JGD24 -5 型固體式限時(shí)保護繼電器的設計方案

1 引言

隨著(zhù)國Ⅲ柴油汽車(chē)的發(fā)展和在我國的大力推行， 國Ⅲ柴油汽車(chē)占國產(chǎn)柴油汽車(chē)的比重越來(lái)越大。國Ⅲ柴油汽車(chē)比國Ⅲ標準以下的柴油汽車(chē)在電氣系統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(chē)所有電氣產(chǎn)品的控制核心， 使得整車(chē)電氣系統的智能化、集成度越來(lái)越高。隨著(zhù)ECU 在柴油汽車(chē)上的使用越來(lái)越多，原先通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)或者繼電器控制的負載在國Ⅲ柴油汽車(chē)上都由ECU 直接控制。但是， 由于ECU 的帶負載能力比起鑰匙開(kāi)關(guān)或者繼電器的帶負載能力小的多， 因此， 控制起動(dòng)系統中的起動(dòng)繼電器其線(xiàn)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， 國內使用的國Ⅲ柴油汽車(chē)控制核心的ECU 往往并沒(méi)有設置對起動(dòng)機系統的保護措施，對起動(dòng)機的單次起動(dòng)時(shí)間并沒(méi)有加以限制， 因此往往會(huì )造成由于單次起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(cháng)， 起動(dòng)機產(chǎn)生的熱量過(guò)大而損壞絕緣層而燒毀定轉子， 最終導致起動(dòng)機的損壞。

針對國Ⅲ柴油汽車(chē)在快速發(fā)展過(guò)程中遇到的上述兩方面的問(wèn)題， 我公司設計開(kāi)發(fā)了JGD24 -5 型固體式限時(shí)保護繼電器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)限時(shí)保護繼電器)， 如圖1 所示。該限時(shí)保護繼電器采用電子式設計， 帶有單次起動(dòng)最長(cháng)時(shí)間限制， 當輸入端加電超過(guò)一定時(shí)間(30s) 時(shí)， 限時(shí)保護電路自動(dòng)斷電， 切斷限時(shí)保護繼電器的輸出端， 達到保護起動(dòng)機的目的。這種限時(shí)保護繼電器結構簡(jiǎn)單， 輸入端與輸出端都采用雙線(xiàn)制， 接線(xiàn)方便， 直接接在起動(dòng)機上即可， 安裝方便， 經(jīng)過(guò)試用， 極大的降低了起動(dòng)機的故障率。

2 主要參數、功能

2.1 主要參數

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)保護繼電器開(kāi)關(guān)功能

限時(shí)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(guān)斷， 并且輸入電流小， 輸出端接通和關(guān)斷時(shí)無(wú)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)現開(kāi)關(guān)功能。

2.2.2 限時(shí)保護功能

限時(shí)保護繼電器輸入端加電后， 輸出端接通，開(kāi)始工作， 當輸入端單次加電超過(guò)一定時(shí)間時(shí)(30s)， 限時(shí)保護電路自動(dòng)切斷輸出端， 避免起動(dòng)機單次過(guò)長(cháng)時(shí)間起動(dòng)， 起動(dòng)機因過(guò)熱損壞絕緣層而燒毀定轉子， 進(jìn)而損壞起動(dòng)機。

2.2.3 限時(shí)保護繼電器串聯(lián)輸出保護

限時(shí)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(shí)現。這種輸出端串聯(lián)的方式在限時(shí)保護繼電器不工作時(shí)， 電磁繼電器輸出端斷開(kāi)， 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(chē)電磁干擾的影響， 極大地降低了損壞的概率; 限時(shí)保護繼電器工作時(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(kāi)， 而電磁式繼電器輸出端后斷開(kāi)。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(cháng)了電磁式繼電器的通斷壽命。通過(guò)輸出端串聯(lián)的方式實(shí)現了同時(shí)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(shí)保護繼電器主要由輸入電路、延時(shí)濾波電路、限時(shí)保護電路、隔離電路、驅動(dòng)電路和串聯(lián)輸出電路六大部分組成， 原理框圖見(jiàn)圖2.其主要工作原理為： 當輸入控制電壓加到輸入端時(shí)， 經(jīng)過(guò)延時(shí)電路， 再通過(guò)振蕩電路和變壓器隔離電路將信號傳輸到驅動(dòng)電路， 由驅動(dòng)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(shí)保護繼電器接通; 當輸入信號去除時(shí)， 驅動(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)保護繼電器關(guān)斷; 當輸入端加電時(shí)間超過(guò)一定值(30s) 時(shí)， 限時(shí)保護繼電器自動(dòng)斷開(kāi)輸出端。

限時(shí)保護繼電器與起動(dòng)機系統的外圍接線(xiàn)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(shí)保護繼電器輸入端的高阻態(tài)轉化為低阻態(tài)， 實(shí)現ECU 對負載端的低阻態(tài)要求; V6 為反向保護二極管， 當輸入端出現反向電壓時(shí)， 通過(guò)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 穩壓管， 輸入電壓通過(guò)穩壓管降壓后， 加在限流電阻R2 上，給后級電路提供恒流供電， 驅動(dòng)限時(shí)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(shí)濾波電路的設計

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

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