【摘" 要】該文首先通過(guò)如何巧用繼電器設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易短路保護(hù)裝置入手，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，對(duì)該裝置進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新，從而設(shè)計(jì)出了一種自動(dòng)觸發(fā)式汽車短路保護(hù)報(bào)警裝置，并對(duì)該裝置的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以便作為汽車或汽車維修教學(xué)接線臺(tái)架的短路保護(hù)輔助裝置。

【關(guān)鍵詞】短路保護(hù)裝置；自動(dòng)觸發(fā)；報(bào)警裝置；設(shè)計(jì)與制作

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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(xué)接線臺(tái)架是汽車培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、技工院校、職業(yè)中專、職業(yè)院校汽車電路課程教學(xué)中非常常見(jiàn)的實(shí)習(xí)設(shè)備，在接線過(guò)程中鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力的同時(shí)還能使學(xué)生在潛移默化中掌握電路的控制原理和檢修方法，但是學(xué)生作為初學(xué)者，對(duì)電路并不熟悉，再加上部分學(xué)生粗心馬虎等原因經(jīng)常導(dǎo)致接線錯(cuò)誤，引起線路發(fā)生短路，甚至燒壞接線臺(tái)架，如果接線臺(tái)架沒(méi)有設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路，容易引起接線臺(tái)架燒壞，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，也不利于一體化教學(xué)。

筆者作為一名汽車維修專業(yè)老師，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索研究，并通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并制作一種自動(dòng)觸發(fā)式短路保護(hù)報(bào)警裝置，下面將裝置的設(shè)計(jì)制作方法進(jìn)行介紹。

1" 如何巧用繼電器設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易短路保護(hù)裝置

1.1" 簡(jiǎn)易短路保護(hù)裝置電路結(jié)構(gòu)

該裝置電路結(jié)構(gòu)（圖1）由一個(gè)五腳繼電器和一個(gè)觸發(fā)開(kāi)關(guān)組成，具體控制原理如下。

按下觸發(fā)開(kāi)關(guān)，電流從蓄電池（+）→85→86→觸發(fā)開(kāi)關(guān)→蓄電池（-），繼電器線圈通電，繼電器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)從常閉位置跳變?yōu)槌ｉ_(kāi)位置；觸發(fā)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電流從蓄電池（+）→85→86→常開(kāi)觸點(diǎn)87→30→蓄電池（-），繼電器線圈繼續(xù)通電，維持常開(kāi)位置不變。此時(shí)繼電器被觸發(fā)并接通電路電源，此時(shí)若接入連接線路和負(fù)載，電流從蓄電池（+）→連接線路和負(fù)載→常開(kāi)觸點(diǎn)87→30→蓄電池（-），負(fù)載就能正常工作。

根據(jù)電路圖可知，連接線路和負(fù)載與繼電器勵(lì)磁線圈是并聯(lián)關(guān)系，所以無(wú)論哪一條連接線路發(fā)生短路時(shí)，繼電器勵(lì)磁線圈也會(huì)被短路，從而使繼電器勵(lì)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(diǎn)，切斷短路連接線路的回路，雖然短路時(shí)經(jīng)過(guò)繼電器觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的電流很大，但由于繼電器線圈斷電后，常開(kāi)觸點(diǎn)會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)斷開(kāi)，不會(huì)造成觸點(diǎn)燒蝕，也不會(huì)造成連接線路的燒毀，從而有效保護(hù)了接線臺(tái)架。

1.2" 簡(jiǎn)易短路保護(hù)裝置存在的問(wèn)題

圖1簡(jiǎn)易短路保護(hù)電路雖然可以實(shí)現(xiàn)短路自動(dòng)切斷回路實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，但存在以下問(wèn)題：①無(wú)指示裝置，無(wú)法顯示繼電器是否被觸發(fā)；②發(fā)生短路時(shí)若按下觸發(fā)開(kāi)關(guān)，短路電流會(huì)流經(jīng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)造成觸發(fā)開(kāi)關(guān)燒毀；③手動(dòng)操作過(guò)于繁瑣；④手動(dòng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)會(huì)造成觸發(fā)時(shí)間太長(zhǎng)，發(fā)生短路時(shí)繼電器會(huì)多次觸發(fā)使觸點(diǎn)反復(fù)上下跳動(dòng)，巨大電流會(huì)多次反復(fù)通過(guò)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)使其燒蝕。

針對(duì)以上問(wèn)題需要對(duì)該電路進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新，短路保護(hù)裝置自動(dòng)觸發(fā)電路如圖2所示。

2" 自動(dòng)觸發(fā)式汽車短路保護(hù)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

自動(dòng)觸發(fā)式汽車短路保護(hù)報(bào)警裝置是在圖1簡(jiǎn)易短路保護(hù)電路基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)和創(chuàng)新，將手動(dòng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)改為三極管，并通過(guò)RC電路進(jìn)行自動(dòng)觸發(fā)式控制，另外加入指示電路和短路報(bào)警器，具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

2.1" 自動(dòng)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)

如圖2所示，該電路主要由RC觸發(fā)電路（R1、VT1、電容C1、R2和R3）以及二極管VD1組成，其控制過(guò)程如下：蓄電池接通后，電流從蓄電池（+）→R1→C1（電容）→VT1基極→VT1發(fā)射極→蓄電池（-）；VT1導(dǎo)通，繼電器勵(lì)磁線圈通電，觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)從常閉位置變?yōu)槌ｉ_(kāi)觸點(diǎn)位置，由于蓄電池為直流電，當(dāng)電容C1充電完成后，充電電流變?yōu)?，VT1截止，但此時(shí)勵(lì)磁線圈電流從VD1（二極管）→常開(kāi)觸點(diǎn)87端→30端→蓄電池（-），繼電器線圈繼續(xù)通電，維持常開(kāi)位置不變，此時(shí)繼電器被自動(dòng)觸發(fā)并接通電路電源。

繼電器輸出端連接的線路和負(fù)載與繼電器勵(lì)磁線圈仍然是并聯(lián)關(guān)系，任何一條連接線路或負(fù)載發(fā)生短路，都會(huì)使繼電器勵(lì)磁線圈發(fā)生短路并迅速跳回常閉觸點(diǎn)，切斷短路連接線路的回路，若需要再次觸發(fā)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(fā)電路輸出。

2.2" 自動(dòng)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和解決方法

1）難點(diǎn)1：繼電器勵(lì)磁線圈觸發(fā)時(shí)間的控制問(wèn)題

觸發(fā)繼電器工作是通過(guò)VT1三極管導(dǎo)通時(shí)間完成，觸發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)生短路時(shí)繼電器可能會(huì)多次被觸發(fā)使其觸點(diǎn)燒蝕，觸發(fā)時(shí)間過(guò)短則可能導(dǎo)致繼電器不能被觸發(fā)，所以繼電器觸發(fā)時(shí)間不能太長(zhǎng)也不能太短。

解決辦法：通過(guò)RC電路充電控制VT1三極管的導(dǎo)通時(shí)間，通過(guò)調(diào)整RC電路中電阻和電容大小，就能調(diào)整繼電器觸發(fā)時(shí)間，使觸發(fā)時(shí)間控制在最佳范圍內(nèi)。

2）難點(diǎn)2：電容充滿電后泄放問(wèn)題

電容充電自動(dòng)觸發(fā)繼電器后，電容C1需要進(jìn)行放電后才能再次觸發(fā)，電容放電回路要經(jīng)過(guò)VT1，再次觸發(fā)可能要等較長(zhǎng)時(shí)間。

解決辦法：可以在RC電路下方設(shè)置放電回路電阻R2、R3，通過(guò)調(diào)整放電電阻數(shù)值，就能根據(jù)需要設(shè)置電容的放電時(shí)間，從而設(shè)置短路后再次被觸發(fā)需要的時(shí)間。

3）難點(diǎn)3：觸發(fā)電路關(guān)鍵電子元件的保護(hù)問(wèn)題

若輸出端發(fā)生短路或負(fù)載過(guò)大時(shí)，一旦三極管VT1被觸發(fā)導(dǎo)通，電流從蓄電池（+）→輸出端（+）→負(fù)載→輸出端（-）→三極管VT1→蓄電池（-），由于經(jīng)過(guò)三極管VT1電流過(guò)大，三極管很容易因過(guò)流而損壞，另一方面，即使輸出端連接電路沒(méi)有發(fā)生短路或負(fù)載很小，繼電器勵(lì)磁線圈在斷電后所產(chǎn)生的電感電壓也可能超過(guò)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(gè)二極管VD1。VD1正極端連接86端，負(fù)極端連接87端，這樣既不影響繼電器觸發(fā)后勵(lì)磁線圈的通電回路，也可以避免在繼電器觸發(fā)過(guò)程中負(fù)載電流或短路電流經(jīng)過(guò)VTI三極管，還可以避免勵(lì)磁線圈斷電時(shí)產(chǎn)生的電感電壓作用在三極管，從而有效保護(hù)三極管VT1。

2.3" 指示電路和短路報(bào)警器的設(shè)計(jì)

指示電路和短路報(bào)警器如圖3所示，當(dāng)接入蓄電池電源電路后，繼電器被觸發(fā)從常閉觸點(diǎn)到常開(kāi)觸點(diǎn)，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(jīng)觸發(fā)并處于短路保護(hù)狀態(tài)，如果繼電器沒(méi)有被觸發(fā)或發(fā)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(shí)電流從蓄電池（+）→短路報(bào)警器→87a→30→蓄電池（-），短路報(bào)警器響起，表示繼電器未觸發(fā)或接入的電路發(fā)生了短路。

3" 制作過(guò)程電子元件型號(hào)的選擇

3.1" 繼電器型號(hào)選擇

繼電器應(yīng)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(lì)磁線圈端，30觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)公共端，87端為常閉端，勵(lì)磁線圈未通電時(shí)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)與此端接通，87a為常開(kāi)位置，勵(lì)磁線圈通電時(shí)與此端接通。

3.2" 觸發(fā)電路電子元件選擇

觸發(fā)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(hào)的選擇

三極管采用NPN型，其NPN型型號(hào)和參數(shù)如表1所示。

根據(jù)選用的繼電器型號(hào)，該繼電器勵(lì)磁線圈電阻為76Ω，工作電壓12V，根據(jù)公式I=U/R，計(jì)算出勵(lì)磁線圈工作電流約為0.16A；由于三極管集電極與勵(lì)磁線圈是串聯(lián)關(guān)系，所以觸發(fā)時(shí)通過(guò)三極管集電極電流也為0.16A，根據(jù)表1三極管各型號(hào)的工作參數(shù)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(hào)的選擇

該二極管采用普通整流二極管，其型號(hào)的選擇要考慮以下參數(shù)。

1）最大整流電流IF：即二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大正向電流的平均值。經(jīng)過(guò)二極管的電路只有勵(lì)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(shí)的電壓值。由于勵(lì)磁線圈斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生電感，有可能會(huì)損壞二極管，所以二極管的反向擊穿電壓要高于勵(lì)磁線圈電感電壓。

3.2.3" 電阻R1電容C1型號(hào)的確定

1）繼電器觸發(fā)時(shí)間的計(jì)算方法

繼電器觸發(fā)時(shí)間是通過(guò)RC電路充電時(shí)間控制，只要計(jì)算出電容的充電時(shí)間，就可以計(jì)算出繼電器的觸發(fā)時(shí)間，計(jì)算方法如下：設(shè)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(shí)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(guò)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(shí)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(shí)刻電容上的電壓Vt ，根據(jù)常數(shù)可以計(jì)算出時(shí)間t。公式涵義：完全充滿，Vt接近E，時(shí)間無(wú)窮大。當(dāng)t=RC時(shí)，電容電壓=0.63E；當(dāng)t=2RC時(shí)，電容電壓=0.86E；當(dāng)t=3RC時(shí)，電容電壓=0.95E；當(dāng)t=4RC時(shí)，電容電壓=0.98E；當(dāng)t=5RC時(shí)，電容電壓=0.99E。由于VT1三極管采用的是NPN型硅管，基極與發(fā)射極電壓要大于0.6V才能導(dǎo)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(fā)電路電阻R1電容C1數(shù)值的確定

繼電器吸合的動(dòng)作如圖4所示。1線圈給電→2產(chǎn)生磁場(chǎng)→3活動(dòng)臂被吸動(dòng)（常閉觸點(diǎn)87a開(kāi)始準(zhǔn)備斷開(kāi)）→4常開(kāi)觸點(diǎn)87閉合→5保持組成，所以吸合時(shí)間是1+2+3+4。其中1、2是電動(dòng)作，時(shí)間忽略不計(jì)，4、5是機(jī)械動(dòng)作，線圈要克服彈簧力，然后觸點(diǎn)距離L一般是小于3mm，L/動(dòng)作速度S=吸合時(shí)間T，品牌越好這個(gè)參數(shù)控制得越好。一般微型繼電器吸合時(shí)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(fā)，可設(shè)定觸發(fā)時(shí)間為100ms.根據(jù)RC電路充電時(shí)間計(jì)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(shí)驗(yàn)法，將R1用滑動(dòng)電阻代替，電阻先設(shè)定為1515Ω，每次通電觸發(fā)后減少一個(gè)數(shù)值，直到不能觸發(fā)時(shí)上一個(gè)設(shè)定的電阻數(shù)值即為最合適R1電阻數(shù)值。

3）R2和R3的確定

通過(guò)R2和R3可以設(shè)定斷電后電容放電時(shí)間，從而設(shè)定斷電后下次觸發(fā)要等待的時(shí)間。根據(jù)RC放電公式t=RC，若電容的放電時(shí)間設(shè)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(fā)光二極管串聯(lián)一個(gè)1k？電阻即可，為了便于區(qū)別，常閉觸點(diǎn)相連的指示燈采用紅色，常開(kāi)觸點(diǎn)采用的指示燈采用綠色。

4" 結(jié)語(yǔ)

1）給出了自動(dòng)觸發(fā)式汽車短路保護(hù)報(bào)警裝置設(shè)計(jì)與制作方法，并詳細(xì)闡述了制作過(guò)程電子元件型號(hào)如何選擇或計(jì)算等內(nèi)容。

2）經(jīng)過(guò)反復(fù)多次試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用，表明該裝置具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

3）該裝置可廣泛應(yīng)用于汽車教具廠、技工院校汽車接線臺(tái)架改造或汽車電子電路技術(shù)領(lǐng)域，或作為汽車短路保護(hù)的輔助裝置，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

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