使用霍耳元件的可控硅过流保护电路

2003年,第6期,类别:电子产品与器件

    这里介绍一种采用霍耳元件作为传感器的可控硅过流过载保护电路，此外它还具有过热保护功能和声光报警功能。电路原理图见图１。
    它的基本工作原理是这样的，由两个Ｕ形磁体与两个三端型集成霍耳元件组成一个带有一定间隙的闭合磁路，作为电流的检测系统，通过负载及可控硅电流的导线从磁路平面的中心穿过，在磁路中产生一个交变磁场，见图２。当通过可控硅的电流值在额定范围之内时，它在磁路中所产生的磁场强度较小，低于霍耳元件的动作磁场强度，保护电路不动作。而一旦发生过电流情况时，由于磁场强度大增，将超过霍耳元件的动作强度，霍耳元件将被触发翻转，同时也触发保护电路，使其关闭主电路可控硅的触发电路，并使可控硅在过零之后关断。
    电路中ＩＣ１和ＩＣ２为霍耳集成电路ＵＬＮ３０２０，在平时正常工作时它们的输出端{3}脚始终都为低电平，Ｄ２、Ｄ３截止，可控硅Ｔ１也处于关断状态，发光管Ｌ４不发光，正电源通过Ｒ６、Ｌ１、ＩＣ４、Ｒ５、ＶＴ到地形成一个回路，如果控制开关三极管ＶＴ的基极为高电平，它将处于导通状态，从而使过零触发器ＩＣ４开通，触发双向硅Ｔ３导通，负载ＲＬ得电工作，它们的电流将在磁路中产生一个交变磁场，当磁场强度的峰值没有达到两个霍耳元件的开通磁场强度时，ＩＣ１和ＩＣ２都保持原态不变。而一旦由于负载不正常，或其他原因导致电流异常增大时，ＩＣ１和ＩＣ２中有一只将处于短时高电平输出状态，从而通过Ｄ２或Ｄ３触发可控硅Ｔ１导通，Ｄ５导通，    使过零触发器ＩＣ４关断，而可控硅Ｔ３将在电源过零后关断。与此同时，发光管Ｌ４点亮，Ｄ４也导通，蜂鸣器ＢＵ发出报警声，可控硅Ｔ１能够一直保持导通状态，直到关闭控制电路的电源为止。
    在这个电路中还有一套可控硅过热保护电路，其中ＩＣ３为一只ＴＯ－２２０方式封装的型号为６７Ｌ０７０二脚温度传感开关元件，它的动作温度为７０℃，在平时常温状态下为常闭状态。它被安装在可控硅Ｔ３的散热器上。当可控硅由于过负荷或其他原因而使功耗大大增加，一旦散热器的温度达到７０℃时，ＩＣ３将从常闭转为常开，这时Ｔ２将通过Ｒ１０触发导通，Ｄ６也导通，使ＩＣ４断电截止，同时也使可控硅Ｔ３截止。与此同时，Ｄ７也导通，发光管Ｌ３被点亮，Ｄ６导通，蜂鸣器ＢＵ工作，发出报警声音。可控硅Ｔ２也能够一直保持导通状态。最后直到关闭控制电源为止。
    使霍耳元件动作的电流大小可以通过调整两个Ｕ形磁心之间的间隔来决定，对于本电路所使用的４０Ａ可控硅来说，应将通过它的最大电流限制在小于４０Ａ，这里所使用的磁心截面为５ｍｍ×４ｍｍ，两磁心之间的间隔约为２．０ｍｍ左右，但由于不同磁性材料导磁率存在的差异以及霍耳元件的参数差异，具体间隔可能略有不同，实际保护电流的大小最好通过实测决定，并用胶封固在印刷板上。对两只霍耳元件安装的要求是，对正磁心截面，印字全部朝向一个方向。只有这样才能使两只霍耳元件分别检测交流电流的正负半周。
    为了作进一步的保护，在主电路 还设有一个３２Ａ的空气开关，它的作用也是保护可控硅，同时也作为主电路的控制开关使用。
    该保护电路的不足之处是当负载及电路发生严重短路问题时，对可控硅的保护作用略显不足，因为也曾经出现过可控硅被烧短路的情况，这主要是由于在保护电路动作之后，可控硅只能在电源过零之后才能自然关断，而空气开关的分断速度也是有限的。所以在必要时应采用“快熔”等其他措施来进行最后的短路保护。
    该保护电路被大量应用在自行设计的４０００Ｗ箱式电炉的温度控制器上，已经正常工作了四年时间，曾多次成功地避免了因负载异常而导致的过电流故障。

                                                                        ?四川  赵文冲