基于三极管与电磁继电器的短路保护电路设计

陈光辉 吴光旭

摘 要：为使避免某测试设备实际工作时负载发生短路后功率电源仍处于接通的危险状态，设计了短路保护电路;本文对所设计的短路保护电路的工作逻辑进行了阐述，通过选择合适的器件参数，计算几种常用电压下三极管的静态工作点与功率器件的功率消耗情况，充分地说明了短路保护电路设计的科学性。

关键词：电磁继电器;短路保护;电路设计

概述

本文设计的短路保护电路用于测试设备中，当负载发生短路时，能自动切断功率电源，避免负载短路时功率电源仍有输出的危险。本保护电路的设计特点是控制电路和功率电路共用同一个直流功率电源，工作前需要通过手动开关给控制电路的三极管提供直流静态工作点，控制电路正常工作后使电磁继电器处于闭合状态，手动断开开关后，控制电路通过流经电磁继电器的直流功率电源维持正常的直流静态工作点;当短路时，功率电源被拉到零，三极管基级的直流静态工作点为零，三极管截止，控制电路失效，电磁继电器控制线圈无电流通过，电磁继电器触点断开，切断直流功率电源，起到短路保护作用。

工作原理

原理图中各器件的作用

短路保护原理见图1，各器件作用如下：

开关S：闭合时与直流偏置电阻R1、R2、R3给三极管V1、V2提供第一路直流静态工作点。

电磁继电器KV：通过触点控制直流功率电源的通断，其工作电压为12V，控制线圈内阻为28.8Ω，接通时，给负载RL提供功率，同时能通过直流偏置电阻R4、R5、R6给三极管V1、V2提供第二路直流静态工作点。

功率电阻R7、R8：与三极管V1、V2串联，起到帮助三极管分担功率的作用，降低三极管上的功耗，利于三极管的选型。

功率三极管V1：起到一定的功率分担作用。

功率三极管V2：起到功率分担作用，因其集电极和发射机间的电压被稳压二极管稳定在12V，当功率电压发生变化时，流过V2的集电极电流发生变化，使其分担的功率随之改变。

稳压二极管V3：使其两端的电压稳定在12V，给电磁继电器KV提供额定工作电压。

快速恢复二极管V4：在电磁继电器断开瞬间，给控制线圈两端的反电动势提供闭合放电回路。

控制电路工作过程

开关S闭合后，接通R1、R2、R3，给三极管V1、V2提供合适的直流静态工作点，V1、V2导通;电压调整二极管V3给电磁继电器KV提供恒定电压为12V的工作电压，电磁继电器触点闭合，接通负载，同时接通R4、R5、R6，给三极管V1、V2提供另一路合适的直流静态工作点;功率三极管V2在不同直流功率电源电压下提供分流;功率电阻R7、R8在47V～100V的直流功率电压下起到分压限流作用;功率三极管V1给流过电磁继电器KV和功率三极管V2的电流提供通路;开关S断开后，由于电磁继电器KV触点处于接通状态，能通过直流偏置电阻R4、R5、R6给三极管V1、V2提供直流静态工作点，控制电路维持正常工作状态;负载发生短路时，直流功率电源电压被拉低到0V，R4、R5、R6上的电压为0V，三极管V1、V2基级电压为0V，V1、V2截止，电磁继电器控制线圈两端失去工作电压，并出现反电动势，快速恢复二极管V4给反电动势提供闭合放电回路，电磁继电器触点分离，将负载与直流功率电源断开。

控制电路参数配置

静态工作点参数

提供静态工作点的直流偏置电阻共两路，两路参数完全一致，R1=R4=4.3kΩ， R2=R5=6.8kΩ，R3=R6=91kΩ;当三极管V1和V2开通后，功率电阻R7上的电压降抬高了三极管V2发射级的电压，故R7的阻值选择要保证三极管V2的集电极电压低于基级电压至少0.7V，确保V2发射结处于正向偏置的工作状态;三极管V1的基级电压，三极管V2的基级电压和发射级电压计算公式如下：

Vb1=Vp*R1/（R1+R2+R3）

Vb2=Vp*（R1+R2）/（R1+R2+R3）

Vc2=（Vp-12）*R7/（R7+R8）

式中，Vp为直流功率电源电压，Vb1为V1的基级电压，Vb2为V2的基级电压，Vc2为V2的发射级电压。

功率器件参数

功率器件有电阻R7、R8，三极管V1、V2;R7的阻值为50Ω，额定功率为200W;R8的阻值为5Ω，额定功率为200W;三极管V1、V2的耐压均为200V，额定功率均为45W。

控制电路正常工作时，三极管V1处于饱和状态，本身消耗的功率不大，流过三极管V1、V2的集电极电流，三极管V2、功率电阻R7、R8上消耗的功率计算公式如下：

Ic1=（Vp-12）/（R7+R8）

Ic2=Ic1-VV3/RKV

Pv2=Ic2* VD1

PR1=I2c1* R1

PR2=I2c1* R2

式中，Vp为直流功率电源电压，Ic1为流过三极管V1集电级、功率电阻R1、R2的电流，Ic2为流过三极管V2集电级的电流，VV3为电压调整二极管V3两端的12V电压，RKV为电磁继电器控制线圈内阻，Pv2为V2的消耗功率，PR1为R1的消耗功率，PR2为R1的消耗功率。

不同电压下静态工作点与功率消耗

在测试中，常用到的直流功率电压为47V、56V、70V、80V、90V、100V，在这些常用电压下，三极管的静态工作点和功率器件的功率消耗按以上公式计算后列在表1中。

从表1中可以看出，在不同的直流功率电压下，三极管V2的集电极电压始终高于基级电压，基级电压始终高于集电极电压，三极管V2处于放大状态，能在不同的功率电压下通过不同的电流，其消耗的最大功率为14.2W，未超过其额定功率45W;功率电阻R1消耗的最大功率为12.8W，未超过其额定功率200W;功率电阻R2消耗的最大功率為128W，未超过其额定功率200W。

结论

本短路保护电路的设计能在开关接通后使电磁继电器触点闭合，在开关断开后控制电路维持正常工作状态，短路时电磁继电器触点断开，实现了短路保护功能;通过在不同直流功率电压值下计算静态工作点和功率器件的功率消耗情况，各个静态工作点均符合控制电路正常工作要求，功率器件的最大消耗功率均不超过其额定值;可见本短路保护电路的设计工作逻辑正确，器件的参数选择合理。

参考文献

[1] 梁贵书，董华英. 电路理论基础. 北京：中国电力出版社，2007