CN1038725A - 输出激励器过载和短路保护的方法和装置 - Google Patents

Abstract

对诸输出激励器进行过载和短路保护的一种方法和装置，该方法和装置采用在诸控制电压电平下起作用的一个电路，在该电路，至少一个输出激励器(Q31，Q41)在正常情况下是由调定得与外来控制(I1-I7)无关的参考值(+Vd)控制，而在短路或过载情况下，激励器只短时间接收到控制电压，且其中当输出激励器的负载电流超过某一给定极限值时，参考值开始迅速下降。

Description

本发明涉及输出激励器过载和短路保护的一种方法和装置。

用于控制加到负载的电能的控制输出的输出激励器（晶体管、场效应晶体管等）过载或短路时会击穿。举例说，美国专利申请4695915就提出了一种过载和短路保护装置。该装置不采用任何参考值，这就是说，过载电流极限值不能调到所需的值。此外，电流极限值随供应给负载的电压的变化而变化，因为这些电压的变化使基极电流发生变化。另外，输出晶体管还需要有大的控制电流，从而使热损耗变大。因此要将几个输出端在单个集成电路上集成实际上是不可能的。再者这种装置在加上控制信号时并不即刻接通，而是需要有一个单独的外来脉冲。

本发明的目的是要消除上述缺点，并实现一种无需在负荷上串联既耗电又产生热量的一些电阻器的保护系统。这些电阻器引起的热损耗，使得不可能将几个保护装置在同一个外壳中集成。本发明输出激励器的过载和短路过护的方法具有这样的特征，即至少一个输出激励器在正常情况下是由一个可与外来控制无关地加以调定的参考电压进行控制，而在过载或短路情况下，只短时间施加控制信号，且输出激励器的负载电流超过某一极限值时，参考值开始迅速下降。

本发明的方法和为应用该方法而设计的装置的其余实施例具有以下特点：

接通输入电压时，控制逻辑给激励器提供一检测脉冲，以检测输出端是否存在过载或短路情况，并防止激励器在这种情况下接收控制信号，且过载或短路情况的持续时间系借助于经由控制逻辑定期提供给激励器的检测脉冲加以监控，过载或短路情况一经消失，激励器可以根据输入继续工作;

通过在短路或过载情况下限定流入输出激励器基极的控制电流来减少馈入输出激励器的参考值，具体做法是这样安排，即除经过输出激励器的路径外，还给控制电流提供另一条路径，在过载或短路的情况下，使至少部分所述电流转入所述另一路径中;

另一路径中的电流流经输出激励器的集电极或发射极电压所控制的一个开关;

该装置具有一控制逻辑、一过载和短路监控电路和一振荡器，它们都供各激励器用，控制逻辑用以借助于一调定得与外来控制无关并获自一参考电压单元的参考值控制激励器，过载和短路监控电路防止控制电流在过载或短路情况下流到激励器，振荡器则借助于经由控制逻辑提供给激励器的检测脉冲监控短路或过载情况的持续时间。

接通输入电压时，控制逻辑发出一检测脉冲，以检测是否存在过载或短路情况;

所述装置设有诸可控的固态开关、一电阻器和一振荡器，在正常状态时，诸可控的固态开关中的第一开关当输入端正偏，第三开关开始导通时，防止第二开关的导通而接通，第一开关接通，从而使第四开关开始导通，使输出激励器接通，电阻器与第二开关一起形成一过载和短路监控电路，在该电路中，当输出电压在过载或短路情况下下降时，所述第二开关开始导通，从而使控制电流从输出激励器的基极转移，振荡器则是所有激励器所公用的，且定期发出检测脉冲，该脉冲接通第一开关，其效果是使第二开关停止导通，且使输出激励器通过第四开关接收其控制电流;

该装置设有若干可控的固态开关，在这些开关中，当在正常情况下接通输入电压时，第一开关接通，因而防止因第二开关而导通，从而使控制电流可以流入输出激励器的基极，同时输出激励器的集电极电压或等效值降到某一定水平而该激励仍然处于导通状态，而在过载或短路的情况下，第二开关接通，其效果是使控制电流经由第二开关流入地中，从而使输出激励器接收不到控制电流，因而保持断开，此外装置的过载和短路监控电路包括电阻器和第二开关，而且公用振荡器定期所馈入各激励器的脉冲用以检测短路或过载情况是否已消失，从而在例如短路情况消失时使振荡器脉冲促使激励器的集电极电压或等效值下降，在此情况下，第二开关接收不到控制电流，因而断开，使得控制电流可以流入激励器的基极中，从而使其保持导通状态。

本发明的重要优点在于，输出激励器即使在短暂的过载情况下也会被完全断开，这就是说能立即防止热量的产生。此外，本发明采取了通过每隔一定的时间间隔施加极短脉冲的方法来监控有无过载或短路情况存在的措施，而且为使激励器再接通，必须使负载电流小于过载时的电流。这种安排确保永远不会发生过热现象。这样就有可能将若干（例如7个）输出端在单个电路中集成。此外，该电路还可以直接由一个微处理器控制，而且控制电路可以作为一个漏式电路或作为一个源式电路付诸实施。

本电路保护着输出激励器使其免受任何形式的短路或过载情况的危害。这使激励器实际上不可能过热，从而提高了其可靠性和延长了其使用寿命。本电路不使用任何功率电阻器，也不使用能产热的元件。这就有可能制造一个含有例如八个控制输出端的集成电路，从而无需去解决复杂的外壳问题。此外还有可能制造其插脚能与现行通用的电路配用的电路，从而只要用新电路代替旧电路就可以实现短路保护。

下面参看附图借助于一些实例说明本发明的内容。附图中：

图1a是源式控制输出端时短路和过载保护原理的方框图;

图1b是漏式控制输出端时短路和过载保护原理的方框图;

图2示出了一个源式过载和短路保护器;

图3示出了一个漏式过载和短路保护器;

图4是在正常情况下的过载和短路保护电路的工作周期;

图5是在过载或短路情况过程中过载和短路保护电路的工作周期。

让我们先研究过载或短路时会击穿的源式控制输出激励器（晶体管、场效应晶体管等）。图1中的方框图例示了该激励器的短路和过载保护电路的工作原理。接入一个输入信号时，控制逻辑1′给激励器发出一个短的检测脉冲，同时监控着输出端是否有短路或过载的情况出现。若短路或过载不是经常发生，控制逻辑1′就往激励器3′加一个由控制参考值2′确定的控制信号，于是激励器就接通。但若经常发生短路或过载，过载和短路监控电路4′就中断从该逻辑到激励器的控制信号。过载或短路情况消失之后，激励器再次由来自振荡器5′的一个脉冲加以接通。振荡器通过经由该控制逻辑定期给激励器提供短的检测脉冲来监控短路或过载情况的持续时间，且一旦检测出没有过载/短路情况时，就容许激励器根据输入继续工作。

图2是七个输入端I1…I7的源式激励器的控制单元，图中示出了输入端I1和I7的控制单元。所有这些控制单元的结构和工作方式都相同，因此这里只介绍输入端I1的单元。图中，输入端I1各元件编号的最末一个数字为1，输入端I7各元件的则为7。

输出激励器包括两个连接成达林顿对的晶体管Q31和Q41。达林顿对的发射极连接到供电电压+Vcc，集电极则连接到输出端O1。在控制输出激励器的电路中，第一个晶体管Q1的发射极连接到辅助晶体管Q21的集电极，集电极连接到第二个晶体管Q11的基极，基极则连接到第一电阻器R71与第二电阻器R61之间的一个点，第一电阻器R71的另一端连接到供电电压+Vcc上，第二电阻器R61的另一端连接到振荡器晶体管Q50的集电极。辅助晶体管Q21的发射极连接到供电电压+Vcc上。Q21的发射极和基极由第三电阻器R1连接起来。输入信号I1经由第四电阻器R21加到第三晶体管Q51的基极，第三晶体管Q51的发射极接地，集电极则经由电容器C1连接到第一个晶体管Q1的基极上。Q51的集电极还经由第五电阻器R41连接到辅助晶体管Q21的基极，且经由第六电阻器R31连接第四个晶体管Q61的基极。第二个晶体管Q11的发射极连接到辅助晶体管Q21的集电极，基极经由第七电阻器R11连接到输出端O1，集电极则连接到输出激励器的基极，并经由第八电阻器R51连接到第四个晶体管Q61的发射极。在各单元中，第四个晶体管Q61的集电极连接到齐纳二极管D8与第九电阻器R10之间的一个点，参考电压Vd即从该点获得，齐纳二极管的另一端连接到供电电压+Vcc，电阻器R10的另一端接地。

本电路包括为各控制单元所公用的一个振荡器，还包括一电容器C2和两个施密特触发器IC（集成电路）。施密特触发器两端连接有一电阻器R9和一个由一二极管D9和一电阻器R8组成的串联电路。放大器的输出端经由电阻器R50连接到晶体管Q50的基极，晶体管Q50的发射极接地。

输入端I1上的电压增加得超过阈值时，第三个晶体管Q51开始导通，从而也使辅助晶体管Q21导通。这时经由电容器C1获得的信号使第一个晶体管Q1导通。于是第二个晶体管Q11收到防止它导通的一个基极信号。这些作用的结果使第四个晶体管Q61开始导通，从而将控制电压加到输出激励器的基极上。二极管D8构成一偏压调节器，确保供电电压中小小的变化不致影响对输出级的控制。过载和短路监控电路包括第二个晶体管Q11和第七电阻器R11。输出信号O1的电压下降时，促使第二个晶体管Q11开始导通，因而使输出激励器的基极电压发生变化，从而使输出激励器开始断开。这再次使输出电压O1进一步迅速下降。这样输出激励器就极其快速地被切断。漏泄电流是借助于辅助晶体管Q21、第三电阻器R1和第五电阻器R41加以防止的。

振荡器电路定期输出一个短脉冲以监控有无（例如）短路情况存在。振荡器的脉冲使第一个晶体管Q1导通，从而防止因第二个晶体管Q11而导通。这时输出激励器由第四个晶体管Q61控制。短路情况业已消失时，O1处的输出电压不会下降，因而输出激励器仍然处于导通状态。输入端I1被驱向低电平状态时，第三个晶体管Q51就停止导通，从而使第四个晶体管Q61截止。于是输出激励器因失去其控制信号而截止。

其次让我们研究过载或短路时会击穿的漏式控制的输出激励器（晶体管、场效应晶体管等）。在此情况下，过载/短路保护是基于图1b所示的原理，这完全与图1a中的原理相当。不同之处仅在于，在此情况下，负载系连接到供电电压上，而在源式保护电路的情况下，负载则是接地。

图3示出了七个输入端I1′…I7′的各漏式激励器的控制单元。各控制单元的结构和工作情况都完全相同，且它们具有同样的元件。各单元中的诸元件都编了号，各编号的最后一个数字对应于有关输入端的号。现在作为例子让我们研究输入端I1′的控制单元。

在此情况下，输出激励器也包括两个连接成一达林顿对的晶体管Q31′和Q41′。在控制输出激励器的电路中，第一个晶体管Q1′的集电极系连接到电阻器R11′，并连接到第二个晶体管Q11′的基极，发射极连接到第二个晶体管Q11′的发射极上，基极则经由电容器C1′连接到输入端I1′，电阻器R11′的另一端连接到输入端O1′上。输出激励器的基极和第二个晶体管Q11′的集电极经由第二电阻器R31′连接到第三电阻器R100′与接地的齐纳二极管D8′之间的一个点，参考电压Vd′即从该点获得的。第三电阻R100′为所有激励器所共用，且连接到供电电压Vcc′上。输入端I1′与第二电阻器R31′之间连接有第二二极管D1′。辅助晶体管Q21′的基极经由第四电阻器R′1连接到输入端，集电极连接到第二个晶体管Q11′的发射极，发射极则连同输出激励器的发射极一起接地。第一个晶体管Q1′的基极经由第五电阻器R21′连接到一振荡器上。

振荡器是所有控制单元所公用的，且包括两个连接到一电容器C8′的施密特触发器IC′（集成电路）。施密特触发器两端连接有一电阻器R9′和一个由一个二极管D9′和一个电阻器R8′组成的串联电路。

驱传输入I1′电平变高时，经由电容器C1′加到第一个晶体管Q1′的基极上的电压就使第一个晶体管Q1′导通，从而防止因第二个晶体管Q11′而导通。这时流经第二电阻器R31′的电流就流经输出激励器的基极。若输出激励器的集电极具有正确的负载，集电极电压就下降到某值以下，从而使第二个晶体管Q11′没有接收到基极电压，于是输出激励器保持导通状态。输入是低电平时，由于辅助晶体管Q21′不导通，因而漏泄电流不能从输出激励器的集电极通过第一电阻器R11′和第二个晶体管Q11′的基极流到地。

若输出激励器的集电极短接到供电电压上，则这时在短脉冲从电容器C1到第一个晶体管的基极之后，第二个晶体管因接收到来自输出激励器集电极的基极电压而导通。于是流经第二电阻器R31′的电流经由第二个晶体管流到地，从而使输出激励器接收不到控制电流，因而保持截止。

电容器C1′无需等待来自振荡器的脉冲直接迫使输出端进入相应于输入端的状态。

举例说，在发生短路时，振荡器定期所提供的脉冲监控着有无短路情况发生。若输出激励器的集电极仍然短接到供电电压上，加到其基极的控制电压就不会使集电极电压充分下降，因而输出激励器仍然截止。

短路情况消失时，振荡器所提供的脉冲会促使输出激励器的集电极电压下降，从而使第二个晶体管Q11′接收不到控制电压而因此截止。于是来自第二电阻器R31′的电流流入输出激励器的基极，因而使输出激励器保持处于导通状态。

必要时，可以通过使输入I1驱入低态将输出激励器切断，在这种情况下，来自第二电阻器R31′的电流不会流到输出激励器的基极，因而使输出激励器停止导通。振荡器的脉冲也不会使输出激励器导通。

齐纳二极管D8′即使在供电电压Vcc′变化时也使基极电压保持不变。

图4是正常情况下的工作周期，图5是过载或短路情况下的工作周期，示出了电路（见图1b）在下列各点的作用情况：1输入端，2激励器输入端，3激励器输出端，4振荡器。各箭头表示各过程的次序。在正常情况下，控制单元的输入控制着激励器的输入，激励器的输入又控制着激励器的输出。在图5中，短路或过载情况在时刻1″出现，在时刻2″消失。在此情况过程中，振荡器发送一个在激励器的输入端上出现因而也在其输出端上出现的脉冲。不正常情况已经消失时，振荡器所提供的脉冲具有恢复正常运行的作用。

熟悉本技术领域的人士都不难理解，本发明各种不同的实施例并不局限于上述实例，而是在不脱离下列权利要求书范围的前提下是可以对它们进行修改的。

Claims (8)

1、对输出激励器进行过载和短路保护的一种方法，其特征在于，至少一个输出激励器(Q31，Q41；Q31′，Q41′)在正常情况下是由一在与外来控制(I1-I7；I1′-I7′)无关的情况下调定的参考值(+Vd)加以控制，而在过载或短路的情况下，控制信号只是在短暂时间内施加的，且当输出激励器的负载电流超过某一调定极限值时，所述参考值开始迅速下降。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接通输入电压时，控制逻辑（1′）给激励器（3′）提供一检测脉冲，以检测输出端是否存在过载或短路情况，并防止激励器在这种情况下接收控制信号，且过载或短路情况的持续时间系借助于经由控制逻辑（1′）定期提供给激励器（3′）的检测脉冲加以监控，过载或短路情况一经消失，激励器（3′）可以根据输入继续工作。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过在短路或过载情况下限定流入输出激励器基极的控制电流来减少馈入输出激励器的参考值，具体做法是这样安排，即除经过输出激励器的路径外，还给控制电流提供另一条路径，在过载或短路的情况下，使至少部分所述电流转入所述另一路径中。

4、根据1至3任一权利要求所述的方法，其特征在于，另一路径中的电流流经输出激励器的集电极或发射极电压所控制的一个开关（Q11，Q11′）。

5、为实施权利要求1的方法而设计的对若干输出激励器进行过载或短路保护用的一种装置，其特征在于，该装置具有一控制逻辑（1′）、一过载和短路监控电路（4′）和一振荡器（5′），它们都供各激励器（3′）用，控制逻辑（1′）用以借助于一调定得与外来控制（I1-I7;I1′-I7′）无关并获自一参考电压单元（2′）的参考值（+Vd;+Vd′）控制激励器，过载和短路监控电路（4′）防止控制电流在过载或短路情况下流到激励器，振荡器（5′）则借助于经由控制逻辑提供给激励器的检测脉冲监控短路或过载情况的持续时间。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于，接通输入电压时，控制逻辑发出一检测脉冲，以检测是否存在过载或短路情况。

7、根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述装置设有诸可控的固态开关、一电阻器（R11）和一振荡器，在正常状态时，诸可控的固态开关中的第一开关（Q1）当输入端（I1-I7）正偏，第三开关（Q51）开始导通时，因防止第二开关（Q11）的导通而接通，第一开关接通，从而使第四开关（Q61）开始导通，使输出激励器接通，电阻器（R11）与第二开关一起形成一过载和短路监控电路，在该电路中，当输出电压（O1-O7）在过载或短路情况下下降时，所述第二开关开始导通，从而使控制电流从输出激励器的基极转移，振荡器则是所有激励器所公用的，且定期发出检测脉冲，该脉冲接通第一开关，其效果是使第二开关停止导通，且使输出激励器通过第四开关（Q61）接收其控制电流。

8、根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，该装置设有若干可控的固态开关，在这些开关中，当在正常情况下接通输入电压时，第一开关（Q1′）接通，因而防止因第二开关（Q11′）而导通，从而使控制电流可以流入输出激励器的基极，同时输出激励器的集电极电压或等效值降到某一定水平而该激励仍然处于导通状态，而在过载或短路的情况下，第二开关（Q11′）接通，其效果是使控制电流经由第二开关流入地中，从而使输出激励器接收不到控制电流，因而保持断开，此外装置的过载和短路监控电路包括电阻器（R11′）和第二开关（Q11′），而且公用振荡器定期所馈入各激励器的脉冲用以检测短路或过载情况是否已消失，从而在例如短路情况消失时使振荡器脉冲促使激励器的集电极电压或等效值下降，在此情况下，第二开关（Q11′）接收不到控制电流，因而断开，使得控制电流可以流入激励器的基极中，从而使其保持导通状态。

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