JGD24 -5 型固体式限时保护继电器的设计方案

作者：时间：2013-09-17 来源：网络收藏

当反相器的“13” 引脚电压充电到3.8V 时，反相器开始工作，其中V5 为5V 稳压管。

因此， V (t) 为3.8V, E 为5V, 代入上式：

3.3 限时保护电路的设计

为了避免起动机单次过长时间起动，起动机因过热损坏绝缘层而烧毁定转子，进而损坏起动机，在限时保护继电器的输入端设计出限时保护电路(如图6 所示)。输入端加电，由于电容器C1 两端的电压不能够突变，因此，反相器的“1” 引脚为高电平，通过两级反向门，反相器的“4” 脚为高电平，三极管V7 接通，限时保护继电器开始工作。此时，通过C1、R5 回路给电容C1 充电，当反相器“1” 脚电压低于3.8V 时(即电容C1 两端的电压为1.2V)，反相器的“4” 脚输出低电平信号，此时三极管V7 关断，限时保护器停止工作。

其中，充电时间的计算公式如下：

3.4 隔离电路的设计

限时保护继电器的输入端控制电流很低，而输出电流很大，所以，它们之间必须进行电隔离，其隔离电路的原理图如图7 所示。本电路中采用振荡电路的变压器耦合隔离。变压器耦合隔离主要由高频振荡电路、变压器耦合电路和整流电路组成。高频振荡电路采用双端推挽自激振荡输出，它比单端输出更能提高输入能量的转换效率。提高振荡频率，使其达到50kHz ~200kHz, 实现快速响应。

隔离变压器磁芯是本电路的关键器件，直接关系到电路的特性和转换效率。根据材料特性与本电路的特点，并通过反复试验，采用Mn-Zn 高磁导率铁氧体材料作为隔离变压器磁芯。在选择铁氧体材料时要考虑如下几个方面：

⑴ 磁导率和饱和磁通密度要高，可减少线圈匝数，减小内阻，减小磁环体积;

⑵ 矫顽力要小，减小磁滞损失;

⑶ 电阻率要高，减小涡流损耗;

⑷ 合理选择居里温度，提高磁环的综合性能。

隔离电路设计的另一个关键是振荡电路的设计，在本电路中振荡电路如图6 所示。在隔离的输入与输出确定后，通过下列方式对振荡电路进行优化设计。

⑴ 调整RC 值，改变振荡频率，测试输出参数，并计算耦合效率η，直至η最大;

⑵ 调整变压器线圈匝数，测试输出参数，并计算耦合效率直至最大。

同个隔离电路耦合后的电流信号为交流信号，经过整流桥电路D1、D2 整流后，为驱动电路提供工作电流。

3.5驱动电路的设计

驱动电路直接给输出电路供电，输出电路的功率场效应管必须由恒压源驱动。因此，选择高精度限流电阻提供功率管工作所需要的工作电流。工作电流经过R13、V11 形成回路， V11 为15V 稳压管，确保提供给输出电路的场效应管驱动电压为15V 恒压源。R14、C5 形成一个放电回路，当限时保护继电器不工作时，由于输出端功率场效应管的电容效应，会在功率场效应管的G 端积累电荷，会影响到功率场效应管的寿命，通过R14、C5 形成的回路可以释放掉功率器件积累的电荷，保护功率器件，见图8 所示。

3.6 串联输出电路的设计

输出电路包括功率场效应管、串联保护回路和吸收电路。

⑴ 功率场效应管的选择

功率场效应管是限时保护继电器的核心部件，选择合适的功率场效应管是设计成功的关键。本产品中的功率器件可选用的类型主要有功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极晶体管和达林顿晶体管。MOSFET 耐压高，输出电流大，漏电流小，导通管压降低，驱动功率小，体积小，故作为限时保护继电器的功率器件比较合理。

根据限时保护继电器的应用特点，应选用低电压降型的MOSFET.功率器件的类型确定以后，具体型号的选择可根据额定输出电压、额定输出电流、输出电压降、体积及市场情况，遵循以下原则：

以24V 5A 限时保护继电器为例，功率器件选用耐压250V、电流46A 的MOSFET.

⑵ 串联保护回路的设计

根据图9 的电路原理图所示，通过电磁继电器K 与功率场效应管Q1 串联，当限时保护继电器不工作时，电磁继电器K 的触点断开，功率场效应管的两端无电压。因此，发动机系统产生的电磁干扰不会对功率场效应管Q1 产生影响; 当限时保护继电器加电工作时，电磁继电器的吸合时间为10ms, 而功率场效应管的吸合时间为延时滤波时间200ms, 因此，吸合时电磁继电器K 在不带电的情况下先吸合; 当限时保护继电器断电时，由于功率场效应管的关断时间快，为2.5ms, 因此，关断时电磁继电器K 在不带电的情况下后关断，通过此电路设计，可确保电磁继电器不会出现带电切换的情况，即不会出现电弧情况，可确保电磁继电器K 稳定工作。

⑶ 吸收电路

限时保护继电器在关断时产生的干扰电压峰值较高，因此，在输出电路中增加吸收电路对功率场效应管Q1 进行保护，本电路中采用VRC 吸收电路。其中， V12 为快恢复二极，管R15 为功率电阻， C6 为高频无感电容。Q1 导通时， V12 反偏，C6 通过R15 放电， R 消耗能量并限制放电电流;Q1 关断时， C6 通过V12 吸收干扰电压，使Q1 的尖峰电压不会过高。

Q1 在关断时产生的干扰电压较高，可由下式进行计算：