保護(hù)電路，只知道用熔斷器？那是不夠的。今天，貿(mào)澤科普實(shí)驗(yàn)室教你一個(gè)“王炸”保護(hù)電路，僅需要5個(gè)主要器件，就可以做到閾值電壓可調(diào)。

01

“王炸”保護(hù)電路如何工作？

在這個(gè)保護(hù)電路中，繼電器管作為主回路的控制元件，晶閘管作為狀態(tài)鎖存元件，LM393構(gòu)成電壓比較器，作為電路過(guò)流監(jiān)測(cè)元件，反并聯(lián)二極管做反接保護(hù)，水泥電阻做檢流電阻。

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這5個(gè)簡(jiǎn)單的器件是怎么協(xié)同工作起到保護(hù)作用的呢？分析這個(gè)電路的工作原理就一目了然了：

通過(guò)R1和PR1進(jìn)行分壓，可以預(yù)先設(shè)定好電路的保護(hù)電流值。LM393是電壓比較器，其5腳的電壓與6腳設(shè)定好的電壓比較。如果5腳電壓高于6腳電壓，7腳就會(huì)輸出高電平，晶閘管Q1導(dǎo)通，繼而使常閉繼電器K1斷開(kāi)，電路主回路斷路，流過(guò)檢流電阻RS1的電流為0，兩端的電壓為0，這時(shí)LM393的IN+小于IN－，LM393就會(huì)輸出低電平信號(hào)到晶閘管，但是由于晶閘管的維持電流并沒(méi)有消失，所以，常閉繼電器依舊保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)。當(dāng)排除后級(jí)電路故障后，只需要按下復(fù)位按鈕RSET即可恢復(fù)電路狀態(tài)。

什么時(shí)候5腳的電壓會(huì)高于6腳呢？這就靠檢流電阻RS1了。

電路正常工作時(shí)，流過(guò)RS1的電流在正常范圍，RS1兩端的電壓也在正常范圍內(nèi)。而當(dāng)電路發(fā)生反接、過(guò)載、短路任意一種故障時(shí)，流經(jīng)RS1的電流會(huì)增大，兩端的電壓自然升高，這樣送入LM393 5腳的電壓就會(huì)急劇升高。

為了驗(yàn)證這個(gè)電路是否真的能實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用，我們搭建了測(cè)試電路。一一測(cè)試電路過(guò)載、電源反接、負(fù)載短路三種情況：

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，保護(hù)電路工作迅速。而通過(guò)調(diào)節(jié)電壓比較器的基準(zhǔn)來(lái)調(diào)整保護(hù)值，則是非常方便。如果有小伙伴感興趣，不妨自己搭建測(cè)試一番。

02

什么時(shí)候需要保護(hù)電路？

上面的保護(hù)電路，我們測(cè)試了三種情況，讓電子負(fù)載電流增大，超過(guò)電路工作的電流，測(cè)試電路過(guò)載情況，以及電源正負(fù)接反、負(fù)載短路情況。

電路過(guò)載、電源反接、負(fù)載短路，這三種是電路中很常出現(xiàn)的。電子電路工作時(shí)，還會(huì)存在其他很多不穩(wěn)定的因素影響電路的正常工作，甚至是損壞電路、電子設(shè)備。

因此就需要很多種保護(hù)，簡(jiǎn)單總結(jié)一下：

關(guān)鍵點(diǎn)

1、過(guò)流保護(hù)：被保護(hù)元件或電路中的電流超過(guò)預(yù)先設(shè)定的數(shù)值時(shí)，保護(hù)裝置啟動(dòng)作用。通常，過(guò)流保護(hù)是電源的標(biāo)配。

2、過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)輸入電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，切斷電源。由于電源內(nèi)部故障，或者一些外部原因，電源都有可能出現(xiàn)過(guò)壓情況。

3、欠壓保護(hù)：與過(guò)壓對(duì)應(yīng)，當(dāng)電壓低于預(yù)設(shè)的電壓時(shí)，提供工作。一般，欠壓保護(hù)主要用在電池供電的系統(tǒng)中，為了防止電池過(guò)度放電而損壞電池。

4、過(guò)熱保護(hù)：生產(chǎn)中所用的自動(dòng)車(chē)床、電熱烘箱、機(jī)床等連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)電設(shè)備，以及其它無(wú)人值守的設(shè)備，因?yàn)?a target="_blank">電機(jī)過(guò)熱或溫控器失靈造成的事故時(shí)有發(fā)生，需要采取相應(yīng)的保安措施。

5、短路保護(hù)：當(dāng)電路系統(tǒng)中發(fā)生短路情況時(shí)，及時(shí)斷開(kāi)電路，保證后級(jí)各個(gè)器件電路的安全。

6、防反接保護(hù)：電子器件或電路不允許電源正負(fù)極反接。如果不慎反接了電源，輕則電路故障，重則器件燒毀。防反接保護(hù)電源輸入正確后才可以到后級(jí)電路中。

7、浪涌保護(hù)：交流電網(wǎng)間不穩(wěn)定因素導(dǎo)致浪涌或者尖峰電壓，這可能是上千，甚至幾千伏的電壓，如此高的電壓會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或電路的損壞，浪涌保護(hù)可以在瞬間承受很高的電壓尖峰。

03

保護(hù)器件1個(gè)不夠？

為了實(shí)現(xiàn)上述這些電路保護(hù)功能，通常采用1個(gè)器件或者幾個(gè)器件組成保護(hù)電路。

熔斷器：過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)

大家極為熟知、很普通、很簡(jiǎn)單的就是熔斷器。

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普通熔斷器俗稱(chēng)保險(xiǎn)絲或保險(xiǎn)管，當(dāng)流過(guò)熔斷器的電流超過(guò)額定規(guī)格時(shí)，保險(xiǎn)絲將會(huì)熔斷。使用十分簡(jiǎn)單。如果是避免過(guò)載和短路，只需要在電源輸入端串入一個(gè)熔斷器，即可。如果是反接保護(hù)，除了串入熔斷器之外，還需要再反并聯(lián)一個(gè)二極管。當(dāng)電路出現(xiàn)反接后，電流由電源正極流過(guò)熔斷器，再流過(guò)反并聯(lián)二極管構(gòu)成回路。這時(shí)，電路中的電流接近短路電流，非常大，熔斷器會(huì)及時(shí)熔斷，把電源與后級(jí)電路斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)反接保護(hù)。

雖然熔斷器簡(jiǎn)單好用、成本又低，但是對(duì)電路的保護(hù)依賴熔斷器的熔斷速度，如果熔斷器速度不快，在電路故障的瞬間無(wú)法即使熔斷，就會(huì)對(duì)后級(jí)電路造成損失，下面的測(cè)試熔斷時(shí)間就足以說(shuō)明：

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除了熔斷速度之外，這種普通的熔斷器是無(wú)法自我恢復(fù)的，一旦熔斷后就需要手動(dòng)更換。在消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品里，常用自恢復(fù)保險(xiǎn)代替普通熔斷器。在電路故障時(shí)，可以讓電路斷開(kāi)，電路恢復(fù)后，自恢復(fù)保險(xiǎn)也可以自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)功能，不需要更換器件。

在很多電子系統(tǒng)中，熔斷器通常和其他保護(hù)元件共同協(xié)助，組成多重保護(hù)。

壓敏電阻：過(guò)壓保護(hù)

壓敏電阻是一種具有非線性伏安特性的電阻器件，主要用于在電路承受過(guò)壓時(shí)進(jìn)行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護(hù)敏感器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)，壓敏電阻在交流和直流電路里均可以使用。

TVS二極管：過(guò)壓保護(hù)、浪涌保護(hù)

TVS二極管是瞬態(tài)電壓抑制二極管。當(dāng)TVS二極管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。

TVS二極管可以保護(hù)電器設(shè)備不受導(dǎo)線引入的電壓尖峰破壞。TVS二極管通常用在信號(hào)傳輸?shù)慕K端里，例如在RS485或CAN總線的終端，就會(huì)使用TVS二極管。

MOS管：防反接

利用MOS管的開(kāi)關(guān)特性控制電路的導(dǎo)通和關(guān)斷，可以放置電源反接給負(fù)載帶來(lái)?yè)p壞。當(dāng)電源正常接入時(shí)，MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)電源反接后，MOSFET截止，達(dá)到反接保護(hù)效果。采用MOS管做保護(hù)器件時(shí)，需要注意MOS管的導(dǎo)通電壓。

上面四種是大家常用的保護(hù)器件，但其實(shí)電路保護(hù)器件還有很多種，再給大家補(bǔ)充四個(gè)：

自恢復(fù)保險(xiǎn)：過(guò)流保護(hù)

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，是由經(jīng)過(guò)特殊處理的聚合樹(shù)脂（Polymer）及分布在里面的導(dǎo)電粒子（Carbon Black）組成。在正常操作下，聚合樹(shù)脂緊密地將導(dǎo)電粒子，束縛在結(jié)晶狀的結(jié)構(gòu)外，構(gòu)成鏈狀導(dǎo)電通路，此時(shí)的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲為低阻狀態(tài)，線路上流經(jīng)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的電流所產(chǎn)生的熱能小，不會(huì)改變晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)線路發(fā)生短路或過(guò)載時(shí)，流經(jīng)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的大電流，產(chǎn)生的熱量使聚合樹(shù)脂融化，體積迅速增長(zhǎng)，形成高阻狀態(tài)，工作電流迅速減小，從而對(duì)電路進(jìn)行限制和保護(hù)。當(dāng)故障排除后，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲重新冷卻結(jié)晶，體積收縮，導(dǎo)電粒子重新形成導(dǎo)電通路，自恢復(fù)保險(xiǎn)絲恢復(fù)為低阻狀態(tài)，從而完成對(duì)電路的保護(hù)，無(wú)須人工更換。

陶瓷放電管：泄放雷電暫態(tài)過(guò)電流和

限制過(guò)電壓作用

陶瓷放電管用陶瓷密閉封裝，內(nèi)部由兩個(gè)或多個(gè)帶間隙的金屬電極，充以惰性氣體氬氣，氖氣構(gòu)成，當(dāng)加到兩電極端的電壓達(dá)到使氣體放電管內(nèi)的氣體擊穿時(shí)，氣體放電管開(kāi)始放電，由高阻抗變成低阻抗，使浪涌電壓迅速短路至接近零電壓，并將過(guò)電流釋放入地，從而對(duì)后續(xù)電路起到保護(hù)作用。當(dāng)浪涌電壓消失后，陶瓷放電管熄滅恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)，等待下一次動(dòng)作，陶瓷放電管常用于多級(jí)保護(hù)電路中的第一級(jí)或前兩級(jí)，起泄放雷電暫態(tài)過(guò)電流和限制過(guò)電壓作用。

溫度保險(xiǎn)絲：電器過(guò)熱保護(hù)

溫度保險(xiǎn)絲兩引腳間連接一段易熔合金絲，電流可以從一根引腳流向另一根引腳，當(dāng)保險(xiǎn)絲周?chē)鷾囟壬仙剿膭?dòng)作溫度時(shí)，其易熔合金熔化并在表面張力作用下，收縮成球狀附在兩引腳末端，這樣，電路被永久切斷。

熱敏電阻：電路熱啟動(dòng)限流

熱敏電阻是一種傳感器電阻，其電阻值隨著溫度的變化而改變。按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻值隨溫度的升高而增大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻值隨溫度的升高而減小。

04

小 結(jié)

這8種就是我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)比較常用的保護(hù)元件和電路了，大家可以根據(jù)自己的使用場(chǎng)景選擇合適的保護(hù)器件。除了我們熟知的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等電路保護(hù)，在特定場(chǎng)景中還有一些特殊的電路保護(hù)，比如電機(jī)的欠壓保護(hù)、超速保護(hù)等。

當(dāng)今的電子產(chǎn)品工作環(huán)境日益復(fù)雜，單純靠一個(gè)元件完成保護(hù)越來(lái)越困難，更多的是使用多個(gè)器件設(shè)計(jì)科學(xué)的保護(hù)電路，正如開(kāi)頭我們?cè)O(shè)計(jì)的“王炸”電路。

在設(shè)計(jì)電路時(shí)，我們只需要知道無(wú)論哪種保護(hù)，原理都是使用感知元件得到實(shí)際值，然后送入比較元件與設(shè)定值比較，實(shí)際值在設(shè)定值范圍內(nèi)不動(dòng)作，超過(guò)設(shè)定值動(dòng)作。如此，根據(jù)需求，選擇適用的傳感元件，通過(guò)組合電路的方式，就可以設(shè)計(jì)出符合需求的保護(hù)電路。

審核編輯：黃飛

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