一种直流保护电路及电梯对讲系统和直流输出系统的制作方法

本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其涉及一种直流保护电路及电梯对讲系统和直流输出系统。

背景技术：

现有电梯对讲系统采用两线制总线来实现对讲终端的直流供电，并同时采用总线传输语音信号，而这种总线应用下实现直流供电和传输语音信号也通常应用于各种电路结构中。采用两线制的电梯对讲系统其需要面对如何通过总线给各对讲终端实现直流供电，使用直流供电使用过程中难免有导致过流或者短路情况存在，因此需要考虑总线端过流以及短路情况下的保护及自恢复功能。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种直流保护电路及电梯对讲系统和直流输出系统，其采用三极管相关特性解决直流端和负载端间的过流或短路等问题，实现直流输入端和负载端的电路保护。

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种直流保护电路，其特征在于，所述直流保护电路包括：直流输出电路和限流电路，所述直流输出电路包括第一晶体管Q1，所述Q1连接着直流电源输入端并实现输出直流电至负载端，所述Q1为NPN型三极管、P沟道结型场效应管、N沟道增强型MOS场效应管种的一种；所述限流电路包括第二三极管Q2和电阻R6，所述Q2为NPN型三极管；所述Q1的集电极或漏极连接着直流电源输入端，所述Q1的发射极或者源极连接着所述R6和所述Q2的基极，所述Q1 的基极或栅极连接着直流电源输入端和所述Q2的集电极；所述R6一端连接着所述Q1的发射极或者源极和所述Q2的基极，另一端连接着负载端；所述Q2的发射极连接着负载端。

所述Q1的基极上串联有基极电阻。

所述基极电阻包括电阻R4和电阻R5，所述R4和所述R5串联在一起，所述R4连接着直流电源输入端，所述R5连接着所述Q1的基极。

所述直流保护电路还包括二极管D1和第三晶体管Q3，所述Q3为NPN 型三极管、P沟道结型场效应管、N沟道增强型MOS场效应管种的一种，其中：

所述D1的负极连接着负载端，所述D1的正极连接着Q3的发射极或源极；

所述Q3的基极或栅极连接着直流电源输入端，所述Q3的集电极或漏极连接在所述R4和R5之间的电路上。

所述Q3的基极或栅极和直流电源输入端间包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C2，其中：

所述R1一端连接着直流电源输入端，所述R1另一端并联连接有所述 R2和R3；

所述R2一端连接着R1，所述R2另一端与所述C2并联接地；

所述R3一端与所述R2并联连接着R1，所述R3另一端与所述C2并联连接Q3的基级或栅极；

所述C2一端与所述R2并联接地，所述C2与所述R3并联连接Q3的基极或栅极。

所述Q1为NPN型单级或多级半导体三极管；或者所述Q1为P沟道结型单级或多级场效应管；或者所述Q1为N沟道增强型单级或多级MOS 场效应管。

所述Q2为NPN型单级或多级半导体三极管。

所述Q3为NPN型单级或多级半导体三极管；或者所述Q3为P沟道结型单级或多级场效应管；或者所述Q3为N沟道增强型单级或多级MOS 场效应管。

相应的，本实用新型还提出了一种电梯对讲系统，所述电梯对讲系统基于总线与各对讲终端实现直流供电，在总线端的直流电源输出线路上设置有以上所述的直流保护电路。

相应的，本实用新型还提出了一种直流输出系统，所述直流输出系统包括直流电源和负载，在所述直流电源和负载间设置有以上所述的直流保护电路。

在本实用新型实施例中，在直流输入电路上存在过流时或者短路时，该电路通过把发热功率转移至相应的电阻上，这样可以有效保护直流输入电路，避免直流输入电路存在热损坏，并且在过流消失后，该电路可自动恢复至原状态。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本实用新型实施例中的直流保护电路原理示意图；

图2是本实用新型实施例中的直流保护电路的另一原理示意图；

图3是本实用新型实施例中的基于NPN型三极管带过流保护的交流阻抗电路原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型所涉及的直流保护电路包括：直流输出电路和限流电路，所述直流输出电路包括第一晶体管Q1，所述Q1连接着直流电源输入端并实现输出直流电至负载端，所述Q1为NPN型三极管、P沟道结型场效应管、N沟道增强型MOS场效应管种的一种；所述限流电路包括第二三极管 Q2和电阻R6，所述Q2为NPN型三极管；所述Q1的集电极或漏极连接着直流电源输入端，所述Q1的发射极或者源极连接着所述R6和所述Q2的基极，所述Q1的基极或栅极连接着直流电源输入端和所述Q2的集电极；所述R6一端连接着所述Q1的发射极或者源极和所述Q2的基极，另一端连接着负载端；所述Q2的发射极连接着负载端。

图1示出了本实用新型实施例中的直流保护电路原理示意图，该直流保护电路中的Q1和Q2以NPN型三极管为例进行说明，该直流保护电路包括：直流输出电路和限流电路，该直流输出电路包括第一晶体管Q1，该 Q1连接着直流电源输入端并实现输出直流电至负载端RL；该述限流电路包括第二三极管Q2和电阻R6；该Q1的集电极连接着直流电源输入端，所述Q1的发射极连接着所述R6和所述Q2的基极，所述Q1的基极连接着直流电源输入端和所述Q2的集电极；该R6一端连接着所述Q1的发射极和该所述Q2的基极，另一端连接着负载端RL；所述Q2的发射极连接着负载端RL。

需要说明的是，这里的Q1可以NPN型三极管、P沟道结型场效应管、 N沟道增强型MOS场效应管种的一种。具体的，Q1为NPN型单级或多级半导体三极管；或者所述Q1为P沟道结型单级或多级场效应管；或者所述 Q1为N沟道增强型单级或多级MOS场效应管。具体的，Q2为NPN型单级或多级半导体三极管。场效应管的源极S、栅极G、漏极D分别对应于三极管的发射极E、基极B、集电极C，它们的作用相似。

图2示出了本实用新型实施例中的直流保护电路的另一原理示意图，该直流保护电路中的Q1和Q2以NPN型三极管为例进行说明，该直流保护电路包括：直流输出电路和限流电路，该直流输出电路包括第一晶体管 Q1，该Q1连接着直流电源输入端并实现输出直流电至负载端RL；该述限流电路包括第二三极管Q2和电阻R6；该Q1的集电极连接着直流电源输入端，所述Q1的发射极连接着所述R6和所述Q2的基极，所述Q1的基极连接着直流电源输入端和所述Q2的集电极；该R6一端连接着所述Q1的发射极和该所述Q2的基极，另一端连接着负载端RL；所述Q2的发射极连接着负载端RL。

需要说明的是，这里的Q1的基极上串联有基极电阻，该基极电阻包括电阻R4和电阻R5，所述R4和所述R5串联在一起，所述R4连接着直流电源输入端，所述R5连接着所述Q1的基极。

需要说明的是，直流保护电路还包括二极管D1和第三晶体管Q3，所述Q3为NPN型三极管，其中：所述D1的负极连接着负载端，所述D1的正极连接着Q3的发射极；所述Q3的基极连接着直流电源输入端，所述 Q3的集电极连接在所述R4和R5之间的电路上。

需要说明的是，该Q3的基极和直流电源输入端间包括电阻R1、电阻 R2、电阻R3和电容C2，其中：所述R1一端连接着直流电源输入端，所述R1另一端并联连接有所述R2和R3；所述R2一端连接着R1，所述R2 另一端与所述C2并联接地；所述R3一端与所述R2并联连接着R1，所述 R3另一端与所述C2并联连接Q3的基级；所述C2一端与所述R2并联接地，所述C2与所述R3并联连接Q3的基极。

需要说明的是，图2所示中的Q1、Q3可以NPN型三极管、P沟道结型场效应管、N沟道增强型MOS场效应管种的一种。具体的，Q1为NPN 型单级或多级半导体三极管；或者所述Q1为P沟道结型单级或多级场效应管；或者所述Q1为N沟道增强型单级或多级MOS场效应管。具体的，Q2 为NPN型单级或多级半导体三极管。具体的，Q3为NPN型单级或多级半导体三极管；或者所述Q3为P沟道结型单级或多级场效应管；或者所述 Q3为N沟道增强型单级或多级MOS场效应管。场效应管的源极S、栅极 G、漏极D分别对应于三极管的发射极E、基极B、集电极C，它们的作用相似。

基于图1和图2所示的直流上电过程中，Vin从0开始上升，Q3的基极由R1、R2分压后的基准电压通过R3提供，并且，由于C2需要充电的缘故，Q3的基极要比E极电压上升速度慢，即Vin上升过程中，Q3的VE＞VB，因而Q3在上电过程中，始终处于关闭的状态，过流保护网络不工作，因此 Vout跟随Vin上升。

图1和图2中Q2与R6组成了限流网络，由三极管的特性可知，Q2 的VBE≤0.7V，因此通过R6的最大电流为而一旦图中7处的消耗电流接近时，即图中7处过流或者短路，图中7处的电压势必会下降，当下降到Q3的Vbe＞0时，Q3慢慢开始导通，Q3的Vce慢慢减小，因此图2中4 处的电压会降低，并且比8处下降得要快，即Q1的基极电压快速减小，而 Q1的基极电流也减小，因此Q1进入弱导通状态，此时通过Q1的电流Ic 就很小了，此时加载到Q1的功率比Q1完全导通短路时小很多，因此Q1 在过流时可以避免热损坏。但此时R4上的电压较大，从而R4需要消耗短路引起的耗散功率，耗散功率最大为因此R4需要根据Vin选用合适的功率电阻。

当过流停止后，7处的电压上升，由于2处电压保持不变，因此Q3的 Ib会减小，因此Q3的Vce增加，于是图中4处电压上升比7处快，因此 Q1的Ib会快速增加，于是VCE减小。当图中7处电压上升到一定时，Q3会截止，于是图中7处的电压可自恢复到过流前。

由此可见，在过流时或者短路时，图1或者图2所示的电路通过把发热功率转移至R4，这样可以有效保护Q1，避免热损坏，并且，过流消失后，图中7处可自动恢复至原状态。

图1和图2所示的电路可以应用于电梯对讲系统，所述电梯对讲系统基于总线与各对讲终端实现直流供电，在总线端的直流电源输出线路上设置有图1或者图2所述的直流保护电路。

图1和图2所示的电路一种直流输出系统，所述直流输出系统包括直流电源和负载，在所述直流电源和负载间设置有图1或图2的直流保护电路。

图3示出了本实用新型实施例中的基于NPN型三极管带过流保护的交流阻抗电路原理示意图，电路包括：直流输入端Vin、直流输出端Vout、负载端RL、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、二极管D1、第一电容C1、第二电容C2、第一三极管Q1、第二三极管Q2以及第三三极管Q3等等。

需要说明的是，这里的高交流阻抗电路用于实现直流端向负载端供电和实现交流端向负载端传输信号，该Q1的集电极连接着直流端，Q1的发射极连接着电阻R6，R6一端连接着Q1的发射极输出端，R6另一端连接着交流端；在直流端和Q1的基级上串联有基极电阻，在交流端和Q1的基极上设置有反馈网络电路和放电回路，该反馈网络电路和放电回路组成一个交流信号反馈电路；该反馈网络电路和放电回路形成并联电路一端连接着Q1的基极，另一端连接着交流端。

该基极电阻包括电阻R4和电阻R5，该R4和R5串联在一起，该R4 连接着直流端，该R5连接着Q1的基极。

该反馈网络电路包括电容C1和电阻R7，该放电回路包括R8；该R8 为C1提供放电回路。

该交流阻抗电路上的Q2的基极和所述Q1的发射极连接着R6；Q2的集电极和发射极与反馈网络电路和放电回路一起形成并联电路一端连接着 Q1的基极，另一端连接着交流端。即Q2的集电极连接着Q1的基极，Q2 的发射极连接着交流端。

这里的D1的负极连接着交流端，D1的正极连接着Q3的发射极；该 Q3的基级连接着直流端，Q3的集电极连接在所述R4和R5之间的电路上。

这里的Q3的基级和直流端间包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C2，其中：电阻R1一端连接着直流端，所述R1另一端并联连接有所述 R2和R3；R2一端连接着R1，R2另一端与所述C2并联接地；R3一端与 R2并联连接着R1，该R3另一端与所述C2并联连接Q3的基级；该C2一端与所述R2并联接地，该C2与R3并联连接Q3的基级。

这里的Q1可以采用达林顿管，达林顿管是指两个三极管接在一起，达林顿管的极性为第一个三极管的极性，达林顿管的放大倍数为两个三极管放大倍数的乘积，因此达林顿管通常作用在高灵敏的放大电路如大功率开关电路中，起放大非常微小的信号的作用。

在本实用新型实施例中图3所示中的Q1、Q2、Q3都采用NPN硅管型三极管。其中，这里的Q1、Q2、Q3中都有基极B、集电极C和发射极E，三极管的工作状态由各极的电压势决定：

当发射极电压势UE小于基极电压势UB，且基极电压势UB小于集电极电压势UC时，即UE＜UB＜UC时，NPN硅管型的三极管处于放大状态；

当发射极电压势UE大于基极电压势UB，且集电极电压势UC大于基极电压势UB时，即UE＞UB且UC＞UB时，NPN硅管型的三极管处于截止状态；

当基极电压势UB大于发射极电压势UE，且基极电压势UB大于集电极电压势UC时，即UB＞UE且UB＞UC时，NPN硅管型的三极管处于饱和状态。

具体的，该Q1的集电极C与直流输入端Vin相连，Q1的基极B通过 R4、R5与直流输入端Vin相连，Q1的发射极E通过R6实现直流输出至负载端RL；因此在交流阻抗电路工作过程中，Q1的基极电压势UB小于集电极电压势UC1，且发射极电压势UE1小于基极电压势UB1，达林顿管Q1在正常工作过程中一直处于放大的状态，Q1起放大非常微小的信号的作用。

具体的，Q1的基极B与Q2的集电极C相连，Q1的发射极E与Q2 的基极B相连；Q2的基极B连接在Q1至R6的线路上；在高交流阻抗电路工作过程中，Q2的发射极电压势UE2大于基极电压势UB2，Q2的集电极电压势UC2大于Q2的基极电压势UB2，Q2在正常工作过程中一直处于截止的状态。另外，在Q2处于截止状态，该Q2与电阻R6共同起到限制输出电流大小的作用；根据NPN硅管型三极管的特性，Q2上的基极B与发射极E之间的电压VBE在截止状态时VBE≤0.7V，该高交流阻抗电路在直流输出端OUT处的最大电流为

本实用新型实施例中的第一电容C1、电阻R7共同组成反馈网络电路，该反馈网络电路一端与Q1的基极连接，一端与直流输出端连接；R8为C1 提供放电回路，该放电回路和反馈网络电路一起形成并联电路，一端接在 Q1的基极上，一端与直流输出端连接。

本实用新型实施例中的D1、Q3、R1、R2、R3、与C2共同组成短路、过流保护网络。

具体的，Q3的基极B通过R3、R1与直流输入端Vin相连；Q3的集电极C接入在R4和R5之间的线路上；Q3的发射极E通过二极管D1连接至直流电流输出端Vout。因此，在交流阻抗电路在正常工作过程中，Q3的发射极电压势UE3大于基极电压势UB3，且Q3上的集电极电压势UC3大于基极电压势UB3，因此第Q3在正常工作过程中一直处于截止的状态。此时短路、过流保护网络不工作，直流输出端Vout的电压Vout随直流输出端电压 Vin的上升而上升。

该交流阻抗电路在直流输出端Vout处的最大电流为即图3所示中第7处的最大电流为需要说明的是，在本发明实施例中，可在图所示的7处加载语音、FSK等交流信号用于信息的传递，信号的具体类型在本发明实施例中不作限定。

而一旦者图3所示的7处加载的交流信号所消耗的电流接近在7 处会出现过流或者短路的情况，此时7处的电压势U7会下降到无限接近0；由于Q3的发射极电压势UE3与图所示7处的电压势V7相等，因此Q3的发射极电压UE3也会相应下降到无限接近0；由于Q3的发射极电压UE3无限接近0，因此在Q3中，Q3上的发射极电压势UE3小于Q1上的基极电压势UB1，且Q3上的集电极电压势UC3大于Q1上的基极电压势UB1，此时第三三极管Q3由截止状态变为导通状态。

由于第三三极管Q3导通，因此图3所示中4处的电压势会降低，相应地，达林顿管Q1的基极电压势UB1也会降低，因此出现过流或者短路时，达林顿管Q1会处于弱导通状态；在弱导通状态下，达林顿管Q1可通过的集电极电流IC1很小，此时达林顿管Q1消耗的功率比完全导通时小很多；第三三极管Q3的导通，加载到电阻R5上的电压会降低，但由于直流端的输入电压Vin恒定，因此加载到与电阻R5串联的电阻R4的电压会增大，相应电阻R4的消耗功率也会增大，即电阻R4需要消耗因短路或过流引起的耗散功率。

在本发明实施例提供的高交流阻抗电路中，在发生短路或过流，通过将第三三极管Q3由截止状态变为导通状态，从而将达林顿管Q1的功率转移到电阻R4上，使达林顿管Q1在发生短路或者过流时得到保护，避免了达林顿管Q1在过流或短路时的热损坏。由于电阻R4需要耗散输入电压Vin产生的大部分功率，因此电阻R4的选用需根据输入电压Vin来确定，即电阻R4的最大功率应大于

当过流或者短路消失后，图中7处重新接入到所述高交流阻抗电路中，此时图中7处电压势U7开始上升，Q3的发射极电压UE3也会相应上升至发生过流或者短路前的状态，因此Q3由导通状态重新回到截止状态；Q3恢复回截止状态后，此时图中4处的电压势会升高，相应地，达林顿管Q1的基极电压势UB1也会上升，因此达林顿Q1也会由弱导通状态重新回到放大状态，所述高交流阻抗电路恢复正常。

所述短路、过流保护网络的设置，当发生短路、过流时，可以对高交流阻抗电路中的重要放大元件达林顿管Q1进行保护；另外，短路、过流现象消失后，所述高交流阻抗电路可以自恢复到正常状态，实用性好。

当高交流阻抗电路处于静态工作点时，此时有一个原始激励δV(可以是语音、FSK等交流信号)加载到图中7处，加载时该激励会被部分衰减，设定衰减系数为k1；然后，该激励会经过反馈网络第一电容C1、电阻R7 传递到图中5处，这里设定衰减系数为k2，因此图中5处的电压会产生 k1*k2*δV的变化，而由于Vin恒定，于是通过R4、R5处的基极电流发生变化，可以表示为：

根据三极管的放大特性，三极管Q1处于放大状态，因此在三极管Q1 中，可认为Q1上集电极、发射极之间电压VCE与基极电流IB成正比，这都比例系数为β，三极管Q1的集电极C、发射极E之间的电压变化可以表示为：

经过电阻R6的衰减系数为k3，此时图中7处的电压变化可以表述为：

由此可得，δV7与原始激励δV同相，这里仅需要原始激励δV加载到图3 中7时不会被衰减，只要满足以下表达式即可：

因此，只要满足上述等式，图2的电路就可以等效为一个高交流阻抗为无穷大的网络；其中，直流输入端Vin提供直流电源，而加载到图中7处的交流激励不会被衰减，因此可以在7处传输语音、FSK等交流信号，该电路可以完全替代传统的大感值电感，解决了现有大感值电感所存在的问题和不足。图3所示电路采用电阻电容网络把交流信号从三极管的发射极反馈至基极，经过三极管放大作用，维持原有的交流信号不被网络衰减，可以等效为一个交流阻抗为无穷大的网络，因此，可以替代传统的高感值电感，进而减小产品的体积与成本，并且输出端的直流电压在可控范围内，可以满足一些对电压变化范围有一定要求的场合。

图1至图3所示的高交流阻抗电路可以应用于电梯对讲系统上，从而实现电梯对讲系统基于总线与各对讲终端供电，并同时使用同一对总线传输语音信号，在总线供给的直流端和交流端之间设置本实用新型实施例中的交流阻抗电路，可以维持总线上语音信号或交流信号不会被传输网络衰减，可以等效为一个交流阻抗为无穷大的网络，可以替代传统的高感值电感，进而减小产品的体积与成本，并且输出端的直流电压在可控范围内，可以较好满足电梯系统上电压变化范围有要求的适用。

图1至图3所示的高交流阻抗电路可以应用于基于同一线路实现直流供电至负载端和基于交流端传输信号至负载端的系统上，其在系统上的直流端和交流端之间设置有本实用新型实施例中的交流阻抗电路，可以维持同一线路上的交流信号不会给传输网络衰减，其可以等效为一个高交流阻抗无穷大的网络，减少直流端端对交流端端的信号衰减，可以替代传统的高感值电感，进而减小产品的体积与成本，并且输出端的直流电压在可控范围内，可以较好满足系统上电压变化范围有要求的适用。

需要说明的是，本实用新型中的直流输出端即为直流端，交流输出端即为交流端。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

另外，以上对本实用新型实施例所提供的直流保护电路及其应用系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。