CN103956708A - 低压直流负载过载测控电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压直流负载过载测控电路。本发明包括测控主电路和过载判别电路，具体包括驱动器DR、直流负载DL、晶闸管VT1、MOS管VT2、稳压管DW1、限压管DW2、比较器IC1、电感L1、二极管D1、电源灯LED1、输出灯LED2、稳压电阻R1、阳极电阻R2、栅极电阻R3、输出电阻R4、门极电阻R5、稳压电容C1、滤波电容C2、设定电容C3等。本发明利用超低导通电阻的功率场效应管，既作为电流检测元件，也作为电路关断控制元件，结合晶闸管的半控特性及在负载回路中串接的微量电感及快速判别电路，实现对低压直流负载的过载与短路故障进行实时检测、判别与安全控制，本发明结构简单、安全可靠、成本低。

Description

低压直流负载过载测控电路

技术领域

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种低压直流负载过载测控电路，适用于需要对低压直流负载的过载或短路故障进行实时检测与安全保护控制的场合。

背景技术

在用直流驱动电源（也称驱动器）给低压直流负载的供电中，经常发生因负载过载或发生短路现象而损坏直流驱动电源及负载本身，因此，必须进行对过载与短路故障进行实时检测与安全保护控制。目前常用的有效方法是：通过响应迅速的霍尔电流传感器对负载电流进行实时检测、比较判断，当超过安全阈值时即发出指令，关断驱动器并发出报警指示，以实现对驱动器、直流负载的安全保护。该方法存在的问题是：一是因负载过载或短路故障时电流很大，因此驱动器内的功率器件容量要取较大裕量，用于短路检测的霍尔电流传感器的量程也要选得比正常工作电流大较多的，这使得成本很高；二是对于瞬间发生的短路故障，往往来不及保护就将造成驱动器内部功率器件的损坏。为此，研究成本低、安全性高的过载与短路故障测控方案具有重要的技术与经济意义，且用途广泛。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种低压直流负载过载测控电路。该电路利用超低导通电阻的功率场效应管（MOSFET），既作为电流检测元件，也同时作为电路关断控制元件，结合晶闸管的半控特性及在负载回路中串接的微量电感及快速判别电路，可实现对低压直流负载的过载与短路故障进行实时检测、判别与安全控制。

本发明包括测控主电路和过载判别电路。

测控主电路包括驱动器DR、电感L1、二极管D1、直流负载DL、电源灯LED1、输出灯LED2、稳压管DW1、限压管DW2、晶闸管VT1、MOS管VT2、稳压电容C1、稳压电阻R1、阳极电阻R2、栅极电阻R3、输出电阻R4、门极电阻R5、分压电阻R6，驱动器DR的正输出端+E端与电感L1的一端、二极管D1的阴极、电源灯LED1的阳极、阳极电阻R2的一端、栅极电阻R3的一端、输出灯LED2的阳极连接，驱动器DR的负输出端-E端接地，电源灯LED1的阴极与稳压电阻R1的一端连接，稳压电阻R1的另一端与稳压管DW1的阴极、稳压电容C1的一端、上拉电阻R7的一端、基准电阻R8的一端、比较器IC1的正电源端V+端连接，稳压管DW1的阳极、稳压电容C1的另一端均接地，阳极电阻R2的另一端与晶闸管VT1的阳极、限压管DW2的阴极、栅极电阻R3的另一端、MOS管VT2的栅极端G端连接，晶闸管VT1的门极与门极电阻R5的一端、分压电阻R6的一端连接，晶闸管VT1的阴极、门极电阻R5的另一端、限压管DW2的阳极及MOS管VT2的源极端S端均接地，MOS管VT2的漏极端D端与输出电阻R4的一端、直流负载DL的负端-IN端、检测电阻R11的一端连接，输出电阻R4的另一端与输出灯LED2的阴极连接，直流负载DL的正端+IN端与电感L1的另一端、二极管D1的阳极连接。

过载判别电路包括比较器IC1、上拉电阻R7、基准电阻R8、设定电阻R9、滤波电阻R10、检测电阻R11、滤波电容C2、设定电容C3，比较器IC1的地端GND端接地，比较器IC1的正输入端IN+端与检测电阻R11的另一端、滤波电阻R10的一端、滤波电容C2的一端连接，滤波电阻R10的另一端、滤波电容C2的另一端均接地，比较器IC1的负输入端IN-端与基准电阻R8的另一端、设定电阻R9的一端、设定电容C3的一端连接，设定电阻R9的另一端、设定电容C3的另一端均接地，比较器IC1的输出端OUT端与分压电阻R6的另一端、上拉电阻R7的另一端连接。

本发明的有益效果如下：

本发明利用一只超低导通电阻的功率场效应管（MOSFET），既作为电流检测元件，也同时作为电路关断控制元件，结合晶闸管的半控特性及在负载回路中串接的微量电感及快速判别电路，即可实现对低压直流负载的过载与短路故障进行实时检测、快速判别与安全控制。该电路方案结构简单、安全可靠、成本低、应用范围广。

附图说明

图1为本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，低压直流负载过载测控电路，包括测控主电路和过载判别电路。

测控主电路包括驱动器DR、电感L1、二极管D1、直流负载DL、电源灯LED1、输出灯LED2、稳压管DW1、限压管DW2、晶闸管VT1、MOS管VT2、稳压电容C1、稳压电阻R1、阳极电阻R2、栅极电阻R3、输出电阻R4、门极电阻R5、分压电阻R6，驱动器DR的正输出端+E端与电感L1的一端、二极管D1的阴极、电源灯LED1的阳极、阳极电阻R2的一端、栅极电阻R3的一端、输出灯LED2的阳极连接，驱动器DR的负输出端-E端接地，电源灯LED1的阴极与稳压电阻R1的一端连接，稳压电阻R1的另一端与稳压管DW1的阴极、稳压电容C1的一端、上拉电阻R7的一端、基准电阻R8的一端、比较器IC1的正电源端V+端连接，稳压管DW1的阳极、稳压电容C1的另一端均接地，阳极电阻R2的另一端与晶闸管VT1的阳极、限压管DW2的阴极、栅极电阻R3的另一端、MOS管VT2的栅极端G端连接，晶闸管VT1的门极与门极电阻R5的一端、分压电阻R6的一端连接，晶闸管VT1的阴极、门极电阻R5的另一端、限压管DW2的阳极及MOS管VT2的源极端S端均接地，MOS管VT2的漏极端D端与输出电阻R4的一端、直流负载DL的负端-IN端、检测电阻R11的一端连接，输出电阻R4的另一端与输出灯LED2的阴极连接，直流负载DL的正端+IN端与电感L1的另一端、二极管D1的阳极连接。

过载判别电路包括比较器IC1、上拉电阻R7、基准电阻R8、设定电阻R9、滤波电阻R10、检测电阻R11、滤波电容C2、设定电容C3，比较器IC1的地端GND端接地，比较器IC1的正输入端IN+端与检测电阻R11的另一端、滤波电阻R10的一端、滤波电容C2的一端连接，滤波电阻R10的另一端、滤波电容C2的另一端均接地，比较器IC1的负输入端IN-端与基准电阻R8的另一端、设定电阻R9的一端、设定电容C3的一端连接，设定电阻R9的另一端、设定电容C3的另一端均接地，比较器IC1的输出端OUT端与分压电阻R6的另一端、上拉电阻R7的另一端连接。

本发明所使用的包括晶闸管VT1、MOS管VT2、比较器IC1、稳压管DW1、限压管DW2、电源灯LED1、输出灯LED2等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：晶闸管采用KP1-2，MOS管采用IRF系列N沟道MOSFET管，比较器采用高速电压比较器LMV7239，稳压管采用BZX84-B5V1，限压管采用IN4746A，电源灯、输出灯均采用3-5mm发光二极管等。

本发明中的主要电路参数配合关系如下：

附图1中，本发明适用的驱动器输出驱动电压U_d范围为+10V～+100V，基准电阻R8、设定电阻R9、滤波电阻R10、检测电阻R11间的参数配合关系如式（1）、式（2）所示，滤波电容C2、设定电容C3间的参数配合关系如式（3）所示，其中，U_W为稳压管DW1的稳压电压（V），U_i为MOS管VT2导通时的电流检测信号（V）、U_ir为电流阈值设定信号（V）、R_on为MOS管VT2导通电阻（Ω）、I_om为过载与短路保护的最大阈值电流（A）。

$\frac{R10}{R10+R11}{U}_i=\frac{R9}{R8+R9}{U}_W=U_{\mathrm{ir}}---\left(1\right)$

U_i＝R_onI_om     （2）

$\frac{R10\×R11}{R10+R11}{C}_2=\frac{R8\×R9}{R8+R9}{C}_3---\left(3\right)$

本发明的工作过程如下：

当驱动器DR输出驱动电压时，经稳压管DW1的作用，产生低压稳压电压U_W作为以比较器IC1为主的低功耗判别电路的电源，因刚上电时，不论MOS管VT2是否导通，因电感L1的作用使得电流不能突变，此时比较器IC1输出低电平，晶闸管VT1处于关断状态，因此，MOS管VT2导通，此后，电路可能的运行状态如下：

（1）正常工作时的电路状态：直流负载DL得电工作，且负载回路电流I_o小于需进行保护控制的过载与短路保护的最大阈值电流I_om，则比较器IC1一直输出低电平，晶闸管VT1一直处于关断状态，MOS管VT2也一直处于导通状态，整个电路正常工作；

（2）发生过载或短路时的电路状态：当发生过载或负载端短路故障时，则驱动器DR输出电压且MOS管VT2导通后，经电感L1的缓冲作用，使得负载回路电流I_o不能突变，而当I_o逐渐上升到最大阈值电流I_om时，比较器IC1的输出马上从低电平变为高电平，使得晶闸管VT1导通、MOS管VT2也因其栅-源极间的电压从高电平变为低电平而关断，这就及时切断了驱动器DR与直流负载DL之间的联系，此后，尽管I_o为零，使得比较器IC1的输出又变到低电平，但由于晶闸管VT1的半控性质（其门极只能控制导通，不能控制关断），使得MOS管VT2保持关断状态，从而实现了对负载过载或短路故障的安全保护控制。

Claims (3)

1.低压直流负载过载测控电路，包括测控主电路和过载判别电路，其特征在于：

测控主电路包括驱动器DR、电感L1、二极管D1、直流负载DL、电源灯LED1、输出灯LED2、稳压管DW1、限压管DW2、晶闸管VT1、MOS管VT2、稳压电容C1、稳压电阻R1、阳极电阻R2、栅极电阻R3、输出电阻R4、门极电阻R5、分压电阻R6，驱动器DR的正输出端+E端与电感L1的一端、二极管D1的阴极、电源灯LED1的阳极、阳极电阻R2的一端、栅极电阻R3的一端、输出灯LED2的阳极连接，驱动器DR的负输出端-E端接地，电源灯LED1的阴极与稳压电阻R1的一端连接，稳压电阻R1的另一端与稳压管DW1的阴极、稳压电容C1的一端、上拉电阻R7的一端、基准电阻R8的一端、比较器IC1的正电源端V+端连接，稳压管DW1的阳极、稳压电容C1的另一端均接地，阳极电阻R2的另一端与晶闸管VT1的阳极、限压管DW2的阴极、栅极电阻R3的另一端、MOS管VT2的栅极端G端连接，晶闸管VT1的门极与门极电阻R5的一端、分压电阻R6的一端连接，晶闸管VT1的阴极、门极电阻R5的另一端、限压管DW2的阳极及MOS管VT2的源极端S端均接地，MOS管VT2的漏极端D端与输出电阻R4的一端、直流负载DL的负端-IN端、检测电阻R11的一端连接，输出电阻R4的另一端与输出灯LED2的阴极连接，直流负载DL的正端+IN端与电感L1的另一端、二极管D1的阳极连接；

过载判别电路包括比较器IC1、上拉电阻R7、基准电阻R8、设定电阻R9、滤波电阻R10、检测电阻R11、滤波电容C2、设定电容C3，比较器IC1的地端GND端接地，比较器IC1的正输入端IN+端与检测电阻R11的另一端、滤波电阻R10的一端、滤波电容C2的一端连接，滤波电阻R10的另一端、滤波电容C2的另一端均接地，比较器IC1的负输入端IN-端与基准电阻R8的另一端、设定电阻R9的一端、设定电容C3的一端连接，设定电阻R9的另一端、设定电容C3的另一端均接地，比较器IC1的输出端OUT端与分压电阻R6的另一端、上拉电阻R7的另一端连接。

2.如权利要求1所述的低压直流负载过载测控电路，其特征在于：所述的晶闸管VT1、MOS管VT2、比较器IC1、稳压管DW1、限压管DW2、电源灯LED1、输出灯LED2均采用现有的成熟产品，能够通过市场取得，所述的晶闸管VT1采用KP1-2，MOS管VT2采用IRF系列N沟道MOSFET管，比较器IC1采用高速电压比较器LMV7239，稳压管DW1采用BZX84-B5V1，限压管DW2采用IN4746A，电源灯LED1、输出灯LED2均采用3-5mm发光二极管。

3.如权利要求1所述的低压直流负载过载测控电路，其特征在于：所述的驱动器DR输出的驱动电压U_d范围为+10V～+100V，基准电阻R8、设定电阻R9、滤波电阻R10、检测电阻R11间的参数配合关系如式（1）、式（2）所示，滤波电容C2、设定电容C3间的参数配合关系如式（3）所示，其中，U_W为稳压管DW1的稳压电压（V），U_i为MOS管VT2导通时的电流检测信号（V）、U_ir为电流阈值设定信号（V）、R_on为MOS管VT2导通电阻（Ω）、I_om为过载与短路保护的最大阈值电流（A）；

$\frac{R10}{R10+R11}{U}_i=\frac{R9}{R8+R9}{U}_W=U_{\mathrm{ir}}---\left(1\right)$

U_i＝R_onI_om     （2）

$\frac{R10\×R11}{R10+R11}{C}_2=\frac{R8\×R9}{R8+R9}{C}_3---\left(3\right).$