如何設計一個欠壓保護電路並能超過保護電壓的恢復電路?

單片機嵌入式愛好者


看了提問者的描述,其想設計一個欠壓保護電路,並要求該電路在電壓正常時,又可以恢復正常工作。實現這個功能,採用一個電壓比較器和繼電器(或三極管電子開關)即可實現,電路如下圖所示。




上圖中的TL431是一款基準電壓源IC,在電路中一般作為2.5V的精密基準電壓源使用,這裡將該IC變通一下,將其作為一個電壓比較器使用(該IC的內部結構決定了其可以作為比較器使用)。

電路中的Vin端接需要檢測的電壓(一般為電池電壓),當Vin端的電壓高於設定電壓時,經電位器RP分壓後IC(TL431)的R端(①腳)電壓≥2.5V,此時其K端(③腳)輸出為低電平,三極管A1015導通,繼電器觸點閉合,該觸點控制的負載得電工作。當Vin端的電壓低於設定電壓時,IC的R端電壓<2.5V,此時IC的K端輸出變為高電平,三極管截止,繼電器觸點斷開,切斷負載電源,避免電池過放電。當Vin端電壓達到設定電壓時,三極管重新導通,負載又恢復正常工作。


上圖為TL431的內部電路框圖。從圖中可見,該IC的R端為同相輸入端,K端為三極管的集電極,故這種結構可以變通作為電壓比較器使用。


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下列是原理圖,標註有寬電壓輸入經過電容共模電感,TVS管。這是常見的輸入電源處理,當然也會有防反接保護,D9的作用是保證MOS管GS電壓不會太高,一般最高25伏左右,臨界導通電壓4伏,也就是說9.1V肯定處於飽和導通狀態。

一,當電壓由零伏上升時到達12V左右,Q2導通,D9導通導致Q5導通電源打開了,當電壓一直上升,Q2和D9狀態不變,然而當D6隨著電壓上升,導通電流達到Q4飽和電流,Q5的導通偏置電壓拉低,MOS管關閉。電源沒有輸出。

二,當電壓又恢復到12V到60伏。Q2正常導通,Q4截止。MOS正常導通。當然要注意R17,R18電阻的功率。行為輸入電壓升高他的功率也會增加。

另外兩幅圖是二極管電流和穩壓管兩端電壓曲線圖。



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欠壓保護電路其實就是一個低電壓檢測電路

只需要設計一個低電壓檢測電路,電壓過低或者過高時停止輸出就可以了

使用電壓檢測芯片HT7050A來設計電壓的檢測電路

當VCC輸入低於5V時,輸出腳 OUT就會輸出高電平,驅動三極管Q1導通,通過Q1控制繼電器或者其它後端電路就可以了
增加分壓電阻,可以設計各種檢測電壓,比如要檢測12V的電壓,設計R2=2.8K,R4=2K就可以了

檢測電壓= (R2+R4)/R4 x 5V

這種設計非常簡易、靈活,可以根據需要隨意變化為欠壓、過壓的保護

使用分立元件設計電壓檢測電路

  • 比如設計一個12V的電壓檢測電路,使用12V的穩壓管D1來鉗制Q2的基極電壓
  • 電壓低於12V時,Q2不導通,PMOS管Q3導通,後端VCC有電壓輸出
  • 電壓升高到12.5V以上時,由於Q2的基極電壓受穩壓管D1鉗制,還是12V,Q2會開始導通,導制PMOS管Q3關閉,後端VCC就沒有電壓輸出了。

當然也可以使用運放來設計電壓比較電路,想學習更多電路設計的經驗和技巧,記得關注我哦!

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對於下面兩個網友提供的電路,無一例外都有一個致命的缺陷。

那就是在保護電壓的臨界點附近,會出現保護和正常工作的反覆振盪。

比如保護電壓是12V,當電壓上升到12V時,保護電路開啟輸出,這裡由於負載的增加,12V電壓稍有一點電壓的跌落,可能就幾十mV的跌落,保護電路又關閉輸出。

從而在臨界點附近就出現了關閉/開啟的快速振盪,可能造成設備的損壞。

為了解決這個問題,我們需要設計一個具有遲滯效應的保護電路。

可以用遲滯比較器來實現,遲滯比較器可以通過比較器的輸出正反饋實現,比如比較器的比較基準電壓是2.5V,滯回範圍是0.5V。

則當輸入電壓從0V上升到2.5V時,比較器輸出低,比較基準電平下降為2.25V。

此時,輸入電壓稍有跌落,只要不低於2.25V,就不會再輸出高.

當輸入電壓從高電平下降到2.5V,比較器輸出高,比較基準電平上升為2.75V.

此時,輸入電壓稍有上升,只要不高於2.75V,就不會再輸出低.

根據上面的分析,我利用遲滯比較器設計了以下的欠壓保護電路:

  • D1是2.5V穩壓二極管,可以用高精度的TL431替換.
  • U1A是運放LM339,輸出高時為開漏,所以輸出通過R4上拉至電源,
  • R3是正反饋電阻,用於實現遲滯效果.
  • 可調電阻R8用來調節保護電壓,如果12V的保護電壓,可以將可調電阻的比例設置為20%左右.
  • Q1的用來做開關控制用的PNP三極管,如果負載電流大,可以用PMOS替換.

如果我們把可調電阻的比例設到20%,比較基準電壓為2.5/20%=12.5V

根據電壓疊加原理,當比較器輸出低時,2.5V穩壓值在同相端的分壓為,2.47V.

對應電源電壓為2.47/20%=12.35V.

當比較器輸出高時,電源電壓為12V,同相端的電壓大概為2.585V.

對應電源電壓為12.9V.

也就是當電源電壓從0V上升,到12.9V以上時,Q1導通,電源打開,負載開始工作.
當電源電壓從12.9V以上,下降到12.35V以下時,Q1截止,電源關閉,負載結束工作.

所以該電路的滯回範圍為12.9-12.35=0.55V.


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方法有很多簡單的就是用比較器運放


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