成就電子電路設(shè)計(jì)高手(10)，保護(hù)電子電路設(shè)計(jì)上篇

電子電路設(shè)計(jì)每天都在被應(yīng)用，對于電子電路設(shè)計(jì)，相關(guān)專業(yè)的朋友自然十分了解。在往期文章中，小編對電子電路設(shè)計(jì)有所介紹。為增加大家對電子電路設(shè)計(jì)的了解，本文將對保護(hù)電子電路設(shè)計(jì)予以講解。本文僅為上篇，更多內(nèi)容請關(guān)注下篇文章。如果你對電子電路設(shè)計(jì)具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、繼電器保護(hù)電路設(shè)計(jì)盤點(diǎn)

光耦亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器(紅外線發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏半導(dǎo)體管)封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，該電路采用的是全橋拓?fù)浣?jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換再整流，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是三相進(jìn)線15V/6KA輸出。其中，主回路的保護(hù)設(shè)計(jì)及報(bào)警設(shè)計(jì)是必不可少的。我首先想到的是，通過單片機(jī)輸出控制繼電器動作，而且由于抗干擾的要求，我必須通過光耦隔離。。于是乎，光耦隔離繼電器保護(hù)電路設(shè)計(jì)應(yīng)需而生。

主要電路設(shè)計(jì)如下圖：

該繼電保護(hù)主要隔離應(yīng)用的是TIL117光耦芯片。該芯片無需供電，通過光耦二極管上拉15V電源輸出15mA即可正常工作，有效隔離了輸出側(cè)對主回路的電磁影響。另外該電路還有一個(gè)+24V供電電源，大部分繼電器設(shè)計(jì)的時(shí)候都需要24V，該電源設(shè)計(jì)圖如下：

該電路主要的穩(wěn)壓芯片采用的是生產(chǎn)設(shè)計(jì)的UA7824芯片，該芯片輸入電壓可調(diào)范圍寬，穩(wěn)壓性能好，功耗低價(jià)格低廉。在繼電器電路設(shè)計(jì)的圖紙中，穩(wěn)壓電源我大部分是用的這個(gè)芯片。

二、電熱水器缺水保護(hù)報(bào)警電路

目前，各式各樣的電熱水器，正逐漸涌入人們的家庭。各種非高檔的電熱水器多是加熱元件在水中使用，目的是借助水的散熱作用使其加熱溫度不超過 100℃，否則將使加熱元件燒壞，故在這類電熱水器的外殼上，均標(biāo)注醒目“先注水后通電”的字樣。但有時(shí)人們洗完澡后忘關(guān)了電源，或者使用中過早關(guān)閉水源，把箱體內(nèi)的水用完燒干，便造成了加熱元件損壞的現(xiàn)象。電熱水器保安裝置，正是為防止熱水器因缺水而燒損加熱元件而設(shè)計(jì)的。當(dāng)電源接通箱體內(nèi)供水正常時(shí)，電熱水器安全工作;若箱體內(nèi)水位低于電加熱元件，而又不能繼續(xù)注水時(shí)，立即停止熱水器的供電，并發(fā)出告警聲響與燈光，提醒使用者應(yīng)該向熱水器中注水，否則電熱水器的電源不通。

電熱水器保安裝置的電路原理，如圖1所示，它是由水位檢測開關(guān)電路和報(bào)警發(fā)聲顯示電路所組成的。

圖中，由三極管BG1、BG2、繼電器J及水位檢測針組成;電容器C2、氖泡和壓電陶瓷片HTD組成報(bào)警發(fā)聲與燈光顯示電路。

220V交流電源電容C1降壓，二極管D半波整流后，供給BG1、BG2管組成的開關(guān)電路。當(dāng)檢測水位高于檢測針的位置時(shí)，水位檢測針因淹沒在水中，使BG1、BG2管的基極與發(fā)射極短接，導(dǎo)致BG1、BG2管截止，繼電器J不動作，其常閉觸點(diǎn)J1接通熱水器的電源插座電源，常開觸點(diǎn)斷開報(bào)警聲光電路;當(dāng)箱體內(nèi)的水位低于水位檢測針時(shí)，由于BG1、BG2管的基極同發(fā)射極斷開，則BG1、BG2管立即導(dǎo)通，繼電器J動作，常閉觸點(diǎn)斷開熱水器插座電源，停止供電，常開觸點(diǎn)閉合，接通報(bào)警聲光電路的電源，發(fā)出聲光告警。

三、MSP430電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)電路

微機(jī)保護(hù)的硬件由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)等組成。整體原理圖如圖1所示。通常整套硬件是用單獨(dú)的專用機(jī)箱組裝的。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱模擬量輸入系統(tǒng)，它的作用是將互感器次側(cè)輸出的電壓、電流等模擬量經(jīng)過隔離、采樣、A/D轉(zhuǎn)換等步驟轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受與識別的數(shù)字量，然后經(jīng)過CPU主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算，開關(guān)量輸出輸入系統(tǒng)的作用主要是輸出跳閘、信號等信息。本文的裝置共有8路數(shù)據(jù)采集輸入，其中的一路見圖2。該系統(tǒng)中，共有3個(gè)部分組成：互感器與變換器、低通有源濾波器、限壓電路。互感器與變換器分別包括電流和電壓。互感器的作用是采集母線上的電流和電壓，并將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可接受的電流和電壓值。這里選擇CS- TA1型互感器，一般將二次側(cè)的電流值變?yōu)? A。另外，由于要求實(shí)現(xiàn)零序保護(hù)，將B相的電流互感器設(shè)定為零序互感器。電流變換器是將互感器的二次側(cè)電流再一次變換。MSP430F1611所接收的電壓最大值為3.3 V，但作為保護(hù)電路，要考慮到瞬時(shí)脈沖電流的最大值可能遠(yuǎn)大于平均值，所以設(shè)計(jì)的電路可以使單片機(jī)承受正常電流20倍以上的沖擊。

電網(wǎng)上采集的電流電壓有高次諧波，不利于軟件求出電流平均值，因此要加入低通有源濾波器，見圖3。

圖3中，Vo：Vi=1+R7/R6，可以選R6=400 Ω，R，=240 Ω。該有源濾波器的特征頻率叫ωn=1/(RC)。對于工頻為50 Hz的交流電，采樣頻率f=600 Hz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以達(dá)到濾波的功能。另外，濾波器的地與單片機(jī)的地是一致的。由于MSP430F1611的容許電壓是3.3 V，而電網(wǎng)電流可能產(chǎn)生瞬時(shí)脈動而造成單片機(jī)的燒毀，因而要有一限壓電路。如圖4所示。

圖4中，因二極管的存在，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓被限制在3.3 V以下。同時(shí)兩個(gè)電阻產(chǎn)生分壓效果。當(dāng)電壓過高，會使二極管導(dǎo)通，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓會箝制在3.3 V。CMSP430系列單片機(jī)是由美國德州儀器設(shè)計(jì)開發(fā)的。這是一種具有超低功耗特性、功能強(qiáng)大的單片機(jī)。它具有處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。對微機(jī)保護(hù)裝置的開關(guān)量輸入/輸出，即接點(diǎn)狀態(tài)的輸入/輸出可以分為兩類：安裝在裝置面版上的接點(diǎn);從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點(diǎn)。保護(hù)模塊不僅要有保護(hù)裝置，還要與測量顯示模塊實(shí)現(xiàn)異步通信。要從測量顯示模塊得到設(shè)定值及從自身得到閘刀的開關(guān)狀態(tài)，必須要有開關(guān)量的輸入輸出。從其他模塊得到的開關(guān)量直接接在P3口上，而自身得到的開關(guān)量需要有開關(guān)量輸入電路。

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