過流保護電路原理與制作

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一、過流保護是什么意思?

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

許多電子設(shè)備都有額定電流。一旦設(shè)備超過額定電流，就會燒壞設(shè)備。因此，這些設(shè)備都做了一個電流保護模塊，當(dāng)電流超過設(shè)定電流時，設(shè)備自動斷電保護設(shè)備，這就是過流保護。比如電腦主板上的USB 接口，USB過流保護一般都要保護主板不被燒毀。

一種具有過流保護功能的電源電路

過流保護包括短路保護和過載保護。

短路保護的特點是整定電流較大，瞬時動作。電磁式電流脫扣器（或繼電器）、熔斷器常用作短路保護元件。

過載保護的特點是整定電流較小，反時限動作。熱繼電器、延時型電磁電流繼電器常用作過載保護元件。熔斷器也常用作過載保護元件，沖擊電流不大。

在TN系統(tǒng)中，當(dāng)使用熔斷器進行短路保護時，熔體額定電流應(yīng)小于1/4相短路電流。帶斷路器保護的斷路器瞬時動作或短延時動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、過流保護電路原理

過電流保護裝置通過在電流達(dá)到會導(dǎo)致導(dǎo)體溫度過度升高或危險升高的值時斷開裝置來保護電路。大多數(shù)過流保護裝置對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，電流會突然增大，電壓會突然下降。過流保護是根據(jù)線路選擇性的要求來設(shè)定電流繼電器的動作電流。

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

經(jīng)過預(yù)定延時后，時間繼電器觸點閉合，斷路器脫扣線圈接通，斷路器脫扣，故障線路切斷，同時信號繼電器動作，信號板落下，燈光或聲音信號開啟。

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，會導(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。如果沒有過流保護裝置，一個大功率的開關(guān)晶體管可能會損壞。

因此，過流保護常用于開關(guān)穩(wěn)壓器。最經(jīng)濟方便的方法是使用保險絲。由于晶體管的熱容量小，普通保險絲一般不能提供保護。通常使用快速熔斷器。這種方法的優(yōu)點是保護容易，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。這種過流保護措施的缺點是頻繁更換保險絲的不便。

一種逆變器過流保護電路

線性穩(wěn)壓器中常用的限流保護和電流切斷保護可應(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，而必須將過流保護的輸出轉(zhuǎn)換成脈沖指令來控制調(diào)制器來保護開關(guān)晶體管。

為了實現(xiàn)過流保護，一般需要在電路中串聯(lián)一個采樣電阻，會影響電源的效率，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，過流保護通常轉(zhuǎn)換為過壓和欠壓保護。

相關(guān)電路的原點設(shè)有保護裝置，如下圖所示：

過流保護電路

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

絕緣導(dǎo)體在承載短路電流時的特性，在短路開始后長達(dá) 5 秒的時間段內(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）

對于給定的絕緣導(dǎo)體，最大允許電流因環(huán)境而異。例如，對于高環(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、過流保護類型

復(fù)合型：多種保護串聯(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

幾種過流保護方式的比較

下圖列舉了4 種過流保護電路方法：

4 種過流保護電路方法

四、過流保護電路制作

1、過流保護電路比較器

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

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自動重啟功能。由于這是一個基于運算放大器的過流保護電路，

1）LM35運算放大器

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

LM358 運算放大器引腳圖

2）RF540N mos管

在本項目中，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。對于下面這個電路，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）過流保護電路比較器

一個簡單的過流保護電路可以通過使用運算放大器來感應(yīng)過流來設(shè)計，并根據(jù)結(jié)果，我們可以驅(qū)動 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：

過流保護電路工作

6）過流保護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 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算。

因此，我們假設(shè)，對于 1A 的電流（負(fù)載電流）：

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

因此，如果將此壓降與使用運算放大器的預(yù)定義電壓進行比較，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，比較器比較兩個值。第一個是分流電阻上的壓降，另一個是使用可變電阻或電位計 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，并與連接在運算放大器同相端的電壓基準(zhǔn)進行比較。

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、過電流保護電路繼電器

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

1）過電流繼電器的工作原理

在過電流繼電器中，基本上會有一個電流線圈。當(dāng)正常電流流過這個線圈時，線圈產(chǎn)生的磁效應(yīng)不足以移動繼電器的運動元件，因為在這種情況下，約束力大于偏轉(zhuǎn)力。但是當(dāng)通過線圈的電流增加時，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，移動元件開始移動以改變繼電器中的觸點位置。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

瞬時過電流繼電器

定時限過電流繼電器

反時限過電流繼電器

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

3）瞬時過電流繼電器

瞬時過電流繼電器的結(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，常開觸點保持打開狀態(tài)。當(dāng)線圈中的電流超過預(yù)設(shè)值時，吸引力足以將鐵片拉向磁芯，從而使無觸點閉合。

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。該繼電器稱為瞬時過電流繼電器，理想情況下，一旦線圈中的電流高于啟動電流，繼電器就會工作。沒有應(yīng)用故意的時間延遲。但總是有一個內(nèi)在的時間延遲，我們實際上無法避免。實際上，瞬時繼電器的操作時間大約為幾毫秒。

瞬時過電流繼電器

4）定時限過電流繼電器

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

定時限過電流繼電器

5）反時限過電流繼電器

反時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，工作時間與輸入電流成反比。機電感應(yīng)盤式繼電器的這種天然特性非常適用于過流保護。如果故障嚴(yán)重，將更快地清除故障。雖然時間反演特性是機電感應(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">編程來實現(xiàn)相同的特性。