪涌電流承受能力。對(duì)于MOSFET、GTR、IGBT，由于它們承受過流能力很低，因而必須有專門的過流保護(hù)電路，并要求過流保護(hù)電路在瞬間完成過流檢測、信號(hào)傳送，保護(hù)動(dòng)作，在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)將電流限定在過載能力以內(nèi)。目前常用的方法有：監(jiān)控法，霍耳電流傳感器保護(hù)法。本文將分享過流保護(hù)電路、過流保護(hù)電路原理、過流保護(hù)電路制作、過流保護(hù)電路比較器以及過流保護(hù)電路繼電器。

一、過流保護(hù)是什么意思?

過電流保護(hù)（Over Current Protection）是電流超過預(yù)定最大值時(shí)的電流保護(hù)裝置動(dòng)作。當(dāng)流過被保護(hù)原件的電流超過預(yù)設(shè)值時(shí)，保護(hù)裝置動(dòng)作，并利用定時(shí)來保證動(dòng)作的選擇性，使斷路器跳閘或發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

許多電子設(shè)備都有額定電流。一旦設(shè)備超過額定電流，就會(huì)燒壞設(shè)備。因此，這些設(shè)備都做了一個(gè)電流保護(hù)模塊，當(dāng)電流超過設(shè)定電流時(shí)，設(shè)備自動(dòng)斷電保護(hù)設(shè)備，這就是過流保護(hù)。比如電腦主板上的USB接口，USB過流保護(hù)一般都要保護(hù)主板不被燒毀。

一種具有過流保護(hù)功能的電源電路

過流保護(hù)包括短路保護(hù)和過載保護(hù)。

?短路保護(hù)的特點(diǎn)是整定電流較大，瞬時(shí)動(dòng)作。電磁式電流脫扣器（或繼電器）、熔斷器常用作短路保護(hù)元件。

?過載保護(hù)的特點(diǎn)是整定電流較小，反時(shí)限動(dòng)作。熱繼電器、延時(shí)型電磁電流繼電器常用作過載保護(hù)元件。熔斷器也常用作過載保護(hù)元件，沖擊電流不大。

在TN系統(tǒng)中，當(dāng)使用熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，熔體額定電流應(yīng)小于1/4相短路電流。帶斷路器保護(hù)的斷路器瞬時(shí)動(dòng)作或短延時(shí)動(dòng)作過電流脫扣器的整定電流應(yīng)小于單相短路電流的2/3。

二、過流保護(hù)電路原理

過電流保護(hù)裝置通過在電流達(dá)到會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體溫度過度升高或危險(xiǎn)升高的值時(shí)斷開裝置來保護(hù)電路。大多數(shù)過流保護(hù)裝置對(duì)短路或接地故障電流值以及過載情況都有響應(yīng)。

在電網(wǎng)發(fā)生相間短路故障或負(fù)載異常增加，或絕緣水平下降的情況下，電流會(huì)突然增大，電壓會(huì)突然下降。過流保護(hù)是根據(jù)線路選擇性的要求來設(shè)定電流繼電器的動(dòng)作電流。

當(dāng)線路中的故障電流達(dá)到電流繼電器的動(dòng)作值時(shí)，電流繼電器根據(jù)保護(hù)裝置的選擇性要求動(dòng)作，選擇性地切斷故障線路，并通過其觸點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間繼電器。

經(jīng)過預(yù)定延時(shí)后，時(shí)間繼電器觸點(diǎn)閉合，斷路器脫扣線圈接通，斷路器脫扣，故障線路切斷，同時(shí)信號(hào)繼電器動(dòng)作，信號(hào)板落下，燈光或聲音信號(hào)開啟。

當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過載或控制電路故障等意外情況時(shí)，會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓管中的開關(guān)晶體管有過大的電流流過，從而增加管子的功耗并發(fā)熱。如果沒有過流保護(hù)裝置，一個(gè)大功率的開關(guān)晶體管可能會(huì)損壞。

因此，過流保護(hù)常用于開關(guān)穩(wěn)壓器。最經(jīng)濟(jì)方便的方法是使用保險(xiǎn)絲。由于晶體管的熱容量小，普通保險(xiǎn)絲一般不能提供保護(hù)。通常使用快速熔斷器。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)容易，但需要根據(jù)具體開關(guān)晶體管的安全工作區(qū)域的要求來選擇熔斷器規(guī)格。這種過流保護(hù)措施的缺點(diǎn)是頻繁更換保險(xiǎn)絲的不便。

一種逆變器過流保護(hù)電路

線性穩(wěn)壓器中常用的限流保護(hù)和電流切斷保護(hù)可應(yīng)用于開關(guān)穩(wěn)壓器。但是根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的特性，這種保護(hù)電路的輸出不能直接控制開關(guān)晶體管，而必須將過流保護(hù)的輸出轉(zhuǎn)換成脈沖指令來控制調(diào)制器來保護(hù)開關(guān)晶體管。

為了實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，一般需要在電路中串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，會(huì)影響電源的效率，所以多用于小功率開關(guān)穩(wěn)壓器。在大功率開關(guān)穩(wěn)壓電源中，考慮到功耗，應(yīng)盡量避免使用采樣電阻。因此，過流保護(hù)通常轉(zhuǎn)換為過壓和欠壓保護(hù)。

相關(guān)電路的原點(diǎn)設(shè)有保護(hù)裝置，如下圖所示：

過流保護(hù)電路

過流保護(hù)電路

在比電路布線的 I2t 特性給出的時(shí)間更短的時(shí)間內(nèi)切斷電流，但允許最大負(fù)載電流 IB 無限期地流動(dòng)。

絕緣導(dǎo)體在承載短路電流時(shí)的特性，在短路開始后長達(dá) 5 秒的時(shí)間段內(nèi)，可大致由以下公式確定：

I2t = k2 S2

這表明產(chǎn)生的允許熱量與導(dǎo)體的平方橫截面積成正比。

這里：

?t = 短路電流持續(xù)時(shí)間（秒）

?S = 絕緣導(dǎo)體的橫截面積 (mm2)

?I = 短路電流 (A rms)

?k = 絕緣導(dǎo)體常數(shù)（k 值在下圖中給出）

對(duì)于給定的絕緣導(dǎo)體，最大允許電流因環(huán)境而異。例如，對(duì)于高環(huán)境溫度（θa1 > θa2），Iz1 小于 Iz2（見下圖）。θ 表示“溫度”。

過流保護(hù)電路

?ISC = 三相短路電流

?ISCB = 額定 3 相，斷路器的短路開斷電流。

?Ir（或 Irth）[1] = 調(diào)節(jié)的“標(biāo)稱”電流水平；例如，50 A 標(biāo)稱斷路器可以調(diào)節(jié)為具有保護(hù)范圍，即類似于 30 A 斷路器的常規(guī)過電流脫扣水平。

三、過流保護(hù)類型

?復(fù)合型：多種保護(hù)串聯(lián)。

?限功率型：總功率限輸出

?重繞型：初始電流恒定，電壓下降到一定值電流開始下降。

?打型：過流，電流電壓降到0，然后開始反復(fù)上升。

?恒流：恒流、壓降

?幾種過流保護(hù)方式的比較

下圖列舉了 4 種 過流保護(hù)電路方法：

4 種 過流保護(hù)電路方法四、過流保護(hù)電路制作

1、過流保護(hù)電路比較器

過流保護(hù)電路種類繁多，電路的復(fù)雜性取決于保護(hù)電路在過流情況下的反應(yīng)速度。下面這個(gè)電路使用很常見的運(yùn)算放大器構(gòu)建一個(gè)簡單的過流保護(hù)電路。

該電路將具有可調(diào)節(jié)的過流閾值，并且還將具有故障時(shí)自動(dòng)重啟功能。由于這是一個(gè)基于運(yùn)算放大器的過流保護(hù)電路，

1）LM35運(yùn)算放大器

這里使用了通用運(yùn)算放大器LM358，作為驅(qū)動(dòng)單元。在下圖中，顯示了 LM358 的引腳圖。

LM358 運(yùn)算放大器引腳圖

2）RF540N mos管

在本項(xiàng)目中，使用了N 溝道 MOSFET IRF540N，如果負(fù)載電流大于 500mA，建議使用合適的 MOSFET 散熱器。對(duì)于下面這個(gè)電路，MOSFET 沒有使用散熱器。下圖是 IRF540N 引腳圖 的表示。

RF540N mos管

3）LM7809 線性穩(wěn)壓器

為了給運(yùn)算放大器和電路供電，使用了LM7809 線性穩(wěn)壓器。這是一款具有寬輸入電壓額定值的 9V 1A 線性穩(wěn)壓器。引腳排列如下圖所示：

LM7809 線性穩(wěn)壓器

4）過流保護(hù)電路比較器元器件清單

?面包板

?電源 12V（最低）或根據(jù)電壓要求

?LM358

?100uF 25V

?IRF540N

?散熱器（根據(jù)應(yīng)用要求）

?50k 裝飾鍋

?1k 電阻，容差為 1%

?1Meg 電阻

?100k 電阻，容差為 1%。

?1ohms電阻，2W（2W最大1.25A負(fù)載電流）

?面包板電線

5）過流保護(hù)電路比較器

一個(gè)簡單的過流保護(hù)電路可以通過使用運(yùn)算放大器來感應(yīng)過流來設(shè)計(jì)，并根據(jù)結(jié)果，我們可以驅(qū)動(dòng) Mosfet 斷開/連接負(fù)載與電源。相同的電路圖很簡單，如下圖所示：

過流保護(hù)電路工作

6）過流保護(hù)電路比較器工作原理

從電路圖中可以看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和過載情況下控制負(fù)載為 ON 或 OFF 。但在關(guān)閉負(fù)載之前，必須檢測負(fù)載電流。這是通過使用分流電阻 R1來完成的，它是一個(gè) 2 瓦額定值的 1 歐姆分流電阻，這種測量電流的方法稱為分流電阻電流感應(yīng).

在 MOSFET 導(dǎo)通狀態(tài)期間，負(fù)載電流通過 MOSFET 的漏極流向源極，最后通過分流電阻流向 GND。根據(jù)負(fù)載電流，分流電阻產(chǎn)生的電壓降可以使用歐姆定律計(jì)算。

因此，我們假設(shè)，對(duì)于 1A 的電流（負(fù)載電流）：

分流電阻上的電壓降為 1V，因?yàn)?V = I x R (V = 1A x 1 Ohm)。

因此，如果將此壓降與使用運(yùn)算放大器的預(yù)定義電壓進(jìn)行比較，我們可以檢測到過流并改變 MOSFET 的狀態(tài)以切斷負(fù)載。

在該電路中，運(yùn)算放大器 LM358 被配置為比較器。根據(jù)原理圖，比較器比較兩個(gè)值。第一個(gè)是分流電阻上的壓降，另一個(gè)是使用可變電阻或電位計(jì) RV1 的預(yù)定義電壓（參考電壓）。RV1 充當(dāng)分壓器。分流電阻上的壓降由比較器的反相端檢測，并與連接在運(yùn)算放大器同相端的電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較。

因此，如果檢測到的電壓低于參考電壓，比較器將在輸出端產(chǎn)生一個(gè)接近比較器 VCC 的正電壓。但是，如果檢測到的電壓大于參考電壓，比較器將在輸出端產(chǎn)生負(fù)電源電壓（負(fù)電源連接到 GND，因此在這種情況下為 0V）。該電壓足以打開或關(guān)閉 MOSFET。

2、過電流保護(hù)電路繼電器

在過電流繼電器或o/c 繼電器中，動(dòng)作量僅為電流。繼電器中只有一個(gè)電流動(dòng)作元件，不需要電壓線圈等來構(gòu)成這種保護(hù)繼電器。

1）過電流繼電器的工作原理

在過電流繼電器中，基本上會(huì)有一個(gè)電流線圈。當(dāng)正常電流流過這個(gè)線圈時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁效應(yīng)不足以移動(dòng)繼電器的運(yùn)動(dòng)元件，因?yàn)樵谶@種情況下，約束力大于偏轉(zhuǎn)力。但是當(dāng)通過線圈的電流增加時(shí)，磁效應(yīng)增加，并且在一定程度的電流后，線圈磁效應(yīng)產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力，越過約束力。結(jié)果，移動(dòng)元件開始移動(dòng)以改變繼電器中的觸點(diǎn)位置。過電流繼電器雖然有不同的類型，但過電流繼電器的基本工作原理大致相同。

2）過電流繼電器的種類

?瞬時(shí)過電流繼電器

?定時(shí)限過電流繼電器

?反時(shí)限過電流繼電器

反時(shí)限過流繼電器或簡單的反相過流繼電器又細(xì)分為反時(shí)限定時(shí)(IDMT)、極反時(shí)限、極反時(shí)限過流繼電器或OC 繼電器。

3）瞬時(shí)過電流繼電器

瞬時(shí)過電流繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理非常簡單。

在此，磁芯通常由電流線圈纏繞，一塊鐵被繼電器中的鉸鏈支撐和限制彈簧安裝，當(dāng)線圈中沒有足夠的電流時(shí)，常開觸點(diǎn)保持打開狀態(tài)。當(dāng)線圈中的電流超過預(yù)設(shè)值時(shí)，吸引力足以將鐵片拉向磁芯，從而使無觸點(diǎn)閉合。

我們將繼電器線圈中電流的預(yù)設(shè)值稱為吸合設(shè)定電流。該繼電器稱為瞬時(shí)過電流繼電器，理想情況下，一旦線圈中的電流高于啟動(dòng)電流，繼電器就會(huì)工作。沒有應(yīng)用故意的時(shí)間延遲。但總是有一個(gè)內(nèi)在的時(shí)間延遲，我們實(shí)際上無法避免。實(shí)際上，瞬時(shí)繼電器的操作時(shí)間大約為幾毫秒。

瞬時(shí)過電流繼電器

瞬時(shí)過電流繼電器

4）定時(shí)限過電流繼電器

定時(shí)限過電流繼電器是通過在跨接電流值后應(yīng)用有意的時(shí)間延遲來創(chuàng)建的。可以調(diào)整定時(shí)限過流繼電器以在其啟動(dòng)后的準(zhǔn)確時(shí)間發(fā)出跳閘輸出。因此，它具有時(shí)間設(shè)置調(diào)整和拾取調(diào)整。

定時(shí)限過電流繼電器

5）反時(shí)限過電流繼電器

反時(shí)限過電流繼電器是任何感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)裝置的自然特征。這里，如果輸入電流越大，設(shè)備旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度就越快。換言之，工作時(shí)間與輸入電流成反比。機(jī)電感應(yīng)盤式繼電器的這種天然特性非常適用于過流保護(hù)。如果故障嚴(yán)重，將更快地清除故障。雖然時(shí)間反演特性是機(jī)電感應(yīng)盤式繼電器所固有的，但在基于微處理器的繼電器中也可以通過適當(dāng)?shù)?a target="_blank">編程來實(shí)現(xiàn)相同的特性。

反時(shí)限過電流繼電器

6）反定時(shí)限過流繼電器或 IDMT O/C 繼電器

在過電流繼電器中無法實(shí)現(xiàn)理想的反時(shí)限特性。隨著系統(tǒng)中電流的增加，電流互感器的次級(jí)電流按比例增加。次級(jí)電流進(jìn)入繼電器電流線圈。但是當(dāng) CT 飽和時(shí)，CT 次級(jí)電流不會(huì)隨著系統(tǒng)電流的增加而進(jìn)一步成比例地增加。

從這一現(xiàn)象可以看出，從特技值到一定范圍的故障等級(jí)，反時(shí)限繼電器表現(xiàn)出特定的反時(shí)特性。但是在這個(gè)級(jí)別的故障之后，CT變得飽和，并且繼電器電流不會(huì)隨著系統(tǒng)故障級(jí)別的增加而進(jìn)一步增加。

由于繼電器電流沒有進(jìn)一步增加，因此繼電器的操作時(shí)間不會(huì)進(jìn)一步減少。我們將此時(shí)間定義為最小操作時(shí)間。因此，特性在初始部分是相反的，隨著電流變得非常高，它趨于確定的最小操作時(shí)間。這就是為什么繼電器被稱為反向確定最小時(shí)間過電流繼電器或簡稱IDMT 繼電器。

小結(jié)

過流保護(hù)常用于電源電路中，用于限制電源的輸出電流。“過流”這個(gè)詞是指負(fù)載上的電流超過了電源的供給限度。這是很危險(xiǎn)的情況，而且很可能對(duì)電源造成損害。所以工程師們常用過流保護(hù)電路來將負(fù)載與電源的連接斷開，從而保護(hù)兩者。

編輯：黃飛

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