電子發(fā)燒友App
保護電路，只知道用熔斷器？那是不夠的。今天，貿(mào)澤科普實驗室教你一個“王炸”保護電路，僅需要5個主要器件，就可以做到閾值電壓可調(diào)。
01
“王炸”保護電路如何工作？
在這個保護電路中，繼電器管作為主回路的控制元件，晶閘管作為狀態(tài)鎖存元件，LM393構(gòu)成電壓比較器，作為電路過流監(jiān)測元件，反并聯(lián)二極管做反接保護，水泥電阻做檢流電阻。
?
這5個簡單的器件是怎么協(xié)同工作起到保護作用的呢？分析這個電路的工作原理就一目了然了：
通過R1和PR1進行分壓，可以預(yù)先設(shè)定好電路的保護電流值。LM393是電壓比較器，其5腳的電壓與6腳設(shè)定好的電壓比較。如果5腳電壓高于6腳電壓，7腳就會輸出高電平，晶閘管Q1導(dǎo)通，繼而使常閉繼電器K1斷開，電路主回路斷路，流過檢流電阻RS1的電流為0，兩端的電壓為0，這時LM393的IN+小于IN－，LM393就會輸出低電平信號到晶閘管，但是由于晶閘管的維持電流并沒有消失，所以，常閉繼電器依舊保持斷開狀態(tài)。當(dāng)排除后級電路故障后，只需要按下復(fù)位按鈕RSET即可恢復(fù)電路狀態(tài)。
什么時候5腳的電壓會高于6腳呢？這就靠檢流電阻RS1了。
電路正常工作時，流過RS1的電流在正常范圍，RS1兩端的電壓也在正常范圍內(nèi)。而當(dāng)電路發(fā)生反接、過載、短路任意一種故障時，流經(jīng)RS1的電流會增大，兩端的電壓自然升高，這樣送入LM393 5腳的電壓就會急劇升高。
為了驗證這個電路是否真的能實現(xiàn)保護作用，我們搭建了測試電路。一一測試電路過載、電源反接、負載短路三種情況：
通過實驗測試，保護電路工作迅速。而通過調(diào)節(jié)電壓比較器的基準來調(diào)整保護值，則是非常方便。如果有小伙伴感興趣，不妨自己搭建測試一番。
02
什么時候需要保護電路？
上面的保護電路，我們測試了三種情況，讓電子負載電流增大，超過電路工作的電流，測試電路過載情況，以及電源正負接反、負載短路情況。
電路過載、電源反接、負載短路，這三種是電路中很常出現(xiàn)的。電子電路工作時，還會存在其他很多不穩(wěn)定的因素影響電路的正常工作，甚至是損壞電路、電子設(shè)備。
因此就需要很多種保護，簡單總結(jié)一下：
關(guān)鍵點
1、過流保護：被保護元件或電路中的電流超過預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時，保護裝置啟動作用。通常，過流保護是電源的標配。
2、過壓保護：當(dāng)輸入電壓超過預(yù)設(shè)值時，切斷電源。由于電源內(nèi)部故障，或者一些外部原因，電源都有可能出現(xiàn)過壓情況。
3、欠壓保護：與過壓對應(yīng)，當(dāng)電壓低于預(yù)設(shè)的電壓時，提供工作。一般，欠壓保護主要用在電池供電的系統(tǒng)中，為了防止電池過度放電而損壞電池。
4、過熱保護：生產(chǎn)中所用的自動車床、電熱烘箱、機床等連續(xù)運轉(zhuǎn)的機電設(shè)備，以及其它無人值守的設(shè)備，因為電機過熱或溫控器失靈造成的事故時有發(fā)生，需要采取相應(yīng)的保安措施。
5、短路保護：當(dāng)電路系統(tǒng)中發(fā)生短路情況時，及時斷開電路，保證后級各個器件電路的安全。
6、防反接保護：電子器件或電路不允許電源正負極反接。如果不慎反接了電源，輕則電路故障，重則器件燒毀。防反接保護電源輸入正確后才可以到后級電路中。
7、浪涌保護：交流電網(wǎng)間不穩(wěn)定因素導(dǎo)致浪涌或者尖峰電壓，這可能是上千，甚至幾千伏的電壓，如此高的電壓會導(dǎo)致設(shè)備或電路的損壞，浪涌保護可以在瞬間承受很高的電壓尖峰。
03
保護器件1個不夠？
為了實現(xiàn)上述這些電路保護功能，通常采用1個器件或者幾個器件組成保護電路。
熔斷器：過流保護、短路保護
大家極為熟知、很普通、很簡單的就是熔斷器。
?
普通熔斷器俗稱保險絲或保險管，當(dāng)流過熔斷器的電流超過額定規(guī)格時，保險絲將會熔斷。使用十分簡單。如果是避免過載和短路，只需要在電源輸入端串入一個熔斷器，即可。如果是反接保護，除了串入熔斷器之外，還需要再反并聯(lián)一個二極管。當(dāng)電路出現(xiàn)反接后，電流由電源正極流過熔斷器，再流過反并聯(lián)二極管構(gòu)成回路。這時，電路中的電流接近短路電流，非常大，熔斷器會及時熔斷，把電源與后級電路斷開，實現(xiàn)反接保護。
雖然熔斷器簡單好用、成本又低，但是對電路的保護依賴熔斷器的熔斷速度，如果熔斷器速度不快，在電路故障的瞬間無法即使熔斷，就會對后級電路造成損失，下面的測試熔斷時間就足以說明：
?
除了熔斷速度之外，這種普通的熔斷器是無法自我恢復(fù)的，一旦熔斷后就需要手動更換。在消費級產(chǎn)品里，常用自恢復(fù)保險代替普通熔斷器。在電路故障時，可以讓電路斷開，電路恢復(fù)后，自恢復(fù)保險也可以自動恢復(fù)保護功能，不需要更換器件。
在很多電子系統(tǒng)中，熔斷器通常和其他保護元件共同協(xié)助，組成多重保護。
壓敏電阻：過壓保護
壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的電阻器件，主要用于在電路承受過壓時進行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護敏感器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現(xiàn)對后級電路的保護，壓敏電阻在交流和直流電路里均可以使用。
TVS二極管：過壓保護、浪涌保護
TVS二極管是瞬態(tài)電壓抑制二極管。當(dāng)TVS二極管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。
TVS二極管可以保護電器設(shè)備不受導(dǎo)線引入的電壓尖峰破壞。TVS二極管通常用在信號傳輸?shù)慕K端里，例如在RS485或CAN總線的終端，就會使用TVS二極管。
MOS管：防反接
利用MOS管的開關(guān)特性控制電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，可以放置電源反接給負載帶來損壞。當(dāng)電源正常接入時，MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)電源反接后，MOSFET截止，達到反接保護效果。采用MOS管做保護器件時，需要注意MOS管的導(dǎo)通電壓。
上面四種是大家常用的保護器件，但其實電路保護器件還有很多種，再給大家補充四個：
自恢復(fù)保險：過流保護
自恢復(fù)保險絲，是由經(jīng)過特殊處理的聚合樹脂（Polymer）及分布在里面的導(dǎo)電粒子（Carbon Black）組成。在正常操作下，聚合樹脂緊密地將導(dǎo)電粒子，束縛在結(jié)晶狀的結(jié)構(gòu)外，構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電通路，此時的自恢復(fù)保險絲為低阻狀態(tài)，線路上流經(jīng)自恢復(fù)保險絲的電流所產(chǎn)生的熱能小，不會改變晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)線路發(fā)生短路或過載時，流經(jīng)自恢復(fù)保險絲的大電流，產(chǎn)生的熱量使聚合樹脂融化，體積迅速增長，形成高阻狀態(tài)，工作電流迅速減小，從而對電路進行限制和保護。當(dāng)故障排除后，自恢復(fù)保險絲重新冷卻結(jié)晶，體積收縮，導(dǎo)電粒子重新形成導(dǎo)電通路，自恢復(fù)保險絲恢復(fù)為低阻狀態(tài)，從而完成對電路的保護，無須人工更換。
陶瓷放電管：泄放雷電暫態(tài)過電流和
限制過電壓作用
陶瓷放電管用陶瓷密閉封裝，內(nèi)部由兩個或多個帶間隙的金屬電極，充以惰性氣體氬氣，氖氣構(gòu)成，當(dāng)加到兩電極端的電壓達到使氣體放電管內(nèi)的氣體擊穿時，氣體放電管開始放電，由高阻抗變成低阻抗，使浪涌電壓迅速短路至接近零電壓，并將過電流釋放入地，從而對后續(xù)電路起到保護作用。當(dāng)浪涌電壓消失后，陶瓷放電管熄滅恢復(fù)到高阻抗狀態(tài)，等待下一次動作，陶瓷放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級，起泄放雷電暫態(tài)過電流和限制過電壓作用。
溫度保險絲：電器過熱保護
溫度保險絲兩引腳間連接一段易熔合金絲，電流可以從一根引腳流向另一根引腳，當(dāng)保險絲周圍溫度上升到它的動作溫度時，其易熔合金熔化并在表面張力作用下，收縮成球狀附在兩引腳末端，這樣，電路被永久切斷。
熱敏電阻：電路熱啟動限流
熱敏電阻是一種傳感器電阻，其電阻值隨著溫度的變化而改變。按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻值隨溫度的升高而增大，負溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻值隨溫度的升高而減小。
04
小 結(jié)
這8種就是我們在設(shè)計電路時比較常用的保護元件和電路了，大家可以根據(jù)自己的使用場景選擇合適的保護器件。除了我們熟知的過流、過壓、過熱等電路保護，在特定場景中還有一些特殊的電路保護，比如電機的欠壓保護、超速保護等。
當(dāng)今的電子產(chǎn)品工作環(huán)境日益復(fù)雜，單純靠一個元件完成保護越來越困難，更多的是使用多個器件設(shè)計科學(xué)的保護電路，正如開頭我們設(shè)計的“王炸”電路。
在設(shè)計電路時，我們只需要知道無論哪種保護，原理都是使用感知元件得到實際值，然后送入比較元件與設(shè)定值比較，實際值在設(shè)定值范圍內(nèi)不動作，超過設(shè)定值動作。如此，根據(jù)需求，選擇適用的傳感元件，通過組合電路的方式，就可以設(shè)計出符合需求的保護電路。
審核編輯：黃飛
?
工商網(wǎng)監(jiān)
評論