CN116316418A - 一种过载与短路保护电路及电子断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种过载与短路保护电路及电子断路器,该过载与短路保护电路包括过载检测电路、短路检测电路以及驱动电路;所述过载检测电路的输入端与电流采样电路连接;所述短路检测电路的输入端与电流采样电路连接;所述驱动电路的第一输入端与所述过载检测电路的输出端连接,所述驱动电路的第二输入端与所述短路检测电路的输出端连接。本发明无需单片机,实现过载与短路保护功能,而且响应速度快,稳定可靠,成本低。
Description
技术领域
本发明实施例涉及断路器技术领域,尤其涉及一种过载与短路保护电路及电子断路器。
背景技术
电子断路器是一种使用广泛的保护电器,可以对配电系统的设施和电气设备进行过载、短路保护。现有的电子断路器尤其是直流断路器以单片机为核心,通过信号采集、数据处理实现断路器的保护功能,过载或者短路保护功能由单片机执行。但是,依托单片机实现过载或者短路保护的电子断路器在机台高干扰情况下一旦单片机硬件或软件出现问题将会直接导致电子断路器保护功能失效,影响断路器的稳定性及后续系统的安全;电子断路器在信号采集、数据处理后才能进行故障诊断然后发出保护动作,响应速度慢,保护效果差;而且单片机的价格高直接导致了电子断路器的高成本和高售价,用户的使用成本较高。
以上问题亟待解决。
发明内容
为解决相关技术问题,本发明提供一种过载与短路保护电路及电子断路器,来解决以上背景技术部分提到的问题。
为实现上述目的,本发明实施例采用如下技术方案:
第一方面,本发明实施例提供了一种过载与短路保护电路,包括过载检测电路、短路检测电路以及驱动电路;
所述过载检测电路的输入端与电流采样电路连接,用于将所述电流采样电路采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并对所述电压信号进行滤波、放大处理后判断其是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生过载,输出过载控制信号给所述驱动电路;其中,所述滤波的时间为T1,所述放大的倍数为N1;
所述短路检测电路的输入端与电流采样电路连接,用于将所述电流采样电路采集的电路回路中的所述电流信号转换为电压信号,并对所述电压信号进行滤波、放大处理后判断其是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生短路,输出短路控制信号给所述驱动电路;其中,所述短路检测电路在对所述电压信号进行滤波、放大处理时,所述滤波的时间为T2,所述放大的倍数为N2,T2小于T1,N2小于N1。
所述驱动电路的第一输入端与所述过载检测电路的输出端连接,所述驱动电路的第二输入端与所述短路检测电路的输出端连接;所述驱动电路用于在收到过载控制信号或短路控制信号后,向电路回路中的保护开关输出驱动电压,所述保护开关在收到所述驱动电压后将所述电路回路的电源关断。
对过载检测电路、短路检测电路设置不同的滤波时间和放大倍数,使得过载检测电路、短路检测电路对信号的处理存在时间差,因此,过载检测电路、短路检测电路针对电流采样电路采集的同样信号既可以实现过载检测,也可以实现短路检测,即在电路过载时,过载检测电路将检测到过载,并输出过载控制信号给驱动电路,而短路检测电路不响应;在电路短路时,短路检测电路将检测到短路,并输出短路控制信号给驱动电路,而过载检测电路不响应。整个过载与短路保护电路无需单片机,仅通过过载检测电路、短路检测电路、驱动电路组成的纯硬件电路实现过载与短路保护功能,保护开关在收到驱动电路输出的驱动电压后将直接关断电路回路的电源,不仅响应速度快,而且稳定可靠,成本低。
作为一种可选的实施方式,所述过载检测电路包括第一滤波电路、第一运算放大器及第一比较器;
所述第一滤波电路的第一端连接所述电流采样电路,所述第一滤波电路的第二端连接第一运算放大器的同相输入端,
所述第一运算放大器的输出端连接第一比较器的同相输入端,第一比较器的反相输入端接参考电压;
所述第一运算放大器用于将所述电流采样电路采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并通过所述第一滤波电路对所述电压信号进行滤波后放大处理,放大处理处理后电压信号输出给第一比较器;所述第一比较器用于判断所述第一运算放大器输入的电压信号是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生过载,输出过载控制信号给所述驱动电路。
通过第一滤波电路、第一运算放大器、第一比较器构建过载检测电路,通过第一滤波电路根据设定的滤波时间对电压信号进行滤波处理,通过第一运算放大器根据设定的放大倍数对滤波后的电压信号进行放大处理,通过第一比较器对第一运算放大器输入的电压信号和参考电压进行比较,输入电压大于参考电压时判定电路回路中发生过载。第一滤波电路、第一运算放大器、第一比较器均为通用、成熟稳定的电路元器件或由通用电路元器件组成,提高了过载检测电路的稳定性和可靠性,降低了成本,而且整个过载检测过程均是电信号的直接判断,不存在数据分析过程,响应速度快,实现了对电路过载的迅速检测。
作为一种可选的实施方式,所述短路检测电路包括第二滤波电路、第二运算放大器及第二比较器;
所述第二滤波电路的第一端连接所述电流采样电路,所述第二滤波电路的第二端连接第二运算放大器的同相输入端,
所述第二运算放大器的输出端连接第二比较器的同相输入端,第二比较器的反相输入端接参考电压;
所述第二运算放大器用于将所述电流采样电路采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并通过所述第二滤波电路对所述电压信号进行滤波后放大处理,放大处理处理后电压信号输出给第二比较器;所述第二比较器用于判断所述第二运算放大器输入的电压信号是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生短路,输出短路控制信号给所述驱动电路。
通过第二滤波电路、第二运算放大器、第二比较器构建短路检测电路,通过第二滤波电路根据设定的滤波时间对电压信号进行滤波处理,通过第二运算放大器根据设定的放大倍数对滤波后的电压信号进行放大处理,通过第二比较器对第二运算放大器输入的电压信号和参考电压进行比较,输入电压大于参考电压时判定电路回路中发生短路。第二滤波电路、第二运算放大器、第二比较器均为通用、成熟稳定的电路元器件或由通用电路元器件组成,提高了短路检测电路的稳定性和可靠性,降低了成本,而且整个短路检测过程均是电信号的直接判断,不存在数据分析过程,响应速度快,实现了对电路短路的迅速检测。
作为一种可选的实施方式,所述驱动电路包括第一或门;所述第一或门的输入A端与第一比较器的输出端连接,输入B端与第二比较器的输出端连接,用于在收到第一比较器输入的过载控制信号或第二比较器输入的短路控制信号后,输出高电平。
第一或门通过输入A端和输入B端分别连接第一比较器的输出端和第二比较器的输出端,采用通用、成熟稳定的电路元器件或门在收到的过载控制信号或短路控制信号任一信号后直接输出驱动信号,响应速度快,稳定可靠,成本低。
作为一种可选的实施方式,所述驱动电路还包括可控硅;所述可控硅的控制极与第一或门的输出端连接,所述可控硅的阴极与所述电路回路中电源的负极端连接,所述可控硅的阳极与所述保护开关连接,用于在收到第一或门输出的高电平后导通,使所述保护开关低电平关断。
在过载检测电路检测到电路回路发生过载或短路检测电路检测到电路回路发生短路时,可控硅在收到第一或门输出的高电平后将一直处于导通状态,保护开关将一直持续低电平关断,从而电路回路中电源也将一直处于关断状态,实现了发生过载与短路时的可靠保护。可控硅为通用、成熟稳定的电路元器件,稳定可靠,成本低。
第二方面,本发明实施例提供了一种电子断路器,所述电子断路器包括电流采样电路、保护开关及上述第一方面任一项所述的过载与短路保护电路;
所述电流采样电路与所述过载与短路保护电路连接,用于采集电路回路中的电流信号;
所述保护开关与所述电流采样电路、负载串联在所述电路回路中,用于在所述电路回路中发生过载或短路时,接收所述过载与短路保护电路输出的驱动电压,关断所述电路回路的电源。
电子断路器无需单片机,仅通过电流采样电路、保护开关、过载与短路保护电路组成的纯硬件电路实现过载与短路保护功能,保护开关在收到过载与短路保护电路输出的驱动电压后将直接关断电路回路的电源,不仅响应速度快,而且稳定可靠,成本低。
作为一种可选的实施方式,所述电子断路器还包括过流保护电路;所述过流保护电路用于在所述电路回路上电时,控制电路中电流实现逐步上升。
通过过流保护电路实现了在电路回路上电时,电路中电流的逐步上升,实现了电子断路器的过流保护功能,有效解决了电路刚上电时的尖峰浪涌问题。
作为一种可选的实施方式,所述过流保护电路包括第一电阻、第一三极管、第一电容、第二电阻、第三电阻及第二三极管;
所述第一电阻的第一端与第一三极管的漏极连接,所述第一电阻的第一端还与所述保护开关的第一端连接,
所述第一三极管的源极与第一电阻的第二端连接,所述第一三极管的源极还与所述第一电容的第一端及所述电路回路中电源正极连接,
所述第一电容的第二端与第一三极管的栅极连接,所述第一电容的第二端还与第二电阻的第一端连接,所述第二电阻的第一端与第三电阻的第一端连接,所述第三电阻的第二端与所述电路回路中电源正极连接,
所述第二电阻的第二端与第二三极管的漏极连接,第二三极管的栅极与所述保护开关的第二端连接,所述第二三极管的源极与所述电路回路中电源负极连接。
在电路上电时,第一电阻将接入电路,电流经过第一电阻后才流进负载,通过第一电容控制第一三极管完全导通的时间,使第一三极管逐渐导通,实现电路上电时电流大小的逐步上升,达到过流保护的目的,而且第一三极管完全导通后第一电阻将不再接入电路,有效解决了第一电阻一直接入电路中不断发烫的问题。组成过流保护电路的第一电阻、第一三极管、第一电容、第二电阻、第三电阻及第二三极管均为通用、成熟稳定的电路元器件,稳定可靠,成本低。
作为一种可选的实施方式,所述电子断路器还包括第二短路保护电路;所述第二短路保护电路包括第三三极管;
所述第三三极管与所述保护开关、电流采样电路连接,用于在电流采样电路采集的回路电流值达到预设的短路电流值时,控制所述保护开关关断。
通过第三三极管在电流采样电路采集的回路电流值达到预设的短路电流值时,控制所述保护开关关断,使得电子断路器即使过载与短路保护电路的功能故障,电子断路器一样可以实现短路保护功能,而且第三三极管为通用、成熟稳定的电路元器件,响应速度快,稳定可靠,成本低。
作为一种可选的实施方式,所述电子断路器还包括自检电路;所述自检电路与所述保护开关连接,用于在所述电路回路上电时,检测所述保护开关的状态是否正常。
通过自检电路实现了对保护开关的状态检测,便于工作人员了解保护开关是否正常,在发现保护开关状态异常时可以及时更换或维修,确保电子断路器的正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明及理解本发明实施例中的技术方案,下面将对本发明背景技术、实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的过载与短路保护电路的原理框图;
图2为本发明实施例一提供的过载与短路保护电路的电路结构示意图;
图3为本发明实施例二提供的电子断路器的结构图原理;
图4为本发明实施例二提供的电子断路器的电路结构示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚,下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参考图1所述,图1为本发明实施例一提供的过载与短路保护电路的原理框图。如图中所述本实施例中过载与短路保护电路100包括过载检测电路101、短路检测电路102以及驱动电路103;
所述过载检测电路101的输入端与电流采样电路104连接,用于将所述电流采样电路104采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并对所述电压信号进行滤波、放大处理后判断其是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生过载,输出过载控制信号给所述驱动电路103;其中,所述滤波的时间为T1,所述放大的倍数为N1;
所述短路检测电路102的输入端与电流采样电路104连接,用于将所述电流采样电路104采集的电路回路中的所述电流信号转换为电压信号,并对所述电压信号进行滤波、放大处理后判断其是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生短路,输出短路控制信号给所述驱动电路103;其中,所述短路检测电路102在对所述电压信号进行滤波、放大处理时,所述滤波的时间为T2,所述放大的倍数为N2,T2小于T1,N2小于N1。
所述驱动电路103的第一输入端与所述过载检测电路101的输出端连接,所述驱动电路103的第二输入端与所述短路检测电路102的输出端连接;所述驱动电路103用于在收到过载控制信号或短路控制信号后,向电路回路中的保护开关105输出驱动电压,所述保护开关105在收到所述驱动电压后将所述电路回路的电源关断。
在本实施例中对过载检测电路101、短路检测电路102设置不同的滤波时间和放大倍数,使得过载检测电路101、短路检测电路102对信号的处理存在时间差,因此,过载检测电路101、短路检测电路102针对电流采样电路104采集的同样信号既可以实现过载检测,也可以实现短路检测,即在电路过载时,过载检测电路101将检测到过载,并输出过载控制信号给驱动电路103,而短路检测电路102不响应;在电路短路时,短路检测电路102将检测到短路,并输出短路控制信号给驱动电路103,而过载检测电路101不响应。整个过载与短路保护电路100无需单片机,仅通过过载检测电路101、短路检测电路102、驱动电路103组成的纯硬件电路实现过载与短路保护功能,保护开关105在收到驱动电路103输出的驱动电压后将直接关断电路回路的电源,不仅响应速度快,而且稳定可靠,成本低。
需要说明的是,所述过载检测电路101、短路检测电路102的滤波时间和放大倍数需要根据应用场景的具体情况例如负载大小等进行调整,以确保过载检测电路101、短路检测电路102工作时不会误导通,按上述的设计时序实现过载与保护功能。
示例性的,如图2所述,所述过载检测电路101包括第一滤波电路、第一运算放大器U3A及第一比较器U4A;
所述第一滤波电路的第一端连接所述电流采样电路104,所述第一滤波电路的第二端连接第一运算放大器U3A的同相输入端,
所述第一运算放大器U3A的输出端连接第一比较器U4A的同相输入端,第一比较器U4A的反相输入端接参考电压;
所述第一运算放大器U3A用于将所述电流采样电路104采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并通过所述第一滤波电路对所述电压信号进行滤波后放大处理,放大处理处理后电压信号输出给第一比较器U4A;所述第一比较器U4A用于判断所述第一运算放大器U3A输入的电压信号是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生过载,输出过载控制信号给所述驱动电路103。
在本实施例中通过第一滤波电路、第一运算放大器U3A、第一比较器U4A构建过载检测电路101,通过第一滤波电路根据设定的滤波时间对电压信号进行滤波处理,通过第一运算放大器U3A根据设定的放大倍数对滤波后的电压信号进行放大处理,通过第一比较器U4A对第一运算放大器U3A输入的电压信号和参考电压进行比较,输入电压大于参考电压时判定电路回路中发生过载。第一滤波电路、第一运算放大器U3A、第一比较器U4A均为通用、成熟稳定的电路元器件或由通用电路元器件组成,提高了过载检测电路101的稳定性和可靠性,降低了成本,而且整个过载检测过程均是电信号的直接判断,不存在数据分析过程,响应速度快,实现了对电路过载的迅速检测。
示例性的,如图2所示,图中保护开关Q4同图1中105,所述保护开关Q4采用但不限于N-MOS管。所述电流采样电路104包括采样电阻R4。所述第一滤波电路包括电阻R5和电容C2。所述采样电阻R4的第一端接电源负极,所述采样电阻R4的第二端接电阻R5的第一端,所述采样电阻R4的还接保护开关Q4的源极,所述电阻R5的第二端接电容C2的第一端,所述电阻R5的第二端还接第一运算放大器U3A的同向输入端,所述电容C2的第二端接电源负极。在本实施例中N-MOS管Q3、采样电阻R4、电阻R5、电容C2均为通用、成熟稳定的电路元器件,稳定可靠,成本低。
示例性的,如图2所示,所述短路检测电路102包括第二滤波电路、第二运算放大器U3B及第二比较器U4B;
所述第二滤波电路的第一端连接所述电流采样电路104,所述第二滤波电路的第二端连接第二运算放大器U3B的同相输入端,
所述第二运算放大器U3B的输出端连接第二比较器U4B的同相输入端,第二比较器U4B的反相输入端接参考电压;
所述第二运算放大器U3B用于将所述电流采样电路104采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并通过所述第二滤波电路对所述电压信号进行滤波后放大处理,放大处理处理后电压信号输出给第二比较器U4B;所述第二比较器U4B用于判断所述第二运算放大器U3B输入的电压信号是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生短路,输出短路控制信号给所述驱动电路103。
在本实施例中通过第二滤波电路、第二运算放大器U3B、第二比较器U4B构建短路检测电路102,通过第二滤波电路根据设定的滤波时间对电压信号进行滤波处理,通过第二运算放大器U3B根据设定的放大倍数对滤波后的电压信号进行放大处理,通过第二比较器U4B对第二运算放大器U3B输入的电压信号和参考电压进行比较,输入电压大于参考电压时判定电路回路中发生短路。第二滤波电路、第二运算放大器U3B、第二比较器U4B均为通用、成熟稳定的电路元器件或由通用电路元器件组成,提高了短路检测电路102的稳定性和可靠性,降低了成本,而且整个短路检测过程均是电信号的直接判断,不存在数据分析过程,响应速度快,实现了对电路短路的迅速检测。
示例性的,如图2所示,所述第二滤波电路包括电阻R6和电容C3。所述电阻R6的第一端与采样电阻R4的第一端、保护开关Q4的源极连接,所述电阻R6的第二端接电容C3的第一端,所述电阻R6的第二端还接第二运算放大器U3B的同向输入端,所述电容C3的第二端接电源负极。在本实施例中电阻R6、电容C3均为通用、成熟稳定的电路元器件,稳定可靠,成本低。
示例性的,如图2所示,所述驱动电路103包括第一或门U1;所述第一或门U1的输入A端与第一比较器U4A的输出端连接,输入B端与第二比较器U4B的输出端连接,用于在收到第一比较器U4A输入的过载控制信号或第二比较器U4B输入的短路控制信号后,输出高电平。
在本实施例中第一或门U1通过输入A端和输入B端分别连接第一比较器U4A的输出端和第二比较器U4B的输出端,采用通用、成熟稳定的电路元器件或门在收到的过载控制信号或短路控制信号任一信号后直接输出驱动信号,响应速度快,稳定可靠,成本低。
示例性的,如图2所示,所述驱动电路103还包括可控硅Q5;所述可控硅Q5的控制极与第一或门U1的输出端连接,所述可控硅Q5的阴极与所述电路回路中电源的负极端连接,所述可控硅Q5的阳极与所述保护开关Q4连接,用于在收到第一或门U1输出的高电平后导通,使所述保护开关Q4低电平关断。
在本实施例中在过载检测电路101检测到电路回路发生过载或短路检测电路102检测到电路回路发生短路时,可控硅Q5在收到第一或门U1输出的高电平后将一直处于导通状态,保护开关Q4将一直持续低电平关断,从而电路回路中电源也将一直处于关断状态,实现了发生过载与短路时的可靠保护。可控硅Q5为通用、成熟稳定的电路元器件,稳定可靠,成本低。
实施例二
请参照图3所示,图3为本发明实施例二提供的电子断路器的结构图原理。本实施例中电子断路器200包括电流采样电路201、保护开关202及上述实施例一所述的过载与短路保护电路100;
所述电流采样电路201与所述过载与短路保护电路100连接,用于采集电路回路中的电流信号;
所述保护开关202与所述电流采样电路201、负载串联在所述电路回路中,用于在所述电路回路中发生过载或短路时,接收所述过载与短路保护电路100输出的驱动电压,关断所述电路回路的电源。
在本实施例中电子断路器200无需单片机,仅通过电流采样电路201、保护开关202、过载与短路保护电路100组成的纯硬件电路实现过载与短路保护功能,保护开关202在收到过载与短路保护电路100输出的驱动电压后将直接关断电路回路的电源,不仅响应速度快,而且稳定可靠,成本低。
示例性的,所述电子断路器200还包括过流保护电路;所述过流保护电路用于在所述电路回路上电时,控制电路中电流实现逐步上升。
在本实施例中通过过流保护电路实现了在电路回路上电时,电路中电流的逐步上升,实现了电子断路器200的过流保护功能,有效解决了电路刚上电时的尖峰浪涌问题。
示例性的,如图4所示,图中保护开关Q4同图3中202,所述过流保护电路包括第一电阻R1、第一三极管Q1、第一电容C1、第二电阻R2、第三电阻R3及第二三极管Q2;
所述第一电阻R1的第一端与第一三极管Q1的漏极连接,所述第一电阻R1的第一端还与所述保护开关Q4的第一端连接,
所述第一三极管Q1的源极与第一电阻R1的第二端连接,所述第一三极管Q1的源极还与所述第一电容C1的第一端及所述电路回路中电源正极连接,
所述第一电容C1的第二端与第一三极管Q1的栅极连接,所述第一电容C1的第二端还与第二电阻R2的第一端连接,所述第二电阻R2的第一端与第三电阻R3的第一端连接,所述第三电阻R3的第二端与所述电路回路中电源正极连接,
所述第二电阻R2的第二端与第二三极管Q2的漏极连接,第二三极管Q2的栅极与所述保护开关Q4的第二端连接,所述第二三极管Q2的源极与所述电路回路中电源负极连接。
示例性的,如图4所示,所述第一三极管Q1采用但不限于P-MOS管。所述第二三极管Q2采用但不限于N-MOS管。所述第一电阻R1采用水泥电阻或NTC电阻。
在本实施例中,在电路上电时,第一电阻R1将接入电路,电流经过第一电阻R1后才流进负载,通过第一电容C1控制第一三极管Q1完全导通的时间,使第一三极管Q1逐渐导通,实现电路上电时电流大小的逐步上升,达到过流保护的目的,而且第一三极管Q1完全导通后第一电阻R1将不再接入电路,有效解决了第一电阻R1一直接入电路中不断发烫的问题。组成过流保护电路的第一电阻R1、第一三极管Q1、第一电容C1、第二电阻R2、第三电阻R3及第二三极管Q2均为通用、成熟稳定的电路元器件,稳定可靠,成本低。
示例性的,所述电子断路器200还包括第二短路保护电路;所述第二短路保护电路包括第三三极管Q3;
所述第三三极管Q3与所述保护开关Q4、电流采样电路201连接,用于在电流采样电路201采集的回路电流值达到预设的短路电流值时,控制所述保护开关Q4关断。
示例性的,如图4所示,所述第三三极管Q3采用但不限于双极性晶体管。
在本实施例中通过第三三极管Q3在电流采样电路201采集的回路电流值达到预设的短路电流值时,控制所述保护开关Q4关断,使得电子断路器200即使过载与短路保护电路100的功能故障,电子断路器200一样可以实现短路保护功能,而且第三三极管Q3为通用、成熟稳定的电路元器件,响应速度快,稳定可靠,成本低。
示例性的,所述电子断路器200还包括自检电路;所述自检电路与所述保护开关Q4连接,用于在所述电路回路上电时,检测所述保护开关Q4的状态是否正常。
在本实施例中通过自检电路实现了对保护开关Q4的状态检测,便于工作人员了解保护开关Q4是否正常,在发现保护开关Q4状态异常时可以及时更换或维修,确保电子断路器200的正常工作。
示例性的,如图4所示,所述自检电路包括第二或门U2U2、自检指示灯LED1、电阻R16、电阻R17、三极管Q6以及电阻R18,三极管Q6的集电极接PLC的第一引脚;所述PLC的第二引脚接第二三极管Q2的漏极。所述电子断路器200还包括按键上电电路,所述按键上电电路包括自锁按键开关SW1、电容C6、N-MOS管Q6、电阻R19、电阻R20以及指示灯LED2。
如图4所示,本实施例中电子断路器200工作原理如下:按下自锁按键开关SW1,按键闭合,N-MOS管Q7的Ugs=0,N-MOS管Q7不导通,保护开关Q4的栅极点位被电阻R19和电阻R20分压,保护开关Q4的栅极处于高电位状态,从而保护开关Q4导通,电流通路成立;电流通过保险丝F1,经过电阻R1流进负载,再过保护开关Q4及采样电阻R4到地,同时LED指示灯LED2的负极处于高电位,由于可控硅Q5和电阻R20的存在,LED指示灯LED2的负极不为12V,因此,LED指示灯LED2将处于微亮状态,其中,采样电阻R4采集的回路电流值达到预设的短路电流值时,通过电阻R20和第三三极管Q3可以迅速控制保护开关Q4关断。此时,过流保护电路中第二三极管Q2的Ugs被抬到高电位状态,第二三极管Q2导通,第二电阻R2和第三电阻R3对第一三极管Q1的Ugs进行分压,由于第一电容C1的存在,加大了Cgs电容,使得第一三极管Q1的完全导通的时间将变长,从而可以把电阻R1逐渐短路,实现电路上电时电流大小的逐步上升,达到过流保护的目的,而且第一三极管Q1完全导通后第一电阻R1将不再接入电路,有效避免了采用泥地电阻或NTC电阻的第一电阻R1一直接入电路中不断发烫导致阻值变低,对冲击电流保护能力下降的情况发生,此时,连接过流保护电路的PLC引脚输出低电平,PLC收到电子断路器200的状态信息;第一三极管Q1导通后,电流流进负载及指示灯LED3,指示灯LED3处于发光状态,指示负载的运行状态;在保护开关Q4的D1及G1处,电平流进自检电路的第二或门U2,第二或门U2输出高电平,自检指示灯LED1熄灭,同时自检电路的的自检脚输出低电平,PLC接收电子断路器200的自检状态信息,实现对保护开关Q4的状态检查。
电流流过采样电阻R4,产生压降,第三三极管Q3的基极-发射极电压被抬升,若电流超过预设的短路电流值,第三三极管Q3会以ns级速度导通,强制保护开关Q4,使得电子断路器200即使过载与短路保护电路100的功能故障,电子断路器200一样可以实现短路保护功能。
采样电阻R4的压降进入第一运算放大器U3A和第二运算放大器U3B,第一运算放大器U3A和第二运算放大器U3B放大倍数不同,可以根据实际带载及线径进行灵活调整。第一运算放大器U3A和第二运算放大器U3B同向输入端的滤波时间也不相同,使电路拥有时间差,对同样的输入电压既能过载保护又能短路保护。第一运算放大器U3A和第二运算放大器U3B输出的电压信号经过二极管D1、二极管D2对输出电平进行维持,进入第一比较器U4A和第二比较器U4B的输入端,第一比较器U4A和第二比较器U4B将输入电压与参考电压进行比较,比较后的结果输入第一或门U1。当电路发生短路时,采样电阻R4上的电压要迅速通过第二运算放大器U3B,进入第二比较器U4B,再入第一或门U1,第一或门U1输出高电平启动可控硅Q5,使保护开关Q4关闭;同时由于可控硅Q5导通,过流保护电路的第二三极管Q2关断,PLC脚输出高电平,plc接收到电子断路器200信号,使上位机了解电子断路器200的状态。由此可知,在电路短路时,输出状态最先发生改变的是第二运算放大器U3B,再经过第二比较器U4B,使第一或门U1状态发生改变关断电流回路,可控硅Q5导通,指示灯LED2亮起红灯,指示灯LE3绿灯灭,PLC脚输出高电平,指示断路器状态发生改变,此时第二运算放大器U3A由于输入端的滤波较为严重,滤波时间长,输出电平需要过一段时间才会发生改变,而此时电路已经被断开,同时,过流保护电路的第一三极管Q1缓慢关断,第一电阻R1逐渐并入电路,进一步加强电路安全。
电路过载时,负载为容性负载或者感性负载,例如电机等,电路会在上电的瞬间有一个几倍甚至几十倍的瞬间大电流,此时采样电阻R4上会有一个时间短的尖峰,尖峰电压会超过设定电流值,这时电压将会从第二运算放大器U3B走,但由于第二运算放大器U3B的放大倍数小于第一运算放大器U3A的放大倍数,因此,输出电压将触发不了第二运算放大器U3B,从而可以避免误触发短路保护,迫使第一或门U1输出状态只能由第一运算放大器U3B的输出电平进行改变,一旦遇到过载,电压会经过电阻R5和电容C2的滤波,进入第一运算放大器U3A,若电压持续升高的,那么将使第一或门U1输出高电平,指示灯LED2亮红灯,若经过滤波,电平降下来后没到设定的参考电压,那么则认为是由于接的容性负载或感性负载,第一或门U1将会继续保持低电平,电路将正常工作,指示灯LED2红灯微亮,指示灯LED3亮绿灯,同时过流保护电路的第一三极管Q1缓慢关断,第一电阻R1逐渐并入电路,进一步加强电路安全。
在自锁按键开关SW1的按键松开时,N-MOS管Q7导通,保护开关Q4的Ugs被拉低,保护开关Q4断开,电路断开后,过流保护电路的第一三极管缓慢关断,第一电阻R1逐渐并入电路,加强电路安全性,电流从第一电阻R1走掉,指示灯LED3绿灯灭,指示灯LED2的红灯微亮。值得一提的是,本实施例中电子断路器200过载保护的响应速度可以通过电容C2进行调整,例如,若带载为数个电机,则可调整过载电容C2以及短路检测电路的放大倍数,去进行适配。
本发明实施例提出的电子断路器200通过保险丝、过流保护电路、过载与短路保护电路100实现对用电设备的多重保护,无需单片机,整个电路纯硬件电路实现,不仅响应速度快,保护开关不会拉弧,稳定可靠,安全性高,而且成本低,降低了用户使用成本。
注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种过载与短路保护电路,其特征在于,包括过载检测电路、短路检测电路以及驱动电路;
所述过载检测电路的输入端与电流采样电路连接,用于将所述电流采样电路采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并对所述电压信号进行滤波、放大处理后判断其是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生过载,输出过载控制信号给所述驱动电路;其中,所述滤波的时间为T1,所述放大的倍数为N1;
所述短路检测电路的输入端与电流采样电路连接,用于将所述电流采样电路采集的电路回路中的所述电流信号转换为电压信号,并对所述电压信号进行滤波、放大处理后判断其是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生短路,输出短路控制信号给所述驱动电路;其中,所述短路检测电路在对所述电压信号进行滤波、放大处理时,所述滤波的时间为T2,所述放大的倍数为N2,T2小于T1,N2小于N1;
所述驱动电路的第一输入端与所述过载检测电路的输出端连接,所述驱动电路的第二输入端与所述短路检测电路的输出端连接;所述驱动电路用于在收到过载控制信号或短路控制信号后,向电路回路中的保护开关输出驱动电压,所述保护开关在收到所述驱动电压后将所述电路回路的电源关断。
2.根据权利要求1所述的过载与短路保护电路,其特征在于,所述过载检测电路包括第一滤波电路、第一运算放大器及第一比较器;
所述第一滤波电路的第一端连接所述电流采样电路,所述第一滤波电路的第二端连接第一运算放大器的同相输入端,
所述第一运算放大器的输出端连接第一比较器的同相输入端,第一比较器的反相输入端接参考电压;
所述第一运算放大器用于将所述电流采样电路采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并通过所述第一滤波电路对所述电压信号进行滤波后放大处理,放大处理处理后电压信号输出给第一比较器;所述第一比较器用于判断所述第一运算放大器输入的电压信号是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生过载,输出过载控制信号给所述驱动电路。
3.根据权利要求2所述的过载与短路保护电路,其特征在于,所述短路检测电路包括第二滤波电路、第二运算放大器及第二比较器;
所述第二滤波电路的第一端连接所述电流采样电路,所述第二滤波电路的第二端连接第二运算放大器的同相输入端,
所述第二运算放大器的输出端连接第二比较器的同相输入端,第二比较器的反相输入端接参考电压;
所述第二运算放大器用于将所述电流采样电路采集的电路回路中的电流信号转换为电压信号,并通过所述第二滤波电路对所述电压信号进行滤波后放大处理,放大处理处理后电压信号输出给第二比较器;所述第二比较器用于判断所述第二运算放大器输入的电压信号是否大于参考电压,若大于,则判定所述电路回路中发生短路,输出短路控制信号给所述驱动电路。
4.根据权利要求3所述的过载与短路保护电路,其特征在于,所述驱动电路包括第一或门;所述第一或门的输入A端与第一比较器的输出端连接,输入B端与第二比较器的输出端连接,用于在收到第一比较器输入的过载控制信号或第二比较器输入的短路控制信号后,输出高电平。
5.根据权利要求4所述的过载与短路保护电路,其特征在于,所述驱动电路还包括可控硅;所述可控硅的控制极与第一或门的输出端连接,所述可控硅的阴极与所述电路回路中电源的负极端连接,所述可控硅的阳极与所述保护开关连接,用于在收到第一或门输出的高电平后导通,使所述保护开关低电平关断。
6.一种电子断路器,其特征在于,所述电子断路器包括电流采样电路、保护开关以及权利要求1所述的过载与短路保护电路;
所述电流采样电路与所述过载与短路保护电路连接,用于采集电路回路中的电流信号;
所述保护开关与所述电流采样电路、负载串联在所述电路回路中,用于在所述电路回路中发生过载或短路时,接收所述过载与短路保护电路输出的驱动电压,关断所述电路回路的电源。
7.根据权利要求6所述的电子断路器,其特征在于,所述电子断路器还包括过流保护电路;所述过流保护电路用于在所述电路回路上电时,控制电路中电流实现逐步上升。
8.根据权利要求7所述的电子断路器,其特征在于,所述过流保护电路包括第一电阻、第一三极管、第一电容、第二电阻、第三电阻及第二三极管;
所述第一电阻的第一端与第一三极管的漏极连接,所述第一电阻的第一端还与所述保护开关的第一端连接,
所述第一三极管的源极与第一电阻的第二端连接,所述第一三极管的源极还与所述第一电容的第一端及所述电路回路中电源正极连接,
所述第一电容的第二端与第一三极管的栅极连接,所述第一电容的第二端还与第二电阻的第一端连接,所述第二电阻的第一端与第三电阻的第一端连接,所述第三电阻的第二端与所述电路回路中电源正极连接,
所述第二电阻的第二端与第二三极管的漏极连接,第二三极管的栅极与所述保护开关的第二端连接,所述第二三极管的源极与所述电路回路中电源负极连接。
9.根据权利要求6所述的电子断路器,其特征在于,所述电子断路器还包括第二短路保护电路;所述第二短路保护电路包括第三三极管;
所述第三三极管与所述保护开关、电流采样电路连接,用于在电流采样电路采集的回路电流值达到预设的短路电流值时,控制所述保护开关关断。
10.根据权利要求6所述的电子断路器,其特征在于,所述电子断路器还包括自检电路;所述自检电路与所述保护开关连接,用于在所述电路回路上电时,检测所述保护开关的状态是否正常。
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