只需要5个主要器件的“王炸”保护电路

保护电路，只知道用熔断器？那是不够的。今天，贸泽科普实验室教你一个“王炸”保护电路，仅需要5个主要器件，就可以做到阈值电压可调。

01

“王炸”保护电路如何工作？

在这个保护电路中，继电器管作为主回路的控制元件，晶闸管作为状态锁存元件，LM393构成电压比较器，作为电路过流监测元件，反并联二极管做反接保护，水泥电阻做检流电阻。

 

这5个简单的器件是怎么协同工作起到保护作用的呢？分析这个电路的工作原理就一目了然了：

通过R1和PR1进行分压，可以预先设定好电路的保护电流值。LM393是电压比较器，其5脚的电压与6脚设定好的电压比较。如果5脚电压高于6脚电压，7脚就会输出高电平，晶闸管Q1导通，继而使常闭继电器K1断开，电路主回路断路，流过检流电阻RS1的电流为0，两端的电压为0，这时LM393的IN+小于IN－，LM393就会输出低电平信号到晶闸管，但是由于晶闸管的维持电流并没有消失，所以，常闭继电器依旧保持断开状态。当排除后级电路故障后，只需要按下复位按钮RSET即可恢复电路状态。

什么时候5脚的电压会高于6脚呢？这就靠检流电阻RS1了。

电路正常工作时，流过RS1的电流在正常范围，RS1两端的电压也在正常范围内。而当电路发生反接、过载、短路任意一种故障时，流经RS1的电流会增大，两端的电压自然升高，这样送入LM393 5脚的电压就会急剧升高。

为了验证这个电路是否真的能实现保护作用，我们搭建了测试电路。一一测试电路过载、电源反接、负载短路三种情况：

通过实验测试，保护电路工作迅速。而通过调节电压比较器的基准来调整保护值，则是非常方便。如果有小伙伴感兴趣，不妨自己搭建测试一番。

02

什么时候需要保护电路？

上面的保护电路，我们测试了三种情况，让电子负载电流增大，超过电路工作的电流，测试电路过载情况，以及电源正负接反、负载短路情况。

电路过载、电源反接、负载短路，这三种是电路中很常出现的。电子电路工作时，还会存在其他很多不稳定的因素影响电路的正常工作，甚至是损坏电路、电子设备。

因此就需要很多种保护，简单总结一下：

关键点

1、过流保护：被保护元件或电路中的电流超过预先设定的数值时，保护装置启动作用。通常，过流保护是电源的标配。

2、过压保护：当输入电压超过预设值时，切断电源。由于电源内部故障，或者一些外部原因，电源都有可能出现过压情况。

3、欠压保护：与过压对应，当电压低于预设的电压时，提供工作。一般，欠压保护主要用在电池供电的系统中，为了防止电池过度放电而损坏电池。

4、过热保护：生产中所用的自动车床、电热烘箱、机床等连续运转的机电设备，以及其它无人值守的设备，因为电机过热或温控器失灵造成的事故时有发生，需要采取相应的保安措施。

5、短路保护：当电路系统中发生短路情况时，及时断开电路，保证后级各个器件电路的安全。

6、防反接保护：电子器件或电路不允许电源正负极反接。如果不慎反接了电源，轻则电路故障，重则器件烧毁。防反接保护电源输入正确后才可以到后级电路中。

7、浪涌保护：交流电网间不稳定因素导致浪涌或者尖峰电压，这可能是上千，甚至几千伏的电压，如此高的电压会导致设备或电路的损坏，浪涌保护可以在瞬间承受很高的电压尖峰。

03

保护器件1个不够？

为了实现上述这些电路保护功能，通常采用1个器件或者几个器件组成保护电路。

熔断器：过流保护、短路保护

大家极为熟知、很普通、很简单的就是熔断器。

 

普通熔断器俗称保险丝或保险管，当流过熔断器的电流超过额定规格时，保险丝将会熔断。使用十分简单。如果是避免过载和短路，只需要在电源输入端串入一个熔断器，即可。如果是反接保护，除了串入熔断器之外，还需要再反并联一个二极管。当电路出现反接后，电流由电源正极流过熔断器，再流过反并联二极管构成回路。这时，电路中的电流接近短路电流，非常大，熔断器会及时熔断，把电源与后级电路断开，实现反接保护。

虽然熔断器简单好用、成本又低，但是对电路的保护依赖熔断器的熔断速度，如果熔断器速度不快，在电路故障的瞬间无法即使熔断，就会对后级电路造成损失，下面的测试熔断时间就足以说明：

 

除了熔断速度之外，这种普通的熔断器是无法自我恢复的，一旦熔断后就需要手动更换。在消费级产品里，常用自恢复保险代替普通熔断器。在电路故障时，可以让电路断开，电路恢复后，自恢复保险也可以自动恢复保护功能，不需要更换器件。

在很多电子系统中，熔断器通常和其他保护元件共同协助，组成多重保护。

压敏电阻：过压保护

压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护，压敏电阻在交流和直流电路里均可以使用。

TVS二极管：过压保护、浪涌保护

TVS二极管是瞬态电压抑制二极管。当TVS二极管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

TVS二极管可以保护电器设备不受导线引入的电压尖峰破坏。TVS二极管通常用在信号传输的终端里，例如在RS485或CAN总线的终端，就会使用TVS二极管。

MOS管：防反接

利用MOS管的开关特性控制电路的导通和关断，可以放置电源反接给负载带来损坏。当电源正常接入时，MOSFET导通；当电源反接后，MOSFET截止，达到反接保护效果。采用MOS管做保护器件时，需要注意MOS管的导通电压。

上面四种是大家常用的保护器件，但其实电路保护器件还有很多种，再给大家补充四个：

自恢复保险：过流保护

自恢复保险丝，是由经过特殊处理的聚合树脂（Polymer）及分布在里面的导电粒子（Carbon Black）组成。在正常操作下，聚合树脂紧密地将导电粒子，束缚在结晶状的结构外，构成链状导电通路，此时的自恢复保险丝为低阻状态，线路上流经自恢复保险丝的电流所产生的热能小，不会改变晶体结构。当线路发生短路或过载时，流经自恢复保险丝的大电流，产生的热量使聚合树脂融化，体积迅速增长，形成高阻状态，工作电流迅速减小，从而对电路进行限制和保护。当故障排除后，自恢复保险丝重新冷却结晶，体积收缩，导电粒子重新形成导电通路，自恢复保险丝恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护，无须人工更换。

陶瓷放电管：泄放雷电暂态过电流和

限制过电压作用

陶瓷放电管用陶瓷密闭封装，内部由两个或多个带间隙的金属电极，充以惰性气体氩气，氖气构成，当加到两电极端的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管开始放电，由高阻抗变成低阻抗，使浪涌电压迅速短路至接近零电压，并将过电流释放入地，从而对后续电路起到保护作用。当浪涌电压消失后，陶瓷放电管熄灭恢复到高阻抗状态，等待下一次动作，陶瓷放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。

温度保险丝：电器过热保护

温度保险丝两引脚间连接一段易熔合金丝，电流可以从一根引脚流向另一根引脚，当保险丝周围温度上升到它的动作温度时，其易熔合金熔化并在表面张力作用下，收缩成球状附在两引脚末端，这样，电路被永久切断。

热敏电阻：电路热启动限流

热敏电阻是一种传感器电阻，其电阻值随着温度的变化而改变。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小。

04

小 结

这8种就是我们在设计电路时比较常用的保护元件和电路了，大家可以根据自己的使用场景选择合适的保护器件。除了我们熟知的过流、过压、过热等电路保护，在特定场景中还有一些特殊的电路保护，比如电机的欠压保护、超速保护等。

当今的电子产品工作环境日益复杂，单纯靠一个元件完成保护越来越困难，更多的是使用多个器件设计科学的保护电路，正如开头我们设计的“王炸”电路。

在设计电路时，我们只需要知道无论哪种保护，原理都是使用感知元件得到实际值，然后送入比较元件与设定值比较，实际值在设定值范围内不动作，超过设定值动作。如此，根据需求，选择适用的传感元件，通过组合电路的方式，就可以设计出符合需求的保护电路。

审核编辑：黄飞