自動觸發式汽車短路保護報警裝置設計與制作

【摘" 要】該文首先通過如何巧用繼電器設計制作簡易短路保護裝置入手，由簡單到復雜，對該裝置進一步改進和創新，從而設計出了一種自動觸發式汽車短路保護報警裝置，并對該裝置的設計與制作過程進行了詳細介紹，以便作為汽車或汽車維修教學接線臺架的短路保護輔助裝置。

【關鍵詞】短路保護裝置；自動觸發；報警裝置；設計與制作

中圖分類號：U463.6" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2022 ）12-0062-03

Design and Manufacture of Automobile Short-circuit Protection Alarm Device with Automatic Trigger*

ZHANG Chun-zhao，QIU Jian-bin

（Guangdong Institute of Mechanical Technicians，Guangzhou 510450，China）

【Abstract】The paper starts with how to design and make a simple short-circuit protection device by using relays cleverly，and further improves and innovates the device from simple to complex，so as to design an auto short-circuit protection alarm device with automatic triggering，and the design and production process of the device is introduced in detail in order to be used as an auxiliary device of short-circuit protection for auto or auto maintenance teaching wiring frame.

【Key words】short-circuit protection device；automatic triggering；alarm device；design and fabrication

汽車教學接線臺架是汽車培訓機構、技工院校、職業中專、職業院校汽車電路課程教學中非常常見的實習設備，在接線過程中鍛煉學生動手能力的同時還能使學生在潛移默化中掌握電路的控制原理和檢修方法，但是學生作為初學者，對電路并不熟悉，再加上部分學生粗心馬虎等原因經常導致接線錯誤，引起線路發生短路，甚至燒壞接線臺架，如果接線臺架沒有設計短路保護電路，容易引起接線臺架燒壞，造成一定的經濟損失，也不利于一體化教學。

筆者作為一名汽車維修專業老師，對該問題進行了長期的探索研究，并通過反復實驗，設計并制作一種自動觸發式短路保護報警裝置，下面將裝置的設計制作方法進行介紹。

1" 如何巧用繼電器設計制作簡易短路保護裝置

1.1" 簡易短路保護裝置電路結構

該裝置電路結構（圖1）由一個五腳繼電器和一個觸發開關組成，具體控制原理如下。

按下觸發開關，電流從蓄電池（+）→85→86→觸發開關→蓄電池（-），繼電器線圈通電，繼電器觸點開關從常閉位置跳變為常開位置；觸發開關斷開后，電流從蓄電池（+）→85→86→常開觸點87→30→蓄電池（-），繼電器線圈繼續通電，維持常開位置不變。此時繼電器被觸發并接通電路電源，此時若接入連接線路和負載，電流從蓄電池（+）→連接線路和負載→常開觸點87→30→蓄電池（-），負載就能正常工作。

根據電路圖可知，連接線路和負載與繼電器勵磁線圈是并聯關系，所以無論哪一條連接線路發生短路時，繼電器勵磁線圈也會被短路，從而使繼電器勵磁線圈立即斷電，繼電器在彈簧回位作用力下迅速跳回常閉觸點，切斷短路連接線路的回路，雖然短路時經過繼電器觸點開關的電流很大，但由于繼電器線圈斷電后，常開觸點會在極短的時間內斷開，不會造成觸點燒蝕，也不會造成連接線路的燒毀，從而有效保護了接線臺架。

1.2" 簡易短路保護裝置存在的問題

圖1簡易短路保護電路雖然可以實現短路自動切斷回路實現短路保護，但存在以下問題：①無指示裝置，無法顯示繼電器是否被觸發；②發生短路時若按下觸發開關，短路電流會流經觸發開關造成觸發開關燒毀；③手動操作過于繁瑣；④手動觸發開關會造成觸發時間太長，發生短路時繼電器會多次觸發使觸點反復上下跳動，巨大電流會多次反復通過繼電器常開觸點使其燒蝕。

針對以上問題需要對該電路進一步改進和創新，短路保護裝置自動觸發電路如圖2所示。

2" 自動觸發式汽車短路保護報警裝置的設計

自動觸發式汽車短路保護報警裝置是在圖1簡易短路保護電路基礎上進行的改進和創新，將手動觸發開關改為三極管，并通過RC電路進行自動觸發式控制，另外加入指示電路和短路報警器，具體設計過程如下。

2.1" 自動觸發電路的設計

如圖2所示，該電路主要由RC觸發電路（R1、VT1、電容C1、R2和R3）以及二極管VD1組成，其控制過程如下：蓄電池接通后，電流從蓄電池（+）→R1→C1（電容）→VT1基極→VT1發射極→蓄電池（-）；VT1導通，繼電器勵磁線圈通電，觸點開關從常閉位置變為常開觸點位置，由于蓄電池為直流電，當電容C1充電完成后，充電電流變為0，VT1截止，但此時勵磁線圈電流從VD1（二極管）→常開觸點87端→30端→蓄電池（-），繼電器線圈繼續通電，維持常開位置不變，此時繼電器被自動觸發并接通電路電源。

繼電器輸出端連接的線路和負載與繼電器勵磁線圈仍然是并聯關系，任何一條連接線路或負載發生短路，都會使繼電器勵磁線圈發生短路并迅速跳回常閉觸點，切斷短路連接線路的回路，若需要再次觸發電路使其輸出，必須先排除短路故障，然后切斷電源等待電容C1放電完成后方可再次觸發電路輸出。

2.2" 自動觸發電路的設計難點和解決方法

1）難點1：繼電器勵磁線圈觸發時間的控制問題

觸發繼電器工作是通過VT1三極管導通時間完成，觸發時間過長，發生短路時繼電器可能會多次被觸發使其觸點燒蝕，觸發時間過短則可能導致繼電器不能被觸發，所以繼電器觸發時間不能太長也不能太短。

解決辦法：通過RC電路充電控制VT1三極管的導通時間，通過調整RC電路中電阻和電容大小，就能調整繼電器觸發時間，使觸發時間控制在最佳范圍內。

2）難點2：電容充滿電后泄放問題

電容充電自動觸發繼電器后，電容C1需要進行放電后才能再次觸發，電容放電回路要經過VT1，再次觸發可能要等較長時間。

解決辦法：可以在RC電路下方設置放電回路電阻R2、R3，通過調整放電電阻數值，就能根據需要設置電容的放電時間，從而設置短路后再次被觸發需要的時間。

3）難點3：觸發電路關鍵電子元件的保護問題

若輸出端發生短路或負載過大時，一旦三極管VT1被觸發導通，電流從蓄電池（+）→輸出端（+）→負載→輸出端（-）→三極管VT1→蓄電池（-），由于經過三極管VT1電流過大，三極管很容易因過流而損壞，另一方面，即使輸出端連接電路沒有發生短路或負載很小，繼電器勵磁線圈在斷電后所產生的電感電壓也可能超過了三極管的最高耐壓值，損害三極管。

解決辦法：在86和87端之間加入一個二極管VD1。VD1正極端連接86端，負極端連接87端，這樣既不影響繼電器觸發后勵磁線圈的通電回路，也可以避免在繼電器觸發過程中負載電流或短路電流經過VTI三極管，還可以避免勵磁線圈斷電時產生的電感電壓作用在三極管，從而有效保護三極管VT1。

2.3" 指示電路和短路報警器的設計

指示電路和短路報警器如圖3所示，當接入蓄電池電源電路后，繼電器被觸發從常閉觸點到常開觸點，電流從蓄電池（+）→R4→工作正常指示燈→87→30→蓄電池（-），工作正常指示燈（綠色）亮起，表示繼電器已經觸發并處于短路保護狀態，如果繼電器沒有被觸發或發生短路，電流從蓄電池（+）→短路指示燈（紅色）→R5→87a→30→蓄電池（-），短路指示燈（紅色）亮起，同時電流從蓄電池（+）→短路報警器→87a→30→蓄電池（-），短路報警器響起，表示繼電器未觸發或接入的電路發生了短路。

3" 制作過程電子元件型號的選擇

3.1" 繼電器型號選擇

繼電器應該選用大電流80A以上，工作電壓為12V的五腳繼電器，85、86腳為勵磁線圈端，30觸點開關公共端，87端為常閉端，勵磁線圈未通電時觸點開關與此端接通，87a為常開位置，勵磁線圈通電時與此端接通。

3.2" 觸發電路電子元件選擇

觸發電路電子元件主要包括電阻R1、R2、R3、電容C1和三極管VT1。

3.2.1" 三極管VT1型號的選擇

三極管采用NPN型，其NPN型型號和參數如表1所示。

根據選用的繼電器型號，該繼電器勵磁線圈電阻為76Ω，工作電壓12V，根據公式I=U/R，計算出勵磁線圈工作電流約為0.16A；由于三極管集電極與勵磁線圈是串聯關系，所以觸發時通過三極管集電極電流也為0.16A，根據表1三極管各型號的工作參數可知，三極管S9013、S8050均能滿足該工作需要。

3.2.2" 二極管VD1型號的選擇

該二極管采用普通整流二極管，其型號的選擇要考慮以下參數。

1）最大整流電流IF：即二極管長期連續工作時，允許通過二極管的最大正向電流的平均值。經過二極管的電路只有勵磁線圈，所以選擇的二極管最大整流電流IF要大于0.16A。

2）正偏電壓VF：即二極管在特定電流與溫度條件下的正向管壓降。為保證控制電路的電壓降足夠低，盡量選擇鍺管。

3）反向擊穿電壓VBR：即管子反向擊穿時的電壓值。由于勵磁線圈斷電時會產生電感，有可能會損壞二極管，所以二極管的反向擊穿電壓要高于勵磁線圈電感電壓。

3.2.3" 電阻R1電容C1型號的確定

1）繼電器觸發時間的計算方法

繼電器觸發時間是通過RC電路充電時間控制，只要計算出電容的充電時間，就可以計算出繼電器的觸發時間，計算方法如下：設V0為電容上的初始電壓值，Vu為電容充滿終止電壓值，Vt為任意時刻t，電容上的電壓值。則，Vt=V0+ （Vu-V0）×[1-exp（-t/RC）]。如果，電壓為E的電池通過電阻R向初值為0的電容C充電，V0=0，充電極限Vu=E，故，任意時刻t，電容上的電壓為：

Vt=E×[1-exp（-t/RC）]

t=RCLn[E/（E-Vt）]

如果已知某時刻電容上的電壓Vt ，根據常數可以計算出時間t。公式涵義：完全充滿，Vt接近E，時間無窮大。當t=RC時，電容電壓=0.63E；當t=2RC時，電容電壓=0.86E；當t=3RC時，電容電壓=0.95E；當t=4RC時，電容電壓=0.98E；當t=5RC時，電容電壓=0.99E。由于VT1三極管采用的是NPN型硅管，基極與發射極電壓要大于0.6V才能導通，蓄電池電壓為12V，電容電壓最高只能接近11.4V，11.4V/12V=0.95，即電容電壓C1=0.95E，t=3RC。

2）RC觸發電路電阻R1電容C1數值的確定

繼電器吸合的動作如圖4所示。1線圈給電→2產生磁場→3活動臂被吸動（常閉觸點87a開始準備斷開）→4常開觸點87閉合→5保持組成，所以吸合時間是1+2+3+4。其中1、2是電動作，時間忽略不計，4、5是機械動作，線圈要克服彈簧力，然后觸點距離L一般是小于3mm，L/動作速度S=吸合時間T，品牌越好這個參數控制得越好。一般微型繼電器吸合時間T都在10～20ms之間，小型繼電器在20～100ms。

為保證繼電器可以完成觸發，可設定觸發時間為100ms.根據RC電路充電時間計算公式t=3RC。

若采用電容C1大小為22μF，RC=t/3，R=t/（3C）=0.1s/3×22×10-6=1515Ω。

為獲得更合適的電阻，可采用實驗法，將R1用滑動電阻代替，電阻先設定為1515Ω，每次通電觸發后減少一個數值，直到不能觸發時上一個設定的電阻數值即為最合適R1電阻數值。

3）R2和R3的確定

通過R2和R3可以設定斷電后電容放電時間，從而設定斷電后下次觸發要等待的時間。根據RC放電公式t=RC，若電容的放電時間設定為3s，則R=13636Ω，R=R2+R3，為了保證三極管基極電流足夠大，R3可采用10kΩ，R2可采用4kΩ。

3.3" 指示電路電子元件的選擇

指示電路電子元件采用發光二極管串聯一個1k？電阻即可，為了便于區別，常閉觸點相連的指示燈采用紅色，常開觸點采用的指示燈采用綠色。

4" 結語

1）給出了自動觸發式汽車短路保護報警裝置設計與制作方法，并詳細闡述了制作過程電子元件型號如何選擇或計算等內容。

2）經過反復多次試驗的實際應用，表明該裝置具有較好的穩定性和實用性。

3）該裝置可廣泛應用于汽車教具廠、技工院校汽車接線臺架改造或汽車電子電路技術領域，或作為汽車短路保護的輔助裝置，具有廣泛應用價值。

參考文獻：

[1] 張巖. 電池短路裝置設計[J]. 電氣防爆，2018（3）：29-31.

[2] 李桂丹. 煤礦低壓饋電開關智能保護系統設計研究[J]. 煤炭技術，2018（4）：241-243.

[3] 邱曉明，劉偉，劉淵. 自制直流電源短路保護報警器[J]. 大學物理實驗，2020（2）：45-46.

（編輯" 凌" 波）