JGD24 -5 型固体式限时保护继电器的设计方案

1 引言

随着国Ⅲ柴油汽车的发展和在我国的大力推行， 国Ⅲ柴油汽车占国产柴油汽车的比重越来越大。国Ⅲ柴油汽车比国Ⅲ标准以下的柴油汽车在电气系统的智能控制方面更加全面， 更加细化， 采用ECU (中央控制单元) 作为整车所有电气产品的控制核心， 使得整车电气系统的智能化、集成度越来越高。随着ECU 在柴油汽车上的使用越来越多，原先通过钥匙开关或者继电器控制的负载在国Ⅲ柴油汽车上都由ECU 直接控制。但是， 由于ECU 的带负载能力比起钥匙开关或者继电器的带负载能力小的多， 因此， 控制起动系统中的起动继电器其线圈电流大都在2A 左右， 工作较频繁， 并且在工作时可能会产生电磁脉冲干扰， 这些都有可能会损坏ECU.

目前， 国内使用的国Ⅲ柴油汽车控制核心的ECU 往往并没有设置对起动机系统的保护措施，对起动机的单次起动时间并没有加以限制， 因此往往会造成由于单次起动时间过长， 起动机产生的热量过大而损坏绝缘层而烧毁定转子， 最终导致起动机的损坏。

针对国Ⅲ柴油汽车在快速发展过程中遇到的上述两方面的问题， 我公司设计开发了JGD24 -5 型固体式限时保护继电器(以下简称限时保护继电器)， 如图1 所示。该限时保护继电器采用电子式设计， 带有单次起动最长时间限制， 当输入端加电超过一定时间(30s) 时， 限时保护电路自动断电， 切断限时保护继电器的输出端， 达到保护起动机的目的。这种限时保护继电器结构简单， 输入端与输出端都采用双线制， 接线方便， 直接接在起动机上即可， 安装方便， 经过试用， 极大的降低了起动机的故障率。

2 主要参数、功能

2.1 主要参数

额定电压： 24Vdc;

输入电流： ≤300mA;

接通电压： ≤18Vdc;

关断电压： ≥1Vdc;

额定输出电流： 5Adc;

限时断电时间： 30s;

延时时间： ≤200ms;

关断时间： ≤10ms;

输出电压降： ≤0.5Vdc;

输出漏电流： ≤10μA;

工作温度： -40℃ ~100℃;

贮存温度： -40℃ ~100℃;

介质耐电压： ≥660Vac;

绝缘电阻： ≥100MΩ;

封装形式： 灌封式。

2.2 功能

2.2.1 限时保护继电器开关功能

限时保护继电器输入端加电后， 输出端接通;输入端断电后， 输出端关断， 并且输入电流小， 输出端接通和关断时无火花， 动作速度快， 不产生电磁干扰， 能够很好的与ECU 匹配使用， 实现开关功能。

2.2.2 限时保护功能

限时保护继电器输入端加电后， 输出端接通，开始工作， 当输入端单次加电超过一定时间时(30s)， 限时保护电路自动切断输出端， 避免起动机单次过长时间起动， 起动机因过热损坏绝缘层而烧毁定转子， 进而损坏起动机。

2.2.3 限时保护继电器串联输出保护

限时保护继电器输出端采用固体式继电器输出端与电磁式继电器输出端串联的方式实现。这种输出端串联的方式在限时保护继电器不工作时， 电磁继电器输出端断开， 固体式继电器因输出端处于断电状态而不会受到整车电磁干扰的影响， 极大地降低了损坏的概率; 限时保护继电器工作时， 输入端加电， 电磁式继电器输出端先闭合， 而固体式继电器输出端后闭合; 输入端断电时， 固体式继电器输出端先断开， 而电磁式继电器输出端后断开。这种通断控制方式可以彻底避免电磁式继电器输出端带电切换， 避免电弧的产生， 极大地延长了电磁式继电器的通断寿命。通过输出端串联的方式实现了同时保护电磁式继电器与固体式继电器的目的。

3 总体电路设计

限时保护继电器主要由输入电路、延时滤波电路、限时保护电路、隔离电路、驱动电路和串联输出电路六大部分组成， 原理框图见图2.其主要工作原理为： 当输入控制电压加到输入端时， 经过延时电路， 再通过振荡电路和变压器隔离电路将信号传输到驱动电路， 由驱动电路控制输出电路的功率管导通， 然后电磁式继电器输出端导通， 从而使限时保护继电器接通; 当输入信号去除时， 驱动电路关断输出电路的功率管， 然后使电磁式继电器输出端关断， 从而使限时保护继电器关断; 当输入端加电时间超过一定值(30s) 时， 限时保护继电器自动断开输出端。

限时保护继电器与起动机系统的外围接线图如图3 所示。

3.1 输入电路的设计

输入电路的原理图如图4 所示。R1 为下拉电阻， 将限时保护继电器输入端的高阻态转化为低阻态， 实现ECU 对负载端的低阻态要求; V6 为反向保护二极管， 当输入端出现反向电压时， 通过二极管的单向导电性， V6 将反向电压隔断， 避免反向电压对后端电路造成影响; V1 为5V 稳压管， 输入电压通过稳压管降压后， 加在限流电阻R2 上，给后级电路提供恒流供电， 驱动限时保护继电器工作。

其电流IR2的计算如下(按额定电压计算)：

下拉电阻R1 的电流值IR1的计算如下：

输入电流I输入的电流值为：

3.2 延时滤波电路的设计

限时保护继电器使用在汽车发动机上， 其使用条件比较恶劣， 发动机工作时会产生大量的干扰电压， 干扰电压加到限时保护继电器的输入端可能会造成限时保护继电器的误动作。因此， 在限时保护继电器的输入电路之后， 设计一个延时滤波电路，延时滤波电路的原理图如图5 所示。当干扰电压小于一定值时(200ms, 干扰电压的持续时间较短，在1μs 左右)， 限时保护继电器不工作， 只有输入端持续供电超过200ms, 才认为是输入端正常供电， 限时保护继电器正常工作。

延时滤波电路的具体工作原理是： 当输入端添加一个上升沿电压信号时， 电流经过R6、R7 给电容C 充电。当电容C 充电到一定的门限值V 限时，反向器的“10” 引脚输出高电平， 限时保护继电器开始工作。充电时间(即延时时间) 由下式计算：