JGD24 -5 型固體式限時保護繼電器的設計方案

1 引言

隨著國Ⅲ柴油汽車的發(fā)展和在我國的大力推行， 國Ⅲ柴油汽車占國產柴油汽車的比重越來越大。國Ⅲ柴油汽車比國Ⅲ標準以下的柴油汽車在電氣系統(tǒng)的智能控制方面更加全面， 更加細化， 采用ECU (中央控制單元) 作為整車所有電氣產品的控制核心， 使得整車電氣系統(tǒng)的智能化、集成度越來越高。隨著ECU 在柴油汽車上的使用越來越多，原先通過鑰匙開關或者繼電器控制的負載在國Ⅲ柴油汽車上都由ECU 直接控制。但是， 由于ECU 的帶負載能力比起鑰匙開關或者繼電器的帶負載能力小的多， 因此， 控制起動系統(tǒng)中的起動繼電器其線圈電流大都在2A 左右， 工作較頻繁， 并且在工作時可能會產生電磁脈沖干擾， 這些都有可能會損壞ECU.

目前， 國內使用的國Ⅲ柴油汽車控制核心的ECU 往往并沒有設置對起動機系統(tǒng)的保護措施，對起動機的單次起動時間并沒有加以限制， 因此往往會造成由于單次起動時間過長， 起動機產生的熱量過大而損壞絕緣層而燒毀定轉子， 最終導致起動機的損壞。

針對國Ⅲ柴油汽車在快速發(fā)展過程中遇到的上述兩方面的問題， 我公司設計開發(fā)了JGD24 -5 型固體式限時保護繼電器(以下簡稱限時保護繼電器)， 如圖1 所示。該限時保護繼電器采用電子式設計， 帶有單次起動最長時間限制， 當輸入端加電超過一定時間(30s) 時， 限時保護電路自動斷電， 切斷限時保護繼電器的輸出端， 達到保護起動機的目的。這種限時保護繼電器結構簡單， 輸入端與輸出端都采用雙線制， 接線方便， 直接接在起動機上即可， 安裝方便， 經過試用， 極大的降低了起動機的故障率。

2 主要參數(shù)、功能

2.1 主要參數(shù)

額定電壓： 24Vdc;

輸入電流： ≤300mA;

接通電壓： ≤18Vdc;

關斷電壓： ≥1Vdc;

額定輸出電流： 5Adc;

限時斷電時間： 30s;

延時時間： ≤200ms;

關斷時間： ≤10ms;

輸出電壓降： ≤0.5Vdc;

輸出漏電流： ≤10μA;

工作溫度： -40℃ ~100℃;

貯存溫度： -40℃ ~100℃;

介質耐電壓： ≥660Vac;

絕緣電阻： ≥100MΩ;

封裝形式： 灌封式。

2.2 功能

2.2.1 限時保護繼電器開關功能

限時保護繼電器輸入端加電后， 輸出端接通;輸入端斷電后， 輸出端關斷， 并且輸入電流小， 輸出端接通和關斷時無火花， 動作速度快， 不產生電磁干擾， 能夠很好的與ECU 匹配使用， 實現(xiàn)開關功能。

2.2.2 限時保護功能

限時保護繼電器輸入端加電后， 輸出端接通，開始工作， 當輸入端單次加電超過一定時間時(30s)， 限時保護電路自動切斷輸出端， 避免起動機單次過長時間起動， 起動機因過熱損壞絕緣層而燒毀定轉子， 進而損壞起動機。

2.2.3 限時保護繼電器串聯(lián)輸出保護

限時保護繼電器輸出端采用固體式繼電器輸出端與電磁式繼電器輸出端串聯(lián)的方式實現(xiàn)。這種輸出端串聯(lián)的方式在限時保護繼電器不工作時， 電磁繼電器輸出端斷開， 固體式繼電器因輸出端處于斷電狀態(tài)而不會受到整車電磁干擾的影響， 極大地降低了損壞的概率; 限時保護繼電器工作時， 輸入端加電， 電磁式繼電器輸出端先閉合， 而固體式繼電器輸出端后閉合; 輸入端斷電時， 固體式繼電器輸出端先斷開， 而電磁式繼電器輸出端后斷開。這種通斷控制方式可以徹底避免電磁式繼電器輸出端帶電切換， 避免電弧的產生， 極大地延長了電磁式繼電器的通斷壽命。通過輸出端串聯(lián)的方式實現(xiàn)了同時保護電磁式繼電器與固體式繼電器的目的。

3 總體電路設計

限時保護繼電器主要由輸入電路、延時濾波電路、限時保護電路、隔離電路、驅動電路和串聯(lián)輸出電路六大部分組成， 原理框圖見圖2.其主要工作原理為： 當輸入控制電壓加到輸入端時， 經過延時電路， 再通過振蕩電路和變壓器隔離電路將信號傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/驅動電路">驅動電路， 由驅動電路控制輸出電路的功率管導通， 然后電磁式繼電器輸出端導通， 從而使限時保護繼電器接通; 當輸入信號去除時， 驅動電路關斷輸出電路的功率管， 然后使電磁式繼電器輸出端關斷， 從而使限時保護繼電器關斷; 當輸入端加電時間超過一定值(30s) 時， 限時保護繼電器自動斷開輸出端。

限時保護繼電器與起動機系統(tǒng)的外圍接線圖如圖3 所示。

3.1 輸入電路的設計

輸入電路的原理圖如圖4 所示。R1 為下拉電阻， 將限時保護繼電器輸入端的高阻態(tài)轉化為低阻態(tài)， 實現(xiàn)ECU 對負載端的低阻態(tài)要求; V6 為反向保護二極管， 當輸入端出現(xiàn)反向電壓時， 通過二極管的單向導電性， V6 將反向電壓隔斷， 避免反向電壓對后端電路造成影響; V1 為5V 穩(wěn)壓管， 輸入電壓通過穩(wěn)壓管降壓后， 加在限流電阻R2 上，給后級電路提供恒流供電， 驅動限時保護繼電器工作。

其電流IR2的計算如下(按額定電壓計算)：

下拉電阻R1 的電流值IR1的計算如下：

輸入電流I輸入的電流值為：

3.2 延時濾波電路的設計

限時保護繼電器使用在汽車發(fā)動機上， 其使用條件比較惡劣， 發(fā)動機工作時會產生大量的干擾電壓， 干擾電壓加到限時保護繼電器的輸入端可能會造成限時保護繼電器的誤動作。因此， 在限時保護繼電器的輸入電路之后， 設計一個延時濾波電路，延時濾波電路的原理圖如圖5 所示。當干擾電壓小于一定值時(200ms, 干擾電壓的持續(xù)時間較短，在1μs 左右)， 限時保護繼電器不工作， 只有輸入端持續(xù)供電超過200ms, 才認為是輸入端正常供電， 限時保護繼電器正常工作。

延時濾波電路的具體工作原理是： 當輸入端添加一個上升沿電壓信號時， 電流經過R6、R7 給電容C 充電。當電容C 充電到一定的門限值V 限時，反向器的“10” 引腳輸出高電平， 限時保護繼電器開始工作。充電時間(即延時時間) 由下式計算：