成就电子电路设计高手(10)，保护电子电路设计上篇

电子电路设计每天都在被应用，对于电子电路设计，相关专业的朋友自然十分了解。在往期文章中，小编对电子电路设计有所介绍。为增加大家对电子电路设计的了解，本文将对保护电子电路设计予以讲解。本文仅为上篇，更多内容请关注下篇文章。如果你对电子电路设计具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

一、继电器保护电路设计盘点

光耦亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。以光为媒介把输入端信号耦合到输出端的光电耦合器，该电路采用的是全桥拓扑经过高频变压器转换再整流，实验项目是三相进线15V/6KA输出。其中，主回路的保护设计及报警设计是必不可少的。我首先想到的是，通过单片机输出控制继电器动作，而且由于抗干扰的要求，我必须通过光耦隔离。。于是乎，光耦隔离继电器保护电路设计应需而生。

主要电路设计如下图：

该继电保护主要隔离应用的是TIL117光耦芯片。该芯片无需供电，通过光耦二极管上拉15V电源输出15mA即可正常工作，有效隔离了输出侧对主回路的电磁影响。另外该电路还有一个+24V供电电源，大部分继电器设计的时候都需要24V，该电源设计图如下：

该电路主要的稳压芯片采用的是生产设计的UA7824芯片，该芯片输入电压可调范围宽，稳压性能好，功耗低价格低廉。在继电器电路设计的图纸中，稳压电源我大部分是用的这个芯片。

二、电热水器缺水保护报警电路

目前，各式各样的电热水器，正逐渐涌入人们的家庭。各种非高档的电热水器多是加热元件在水中使用，目的是借助水的散热作用使其加热温度不超过 100℃，否则将使加热元件烧坏，故在这类电热水器的外壳上，均标注醒目“先注水后通电”的字样。但有时人们洗完澡后忘关了电源，或者使用中过早关闭水源，把箱体内的水用完烧干，便造成了加热元件损坏的现象。电热水器保安装置，正是为防止热水器因缺水而烧损加热元件而设计的。当电源接通箱体内供水正常时，电热水器安全工作;若箱体内水位低于电加热元件，而又不能继续注水时，立即停止热水器的供电，并发出告警声响与灯光，提醒使用者应该向热水器中注水，否则电热水器的电源不通。

电热水器保安装置的电路原理，如图1所示，它是由水位检测开关电路和报警发声显示电路所组成的。

图中，由三极管BG1、BG2、继电器J及水位检测针组成;电容器C2、氖泡和压电陶瓷片HTD组成报警发声与灯光显示电路。

220V交流电源电容C1降压，二极管D半波整流后，供给BG1、BG2管组成的开关电路。当检测水位高于检测针的位置时，水位检测针因淹没在水中，使BG1、BG2管的基极与发射极短接，导致BG1、BG2管截止，继电器J不动作，其常闭触点J1接通热水器的电源插座电源，常开触点断开报警声光电路;当箱体内的水位低于水位检测针时，由于BG1、BG2管的基极同发射极断开，则BG1、BG2管立即导通，继电器J动作，常闭触点断开热水器插座电源，停止供电，常开触点闭合，接通报警声光电路的电源，发出声光告警。

三、MSP430电力系统微机保护电路

微机保护的硬件由数据采集系统、CPU主系统、开关量输入输出系统等组成。整体原理图如图1所示。通常整套硬件是用单独的专用机箱组装的。

数据采集系统硬件组成

数据采集系统又称模拟量输入系统，它的作用是将互感器次侧输出的电压、电流等模拟量经过隔离、采样、A/D转换等步骤转化为计算机能接受与识别的数字量，然后经过CPU主系统进行数据处理与运算，开关量输出输入系统的作用主要是输出跳闸、信号等信息。本文的装置共有8路数据采集输入，其中的一路见图2。该系统中，共有3个部分组成：互感器与变换器、低通有源滤波器、限压电路。互感器与变换器分别包括电流和电压。互感器的作用是采集母线上的电流和电压，并将其转换成单片机可接受的电流和电压值。这里选择CS- TA1型互感器，一般将二次侧的电流值变为5 A。另外，由于要求实现零序保护，将B相的电流互感器设定为零序互感器。电流变换器是将互感器的二次侧电流再一次变换。MSP430F1611所接收的电压最大值为3.3 V，但作为保护电路，要考虑到瞬时脉冲电流的最大值可能远大于平均值，所以设计的电路可以使单片机承受正常电流20倍以上的冲击。

电网上采集的电流电压有高次谐波，不利于软件求出电流平均值，因此要加入低通有源滤波器，见图3。

图3中，Vo：Vi=1+R7/R6，可以选R6=400 Ω，R，=240 Ω。该有源滤波器的特征频率叫ωn=1/(RC)。对于工频为50 Hz的交流电，采样频率f=600 Hz。根据香农采样定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以达到滤波的功能。另外，滤波器的地与单片机的地是一致的。由于MSP430F1611的容许电压是3.3 V，而电网电流可能产生瞬时脉动而造成单片机的烧毁，因而要有一限压电路。如图4所示。

图4中，因二极管的存在，输入A/D转换器的电压被限制在3.3 V以下。同时两个电阻产生分压效果。当电压过高，会使二极管导通，输入A/D转换器的电压会箝制在3.3 V。CMSP430系列单片机是由美国德州仪器设计开发的。这是一种具有超低功耗特性、功能强大的单片机。它具有处理能力强，运行速度快，功耗低等优点。对微机保护装置的开关量输入/输出，即接点状态的输入/输出可以分为两类：安装在装置面版上的接点;从装置外部经过端子排引入装置的接点。保护模块不仅要有保护装置，还要与测量显示模块实现异步通信。要从测量显示模块得到设定值及从自身得到闸刀的开关状态，必须要有开关量的输入输出。从其他模块得到的开关量直接接在P3口上，而自身得到的开关量需要有开关量输入电路。

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