电源保护电路系统的设计与制作 (一)

电源爱护电路系统的设计和制作

为了便利在试验室做各种电路试验，试验室电源系统应具有如下的功能：

输出+12V,-12V,+5V固定电压的直流稳压电压源；

输出输出电压从1.25V到12V可调的直流稳压电压源；

输出电流从2mA到40mA可调的直流电流源；

输出电压约为+16V,-16V的直流电压源（没有经过稳压的电压源，便利做电源试验用）:

输出电压为12V的沟通电压源（便利做电源试验用）；

在电子技术试验室运用较广泛的综合电路试验箱所运用的电源一般有好几组电源输出，

如+12V,+5V,-12V等等，数字试验电路还有一个+5V电源插口。由于是学生试验用仪器,

学生在做试验时操作出错是常有的现象，主要是以下三类错误：一是电源干脆短路造成的严

峻过载而损坏电源电路，此类错误的后果是损坏稳压器，或整流二极管或变压器；二是负载

过重，这往往是学生由于接线错误，如芯片的线接错，虽没有干脆短路，但可能电流超过额

定值，若再加上没有刚好解除故障，使得时间过长，而损坏电路，如损坏芯片，进一步损坏

电源电路器件;还有一种可能是将+12V或者-12V电源插入到数字试验电路的+5V电源插口，

这样造成数字电路（如凹凸电平信号形成电路，数码信号显示电路等等）中的集成块损坏，

特殊是TTL集成电路块的损坏。因此，设计制作一个电路爱护系统很有必要。

对爱护电路的要求：

过压爱护：输出的全部电压中，只要任何•个电压超过额定值IV,爱护电路动作。

欠压爱护：输出的全部电压中，只要任何一个电压低于额定值IV,爱护电路动作。

过流爱护：任何一个输出电流超过500mA时或全部正电源电流之和超过500mA时或全

部负电源电流之各超过500mA时，爱护电路动作。

电源电压接错爱护：在应加+5V电源接口处错误地加上了其它电源，如+12V,-12V等

等，爱护电路动作。

常用的电路爱护措施有：

熔断器爱护，即通常用的保险丝，保险管，它是一种过流爱护器件，将它串接在电源电

路中，一旦当负载出现故障而使电源供电电流突然增大时，保险丝熔断，截断电源和负载的

通路，达到爱护电源和负载本身的目的。留意：并不是电流一超过保险丝的额定电流就马上

熔断，通常要超过额定电流1.5倍至2倍，保险丝才熔断。所以，这种爱护方法是结构简洁,

成本低，电路设计便利；但缺点是：爱护电流值不明确，在须要高精度爱护条件下达不到要

求，二是熔断后，须要更换，在一些烧保险比较常见的状况卜.（如学生试验设备）就是很麻

烦的一件事情，时间上也难以做到须要爱护时马上截断目源。因此这种爱护方式通常只能在

短路爱护中采纳。

自复原保险爱护，实际就是一种热敏电阻爱护，它也是串接在电源电路中，是一种过流

爱护方法。当电流没有超过额定值时，作为过流爱护用的热敏电阻温度正常，所呈现的电阻

很小，不会影响电源电路H勺正常工作，一旦当电流超过它的额定电流时，作为过流爱护用的

热敏电阻温度徒然上升，所呈现的电阻很大，截断电源和负载的通路，达到爱护电源和负载

本身的目的,此后由于流过作为过流爱护用的热敏电阻的电流很小，温度降低，降低到确定

程度时，作为过流爱护用的热敏电阻电阻值减小到正常值，电源复原工作，若故障没有解除,

将会进入下一轮爱护。这种方法的优点是电路结构简洁，成本低，但缺点是反应太慢，所以

多数状况下也不宜运用。

品闸管爱护，在开关电源中用得较多，在开关电源中，有一个振荡器，我们可以设计让

振荡器是否工作和品闸管的状态有关，而晶闸管的状态日其电压确定，在电路正常工作条件

下，让晶闸管处于截止状态，而一旦电路出现不正常状态，晶闸管导通，电路进入爱护状态。

有关此方面的问题，请实践者参阅有关开关电源的资料。

以继电器为主要器件的电子爱护电路，继电器主开关接在电源主电路中，让限制电路限

制继电器线圈而限制继电器主开关的通断。本电子实践项目中就是一个这样以继电器为主要

限制器件的电路。

以电源调整管（大功率三极管）为主要器件的电子爱护电路，主要方法是让一个限制电

路限制电源调整管的通断（让调整管处丁开关工作状态，电路正常时饱和导通，电路不正常

时截止）。这种电路反应快，动作值界线确定，具有自复原功能，是一种较志向的电源爱护

电路，缺点是电路相对困难，成本相对较高。

爱护措施方案的选定：

由于这样的电源电路从沟通电经整流'滤波后有二路，一路产生+12V电源，另一路产生

-12V电源，所以要在直沆电路上实行爱护措施，就得生二个爱护电路，明显不太合理。所

以在沟通电路上就实行爱护措施比较恰当，而要在沟通支路上爱护，而沟通支路有二路，一

是变压器初级沟通支路，一是变压器次级沟通支路，由于初级边电压较高，不利于选用爱护

器件，而次级边电压较低，利于选用爱护器件。从对爱护电路的要求知，既要接入沟通电路,

以要反映刚好，还要爱护界线特别明显，选用以继电器为主要器件爱护电路比较恰当，即在

电路正常工作时，继电器正常导通，当电路出现不正常状态时，继电器动作，沟通供电电路

断开，起到爱护作用。其它几种爱护电路方案各有不足之处，熔断器爱护电路对过压，欠压

问题没有什么反映，对这类问题起不到爱护作用，而且爱护界线特别模糊，达不到电路的要

求；自复原保险爱护的不足之处和熔断器爱护电路的不足之处一样，，一样达不到电路的要

求；调调整管爱护电路只适合直流电路上的爱护，而对沟通电路上的爱护无能为力。

电路设”•万案的形成:

电路设计方案的解说：

主电源电路

220V沟通电源接入双12V电源变压器，变压器的功率依据电源输出电压和额定输出电

流进行计算，若正负二路电源额定输出电流为0.5A,整流输出电压用正负16V计算，则一

边的功率就是I6*O.5=8W,一共是16W,可选用20W的变压器。

从变压器输出的二路沟通首先分别经过继电器的常闭触头（所以要选用有二路触头的继

电器），再接整流滤波电路，最终经过稳压电路输出。

爱护电路

过压和欠压故障的爱护：从各电源输出端引入电压信号到电压信号检测电路，由于有多

个电压，所以可以选用加法器来进行检测，得到当各电压正常时加法器的输出电压信号，当

引入的电压信号不正常时，本电路的输出电压信号确定会发生改变，将这个信号引入到过压

比较器和欠压比较器，这就可以得到一个能够反映主电源各电压是否在正常范围内的信号。

过流爱护电路：主电源电流渡过取样电阻，这样主电流的大小可以通过取样电阻的电压

反映出来，所以首先通过减法相检测出取样电阻上的电压，再送到比较器，推断是否电流过

大。留意，由于有正负二珞电源，所以这样的电路有二路。

以上各电路的输出信号经过或门送出。

或门送出的信号不能干脆限制驱动器，有一个+5V目源接口是否接错电源的信号，将这

个信号和或门送出的信号再送到加法器。

开机延时电路：由于开机时主电源输出电压并不能马上达到正常值,若不考虑这个因素,

电源将开机不起,因此爱护电路必需在主电源达到正常值后才起先工作，因此要设计一个开

机延时电路。

或门送出的信号，+5V电源接口是否接错电源的信号，开机延时信号一起送到加法器进

行加法运算，加法器计算出的结果就可以反映出电路工作状态，再将这个加法器的结果送到

比较器，比较器输出限制信号。

由于继电器的动作电流相对较大，运算放大器是带K起这个负载的，因此限制信号须要

经过驱动电路再驱动继电器。

以上就是整个电路系统的说明，在这个电路系统，开机延时电路和+5V电源接口是否接

错电源的信号电路是须要仔细考虑的，总的要求是电路要简洁，工作要有效。具体的解决方

案请阅读后面的电路设计的具体说明。

继电器的要求：

由于试验电路的电源电路采纳的变压器次级电压为双12V,额定电流小于1A,因此，

继电器必需是二路的，耐压高于20V,电流大于1A。

选用松下DS2Y-SDC5V双路继电器可以达到要求。

松下DS2Y-SDC5V双路继电器的外形如图所示。

电流电压：2A30DCV。额定动作电压5V,事实上大于3.75V就动作。若电源电压采纳

的是+5V电源，则可以干脆在限制信号的作用之下加上电源电压。若电源电压高于5V,则

须要在电源和继电器之间串联一个限流电阻。

限流大小的计算：经则量，本继电器线圈电阻为120欧姆左右，即动作电流在40亳安

左右，因此，限流电阻的计算须要以此数据为依据进行计算，在此电阻上的电流也为40亳

安左右，例如：电源电压为+12V,所接限流电阻大小应为口=(12-5)/0.04=175欧姆，

可取限流电阻为180欧姆，

有一路开关，每一路有一位,一位是常闭开关,一路是常开开关。

■

MA1B1C1

NA2B2C2

■

此为底视图，即将继电器底部朝向眼睛，所看到的继电器的8个脚。

MN为线圈，留意，这个线圈有“+极，其中M端为“+”极。

“+极的推断方法，一般状况下，“+极的推断应当用万用表就可测量出来,

但此继电器线圈的“+极无法用万用表测量，正反向测量出的电阻值都在120欧姆左

右，因此，必需采纳加电源测试，当将5V电源加到线圈两端时，听到继电器动作声音，说

明电源正极所接的一端为继电器线圈的正极，另一端为负极，当将5V电源加到线圈两端时,

若听不到继电器动作声音，说明电源正极所接的一端为继电器线圈的负极，另一端为正极。

A为中间点，A,B之间常闭，A,C之间常开。

也可选用松下DS2Y-SDC12V双路继电器。这个继电器外形，脚的分布和上面所述继电

器完全相同，只是继电器动作额定电压是+I2V,所测得的电阻约为680欧姆，计算得额定

动作电流为18mA。同样，若须要外接限流电阻时，按以上参数进行计算。

其它具体资料以及其它品牌和型号的继电器请实践者查阅有关资料。

本电路设计的中心任务是，可以让二路沟通电分别从A1和A2点进入，而分别从B1

和B2点送出。在电路处于正常工作状态时，让MN线圈电流为0,继电器不动作处于常态,

即AB间处于导通状态，沟通电正常送到后续电路，对电路正常供电。在电路处于非正常工

作状态时，让MN线圈通电，继电器动作处于暂态，即AB间处于断开状态，沟通电运电电

路被断开。对后续电路起到爱护作用。

爱护电路结构的选择：

由于所须要爱护的类型较多，而且电源输出路数也多，所以选用合适的电路结构特别重

要，否则选用不当，设计电路的难度会加大，而且电路可能比较困难。依据电路的要求，本

人选用以运算电路和比较器为电路主要结构。

因此运算放大器将成为本电路的核心器件。

通用运算放大器LM358是一块双运放集成电路，内含二个完全一样的运算放大器，

引脚8个，引脚编号1,2,3,4,5,6,7,

8按如下方法确定：正面朝上，有缺口的一方朝左

（或者有圆点的位置在左下），左下第一引脚为1,

然后按逆时针依次依次确定2,3,4,5,6,7,8,

即左上脚为8号引脚。实物图如图所示。8脚接正

电源.4脚接负电源或地GND.引脚3,2.1三个脚组成A运放（其中引脚3为A运放的

同相输入端，引脚2为A运放的反相输入端，引脚1为A运放的输出端），引脚5,6,7三

个脚组成B运放（其中引脚5为B运放的同相输入端，引脚6为B运放的反相输入端，引

脚7为B运放的输出端）。

有缺口的一方朝左（或者有圆点的位置在左下），左下第一引脚为1,然后按逆时针依次依

次确定2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,即左上脚为14号引脚。实物如图

所示。4脚接正电源，11脚接负电源或地GND.

引脚3,2,1三个脚组成A运放（其中引脚3为A运放的同相输入端，引脚2为A运

放的反相输入端，引脚I为A运放的输出端）。

引脚5,6,7三个脚组成B运放（其中引脚5为B运放的同相输入端，引脚6为B运

放的反相输入端，引脚7为B运放的输出端）。

引脚10,9,8三个脚组成C运放（其中引脚10为C运放的同相输入端，引脚9为C

运放的反相输入端，引脚8为C运放的输出端）。

引脚12,13,14三个脚组成D运放（其中引脚12为D运放的同相输入端，引脚13为

D运放的反相输入端，引脚14为D运放的输出端）上图为运算放大器LM324电路符号。

运算放大器LM358和LM324的主要参数

电源电压范围单电源+3.0V-+32V,双电源±1.5V--±16V

输出高甩平大约比电源电压低1.4V,输出低电平大约比负电源或地GND高电压低零点

几V。

最大输出端拉电流40mA,最大输出端灌电流20mA。

信号检测加法器的设计计算：

本电路工作电压选用+5V。

过压欠压爱护电路：由运算放

大器所构成的加法比例放大器电

路如图所示。

将+12V,+5V,-12V信号分另IJ

从电阻R3,R4,R5的一瑞加入，

为了计算便利，取R3=R4=R5,此

时在正常状态下，同相输入端“3”

的电压的计算方法是:分另J计算各

信号单独作用时在同相输入端“3”

的电压。

留意，计算+12V单独作

用时，R4,R5和R6相当于是并联的，所以

单独产生的电压是

^4^5//^X12

R3+R4//R5//R6

计算-12V单独作用时，R3,R4和R6是并联的，所以单独产

生的电压是

R3//R4//R6

尺5十尺3〃尺4〃尺6

计算+5V单独作用时，R3,R5和R6是并联的，所以单

独产生的电压是

,,R3//R5//R6u

U.=---------------------x5

R4+R3//R5//R6

所以加法电路的输出结果（U1A运算放大器同相输入端的电压）等于这三个电压单独

所产生的结果之和

U+=U1+U,+u.

由于选用的R3,R4,R5是相同的,所以+12V单独作用和-12V单独作用将相互抵消,

所以U.=U3

将R3,R4,R5,R6的数

值代入计算式后得

U+=1.07V

这个加法比例放大器电

路电路的输出电压高不能超

过3.5V,要留有确定的余地，

最好是不超过3V,低不能低

于IV,本人选择2.7V左右。

同相输入端“3”的电压.

为上述结果之和。加法器的输

出电压设计在较中间的值，如

2.68V(事实上在2V—3V之

间都比较合适)。以此确定R1

和R2的值。

留意：Uo=(l+Rl/R2)Ui

则放大倍数为

2.7/1.07=2.5

因此，R1和R2的比值为1.5。选用RI=I5Ko

R2=10Ko

此时输出电压理论值为2.68Vo

上述探讨可知，在电源+12V,-I2V,+5V电压处于正常值时，加法比例放大器电路输

出电压为2.68V,当这儿个电压有改变时，加法比例放大器电路的输出电压也将发生改变。

当电压改变IV时，加法比例放大器电路输出电压改变的电压值为

(2.68/5)*1=0.536V

因此选用加法比例放大器电路输出电压可改变的范围为0.3V左右，即加法比例放大器

电路输出电压的改变范围是

2.4—3.0V

因此加法比例放大器电路后面接二个比较器，

一个比较器的比较电压是3.0V,当加法比例放大器电路输出电压低于3.0V时，比较器

输出低电平，当加法比例放大器电路输出电压高于3.0V时，比较器输出高电平。

一个比较器的比较电压是2.4V,当加法比例放大器电路输出电压高于2.4V时。，比较器

输出低电平，当加法比例放大器电路输出电压低于2.4V时，比较器输出高电平。

具体确定数据时，取定其中一个电阻的电阻值，依据上式计算另外一个电阻的电阻值。

取一个比较电压为3.0V,以此确定确定第一个比较电压的电阻R7和R8的值（留意至",

运算放大器输入端电流为0,所以这个比较电压就完全由电阻R7和R8确定）。

本人取R7=10K,R8=15K,计算得比较电压为3.0V。

取另一个比较电压为2.4V,确定确定其次个比较电压的电阻R9和R10的值（同样留意

到，运算放大器输入端电流为所以这个比较电压就完全由电阻R9和R10确定）。

本人取R9=20K,R10=18K,计算得比较电压为2.3V。

即当主电源电压在正常范围内时，这二个比较器都输出低电平。

当主电源不正常时，这二个比较器确定有一个输出高电平，这就是限制电路的信号之一。

从以上探讨可知，这二个比较器后面是一个或门。

或门的选择：可以用数字集成电路芯片.也可以用分立元件构成的或门电路。本人选用

分立元件构成的或门电路，只要二个二极管就可以了，二个二极管的阳极分别接二个比较器

的输出端，阴极接在一起。当二个比较器都是输出低于电平常，这二个二极管都截止，当二

个比较器中有一个输出高于电平常，这二个二极管中一个导通，另一个截止，因此，连接在

一起的二极管阴极确定为奇电平。

二极管和选择：因输出电流很小，所以选用二极管4148就可以了。

过流爱护电路：

过流信号的取得，在正负电源二个支路上各串联一个取样电阻，取样电阻阻值为I欧姆。

如图示，沟通电通过四个二极管桥式整流后再通过电解可容器滤波后变成直流，这个直流再

通过取样电阻送到后续电路。

过流检测信号处理电路一因为电路电流的大小只确定了取样甩阻两端的差值，而和

确定值无关，因此，我们要设计一

个电路将取样电阻两端的电压差

值检测出来。用减法器。当减法器

这四个电阻相同时，输出端电压就

等于G1-G2。留意到，Gl,G2都

为正值，而且G1大于G2,所以输

出电压是一个大于0的正值电压信

号。

当主电路电流小于0.5A时，

Gl,G2的差值即减法器的输出电

压小于0.5V,而当主电路电流大于0.5A时,G1,G2的差值即减法器的输出电压将大于0.5V,

过流检测信号处理电路一因为电路电流的大小只确定了取样电阻两端的差值,而和

确定值无关，因此，我们要设

计一个电路将取样电阻两端的

电压差值检测出来。用减法器。

当减法器这四个电阻相同时，

输出端电压就等于G4-G3。留

G3意到，G3,G4都为负值，而且

G4G3比G4负得更多，所以输出

电压是一个大于0的正值电压

信号。

当主电路电流小于0.5A

时，G4,G3的差值即减法器的

输出电压小于0.5V,而当主电路电流大于0.5A时，G4：G3的差值即减法器的输出电压将

大于0.5V,

由于这二个过流检测信号处理电路输出信号电压范围只有0-0.5V,输入端的电压在

-10V-+10V之间，为了保证运算放大器的牢靠正常工作，运算放大器的工作电源应当加正

负双电源。本人选择此块LM324芯片的工作电源为正负12V。

留意到，运算放大器若加单电源，输出电压最低是到不了0的。

过流信号比较器因为过流信号达到0.5V时，说明电路电流达到额定电流值0.5A,

再大，爱护电路就须要动作，因此，二个过流信号的比较电压都应当为0.5V,如图示。输

出同样须要经过或门后送到限制电路。

或门的选择：可以用数字集成电路芯片，也可以用分立元件构成的或门电路。本人选用

分立元件构成的或门电路，只要二个二极管就可以了，二个二极管的阳极分别接二个比较器

的输出端，阴极接在一起。当二个比较器都是输出低于电平常，这二个二极管都截止，当二

个比较器中有一个输出高于电平常，这二个二极管中一个导通，另一个截止，因此，连接在

一起的二极管阴极确定为昌电平。

二极管耐压的选择，当以.上二个二极管中一个导通，一个截止时，处于截止状态的二极

管一端的电压是高电平约为I0.6V,低电平约为-10.6V,所以加在二极管上的反向电压为

21.2Vo所以选用的二极管反向耐压必需大于22V。

二极管电流的选择，因为所接负载电阻大于IOK,实际流过二极管的电流小于ImAo

这个电流很小。

二极管和选择：因输出电流很小，所以选用二极管4148就可以了。

4148的最高反向耐压大于75V,最大电流为150mA。这些指标足够用了。

限制信号产生电路：

运算放大器作为比较器运用，比较电压为3.43V,由二个电阻组成的分压电路就可实现。

VCC

U1D

LM324

接口

R17

150k

同相端输入的信号电压构成比较困难，由以下几个信号确定：

过压欠压爱护电路输出信号（二个），只要有过压或欠压状况出现时，这个信号为高电

平，电压值约为10.6V。

过流爱护电路输出信号（二个），只要有过流状况出现时，这个信号为高电平，电压值

约为I0.6V.（高电平I0.6V减去二极管压降）。

以上这四个信号加到同一或门（由四个二极管构成，工作过程如前述）的输入端，或门

的输出端信号加到本电路电阻R19上。这四个二极管的状态状况是：当电路没有过压，欠

压，过流状况出现时，由于其输入端都为低电平，二极管全部处于截止状态。当电路中过压，

欠压，过流状况出现时，或门输出高电平，其中一个二极管导通，另三个二极管截止。输出

的高电平电压为10V（高电平10.6V减去二极管压降）。

数字电路+5V电源接口爱护电路的设计和计算：

应考虑两种非正常状况：一是可能接入-12V电源，二是可能接入+I2V电源，而正常状

况是接入+5V电源或者是不接入。原来又可以计算出正常状态下的正常电压范围，再用二个

比较器检测出非正常信号，但由于只有一个运放了（再漕加一块集成块不合算）。采纳如下

方案可以较好地解决这个问题。

这个方案主要是三个电路：两个二极管D4和D5作为既有隔离作用，又有导通作用;

其次个电路是加法电路，由R13,R14,R15组成，第三个电路是比较器，由Rll,RI2组

成。

在接口处若错误接入-12V,则由于二极管D5的导通作用，使输出电压端-12V到处于

非正常工作状态，上面介绍的由四个二极管构成的或门可路就会输出高电平，电路将进入爱

护状态。

若在接口处错误接入+12V电源，由于D4导通，将使加法端的电压大大上升而超过比

较器的比较电压,而使输出端为高电平。

若是因主电源+12V,-12V,+5V电源出现问题而使得或门的输出端出现高电平，同样

由于R19电阻接入较大电压而使得加法器电压显著上升，而使得加法器的电压超过比较电

压而使本电路高电平。RI6的作用是作为D2和D3输出端的下拉电阻，因当D2和D3左端

都为低电平常，二个二极管D2和D3截止，但由于R16的存在且电阻值相对于R13很小，

R13左端电压就会很小，而使得加法器电路的电压较低，不会超过比较电路电压。

下面进行具体的计算：

全部检测点都正常工作时(土电源三个电压72V,-12V,15输出电压值在正常的误差

范围内，+5接口处正常，即或悬空或接+5V电源)：

+5V接口处悬空：

D4和D5截止，R14左端电压的计算：参见总电路原理图，这个电压由RI7电阻和和

C2电容所组成的RC电路送来，当达到稳定状态时，电容器C2相当于开路，这个电压是不

是+12V?,不是的，因在这一点和地GND之间接有电阻R13,RI4,R15,R16,这四个电

阻的等效电阻很简洁可以计算出

RI4+R15//(R13+R16)=150K

留意到电源和这一点之间接有电阻R17=150K,所以这一点的电压是150K电阻和150K

电阻对12V电压的分压值，很简洁计算出这个电压为

U=5*)50/(150+30)=6V

此时，由于D4和Df截止，加法器输出电压(即U1D同相输入端的电压)为

U=6*R15//(R13+R16)/(R14+R15//(R13+R16))

=6*50/150=2V

小于比较电压3.43V(比较电压由Rll和R12确定)，比较器输出低电平。

+5V接口处接+5V电源：

此时，由于原二极管D4右端电压为6V,而现在左端加上5V电压，因此二极管D4还

是截止，二极管右端即R14左端电压就被定在6V(考虑到二极管的管压降)，加法器输出

电压(即U1D同相输入端的电压)为

U=6*R15//(RI3+R16)/(R14+R15//(R13+R16))

=6*50/150=2V

小于比较电压3.43V(比较电压由Rll和R12确定)，比较器输出低电平。

从以上探讨中可知，当全部检测点都正常工作时(主电源三个电压+12V,-12V,+5输

出电压值在正常的误差范围内，+5接口处正常，即或悬空或接+5V电源)，U1D运算放大器

输出端输出低电平，驱动三极管截止，继电器无电流，继电器不动作。

+5V接口处正常，不论是悬空还是接+5V电源，当主电源三个电压+12V,-12V,+5出

现异样状态时，或者出现过流状况时，或门输出高电平，此时，从前面的探讨可知，由于

R14左端电压6V,

它单独作用时产生的同相输入端的电压为2V,

此时，由于或门输出高电平，R19上端电压为运放输出高电平10V,它单独作用产生的

同相端的电压为

UA=10*[(RI3+R14//RI5)//RI6]/[(R13+RI4//R15)//RI6+RI9]

=10*15.84/(30.84)=5.14V

U=5.14*R14//R15/(RI3+R14//R15)

=5.14*50/132=I.95VO

即或门输出T：电平信号单独产生的电压为l.95Vo

共同作用在U1D同相输入端产生的电压为2V+1.95V=3.95Vo

大于比较电压3.43V,U1D运算放大器输出端输出高电平，驱动三极管饱和，继电器被

加上接近12V的电压，产生电流，继电器动作。

主电源工作正常，此时D2的D3截止，+5V电源接口处错误接上+12V电源，因在R14

左端输入电压约为11.3V,简洁计算可得同相端的电压为

U=11.3*R15//(R13+R16)/(R14+R15//(R13+R16))

=11.3*50/150=3.77V

高于反相端的3.43V,UID运算

放大器输出端输出高电平，驱动三极

管饱和，继电器被加上接近12V的电

压，产生电流，继电器动作。

三极管驱动电路

限制电路输出信号通过电阻RI8

加到三极管基极，当信号为低电平

常，三极管截止，继电器线圈失电，

不动作，当信号为高电平常，三极管

导通，继电器线圈得电，动作。

基极电阻R18的计算

当信号为高电平常，让三极管饱和导通，即基极电流的B倍大于集电极电流。

集电极电流=继电器电流约20mA+蜂鸣器电流（不大于20mA）

集电极电流以40mA计算，B以最小值64计算，

则最小基极电流为=40/64=0.63mA

R18的最大值为=10.6/0.63=16.8（K）

取R18=10K,

开机延时的探讨：开机时由于主电源滤波电容的充电过程，有可能爱护电路已经正常工

作，但主电源还没有达到正常值，有可能继电器在开机时电路无故障的状况下就动作，造成

开机不正常的后果，所以须要在限制电路的限制作用在开机时延时。即须要在主电源达到正

常值后限制电路才起先工作，此电路的R17和C2组合解决了这个问题。开机时，即使D2

或D3输出高电平，由于C2的充电，RI4的左端电位是渐渐上升的，只有当这个电压上升

到确定值后（可简洁计算得出）,电路才会输出限制信号，在此之前,电路不会输出限制信

号，继电器不会动作。

开机延时电路的设计和计算

设计开机延时电路的必要性，开机时，由于作为爱护电路的工作电源（称为协助电源）

其滤波电容量较小，将很快充溢电并起先工作，而主电源的滤波电容量较大，达到正常工作

电压所需的时间确定比协助电源达到正常电压所需的时间长得多，因此，在主电源没有达到

正常工作电压之前，爱护电路将检测到非正常的主电源电压而在由四个二极管构成的或门输

出高电平信号，而造成电源开机不起的问题。

因此，设计开机延时电路是必需的，而且，这个延时作用只能在开机时才有，一旦当电

路进入正常状态之后，只要检测到电路有过压欠压过流可源接错的状态时，爱护电路就要马

上工作，此时不能有延时作用。

图中的R17和C2二个器件就是延时电路的主要器件。由于这个电路的作用，电阻R14

左端的电压在开机时其电位是从0起先渐渐起先上升，最终达到5V的，从前面的探讨中可

知，若在开机时，由于爱护电路将检测到非正常的主电源电压而在由四个二极管构成的或门

输出高电平信号，但这个高电平信号单独作用时在限制电路中的加法电路中产生的电压只有

1.85V,比比较电压3.43V低,爱护电路不会动作。

首先计算电容器充电到多大电压时，比较器状态转换，即同相端的电压达到比较电压值

23.43V,也即这个电压（R14左端电压）单独作用时，在同相端产生的电压为

3.43V—1.95V=1.48V,

1.85V是四个二极管构成的或门输出的高电平单独科生的同相端的电压。

这个I.48V电压就是R14左端电压单独作用时产生的甩压，设R14左端电压为U,则

1.48=U*R15//(R13+RI6)/(R14+R15//(R13+R16))

=U*5O/15O=U/3

得U=4.44V

即当电容充电到4.44V后可能继电器就动作，而在电容器充电到4.44V之前是不会动作

的。

电容充电到4.44V须要多长时间？

估算，因这个电压正好是电源电压的百分之六十多，也就是RC电路的时间常数所表示

的时间。这个时间常数为RC=30K*l(X)uF=3S。但实际时间比这个时间长，这个只是一个时

间数量级的计算。这个延时时间已经足够长了。

精确的开机延时时间的计算:

电容等效充电电路图如图所示。

设随意时刻t电容器上电压为“(.，则在随意时刻VCC

t应满意以下电流关系式

Ucc-"c_+c①

飞I<dtR1

Iit

150K

因RI=R2=R,整理得

〃

dl+°cco@

这是一个一阶非齐次微分方程，对应的一阶齐次

微分方程为CR2

③—150K

其解为lOOuI

©

2t

RC

uc=U(t)e⑤

代入一阶非齐次微分方程，

_2t_o_2t__2t_

正一-+-U=0⑥

RCcc

整理得RCU«)e瓦=U«©

得到⑧

两边同时积分得⑨

将⑨代入⑤得⑩

当t=0时，uc=0得

最终得

将R,C,UCC数据代入等式得

2/

15

uc=6（l-e）

_2/

当Uc=4.44V时，0.26=

3.846=”

In3.846=2〃15

1.347=2t/15

t=10.1（th）

若取电容为22uF,贝！计算得1=2.22（秒）

留意，这个延时作用只是在开机时才有，当电路正常工作后，因电容器上已经充上也了，

限制电路就始终在等待电路可能出现的错误，只要错误一但出现，限制电路就马上动作。

三极管驱动电路原理比较简洁，实践者自己进行分析和计算，关键是三极管基极电阻

RI8的电阻值，就是要保证U1D输出高电平常，三极管须要达到确定的饱和状态，即

运放高电平/R18（三极管的基极电流）＞继电器电流（三极管集电极电流）/三极管

电流放大系数（9013在64—300之间）。

电源主电路原理也比较简洁，实践者自己进行分析和计算。

元件清单

编号规格编号规格编号规格编号规格编号规格编号规格

R130KR1012KR1915KR2824KC3103D14001

R2I0KR1130KR2010KR291KC4103D24148

R320KR1212KR2110KU1lm324C510uFD34148

R420KRI382KR22I0KU2蜂鸣器10uFD44148

R520KR14I00KR2310KC1IOOUFlOuFD54001

R630KR15100KR2410KC2lOOuFlOuFD64148

R720KRI6I8KR2510K22uFU7805D74148

R820KR17I50KR2610KIOOOUF78124001

R918KR1810KR2710KlOOOuF7912Qi9013

40014001印刷板继电器40014001

78L1279L12

器件汇总

30K310K1020K518K2

12K282K1100K2150K1

15K124K1IK140017

4148590131IOOOuF2IOOuF2

22uF110310lOuF878051

78121791213171337I

78L12179LI21继电器1蜂鸣器1

印刷板1变压器1散热器5导线5

座子173242

合计105

焊接时留意：二极管，电解电容器，蜂鸣器的二脚是有极性的，确定要相识清晰“+

极以及在印刷板上的对应位置。三极管的ebc在印刷板上的对应位置,集成块LM324的方位。

二端稳压器7812,7912,7805的脚的定义。

LM3241234567

对地电阻

对地电压理论

对地电压实测

LM324891011121314

对地电阻

对地电压理论

对地电压实测

其它测最

UAUBUcUDUEUFUGUHI

理论值

测量值

其中：UA表示延时电路中电容上电路稳定时电压。

UB表示主电源电路电路稳定时+5V端子电压。

Uc表示主电源电蹿电路稳定时+12V端子电压。

UD表示主电源电路电路稳定时-12V端子电压。

UE表示主电源电路电路稳定时+16V端子电压。

UF表示主电源电路电路稳定时-I6V端子电压。

UG表示主电源电路电路稳定时+U端子不加调整电阻时的输出电压。

UH表示主电源电路电路稳定时-U端子不加调整电阻时的输出电压。

I表示主电源电路稳定时电流输出端子不加调整电阻时的输出电流。

过载状态时爱护电路的工和状况测试

随意确定一路正电源，接上负载电阻，可用电子负教代替，将负教电阻阻值从大

往小调，用电流表表监测输出电流，始终调到爱护电路起先动作，记录下爱护电路动

作前电流表的电流值。

Ii=

随意确定一路负电源，接上负载电阻，可用电子负载代替，将负载电阻阻值从大

往小调，用电流表表监测输出电流，始终调到爱护电路起先动作，记录下爱护电路动

作前电流表的电流值。

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