CN201365120Y

CN201365120Y - 一种开关型晶体管的过载保护电路

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Publication number: CN201365120Y
Application number: CNU2008201680197U
Authority: CN
Inventors: 何岳明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-13
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2018-11-13

Abstract

一种开关型晶体管的过载保护电路，被保护晶体管“输入极”与“输出极”串接在负载回路上，其特征在于过载保护电路为包括有第一输入端、第二输入端和输出端的门电路，第一输入端接电平信号，第二输入端连接“输入极”，输出端连接“控制极”，当第一输入端、第二输入端为低电平“0”，输出端为低电平“0”；当第一输入端为低电平“0”且第二输入端为高电平“1”，输出端为低电平“0”；当第一输入端为高电平“1”且第二输入端为低电平“0”，输出端为高电平“1”；当第一输入端、第二输入端为高电平“1”，输出端为低电平“0”。本实用新型的开关管保护电路为一门电路，电路中减少了场效应管，功率消耗更低。

Description

一种开关型晶体管的过载保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种晶体管的过载保护，特别是一种晶体管作为开关管使用时的过载保护电路。

背景技术

三极管和场效应管都是晶体管元件(由于三极管和场效应管均由NPN和PNP两种，工作电流方向正好相反，为叙述方便，按电流流入、流出方向，将NPN型三极管的集电极、PNP型三极管的发射极、NPN型场效应管的漏极及PNP场效应管的源极统称为“输入极”；将NPN型三极管的发射极、PNP型三极管的集电极、NPN场效应管的源极及PNP场效应管的漏极统称为“输出极”；将三极管的基极与场效应管的栅极统称为“控制极”)，电路中通常将它们用来作为开关器件，其缺点在于一旦过载极易造成损坏。为了解决这个问题，人们设计出了各种各样的晶体管保护电路，在外电路发生过载或短路时可以实现晶体管的截止，防止晶体管烧坏。

如图4所述，即为现有技术中常见的一种晶体管过载保护电路，被保护的开关型晶体管为场效应管Q1，该保护电路在正常工作状态下，场效应管Q1、场效应管Q2导通，负载RL正常工作，而当负载RL短路或过载时，场效应管Q2自锁使得场效应管Q1截止而获得保护。但是，上述电路在开关管回路中串接了两个晶体管，整个控制回路会额外增加压降和功率损耗，使得开关型晶体管的开关特性变差，这个矛盾在低电压大电流的工作状态下尤其突出。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种既可有效保护晶体管又不增加压降和功率损耗的开关晶体管过载保护电路。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：该开关型晶体管的过载保护电路，被保护晶体管的“输入极”与“输出极”串接在负载回路上，其特征在于：该被保护晶体管的过载保护电路为一包括有第一输入端(To)、第二输入端(Fo)和输出端(Ko)的门电路，其中，所述过载保护电路的第一输入端(To)接收外接开关信号电路的输出电平信号，所述过载保护电路的第二输入端(Fo)连接被保护晶体管的“输入极”，所述过载保护电路的输出端(Ko)连接被保护晶体管的“控制极”，并且，所述的过载保护电路的输入端与输出端之间具有如下的逻辑关系：

当所述过载保护电路的第一输入端(To)、第二输入端(Fo)同时为低电平“0”时，所述过载保护电路的输出端(Ko)也为低电平“0”；

当所述过载保护电路的第一输入端(To)为低电平“0”，且第二输入端(Fo)为高电平“1”时，所述过载保护电路的输出端(Ko)为低电平“0”；

当所述过载保护电路的第一输入端(To)为高电平“1”，且第二输入端(Fo)为低电平“0”时，所述过载保护电路的输出端(Ko)为高电平“1”；

当所述过载保护电路的第一输入端(To)、第二输入端(Fo)同时为高电平“1”时，所述过载保护电路的输出端(Ko)为低电平“0”。

作为优选，可以在电路中采用由运放和三极管相配合的信号控制电路，将直接来自开关信号电路的输出信号通过运放转换为可控制三极管工作的信号电平，进而通过三极管控制场效应管的导通和截止。

所述的保护电路包括有第一运放(IC1)、第一三极管(BG1)和第二三极管(BG2)，其中，所述开关信号电路的电平信号输出端(out)作为整个保护电路的输入端(Fo)一路经第二电阻(R2)接场效应管(Q)的栅极，另一路经第一电阻(R1)接第一三极管(BG1)的基极，第一三极管(BG)的发射极接地，第一三极管(BG1)的集电极经第三电阻(R3)分为两路，一路接第一运放(IC1)的负输入端(A)，另一路经第四电阻(R4)接电源(U)正极，第一运放(IC1)的正输入端(B)一路经第六电阻(R6)和场效应管(Q)的漏极相连，该第六电阻(R6)和场效应管(Q)漏极的交结点即为整个保护电路的反馈端(Fo)，第一运放(IC1)的正输入端(B)的另一路经第五电阻(R5)接地，负载(RL)的一端接电源(U)正极，另一端接场效应管(Q)的漏极，场效应管(Q)的源极接地，第一运放(IC1)的输出端经第七电阻(R7)接第二三极管(BG2)的基极，第二三极管(BG2)的发射极接地，第二三极管(BG2)的集电极作为整个保护电路的输出端(Ko)连接场效应管(Q)的栅极；在所述的第一三极管(BG1)的基极和发射极之间还连接有第一电容(C1)，在输入高电平时，可以保证场效应管(Q)先导通；

这里，所述的第一运放(IC1)的正输入端(B)电位通过第五电阻(R5)和第六电阻(R6)的分压比确定，而第一运放(IC1)的负输入端(A)电位通过第四电阻(R4)和第三电阻(R3)的分压比确定；在正常工作状态下，第二三极管(BG2)是截止的，第一运放(IC1)的负输入端(A)电位始终高于第一运放(IC1)的正输入端(B)电位，只有在负载(RL)短路或过载时，第一运放(IC1)的正输入端(B)电位才会高于第一运放(IC1)的负输入端(A)电位而发生翻转，第二二极管(BG2)导通，即对场效应管(Q)起到截止保护作用。

作为另一优选，所述的保护电路也可以通过若干个串接三极管实现，具体地，包括有第三三极管(BG3)、第四三极管(BG4)和第五三极管(BG5)，其中，所述开关信号电路的输出端(out)作为整个保护电路的输入端(To)一路经第九电阻(R9)连接第三三极管(BG3)的基极，另一路经第十电阻(R10)连接场效应管(Q)的栅极，该第三三极管(BG3)的集电极和所述电源(U)的正极相连，第三三极管(BG3)的发射极连接第四三极管(BG4)的集电极，该第四三极管(BG4)的发射极一路经第十二电阻(R12)连接所述电源(U)的负极，另一路连接第五三极管(BG5)的基极，所述第四三极管(BG4)的基极经第十一电阻和场效应管(Q)的漏极相连，该第十一电阻(R11)和场效应管(Q)漏极的交结点即为整个保护电路的反馈端(Fo)，第五三极管(BG5)的发射极和电源(U)的负极相连，该第五三极管(BG5)的集电极作为整个保护电路的输出端(Ko)连接场效应管(Q)的栅极；还包括有一由第二电容(C2)和第八电阻(R8)组成的延时回路，并且，所述的第二电容(C2)和第八电阻(R8)分别并接在所述第三三极管(BG3)的基极和所述电源(U)负极之间，在输入高电平时，可以保证场效应管(Q)优先导通；

于是，场效应管(Q)在开关信号电路输出低电平时截止，在开关信号电路输出高电平且电路处于正常工作状态时导通，并且，第五三极管(BG5)均是截止的；只有当负载短路或过载时，第三三极管(BG3)、第四三极管(BG4)同时导通，此时，第五三极管(BG5)才会导通，此时，场效应管(Q)截止并获得保护。

三极管在饱和导通状态下，同样可以作为开关管使用，于是，所述的场效应管(Q)可以由三极管替代，相应地，所述场效应管的栅极、源极和漏极分别由所述三极管的基极、发射极和集电极替代。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型设计的开关管保护电路为一门电路，输入端和输出端之间具有一定的逻辑关系，由第二输入端来检测电路是否过载或短路，并控制保护电路的输出端，即在负载正常工作时，能够保证场效应管的导通，以保证电路的正常接通状态，而在外接负载短路时，场效应管能够自动截止，从而实现过载保护；而且，整个电路只采用一个场效应管来实现开关功能和截止保护功能，功率消耗更低，也降低了成本。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电路原理框图。

图2为本实用新型实施例一的电路结构图；

图3为本实用新型实施例二的电路结构图；

图4为现有技术中晶体管保护电路的电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，为本实用新型的开关型晶体管的过载保护电路原理图，该过载保护电路连接在直流电源U的正负极之间，一开关信号电路1用于产生高电平或低电平的触发信号，具有一电平信号输出端out，且该开关信号电路1的正负输入端分别和所述电源U的正负极相连；在过载保护电路的开关回路中串接有工作负载RL；其中，被保护晶体管为一NPN型场效应管，过载保护电路为包括有第一输入端To、第二输入端Fo和输出端Ko的门电路，过载保护电路的第一输入端To接收外接开关信号电路2的输出端out电平信号，过载保护电路的第二输入端Fo连接场效应管Q的漏极，过载保护电路的输出端Ko连接场效应管的栅极。

本实用新型只采用一个场效应管Q既能实现该场效应管的开关管功能，又在外电路过载时实现截止保护，过载保护电路的输入与输出之间具有如下的逻辑关系：

当所述过载保护电路的第一输入端、第二输入端同时为低电平“0”时，所述过载保护电路的输出端也为低电平“0”；

当所述过载保护电路的第一输入端为低电平“0”，且第二输入端为高电平“1”时，所述过载保护电路的输出端为低电平“0”；

当所述过载保护电路的第一输入端为高电平“1”，且第二输入端为低电平“0”时，所述过载保护电路的输出端为高电平“1”；

当所述过载保护电路的第一输入端、第二输入端同时为高电平“1”时，所述过载保护电路的输出端为低电平“0”。

具体地，过载保护电路的逻辑功能如下：

当保护电路的第一输入端输入为低电平时，该保护电路的输出端Ko输出低电平，此时，保护电路第二输入端Fo为高电平，并保持保护电路的输出端Ko为低电平，场效应管Q截止，负载RL无电流；

当保护电路的第一输入端输入为高电平时，该保护电路的输出端Ko输出高电平，此时，保护电路第二输入端Fo为低电平，并保持保护电路的输出端Ko为高电平，场效应管Q导通，负载RL流过额定电流；

当保护电路的第一输入端输入为高电平，且在负载RL短路或过载时，此时，保护电路第二输入端Fo为高电平，并控制保护电路的输出端Ko由高电平变为低电平，场效应管截止并处于保护状态。

上述的过载保护电路具体可采用如下的两个电路结构来实现。

实施例一，如图2所示：

所述的保护电路包括有第一运放IC1、第一三极管BG1和第二三极管BG2，其中，开关信号电路1的电平信号输出端out作为整个保护电路的输入端Fo一路经第二电阻R2接场效应管Q的栅极，另一路经第一电阻R1接第一三极管BG1的基极，第一三极管BG的发射极接地，第一三极管BG的集电极经第三电阻R3分为两路，一路接第一运放IC1的负输入端A，另一路经第四电阻R4接电源U正极，第一运放IC1的正输入端B一路经第六电阻R6和场效应管Q的漏极相连，该第六电阻R6和场效应管Q漏极的交结点即为整个保护电路的反馈端Fo，第一运放IC1的正输入端B的另一路经第五电阻R5接地，负载RL的一端接电源U正极，另一端接场效应管Q的漏极，场效应管Q的源极接地，第一运放IC1的输出端经第七电阻R7接第二三极管BG2的基极，第二三极管BG2的发射极接地，第二三极管BG2的集电极作为整个保护电路的输出端Ko连接场效应管Q的栅极；并且，第一三极管BG1的基极和发射极之间还连接有第一电容C1。

实施例一的电路工作原理为：

①、当开关信号电路1输出低电平，场效应管Q截止，第一三极管BG1截止，因为第五电阻R5、第六电阻R6的阻值远远大于负载RL的阻值，因此，流过负载RL的电流很小，场效应管Q的漏极电位接近电源U电压，设定第五电阻R5、第六电阻R6的分压比，以及第三电阻R3、第四电阻R4的分压比，使得第一运放IC1的负输入端B电位高于正输入端A电位；此时，第一运放IC1反偏并输出低电平，第二三极管BG2也处于截止状态，这时，因为场效应管Q是处于截止状态的，即使负载RL短路，对场效应管Q也无影响。

②、当开关信号电路1输出高电平，场效应管Q优先导通，该场效应管Q的漏极电位降低并接近为零，于是，第一运放IC1的正输入端B的电位也接近为零，而第一三极管BG1也导通，第一运放IC1的负输入端A因为第三电阻R3上存在压降而仍然高于第一运放IC1的正输入端B电位，第一运放IC1输出低电平，第二三极管BG2截止；此时，电源U给负载RL供电，负载RL流过额定电流而正常工作。

③、在开关信号电路1输出高电平且负载正常工作状态下，如果负载RL短路或过载，场效应管Q的漏极电位升高，于是，第一运放IC1的正输入端B电位也升高，当第一运放IC1的正输入端B电位高于负输入端A电位时，第一运放IC1即输出高电平；这时，第二三极管BG2导通，场效应管Q的栅极电位被拉低并接近零电位，场效应管Q截止得以保护。

实施例一中的第一电容C1能够起到延迟第一三极管BG1的导通时间，在输入高电平时，能够确保让场效应管Q优先导通，从而保证了电路工作的稳定性，避免因为第一三极管BG1先导通而引起场效应管Q自锁。

实施例二，如图3所示：

所述的保护电路包括有第三三极管BG3、第四三极管BG4和第五三极管BG5，其中，开关信号电路的输出端out作为整个保护电路的输入端To一路经第九电阻R9连接第三三极管BG3的基极，另一路经第十电阻R10连接场效应管Q的栅极，该第三三极管BG3的集电极和电源U的正极相连，第三三极管BG3的发射极连接第四三极管BG4的集电极，该第四三极管BG4的发射极一路经第十二电阻R12连接电源U的负极，另一路连接第五三极管BG5的基极，第四三极管BG4的基极经第十一电阻和场效应管Q的漏极相连，该第十一电阻R11和场效应管Q漏极的交结点即为整个保护电路的反馈端Fo，第五三极管BG5的发射极和电源U的负极相连，该第五三极管BG5的集电极作为整个保护电路的输出端Ko连接场效应管Q的栅极；

还包括有一由第二电容C2和第八电阻R8组成的延时放电回路，并且，第二电容C2和第八电阻R8分别并接在第三三极管BG3的基极和电源U负极之间。

实施例二的电路工作原理为：

①、当开关信号电路1输出低电平，场效应管Q截止，第三三极管BG1截止，因为第五三极管BG5必须在第三三极管BG3和第四三极管BG4都导通的情况下才能导通，于是，第五三极管BG5截止，此时，因为场效应管Q为截止状态，电流不通过场效应管Q，不管负载RL是否短路或过载，都对场效应管Q无影响。

②、当开关信号电路1输出高电平，场效应管Q优先导通，第三三极管BG3也导通，此时，场效应管Q的漏极因为导通而电位接近零，第四三极管BG4的基极电位也接近为零，第四三极管BG4截止，因为第五三极管BG5必须在第三三极管BG3和第四三极管BG4都导通的情况下才能导通，由于第四三极管BG4截止，第五三极管BG5也截止；因此，场效应管Q保持导通状态不变，负载RL流过额定电流而正常工作。

③、在开关信号电路1输出高电平且负载正常工作状态下，此时，若负载RL短路或过载，场效应管Q的漏极电位升高，于是，第四三极管BG4的基极电位升高而正向偏置导通，此时，第三三极管BG3也导通，第三三极管BG3和第四三极管BG4处于同时导通状态，因此，第五三极管BG5导通，场效应管Q的栅极电位被拉低并接近为零，场效应管Q截止而获得过载保护。

在第三三极管BG3的基极和电源U负极之间还分别并接由第二电容C2和第八电阻R8组成的延时电路，这样，在输入高电平时，第三三极管BG3因为第二电容C2的延时作用，导通时间要比场效应管Q慢，否则，一旦第三三极管BG3先导通，第四三极管BG4和第五三极管BG5也随之导通，场效应管Q就被截止，而场效应管Q的优先导通保证了第四三极管BG4的可靠截止，从而避免对场效应管Q的自锁。

Claims

1、一种开关型晶体管的过载保护电路，被保护晶体管的“输入极”与“输出极”串接在负载回路上，其特征在于：该被保护晶体管的过载保护电路为一包括有第一输入端(To)、第二输入端(Fo)和输出端(Ko)的门电路，其中，所述过载保护电路的第一输入端(To)接收外接开关信号电路(2)的输出端(out)电平信号，所述过载保护电路的第二输入端(Fo)连接被保护晶体管的“输入极”，所述过载保护电路的输出端(Ko)连接被保护晶体管的“控制极”，并且，所述的过载保护电路的输入端与输出端之间具有如下的逻辑关系：

2、根据权利要求1所述的开关型晶体管的过载保护电路，其特征在于：所述的过载保护电路具体为：包括有第一运放(IC1)、第一三极管(BG1)和第二三极管(BG2)，其中，外接开关信号电路的电平信号输出端(out)作为整个保护电路的第一输入端(To)一路经第二电阻(R2)接NPN型场效应管(Q)的栅极，另一路经第一电阻(R1)接第一三极管(BG1)的基极，第一三极管(BG)的发射极接地，第一三极管(BG1)的集电极经第三电阻(R3)分为两路，一路接第一运放(IC1)的负输入端(A)，另一路经第四电阻(R4)接电源(U)正极，第一运放(IC1)的正输入端(B)一路经第六电阻(R6)和场效应管(Q)的漏极相连，该场效应管(Q)漏极即为整个保护电路的第二输入端(Fo)，第一运放(IC1)的正输入端(B)的另一路经第五电阻(R5)接地，负载(RL)的一端接电源(U)正极，另一端接场效应管(Q)的漏极，场效应管(Q)的源极接地，第一运放(IC1)的输出端经第七电阻(R7)接第二三极管(BG2)的基极，第二三极管(BG2)的发射极接地，第二三极管(BG2)的集电极作为整个保护电路的输出端(Ko)连接场效应管(Q)的栅极；在所述的第一三极管(BG1)的基极和发射极之间还连接有第一电容(C1)。

3、根据权利要求1所述的开关型晶体管的过载保护电路，其特征在于：所述的过载保护电路具体为：包括有第三三极管(BG3)、第四三极管(BG4)和第五三极管(BG5)，

其中，外接开关信号电路的输出端(out)作为整个保护电路的第一输入端(To)一路经第九电阻(R9)连接第三三极管(BG3)的基极，另一路经第十电阻(R10)连接NPN型场效应管(Q)的栅极，该第三三极管(BG3)的集电极和电源(U)的正极相连，第三三极管(BG3)的发射极连接第四三极管(BG4)的集电极，该第四三极管(BG4)的发射极一路经第十二电阻(R12)连接电源(U)的负极，另一路连接第五三极管(BG5)的基极，所述第四三极管(BG4)的基极经第十一电阻和场效应管(Q)的漏极相连，该场效应管(Q)漏极即为整个保护电路的第二输入端(Fo)，第五三极管(BG5)的发射极和电源(U)的负极相连，该第五三极管(BG5)的集电极作为整个保护电路的输出端(Ko)连接场效应管(Q)的栅极；还包括有一由第二电容(C2)和第八电阻(R8)组成的延时回路，并且，所述的第二电容(C2)和第八电阻(R8)分别并接在所述第三三极管(BG3)的基极和电源(U)负极之间。

4、根据权利要求1所述的开关型晶体管的过载保护电路，其特征在于：所述的过载保护电路具体为：包括有第一运放(IC1)、第一三极管(BG1)和第二三极管(BG2)，其中，外接开关信号电路的电平信号输出端(out)作为整个保护电路的第一输入端(To)一路经第二电阻(R2)接NPN型三极管的基极，另一路经第一电阻(R1)接第一三极管(BG1)的基极，第一三极管(BG)的发射极接地，第一三极管(BG1)的集电极经第三电阻(R3)分为两路，一路接第一运放(IC1)的负输入端(A)，另一路经第四电阻(R4)接电源(U)正极，第一运放(IC1)的正输入端(B)一路经第六电阻(R6)和三极管的集电极相连，该三极管的集电极即为整个保护电路的第二输入端(Fo)，第一运放(IC1)的正输入端(B)的另一路经第五电阻(R5)接地，负载(RL)的一端接电源(U)正极，另一端接三极管的集电极，三极管的发射极接地，第一运放(IC1)的输出端经第七电阻(R7)接第二三极管(BG2)的基极，第二三极管(BG2)的发射极接地，第二三极管(BG2)的集电极作为整个保护电路的输出端(Ko)连接三极管的基极；在所述的第一三极管(BG1)的基极和发射极之间还连接有第一电容(C1)。

5、根据权利要求1所述的开关型晶体管的过载保护电路，其特征在于：所述的过载保护电路具体为：包括有第三三极管(BG3)、第四三极管(BG4)和第五三极管(BG5)，

其中，外接开关信号电路的输出端(out)作为整个保护电路的第一输入端(To)一路经第九电阻(R9)连接第三三极管(BG3)的基极，另一路经第十电阻(R10)连接NPN型三极管的基极，该第三三极管(BG3)的集电极和电源(U)的正极相连，第三三极管(BG3)的发射极连接第四三极管(B(34)的集电极，该第四三极管(BG4)的发射极一路经第十二电阻(R12)连接电源(U)的负极，另一路连接第五三极管(BG5)的基极，所述第四三极管(BG4)的基极经第十一电阻和三极管的集电极相连，该三极管的集电极即为整个保护电路的第二输入端(Fo)，第五三极管(BG5)的发射极和电源(U)的负极相连，该第五三极管(BG5)的集电极作为整个保护电路的输出端(Ko)连接三极管的基极；还包括有一由第二电容(C2)和第八电阻(R8)组成的延时回路，并且，所述的第二电容(C2)和第八电阻(R8)分别并接在所述第三三极管(BG3)的基极和电源(U)负极之间。