專利名稱：短路/過流保護控制器及運行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電路中過流保護技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種短路/過流保護控制器及運行方法。
背景技術(shù)：
電路發(fā)生故障時，可能會產(chǎn)生短路，瞬間工作電流趨于無窮大；或者可能電流值迅速增加超過設(shè)定的允許值，即產(chǎn)生過流。在短路或過流時為保護負載和電源，需要立即切斷電路，所以設(shè)計了短路/過流保護器。目前普遍應(yīng)用的短路/過流保護產(chǎn)品主要有熔斷器、斷路器和基于微處理器的過流保護模塊。熔斷器在通過的電流大于一定值時立即熔斷， 起到保護作用時熔絲被短路電流或過流燒毀，無法重復(fù)使用，需更換熔絲、電路才能重新接通。斷路器為機械結(jié)構(gòu)，因為是由運動部件實現(xiàn)斷路，電路斷開使電路得到保護的時間較長，保護電流也不能隨意設(shè)置，且環(huán)境指標較低。電子式的過流保護產(chǎn)品大多數(shù)是以單片機或微處理器為控制核心，利用專門編制的微處理器軟件的邏輯控制模塊來控制后級開關(guān)電路的開/關(guān)，實現(xiàn)電路的短路/過流保護。基于微處理器的過流保護產(chǎn)品可以用軟件實現(xiàn)任意設(shè)置過流保護電流，并且能重復(fù)使用，但由于其核心為微處理器，依靠編制的軟件實現(xiàn)短路/過流保護，因此可靠性較低，且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種短路/過流保護控制器及運行方法，本控制器為純硬件電路，包括電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關(guān)電路模塊，本控制器串聯(lián)在被保護電路中，其使用方法為實時監(jiān)測被保護電路中的電流情況，當被保護電路發(fā)生短路/過流時及時切斷被保護電路連接，有效保護被保護電路負載和電源的安全。本發(fā)明設(shè)計的短路/過流保護控制器，包括電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關(guān)電路1 塊。電流采集模塊用于采集被保護電路工作回路中的電流值，并將該電流值線性轉(zhuǎn)化為規(guī)定電壓范圍內(nèi)的電壓值。電流采集模塊包括霍爾電流傳感器和外圍匹配電阻電容構(gòu)成的RC回路，霍爾電流傳感器的檢測線圈接在被保護電路中，其輸出經(jīng)RC回路接入過流判斷鎖存模塊。開關(guān)電路模塊用于具體執(zhí)行接通或關(guān)斷被保護電路，開關(guān)電路模塊為標準的繼電器或接觸器電路，可根據(jù)負載的類型選擇不同的繼電器或接觸器電路。開關(guān)電路模塊串聯(lián)在被保護電路的工作回路中，過流判斷鎖存模塊的輸出接入開關(guān)電路模塊，控制其繼電器或接觸器的接通或者斷開。當開關(guān)電路模塊的繼電器為固體繼電器，即開關(guān)電路模塊為依次連接的驅(qū)動電路、變壓器、整流濾波穩(wěn)壓電路和功率開關(guān)管，開關(guān)控制電路的輸出接入驅(qū)動電路，功率開關(guān)管接在被保護電路中。當開關(guān)電路模塊的繼電器或者接觸器為電磁繼電器或者電磁接觸器，則根據(jù)負載特性直接選用相應(yīng)的電磁繼電器或電磁接觸器，并配有電磁驅(qū)動電路與電磁繼電器或電磁接觸器連接，開關(guān)控制電路的輸出接入電磁驅(qū)動電路，電磁繼電器或電磁接觸器的輸出觸點接在被保護電路中。過流判斷鎖存模塊的主要功能為判斷電流采集模塊所采集的負載輸出電流的電壓信號，將該電壓信號值與預(yù)置的保護電流值換算得到的相應(yīng)的保護電壓值相比較，當超過預(yù)置的保護電流值對應(yīng)的電壓值時，該模塊的輸出信號控制開關(guān)電路模塊關(guān)斷，且在負載的輸出電流恢復(fù)到正常值時，該模塊仍鎖存關(guān)斷信號的輸出狀態(tài)，保持開關(guān)電路模塊關(guān)斷。過流判斷鎖存模塊包括過流判斷狀態(tài)鎖存電路和開關(guān)控制電路。過流判斷狀態(tài)鎖存電路為電壓比較器及外圍的匹配電阻，開關(guān)控制電路為開關(guān)器件，所述開關(guān)器件為場效應(yīng)管、或三極管開關(guān)、或光耦開關(guān)。電流采集模塊的輸出端接入電壓比較器的負電壓比較輸入端，電壓比較器輸出端接入開關(guān)控制電路的開關(guān)器件，該開關(guān)器件接入開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器電路，接通或者關(guān)斷繼電器或接觸器；同時電壓比較器輸出端還經(jīng)反饋電阻連接電壓比較器的正電壓比較輸入端。過流判斷鎖存模塊中還有輔助供電電路，輔助供電電路與電源連接，將電源電壓轉(zhuǎn)換為本控制器內(nèi)各器件的工作電壓，分別接入電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關(guān)電路模塊。本發(fā)明的短路/過流保護控制器運行方法為本控制器上電初始瞬間，由于電流采集模塊存在RC充電回路，其輸出到過流判斷鎖存模塊電壓比較器的負電壓比較輸入端的電壓較低，該電壓值低于正電壓比較輸入端電壓，此時電壓比較器輸出為高電平控制開關(guān)控制電路的開關(guān)器件導通，接通開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器電路，從而接通被保護電路。當被保護電路出現(xiàn)短路或過流時，電流采集模塊采集到的電流變大，因此電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓變大，當該電壓值大于電壓比較器正電壓比較輸入端的預(yù)置電壓值時，電壓比較器輸出為低電平控制開關(guān)器件關(guān)斷開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器電路，從而開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器關(guān)斷被保護電路，實現(xiàn)了短路/過流保護的目的。通過調(diào)節(jié)電壓比較器的匹配電阻可以改變電壓比較器正電壓比較輸入端的預(yù)置電壓值，從而改變過流比較門限，即預(yù)置不同的保護電流值。實現(xiàn)過流保護切斷了被保護電路后，電流采集模塊采集到的電流值為0，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓恢復(fù)到初始值，但此時電壓比較器輸出的低電平經(jīng)反饋電阻正反饋到正電壓比較輸入端，在該反饋電壓與匹配電阻的作用下正電壓比較輸入端電壓仍低于負電壓比較輸入端電壓，電壓比較器的輸出仍為低電平控制開關(guān)控制電路的開關(guān)器件保持開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器電路關(guān)斷，保持鎖存狀態(tài)，保持開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器關(guān)斷被保護電路的狀態(tài)。被保護電路的故障排除后重新接通電源，本保護控制器再次上電工作時，本保護控制器自動從初始狀態(tài)開始重新接通被保護電路。本發(fā)明短路/過流保護控制器及運行方法的優(yōu)點為1、本控制器串聯(lián)在被保護電路中工作，可實時監(jiān)測被保護電路中的電流情況，當被保護電路發(fā)生短路時，回路電流將趨于無窮大，本控制器立即切斷電路，當被保護電路電流大于電路正常工作的電流，即大于預(yù)置的保護電流時，本控制器也會切斷被保護電路，從而有效保護被保護電路負載和電源的安全；2、本控制器為純硬件電路，電路形式簡單、元器件數(shù)量少，可靠性指標較高，可隨意設(shè)置保護電流值，啟動保護時間短，動作次數(shù)無限制；3、保護后可自動鎖存保護狀態(tài)，被保護電路再次上電正常工作時，本控制器自動重新接通電路；4、可根據(jù)用戶需求采用多種外形結(jié)構(gòu)，可在許多領(lǐng)域代替現(xiàn)有的短路/過流保護產(chǎn)品，如用裸芯片組裝產(chǎn)品可以應(yīng)用于宇航等聞端應(yīng)用場合。


圖I為本短路/過流保護控制器實施例與被保護電路連接示意圖；圖2為本短路/過流保護控制器實施例結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本短路/過流保護控制器實施例電流采集模塊電路圖；圖4為本短路/過流保護控制器實施例過流判斷鎖存模塊的過流判斷狀態(tài)鎖存電路和開關(guān)控制電路的電路圖；圖5為本短路/過流保護控制器實施例開關(guān)電路模塊電路圖；圖6為本短路/過流保護控制器實施例開關(guān)電路模塊另一方案電路圖。
具體實施例方式短路/過流保護控制器實施例本例如圖I所示，包括電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關(guān)電路模塊。圖I右側(cè)Vin至Vout的粗實線表示本保護控制器被保護電路，其中IN+表示被保護電路在電流采集模塊和開關(guān)電路模塊之間的連接點。圖I左側(cè)為本保護器、電源及被保護電路的公共接地點。圖2所示為本例短路/過流保護控制器各模塊的結(jié)構(gòu)框圖。電流采集模塊如圖3所示，包括霍爾電流傳感器Vl和外圍匹配電阻電容，霍爾電流傳感器Vl的檢測線圈接在被保護電路中，霍爾電流傳感器Vl的一個輸出端經(jīng)電阻Rl引出為本電流采集模塊的輸出端Va，該輸出端Va還分別經(jīng)Cl和R2接地，電阻R1、R2和電容 Cl構(gòu)成RC充電回路?；魻栯娏鱾鞲衅鱒l的另一個輸出端經(jīng)電容C3接地，霍爾電流傳感器 Vl的接電端連接輔助供電電路輸出的+5V電壓，該接電端還經(jīng)電容C2接地，本電流采集模塊的輸出端Va接入過流判斷鎖存模塊。過流判斷鎖存模塊如圖2所示，包括輔助供電電路、過流判斷狀態(tài)鎖存電路和開關(guān)控制電路。輔助供電電路連接經(jīng)電流采集模塊的電源電壓，將該電壓整流濾波轉(zhuǎn)換為本控制器內(nèi)各模塊和電路的+5V工作電壓，輔助供電電路的+5V電壓輸出端分別接入霍爾電流傳感器Vl、過流判斷鎖存模塊和開關(guān)電路模塊。過流判斷狀態(tài)鎖存電路和開關(guān)控制電路如圖4所示，過流判斷狀態(tài)鎖存電路為電壓比較器V2及外圍的匹配電阻，開關(guān)控制電路為場效應(yīng)管V3。電流采集模塊的輸出端Va 經(jīng)電阻R7接入電壓比較器V2的負電壓比較輸入端in-，輸入的+5V電壓一路接入電壓比較器V2供電、另一路經(jīng)電阻R8接入場效應(yīng)管V3的柵極、再一路則分別經(jīng)電阻R3、R5，及經(jīng)電容C4接入的正電壓比較輸入端in+，電壓比較器V2的輸出端接入開關(guān)控制電路的場效應(yīng)管 V3的柵極，電阻R3和R5的連接端經(jīng)電阻R4接地，電壓比較器V2的輸出端經(jīng)反饋電阻R6接入電壓比較器V2的正電壓比較輸入端in+。調(diào)節(jié)電阻R3、R4、R5、R6即可改變電壓比較器V2的正電壓比較輸入端in+的預(yù)置電壓值。該場效應(yīng)管V3的漏極輸出Vb接入開關(guān)電路豐旲塊的驅(qū)動電路，接通或者關(guān)斷開關(guān)電路1旲塊。本例開關(guān)電路模塊如圖5所示，采用固體繼電器，開關(guān)電路模塊為依次連接的驅(qū)動電路、變壓器Tl、整流濾波穩(wěn)壓電路和功率開關(guān)管V4。功率開關(guān)管V4接在被保護電路中。 過流判斷鎖存模塊的場效應(yīng)管V3的輸出Vb接入驅(qū)動電路。開關(guān)電路模塊的另一方案為直接采用電磁繼電器，如圖6所示，開關(guān)電路模塊包括電磁驅(qū)動電路和電磁繼電器，過流判斷鎖存模塊的場效應(yīng)管V3的輸出Vb接入電磁驅(qū)動電路，電磁繼電器的輸出觸點接在被保護電路中。短路/過流保護控制器的運行方法實施例本控制器上電初始瞬間，電流采集模塊輸出到電壓比較器的負電壓比較輸入端的電壓值低于正電壓比較輸入端電壓，此時電壓比較器輸出為高電平控制開關(guān)控制電路的場效應(yīng)管導通，接通開關(guān)電路模塊的驅(qū)動電路，接通功率開關(guān)管從而接通被保護電路。當被保護電路負載出現(xiàn)短路或過流時，電流采集模塊采集到的電流變大，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓值大于電壓比較器正電壓比較輸入端的預(yù)置電壓值時， 電壓比較器輸出為低電平控制場效應(yīng)管關(guān)斷開關(guān)電路模塊的驅(qū)動電路，從而開關(guān)電路模塊的功率開關(guān)管關(guān)斷被保護電路。通過調(diào)節(jié)電壓比較器的匹配電阻可以改變電壓比較器正電壓比較輸入端的預(yù)置電壓值，從而改變過流比較門限，即預(yù)置不同的保護電流值。實現(xiàn)過流保護切斷了被保護電路后，電流采集模塊采集到的電流值為0，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓恢復(fù)到初始值，但此時電壓比較器輸出的低電平經(jīng)反饋電阻正反饋到正電壓比較輸入端，在該反饋電壓與匹配電阻的作用下正電壓比較輸入端電壓仍低于負電壓比較輸入端電壓，電壓比較器的輸出仍為低電平控制開關(guān)控制電路的場效應(yīng)管保持開關(guān)電路模塊的驅(qū)動電路關(guān)斷，保持鎖存狀態(tài)，保持開關(guān)電路模塊的功率開關(guān)管關(guān)斷被保護電路的狀態(tài)。被保護電路被本保護控制器斷電后，與電源斷開排除故障，此時本保護器失電停止工作。當被保護電路的故障排除后重新接通電源，本保護控制器再次上電工作，自動從初始狀態(tài)開始重新接通被保護電路。上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進一步詳細說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.短路/過流保護控制器，其特征在于包括電流采集模塊、過流判斷鎖存模塊和開關(guān)電路模塊；所述電流采集模塊包括霍爾電流傳感器和外圍匹配電阻電容構(gòu)成的RC回路，霍爾電流傳感器的檢測線圈接在被保護電路中，其輸出經(jīng)RC回路接入過流判斷鎖存模塊；開關(guān)電路模塊為標準的繼電器或接觸器電路，串聯(lián)在被保護電路的工作回路中，過流判斷鎖存模塊的輸出接入開關(guān)電路模塊；過流判斷鎖存模塊包括過流判斷狀態(tài)鎖存電路和開關(guān)控制電路；過流判斷狀態(tài)鎖存電路為電壓比較器及外圍的匹配電阻，電流采集模塊的輸出端接入電壓比較器的負電壓比較輸入端，電壓比較器輸出端接入開關(guān)控制電路的開關(guān)器件，該開關(guān)器件接入開關(guān)電路模塊的繼電器電路，電壓比較器輸出端還經(jīng)反饋電阻連接電壓比較器的正電壓比較輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短路/過流保護控制器，其特征在于所述開關(guān)器件為場效應(yīng)管、或三極管開關(guān)、或光耦開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短路/過流保護控制器，其特征在于所述開關(guān)電路模塊的繼電器為固體繼電器，為依次連接的驅(qū)動電路、變壓器、整流濾波穩(wěn)壓電路和功率開關(guān)管，開關(guān)控制電路的輸出接入驅(qū)動電路，功率開關(guān)管接在被保護電路中。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短路/過流保護控制器，其特征在于所述開關(guān)電路模塊繼電器或者接觸器為電磁繼電器或者電磁接觸器，配有電磁驅(qū)動電路與電磁繼電器或電磁接觸器連接，開關(guān)控制電路的輸出接入電磁驅(qū)動電路，電磁繼電器或電磁接觸器輸出觸點接在被保護電路中。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的短路/過流保護控制器，其特征在于所述過流判斷鎖存模塊中還有輔助供電電路，輔助供電電路與電源連接，將電源電壓轉(zhuǎn)換為本控制器內(nèi)模塊和電路的工作電壓，分別接入電流采集模塊、過流判斷電路和開關(guān)電路模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的短路/過流保護控制器的運行方法，其特征在于本短路/過流保護控制器的上電初始瞬間，電流采集模塊輸出到電壓比較器的負電壓比較輸入端的電壓較低，該電壓值低于正電壓比較輸入端電壓，電壓比較器輸出的高電平控制開關(guān)控制電路的開關(guān)器件導通，接通開關(guān)電路模塊的繼電器電路，從而接通整個被保護電路；當被保護電路負載出現(xiàn)短路或過流時，電流采集模塊采集到的電流變大，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓變大，當該電壓值大于電壓比較器正電壓比較輸入端的預(yù)置電壓值時，電壓比較器輸出為低電平控制開關(guān)器件關(guān)斷開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器電路，從而開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器關(guān)斷被保護電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的短路/過流保護控制器的運行方法，其特征在于實現(xiàn)過流保護切斷了被保護電路后，電流采集模塊采集到的電流值為0，電流采集模塊輸出到電壓比較器負電壓比較輸入端的電壓恢復(fù)到初始值，此時電壓比較器輸出的低電平經(jīng)反饋電阻正反饋到正電壓比較輸入端，在該反饋電壓與匹配電阻的作用下正電壓比較輸入端電壓仍低于負電壓比較輸入端電壓，電壓比較器的輸出仍為低電平控制開關(guān)控制電路的開關(guān)器件保持開關(guān)電路1 塊的繼電器或接觸器電路關(guān)斷，保持鎖存狀態(tài)，保持開關(guān)電路模塊的繼電器或接觸器關(guān)斷被保護電路的狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的短路/過流保護控制器的運行方法，其特征在于被保護電路的故障排除后重新接通電源，本短路/過流保護控制器再次上電工作，自動從初始狀態(tài)開始重新接通被保護電路。
全文摘要
本發(fā)明為短路/過流保護控制器及運行方法，本控制器的電流采集模塊串聯(lián)在被保護電路中，輸出接入過流判斷鎖存模塊。開關(guān)電路模塊為繼電器或接觸器電路，串聯(lián)在被保護電路中。過流判斷鎖存模塊包括過流判斷狀態(tài)鎖存電路和開關(guān)控制電路，其輸出接入開關(guān)電路模塊，控制繼電器或接觸器的接通或者斷開。其運行方法為上電初始，過流判斷鎖存模塊的電壓比較器輸出的高電平控制開關(guān)控制電路接通開關(guān)電路模塊的繼電器電路，接通被保護電路。出現(xiàn)短路或過流時，電壓比較器輸出的低電平關(guān)斷開關(guān)電路模塊的繼電器電路，并保持鎖存。本發(fā)明實時監(jiān)測被保護電路，短路或過流時即切斷電路，有效保護負載和電源且自動鎖存保護狀態(tài)，可隨意設(shè)置保護電流值。
文檔編號H02H3/08GK102593788SQ201210086000
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者楊瑩, 陸玉芳, 黃敏 申請人:桂林航天電子有限公司