CN207021659U - 一种直流保护电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流保护电路，包括电路监控系统及开关电路，所述电路监控系统包括监控模块、延时电路及向监控模块提供工作电源的电源电路，所述开关电路包括负载及与负载相连用于保护负载在短路或过载状态下不被损坏的开关管，所述开关管的漏极与监控模块的输入端相连，所述延时电路的输入端与监控模块的输出端相连，其输出端与开关管的栅极相连。本实用新型所述的保护电路及其保护方法，稳定性高，成本低，性价比高，具有很强的推广和实际应用价值，对于短路和过载采用两种应对措施，短路和过载采用不同的延时保护机制，通过延时电路控制开关管的缓慢关断，避免了电子设备频繁切换重启，故障排除后，保护模块无需重新上电。

Description

一种直流保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种保护电路，具体涉及一种直流保护电路。

背景技术

如果电源输出端的电流已经超过了设计的额定要求,那么这个电源就处于过载状态。产生的现象是电流过大，用电设备发热，线路长期过载会降低线路绝缘水平，甚至烧毁设备或线路；原因是多方面的，比如用电设备过载、线路短路、设备绝缘破坏等，如电动机发生堵转，吊车吊不动等。

元件损坏、气象条件影响或人为破坏等因素都可能造成电路短路现象的发生。由于导线的电阻很小，电源短路时电路上的电流会非常大。这样大的电流，极有可能会造成电源损坏;更为严重的是，因为电流太大，会使导线的温度升高，严重时有可能造成火灾。

现有技术方案可以解决电路短路或过载问题，具有电路保护功能。但是没有考虑到电路运转中的一些实际问题。首先是没有将短路与过载区别对待。当电路电流超过额定电流时不一定是发生了短路也有可能仅仅是发生了过载。如搅拌机在运行的过程中，偶尔遇到体积较大的搅拌物体被挡住无法正常运转电动机发生堵转，可能就会造成搅拌机回路电流增大，发生过载现象。但是机器会很快克服大体积搅拌物从而恢复正常工作。在上述情况下，机器若是可以在很短的时间内克服过载恢复正常工作，那么就没必要将电动机发生堵转视为短路而直接断开电路，中断机器的运行。其次，现有技术也没有提出电路发生故障后的电压比较器或电源监控模块的保护措施，另外，保护电路在系统故障排除后，需要重新上电才可恢复正常，保护电路需要上电重启。

为解决上述问题，有必要提供一种解决电路短路和过载的保护方法和保护电路。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种直流保护电路，稳定性高，对于短路和过载采用两种应对措施，通过延时电路控制电路的缓慢关断，避免了电子设备频繁切换重启，当故障排除后，负载重新接入后即可正常工作，无需重新上电。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种直流保护电路，包括电路监控系统及开关电路，所述电路监控系统包括监控模块、延时电路及向监控模块提供工作电源的电源电路，所述开关电路包括负载及与负载相连用于保护负载在短路或过载状态下不被损坏的开关管，所述开关管的漏极与监控模块的输入端相连，所述延时电路的输入端与监控模块的输出端相连，其输出端与开关管的栅极相连。

进一步的，所述电路监控系统还包括故障显示电路，所述故障显示电路的输入端与监控模块的输出端相连。

进一步的，所述开关管包括MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，所述MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极均与延时电路的输出端相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的漏极均与监控模块相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的源极接地、并经电源DC与负载的输入端相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别经电容C4、C5、C6、C7接地。

进一步的，所述监控模块包括双运算放大器U1及二极管D5、D6、D7、D8，所述运算放大器U1包括比较器一和比较器二，比较器一的反相输入端经串联的电阻R13、R18与开关管的漏极相连，比较器二的反向输入端经串联的电阻R14、R15与开关管的漏极相连，所述二极管D5的阳极与比较器二的反相输入端连接，并经电容C12与电阻R19并联后与二极管D6的阴极对接，二极管D5的阴极与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极接地，比较器一及比较器二的输出端与延时电路连接；所述比较器一的反相输入端与二极管D7的阳极连接，并经电容C13与电阻R20并联后与二极管D8的阴极相连，二极管D7的阴极与二极管D8的阳极对接，二极管D8的阴极接地。

进一步的，所述延时电路包括过载故障延时电路和短路故障延时电路，所述过载故障延伸电路包括二极管D3，所述二极管D3的阳极依次经电阻R6与电容C8串联后接地，电阻R6与电容C8之间的节点经电阻R7与开关管的栅极连接，二极管D3的阴极经电阻R3与开关管的栅极连接；所述短路故障延时电路包括二极管D4，二极管D4的阳极经电阻R4与开关管的栅极连接，其阴极经电阻R5与开关管的栅极连接。

进一步的，所述电源电路包括精密可调稳压器U2、发光二极管D0、稳压二极管D1、二极管D2,所述精密可调稳压器U2的阳极接地，其阴极经两串联的电阻R10、R1与二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极与电源相连以获取基准电压，所述精密可调稳压器U2的阳极接地，并经三个串联的电阻R8、R9、R12与精密可调稳压器U2的参考端及阴极连接，电阻R8与电阻R9之间的节点以及电阻R9与电阻R12之间的节点分别与监控模块相连，用于向监控模块提供不同的基准电压；所述发光二极管D0的阳极经电阻R2与电源相连，所述发光二极管D0的阴极接地，并与稳压二极管D1的阳极连接，稳压二极管D1的阴极与电源监控模块相连，所述电阻R1的两端并联有电阻R11，稳压二极管D1的两端并联有电容C1、C2、C3。

进一步的，所述故障显示电路包括二极管D9、D10及发光二极管D11，所述二极管D9与发光二极管D11的阴极相连，并与二极管D10的阳极相连，二极管D9的阳极经电阻R21与电源监控模块连接，二极管D9的阴极与比较器一的输出端相连，二极管D10的阴极比较器二的输出端相连。

由上述技术方案可知，本实用新型所述的直流保护电路，稳定性高，成本低，性价比高，具有很强的推广和实际应用价值，对于短路和过载采用两种应对措施，短路由于电流过大采用快速关断措施，过载使用慢速关断措施，给予一定的响应时间且对故障后电源监控模块有保护措施。短路和过载采用不同的延时保护机制，短路电流过大容易损毁电子设备，通过延时电路控制MOS管的关断，避免了电子设备频繁切换重启。当短路或过载发生后，MOS管断开供电回路，故障排除后，负载重新接入后即可正常工作，保护模块无需重新上电。

附图说明

图1是本实用新型的电路框图；

图2是本实用新型开关管的电路图；

图3是本实用新型监控模块的电路图；

图4本实用新型延时电路的电路图；

图5是本实用新型电源电路的电路图；

图6是本实用新型故障显示电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1所示，本实施例的直流保护电路，包括电路监控系统及开关电路，电路监控系统包括监控模块1、故障显示电路4、延时电路2及向监控模块1提供工作电源的电源电路3，开关电路包括负载6、开关管5及电源DC，开关管5的漏极与监控模块1的输入端相连，故障显示电路4的输入端与监控模块1的输出端相连，延时电路2的输入端与监控模块1的输出端相连，延时电路2的输出端与开关管5的栅极相连，开关管5的源极与电源DC的负极相连，电源DC 7的正极与负载6相连。

延时电路2包括过载故障延时电路21和短路故障延时电路22，该过载故障延伸电路21包括二极管D3，二极管D3的阳极依次经电阻R6与电容C8串联后接地，电阻R6与电容C8之间的节点经电阻R7与开关管的栅极连接，二极管D3的阴极经电阻R3与开关管的栅极连接；该短路故障延时电路22包括二极管D4，二极管D4的阳极经电阻R4与开关管的栅极连接，其阴极经电阻R5与开关管的栅极连接。

本实施例的开关管5作为保护电路的电子开关，控制保护电路的通断状态，以保护负载6或电源在短路或过载状态下免受损害。监控模块1用于实时检测开关管5的端电压，对于过载和短路两类故障分别设置保护点电流和保护点电压，以判定电路是否处于短路或过载状态，且发生短路或过载故障后，监控模块1也设置了保护措施，防止其烧坏。当端电压大于短路或过载阈值电压时，监控模块1输出高电平启动延时电路2，延时电路2将短路信息或过载信息延时后送给开关管5的受控级，控制开关管5断开开关电路，以保护电源或负载6。本系统中负载6采用直流电源供电，可以是大功率负载也可以是小功率耗能元器件。

该监控模块1用于实时检测开关管5输入级与输出级之间端电压，开关电路中电流由电源正极依次流经负载6，开关管5输入级经开关管5输出级流回电源负极。通过开关管5控制开关电路的通与断，同时开关管5的通断状态受电路监控系统控制。当检测到短路或过载现象时，开关管5受控级接收信号为低电平，开关管5为截止状态，开关电路断开。没有短路或过载现象时，开关管5受控级为高电平，开关管5为导通状态，开关电路正常工作。

如图2所示，开关管5由MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3及MOS管Q4组成，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极相连作为开关管5的栅极以与延时电路2的输出端相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的漏极相连作为开关管5的漏极与监控模块1相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的源极作为开关管5的源极接地、该源极经电源DC 7与负载6的输入端相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别经电容C4、C5、C6、C7接地。

如图3所示，本实施例的监控模块1包括型号为LM358的双运算放大器U1及二极管D5、D6、D7、D8，该双运算放大器U1具有两个输出端，输出两个电压比较结果，可以检测电路中的过载或短路故障，其输出电压或为高电平“1”或低电平“0”，对应不同的故障状态。LM358输出引脚的高低电平用于控制MOS管的栅级进而控制MOS管的导通或断开。其内部包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，引脚3和引脚2是比较器一的同相输入端和反向输入端，引脚1是比较器一的输出端；引脚5和引脚6是比较器二的同相输入端和反向输入端，引脚7是比较器二的输出端。

比较器一的反相输入端经串联的电阻R13、R18与开关管5的漏极相连，比较器二的反向输入端经串联的电阻R14、R15与开关管5的漏极相连，分别用于检测电路是否发生短路或过载故障，二极管D5的阳极与比较器二的反相输入端连接，并经电容C12与二极管D6的阴极对接，二极管D5的阴极与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极接地，比较器二的反相输入端与电源DC 7的负极相连；比较器一的反相输入端与二极管D7的阳极连接，并经电容C13与电阻R20并联后与二极管D8的阴极相连，二极管D7的阴极与二极管D8的阳极对接，二极管D8的阴极接地。MOS管的栅级为受控级，受到双运算放大器U1输出电平的控制。

具体来说，采样到的MOS管的管压降电压通过R18、R13连接电路监控模块1中运放反向输入引脚2，采样到的MOS管管压降电压通过R15、R14连接电路监控模块1中运放反向输入引脚6，分别用于检测电路是否发生短路或过载故障。运放输出信号连接延时电路2，延时电路2的输出连接到MOS管控制端栅级。运放输出的短路故障检测信号连接到短路故障延时电路22，运放输出的过载故障检测信号连接到过载故障延时电路21，运放输出的短路或过载信号通过延时电路2控制MOS管栅级电压，进而控制MOS管的导通或关断，实现过载或短路时保护电路的效果。

如图4所示，延时电路2包括二极管D3、D4，二极管D3的阳极经串联的电阻R6、R7与开关管5的栅极相连，二极管D3的阴极经与其串联的电阻R3与开关管5的栅极连接，电阻R6与电阻R7之间的节点通过电容C8接地；二极管D4的阳极经与其串联的电阻R4与开关管5的栅极连接，二极管D4的阴极经电阻R5与开关管5的栅极连接。该延时电路2采取分级处理的方法，对于过载和短路两类故障不同的延时保护机制。短路电流过大容易损毁电子设备，实行MOS管快速关断措施，延时时间短；过载现象有时电路系统是可以自行修复的，为避免电子设备频繁切换重启，所以实行MOS管慢速关断措施，延时时间长。

如图5所示，电源电路3包括精密可调稳压器U2、发光二极管D0、稳压二极管D1、二极管D2，精密可调稳压器U2的阳极接地，其阴极经两串联的电阻R10、R1与二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极与电源相连以获取基准电压，精密可调稳压器U2的阳极接地，并经三个串联的电阻R8、R9、R12与精密可调稳压器U2的参考端及阴极连接，电阻R8与电阻R9之间的节点以及电阻R9与电阻R12之间的节点分别与监控模块1相连，用于向监控模块1提供不同的基准电压；发光二极管D0的阳极经电阻R2与电源相连，发光二极管D0的阴极接地，并与稳压二极管D1的阳极连接，稳压二极管D1的阴极与电源监控模块1相连，电阻R1的两端并联有电阻R11，稳压二极管D1的两端并联有电容C1、C2、C3。电源电路3为监控模块1提供工作电源，同时为监控模块1提供合适的基准电压。

如图6所示，故障显示电路4包括二极管D9、D10及发光二极管D11，二极管D9与发光二极管D11的阴极相连，并与二极管D10的阳极相连，二极管D9的阳极经电阻R21与电源监控模块1连接。该故障显示电路4用于显示故障信息。故障显示电路4有一个发光二极管，用于显示短路或过载故障，当有故障发生时，发光二极管被点亮。

电路工作原理如下：MOS管作为保护开关管5，当回路没有故障时MOS管的受控级栅级为高电平“1”，开关管5导通，回路正常工作；当回路发生过载故障或短路故障时，在延时缓冲时间内系统未能自动恢复正常状态的条件下，MOS管的栅级为低电平“0”，开关管5截止，电路回路断开直到故障排除。MOS管在整个回路中起到了开关的效果。

双运算放大器U1中两个同相电压比较器基准电压的设置由电路的短路电压保护点和过载电压保护点确定。首先依据电路额定电流设定短路电流保护点和过载电流保护点，然后根据欧姆定律和MOS管内阻计算得到短路电压保护点和过载电压保护点。双运算放大器U1的引脚3输入电压是短路保护点基准电压，引脚5输入电压是过载保护点基准电压，短路保护点基准电压高于过载保护点基准电压，因此引脚3的输入电压高于引脚5的输入电压。

考虑到MOS管和运放的工作特性，接入电路中的运放输入电阻很大，双运算放大器U1的反向输入端接的电阻基本不消耗电压，MOS管漏级采样电压通过串接的电阻传输给双运算放大器U1的反向输入端，MOS管漏级采样电压基本上等于双运算放大器U1的反向输入端电压。当电路发生短路现象时，MOS管的漏级采样电压高于短路保护点基准电压；当发生过载现象时，MOS管的漏级采样电压高于过载保护点基准电压但低于短路保护点基准电压；若回路没有发生短路或断路故障，漏级采样电压低于过载保护点基准电压同时也低于短路保护点基准电压。

当电路发生短路现象时，双运算放大器U1的反向输入端电压高于短路保护点基准电压，引脚2和引脚6输入电压都高于短路保护点基准电压，引脚2电压高于引脚3基准电压且引脚6电压高于引脚5基准电压，双运算放大器U1的两个输出端引脚1和引脚7都输出低电平“0”，通过图2的短路和过载驱动延时电路2控制MOS管的栅级为低电平“0”，使MOS管截止，回路断开。

当电路发生过载现象时，双运算放大器U1的反向输入端电压高于过载保护点基准电压但低于短路保护点基准电压，引脚2和引脚6输入电压都高于过载保护点基准电压但低于短路保护点基准电压，因此引脚6电压高于引脚5基准电压，电压比较器的引脚7输出低电平“0”，引脚2电压低于引脚3基准电压引脚1输出高电平“1”。由于短路和过载驱动延时电路2是一个二极管串接一个或两个较小的电阻，相对于100Ｋ可以忽略不计，当电压比较器LM358任何一个输出引脚输出低电平时，后级MOS管栅极输入低电平“0”，MOS管被关断，电源停止输出。

若回路没有发生短路或断路故障，双运算放大器U1的引脚2和引脚6输入电压都低于短路保护点基准电压同时低于过载保护点基准电压，双运算放大器U1的两个输出端引脚1和引脚7都输出高电平“1”，通过短路和过载驱动延时电路2输出高电平“1”送入MOS管栅级，MOS管导通，电路正常工作。

如负载6电路正常工作时回路电流即流过MOS管的电流为72A，设定过载电流为回路额定电流的1.5倍，过载电流保护点为108Ａ，考虑到MOS管内阻3.7毫欧姆，四个MOS管并联后内阻约0.93毫欧姆，MOS管管压降为108*0.93=0.1V，过载保护点电压为0.1Ｖ即过载保护点基准电压为0.1V；设定过载电流为回路额定电流的7.5倍，短路电流保护点540Ａ，MOS管管压降为540*0.93=0.5V短路电压保护点为0.5Ｖ即短路保护点基准电压为0.5V。双运算放大器U1的两个同相输入端即引脚3和引脚5的基准电压设为0.5V和0.1V，引脚3的0.5V是短路保护点基准电压，引脚5的0.1V是过载保护点基准电压。

负载6发生短路现象时，MOS管漏级采样电压高于0.5V，导致双运算放大器U1的2引脚输入电压高于3引脚基准电压，引脚1输出低电平“0”，同时MOS管D级采样电压高于0.1V，导致双运算放大器U1的6引脚输入电压高于5引脚基准电压，引脚7也输出低电平“0”，后级MOS管栅极输入低电平，MOS管被关断，电源停止输出。发生过载而没有达到短路点时，MOS管漏级采样电压高于0.1V小于0.5V，此时双运算放大器U1的1引脚输出高电平“1”，7引脚输出低电压“0”，后级MOS管的栅极输入低电平，MOS管被关断，电源停止输出。无短路或过载故障发生时，回流电流小于过载电流保护点108A，也小于短路保护电流点540A，双运算放大器U1的6引脚输入电压和3引脚输入电压低于过载保护点基准电压也低于短路保护点基准电压，引脚1和引脚7都输出高电平 “1”，后级MOS管的栅极输入高电平“1”，MOS管导通，电路正常工作。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种直流保护电路，其特征在于：包括电路监控系统及开关电路，所述电路监控系统包括监控模块、延时电路及向监控模块提供工作电源的电源电路，所述开关电路包括负载及与负载相连用于保护负载在短路或过载状态下不被损坏的开关管，所述开关管的漏极与监控模块的输入端相连，所述延时电路的输入端与监控模块的输出端相连，其输出端与开关管的栅极相连。

2.根据权利要求1所述的直流保护电路，其特征在于：所述电路监控系统还包括故障显示电路，所述故障显示电路的输入端与监控模块的输出端相连。

3.根据权利要求1所述的直流保护电路，其特征在于：所述开关管包括MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，所述MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极均与延时电路的输出端相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的漏极均与监控模块相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的源极接地、并经电源DC与负载的输入端相连，MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的栅极分别经电容C4、C5、C6、C7接地。

4.根据权利要求1所述的直流保护电路，其特征在于：所述监控模块包括双运算放大器U1及二极管D5、D6、D7、D8，所述运算放大器U1包括比较器一和比较器二，比较器一的反相输入端经串联的电阻R13、R18与开关管的漏极相连，比较器二的反向输入端经串联的电阻R14、R15与开关管的漏极相连，所述二极管D5的阳极与比较器二的反相输入端连接，并经电容C12与电阻R19并联后与二极管D6的阴极对接，二极管D5的阴极与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极接地，比较器一及比较器二的输出端与延时电路连接；所述比较器一的反相输入端与二极管D7的阳极连接，并经电容C13与电阻R20并联后与二极管D8的阴极相连，二极管D7的阴极与二极管D8的阳极对接，二极管D8的阴极接地。

5.根据权利要求1所述的直流保护电路，其特征在于：所述延时电路包括过载故障延时电路和短路故障延时电路，所述过载故障延伸电路包括二极管D3，所述二极管D3的阳极依次经电阻R6与电容C8串联后接地，电阻R6与电容C8之间的节点经电阻R7与开关管的栅极连接，二极管D3的阴极经电阻R3与开关管的栅极连接；所述短路故障延时电路包括二极管D4，二极管D4的阳极经电阻R4与开关管的栅极连接，其阴极经电阻R5与开关管的栅极连接。

6.根据权利要求1所述的直流保护电路，其特征在于：所述电源电路包括精密可调稳压器U2、发光二极管D0、稳压二极管D1、二极管D2,所述精密可调稳压器U2的阳极接地，其阴极经两串联的电阻R10、R1与二极管D2的阴极相连，二极管D2的阳极与电源相连以获取基准电压，所述精密可调稳压器U2的阳极经三个串联的电阻R8、R9、R12与精密可调稳压器U2的参考端及阴极连接，电阻R8与电阻R9之间的节点以及电阻R9与电阻R12之间的节点分别与监控模块相连，用于向监控模块提供不同的基准电压；所述发光二极管D0的阳极经电阻R2与电源相连，所述发光二极管D0的阴极接地，并与稳压二极管D1的阳极连接，稳压二极管D1的阴极与电源监控模块相连，所述电阻R1的两端并联有电阻R11，稳压二极管D1的两端并联有电容C1、C2、C3。

7.根据权利要求2所述的直流保护电路，其特征在于：所述故障显示电路包括二极管D9、D10及发光二极管D11，所述二极管D9与发光二极管D11的阴极相连，并与二极管D10的阳极相连，二极管D9的阳极经电阻R21与电源监控模块连接，二极管D9的阴极与比较器一的输出端相连，二极管D10的阴极比较器二的输出端相连。