JGD24 -5 型固體式限時(shí)保護(hù)繼電器的設(shè)計(jì)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(chǎn)柴油汽車的比重越來越大。國Ⅲ柴油汽車比國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)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(xì)化， 采用ECU (中央控制單元) 作為整車所有電氣產(chǎn)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(guān)或者繼電器控制的負(fù)載在國Ⅲ柴油汽車上都由ECU 直接控制。但是， 由于ECU 的帶負(fù)載能力比起鑰匙開關(guān)或者繼電器的帶負(fù)載能力小的多， 因此， 控制起動(dòng)系統(tǒng)中的起動(dòng)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(shí)可能會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖干擾， 這些都有可能會(huì)損壞ECU.

目前， 國內(nèi)使用的國Ⅲ柴油汽車控制核心的ECU 往往并沒有設(shè)置對(duì)起動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的保護(hù)措施，對(duì)起動(dòng)機(jī)的單次起動(dòng)時(shí)間并沒有加以限制， 因此往往會(huì)造成由于單次起動(dòng)時(shí)間過長， 起動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量過大而損壞絕緣層而燒毀定轉(zhuǎn)子， 最終導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)的損壞。

針對(duì)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(shè)計(jì)開發(fā)了JGD24 -5 型固體式限時(shí)保護(hù)繼電器(以下簡稱限時(shí)保護(hù)繼電器)， 如圖1 所示。該限時(shí)保護(hù)繼電器采用電子式設(shè)計(jì)， 帶有單次起動(dòng)最長時(shí)間限制， 當(dāng)輸入端加電超過一定時(shí)間(30s) 時(shí)， 限時(shí)保護(hù)電路自動(dòng)斷電， 切斷限時(shí)保護(hù)繼電器的輸出端， 達(dá)到保護(hù)起動(dòng)機(jī)的目的。這種限時(shí)保護(hù)繼電器結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)上即可， 安裝方便， 經(jīng)過試用， 極大的降低了起動(dòng)機(jī)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(guān)斷電壓： ≥1Vdc;

額定輸出電流： 5Adc;

限時(shí)斷電時(shí)間： 30s;

延時(shí)時(shí)間： ≤200ms;

關(guān)斷時(shí)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(zhì)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(shí)保護(hù)繼電器開關(guān)功能

限時(shí)保護(hù)繼電器輸入端加電后， 輸出端接通;輸入端斷電后， 輸出端關(guān)斷， 并且輸入電流小， 輸出端接通和關(guān)斷時(shí)無火花， 動(dòng)作速度快， 不產(chǎn)生電磁干擾， 能夠很好的與ECU 匹配使用， 實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能。

2.2.2 限時(shí)保護(hù)功能

限時(shí)保護(hù)繼電器輸入端加電后， 輸出端接通，開始工作， 當(dāng)輸入端單次加電超過一定時(shí)間時(shí)(30s)， 限時(shí)保護(hù)電路自動(dòng)切斷輸出端， 避免起動(dòng)機(jī)單次過長時(shí)間起動(dòng)， 起動(dòng)機(jī)因過熱損壞絕緣層而燒毀定轉(zhuǎn)子， 進(jìn)而損壞起動(dòng)機(jī)。

2.2.3 限時(shí)保護(hù)繼電器串聯(lián)輸出保護(hù)

限時(shí)保護(hù)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(shí)現(xiàn)。這種輸出端串聯(lián)的方式在限時(shí)保護(hù)繼電器不工作時(shí)， 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(huì)受到整車電磁干擾的影響， 極大地降低了損壞的概率; 限時(shí)保護(hù)繼電器工作時(shí)， 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(shí)， 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(chǎn)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(shí)現(xiàn)了同時(shí)保護(hù)電磁式繼電器與固體式繼電器的目的。

3 總體電路設(shè)計(jì)

限時(shí)保護(hù)繼電器主要由輸入電路、延時(shí)濾波電路、限時(shí)保護(hù)電路、隔離電路、驅(qū)動(dòng)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(dāng)輸入控制電壓加到輸入端時(shí)， 經(jīng)過延時(shí)電路， 再通過振蕩電路和變壓器隔離電路將信號(hào)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/驅(qū)動(dòng)電路">驅(qū)動(dòng)電路， 由驅(qū)動(dòng)電路控制輸出電路的功率管導(dǎo)通， 然后電磁式繼電器輸出端導(dǎo)通， 從而使限時(shí)保護(hù)繼電器接通; 當(dāng)輸入信號(hào)去除時(shí)， 驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷輸出電路的功率管， 然后使電磁式繼電器輸出端關(guān)斷， 從而使限時(shí)保護(hù)繼電器關(guān)斷; 當(dāng)輸入端加電時(shí)間超過一定值(30s) 時(shí)， 限時(shí)保護(hù)繼電器自動(dòng)斷開輸出端。

限時(shí)保護(hù)繼電器與起動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的外圍接線圖如圖3 所示。

3.1 輸入電路的設(shè)計(jì)

輸入電路的原理圖如圖4 所示。R1 為下拉電阻， 將限時(shí)保護(hù)繼電器輸入端的高阻態(tài)轉(zhuǎn)化為低阻態(tài)， 實(shí)現(xiàn)ECU 對(duì)負(fù)載端的低阻態(tài)要求; V6 為反向保護(hù)二極管， 當(dāng)輸入端出現(xiàn)反向電壓時(shí)， 通過二極管的單向?qū)щ娦裕?V6 將反向電壓隔斷， 避免反向電壓對(duì)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(jí)電路提供恒流供電， 驅(qū)動(dòng)限時(shí)保護(hù)繼電器工作。

其電流IR2的計(jì)算如下(按額定電壓計(jì)算)：

下拉電阻R1 的電流值IR1的計(jì)算如下：

輸入電流I輸入的電流值為：

3.2 延時(shí)濾波電路的設(shè)計(jì)

限時(shí)保護(hù)繼電器使用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上， 其使用條件比較惡劣， 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的干擾電壓， 干擾電壓加到限時(shí)保護(hù)繼電器的輸入端可能會(huì)造成限時(shí)保護(hù)繼電器的誤動(dòng)作。因此， 在限時(shí)保護(hù)繼電器的輸入電路之后， 設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)濾波電路，延時(shí)濾波電路的原理圖如圖5 所示。當(dāng)干擾電壓小于一定值時(shí)(200ms, 干擾電壓的持續(xù)時(shí)間較短，在1μs 左右)， 限時(shí)保護(hù)繼電器不工作， 只有輸入端持續(xù)供電超過200ms, 才認(rèn)為是輸入端正常供電， 限時(shí)保護(hù)繼電器正常工作。

延時(shí)濾波電路的具體工作原理是： 當(dāng)輸入端添加一個(gè)上升沿電壓信號(hào)時(shí)， 電流經(jīng)過R6、R7 給電容C 充電。當(dāng)電容C 充電到一定的門限值V 限時(shí)，反向器的“10” 引腳輸出高電平， 限時(shí)保護(hù)繼電器開始工作。充電時(shí)間(即延時(shí)時(shí)間) 由下式計(jì)算：