基于三極管與電磁繼電器的短路保護電路設計

陳光輝 吳光旭

摘 要：為使避免某測試設備實際工作時負載發生短路后功率電源仍處于接通的危險狀態，設計了短路保護電路;本文對所設計的短路保護電路的工作邏輯進行了闡述，通過選擇合適的器件參數，計算幾種常用電壓下三極管的靜態工作點與功率器件的功率消耗情況，充分地說明了短路保護電路設計的科學性。

關鍵詞：電磁繼電器;短路保護;電路設計

概述

本文設計的短路保護電路用于測試設備中，當負載發生短路時，能自動切斷功率電源，避免負載短路時功率電源仍有輸出的危險。本保護電路的設計特點是控制電路和功率電路共用同一個直流功率電源，工作前需要通過手動開關給控制電路的三極管提供直流靜態工作點，控制電路正常工作后使電磁繼電器處于閉合狀態，手動斷開開關后，控制電路通過流經電磁繼電器的直流功率電源維持正常的直流靜態工作點;當短路時，功率電源被拉到零，三極管基級的直流靜態工作點為零，三極管截止，控制電路失效，電磁繼電器控制線圈無電流通過，電磁繼電器觸點斷開，切斷直流功率電源，起到短路保護作用。

工作原理

原理圖中各器件的作用

短路保護原理見圖1，各器件作用如下：

開關S：閉合時與直流偏置電阻R1、R2、R3給三極管V1、V2提供第一路直流靜態工作點。

電磁繼電器KV：通過觸點控制直流功率電源的通斷，其工作電壓為12V，控制線圈內阻為28.8Ω，接通時，給負載RL提供功率，同時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工作點。

功率電阻R7、R8：與三極管V1、V2串聯，起到幫助三極管分擔功率的作用，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作用。

功率三極管V2：起到功率分擔作用，因其集電極和發射機間的電壓被穩壓二極管穩定在12V，當功率電壓發生變化時，流過V2的集電極電流發生變化，使其分擔的功率隨之改變。

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

快速恢復二極管V4：在電磁繼電器斷開瞬間，給控制線圈兩端的反電動勢提供閉合放電回路。

控制電路工作過程

開關S閉合后，接通R1、R2、R3，給三極管V1、V2提供合適的直流靜態工作點，V1、V2導通;電壓調整二極管V3給電磁繼電器KV提供恒定電壓為12V的工作電壓，電磁繼電器觸點閉合，接通負載，同時接通R4、R5、R6，給三極管V1、V2提供另一路合適的直流靜態工作點;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S斷開后，由于電磁繼電器KV觸點處于接通狀態，能通過直流偏置電阻R4、R5、R6給三極管V1、V2提供直流靜態工作點，控制電路維持正常工作狀態;負載發生短路時，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，并出現反電動勢，快速恢復二極管V4給反電動勢提供閉合放電回路，電磁繼電器觸點分離，將負載與直流功率電源斷開。

控制電路參數配置

靜態工作點參數

提供靜態工作點的直流偏置電阻共兩路，兩路參數完全一致，R1=R4=4.3kΩ， R2=R5=6.8kΩ，R3=R6=91kΩ;當三極管V1和V2開通后，功率電阻R7上的電壓降抬高了三極管V2發射級的電壓，故R7的阻值選擇要保證三極管V2的集電極電壓低于基級電壓至少0.7V，確保V2發射結處于正向偏置的工作狀態;三極管V1的基級電壓，三極管V2的基級電壓和發射級電壓計算公式如下：

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的基級電壓，Vb2為V2的基級電壓，Vc2為V2的發射級電壓。

功率器件參數

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，三極管V1處于飽和狀態，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、功率電阻R1、R2的電流，Ic2為流過三極管V2集電級的電流，VV3為電壓調整二極管V3兩端的12V電壓，RKV為電磁繼電器控制線圈內阻，Pv2為V2的消耗功率，PR1為R1的消耗功率，PR2為R1的消耗功率。

不同電壓下靜態工作點與功率消耗

在測試中，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，三極管的靜態工作點和功率器件的功率消耗按以上公式計算后列在表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電壓，基級電壓始終高于集電極電壓，三極管V2處于放大狀態，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。

結論

本短路保護電路的設計能在開關接通后使電磁繼電器觸點閉合，在開關斷開后控制電路維持正常工作狀態，短路時電磁繼電器觸點斷開，實現了短路保護功能;通過在不同直流功率電壓值下計算靜態工作點和功率器件的功率消耗情況，各個靜態工作點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;可見本短路保護電路的設計工作邏輯正確，器件的參數選擇合理。

參考文獻

[1] 梁貴書，董華英. 電路理論基礎. 北京：中國電力出版社，2007