一种用非门或与门实现对有极性电解电容反接的保护电路
阅读说明：本技术 一种用非门或与门实现对有极性电解电容反接的保护电路 (Protection circuit for realizing reverse connection of polar electrolytic capacitor by using NOT gate or AND gate ) 是由 张运楚 李全民 于 2020-05-09 设计创作，主要内容包括：本发明的用非门实现对有极性电解电容反接的保护电路,由电解电容E1、接线端JP1、非门U1A、非门U1B、非门U1C、三极管Q1、继电器JDQ1、发光二极管LED1和直流电源电路构成；本发明的用与门实现对有极性电解电容反接的保护电路,有极性电解电容E1、电容接线端JP2、与门U2A、与门U2B、三极管Q2、继电器JDQ2、发光二极管LED2和直流电源电路构成。本发明的非门或与门器件构成的保护电路,均可在电解电容接线错误时,保持电解电容正极端始终处于断开状态,不会使其投入到电路中,并通过点亮发光二极管给出提示,避免了由于电解电容反接所导致的电容损坏、爆炸甚至危害生命和财产安全事故的发生。(The invention relates to a protection circuit for realizing reversal connection of a polar electrolytic capacitor by using a NOT gate, which consists of an electrolytic capacitor E1, a terminal JP1, a NOT gate U1A, a NOT gate U1B, a NOT gate U1C, a triode Q1, a relay JDQ1, a light emitting diode L ED1 and a direct current power supply circuit.)
技术领域
本发明涉及一种有极性电解电容反接的保护电路，更具体的说，尤其涉及一种用非门或与门实现对有极性电解电容反接的保护电路。
背景技术
有极性电解电容上设置有正极管脚和负极管脚，使用时不能接错，不然会导致有极性电解电容的损坏，这是由电解电容本身的结构和组成决定的，电解电容中含有存储电荷的电解质材料，如果对其施加的电流方向不正确，不但无法实现存储电荷的作用，而且还会导致其损坏。
在电子实验教学过程中，电气作业的学生在做实验室会用到电解电容，如在电源滤波实验教学过程中，需要学生自己动手接入电解电容，以加深学生对电解电容工作原理、工作特性的理解和掌握。在实际的实验过程中，总会有一些学生将电解电容的正负极接反，接反后，轻则导致电解电容损坏，严重的还会引发电解电容爆炸，电解电容爆炸不仅会给学生带来惊吓和人身安全，甚至会引发起火和火灾，因此，研发一种带有电解电容反接保护的电路尤为重要，当电解电容出现反接时，可将电解电容与所在电路断开，并发出报警信号，以提醒接线错误，以避免电解电容损害、爆炸和引发人身安全和财产损失事故的发生。与门和非门是数字逻辑运算中常用器件，利用其可实现有极性电解电容反接的检测和报警。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种用非门或与门实现对有极性电解电容反接的保护电路。
本发明的用非门实现对有极性电解电容反接的保护电路，包括电容接线端JP1、有极性电解电容E1和电容反接保护电路，E1为被保护的用于接入其他电路中的有极性电解电容，电容接线端JP1由两个接线端，E1的正极和负极与电容接接线端JP1相连接；其特征在于：所述电容反接保护电路由非门U1A、非门U1B、非门U1C、三极管Q1、继电器JDQ1、发光二极管LED1、直流电源电路以及二极管D1、D2、D3和D4组成，有极性电解电容E1的正极经继电器JDQ1的常开点与电容接线端JP1的一个接线端相连接，E1的负极与JP1的另一个接线端相连接，E1的正极经JDQ1的常开点和电阻R1与非门U1A的输入端相连接，E1的负极经电阻R2与非门U1C的输入端相连接；直流电源电路用于提供直流电压Vcc；所述U1A、U1C的输入端分别经电阻R3和电阻R4与电源地相连接，二极管D1的正极接于U1C的输入端、负极接于电源正极Vcc上，D2的正极接于U1A的输入端、负极接于电源正极Vcc上；D3的正极接于电源地上、负极接于U1A的输入端，D4的正极接于电源地上、负极接于U1C的输入端；
所述U1A的输出端与U1B的输入端相连接，U1B的输出端经电阻R6接于三极管Q1的基极上，Q1为NPN型三极管，三极管Q1的发射极接于电源地上，Q1的集电极与继电器JDQ1串联后接于电源正上；所述非门U1C的输出端依次经电阻R5和发光二极管LED1接于电源正上。
本发明的用非门实现对有极性电解电容反接的保护电路，所述直流电源电路由变压器TB1、三端稳压管PV1、电解电容E2、电解电容E3以及二极管D6、D7、D8和D9形成的全桥整流电路组成，变压器TB1的一次侧接于交流市电上，二次侧接于全桥整流电路的输入端，全桥整流电路输出端的正极接于三端稳压管PV1的输入端，三端稳压管PV1的输出端形成电源正极Vcc；电解电容E3设置于全桥整流电路的输出端，电解电容E2设置于三端稳压管PV1的输出端。
本发明的用非门实现对有极性电解电容反接的保护电路，所述继电器JDQ1线圈的两端并联有防止其产生的自感电压过高的续流二极管D5，二极管D5的正极接于三极管Q1的集电极上、负极电源正极上。
本发明的用非门实现对有极性电解电容反接的保护电路，所述电阻R1和电阻R2的阻值均为20kΩ，电阻R3和电阻R4的阻值均为100kΩ，电阻R5和电阻R6的阻值均为4.7kΩ。
本发明的用与门实现对有极性电解电容反接的保护电路，包括电容接线端JP2、有极性电解电容E4和电容反接保护电路，E4为被保护的用于接入其他电路的有极性电解电容，电容接线端JP2上有两个接线端，有极性电解电容的正极和负极分别与JP2上的两个接线端相连接；其特征在于：所述电容反接保护电路由与门U2A、与门U2B、三极管Q2、发光二极管LED2、继电器JDQ2、直流电源电路以及二极管D10、D11、D12和D13组成，有极性电解电容E4的正极经继电器JDQ2的常开点与JP2的一个接线端相连接，E4的负极与JP2的另一个接线端相连接，E4的正极依次经继电器JDQ2的常开点、电阻R7接于与门U2A的两个输入端上，E4的负极经电阻R8接于与门U2B的两个输入端上；U2A的两个输入端、U2B的两个输入端分别经电阻R9和电阻R10接于电源地上，二极管D10的正极接于U2B的两个输入端、负极接于电源正上，D11的正极、负极分别接于U2A的两个输入端和电源正上，D12的正极接地、负极接于U2A的两个输入端上，D13的正极和负极分别接于电源地和U2B的两个输入端上；
所述与门U2A的输出端经电阻R11接于三极管Q2的基极上，Q2为NPN型三极管，三极管Q2的发射极接于电源地上，集电极与继电器JDQ2的线圈串联后接于电源正极上，与门U2B的输出端依次经电阻R12和发光二极管LED2接于电源地上。
本发明的用与门实现对有极性电解电容反接的保护电路，所述直流电源电路由变压器TB2、三端稳压管PV2、电解电容E5、电解电容E6以及二极管D15、D16、D17和D18形成的全桥整流电路组成，变压器TB2的一次侧接于交流市电上，二次侧接于全桥整流电路的输入端，全桥整流电路输出端的正极接于三端稳压管PV2的输入端，三端稳压管PV2的输出端形成电源正极Vcc；电解电容E6设置于全桥整流电路的输出端，电解电容E5设置于三端稳压管PV2的输出端。
本发明的用与门实现对有极性电解电容反接的保护电路，所述继电器JDQ2线圈的两端并联有防止其产生的自感电压过高的续流二极管D14，二极管D14的正极接于三极管Q2的集电极上、负极电源正极上。
本发明的用与门实现对有极性电解电容反接的保护电路，所述电阻R7和电阻R8的阻值均为20kΩ，电阻R9和电阻R10的阻值均为100kΩ，电阻R11和电阻R12的阻值均为4.7kΩ。
本发明的有益效果是：本发明的用非门实现对有极性电解电容反接的保护电路，由有极性电解电容E1、电容接线端JP1、非门U1A、非门U1B、非门U1C、三极管Q1、继电器JDQ1、发光二极管LED1和直流电源电路构成，当JP1没有将E1接入到实验电路中或者虽然接到实验电路中但实验电路没有通电时，U1A和U1C的输入端分别被电阻R3和R4拉为低电位，U1C输出高电平使得LED1不被点亮，U1A输出的高电平经U1B后输出低电平，Q1截止使得JDQ1的电磁线圈不通电，E1不接入实验回路；当JP1错误地接到实验电路中时，U1A的输入端为低电平，U1C的输入端为高电平，U1C输出低电平将LED1点亮，以提醒实验人员E1的接线错误，U1B输出低电平，Q1截止使得JDQ1的电磁线圈不通电，E1不接入实验回路，实现了对E1的保护；当JP1接线正确时，U1A输入端为高电平、U1C输入端为低电平，U1C输出高电平使得Q1导通，Q1导通使得JDQ1的线圈通电，进而将E1接入实验电路中，U1C输出高电平，发光二极管LED1不亮。
本发明的用与门实现对有极性电解电容反接的保护电路，有极性电解电容E1、电容接线端JP2、与门U2A、与门U2B、三极管Q2、继电器JDQ2、发光二极管LED2和直流电源电路构成，当JP2没有将E4接入到实验电路中或者虽然接到实验电路中但实验电路没有通电时，U2A和U2C的输入端分别被电阻R9和R10拉为低电位，U2B输出低电平使得LED2不被点亮，U2A输出低电平，Q2截止使得JDQ2的电磁线圈不通电，E4不接入实验回路；当JP2错误地接到实验电路中时，U2A的输入端为低电平，U2B的输入端为高电平，U2B输出高电平将LED2点亮，以提醒实验人员E4的接线错误，U2B输出低电平，Q2截止使得JDQ2的电磁线圈不通电，E4不接入实验回路，实现了对E4的保护；当JP2接线正确时，U2A输入端为高电平、U2B输入端为低电平，U2A输出高电平使得Q2导通，Q2导通使得JDQ2的线圈通电，进而将E4接入实验电路中，U2B输出低电平，发光二极管LED1不亮。
可见，无论是用非门器件还是与门器件构成的对有极性电解电容反接的保护电路，均可在所要保护的电解电容错误地接入其他实验电路中时，保持电解电容正极端始终处于断开状态，不会使其投入到电路中，并通过点亮发光二极管给出提示，避免了由于电解电容反接所导致的电容损坏、爆炸甚至危害生命和财产安全事故的发生。
附图说明
图1为本发明的用非门实现对有极性电解电容反接的保护电路的电路图；
图2为本发明的用与门实现对有极性电解电容反接的保护电路的电路图。
图1中：1电容接线端JP1，2有极性电解电容E1，3非门U1A，4非门U1B，5非门U1C，6三极管Q1，7继电器JDQ1，8变压器TB1，9三端稳压管PV1，10发光二极管LED1。
图2中：11电容接线端JP2，12有极性电解电容E4，13与门U2A，14与门U2B，15发光二极管LED2，16三极管Q2，17继电器JDQ2，18变压器TB2，19三端稳压管PV2。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1，如图1所示，给出了发明的用非门实现对有极性电解电容反接的保护电路的电路图，其由电容接线端JP1（1）、有极性电解电容E1（2）和电容反接保护电路组成，电容接线端JP1由两个接线端（其标号分别为1和2），有极性电解电容E1的正极经继电器JDQ1的常开点与JP1上标号为1的接线端相连接，E1的负极直接与JP1上标号为2的接线端相连接。E1为被保护的用于接入其他实验电路中的有极性电解电容，JP1用于将E1接入其他电路。
电容反接保护电路由非门U1A（3）、非门U1B（4）、非门U1C（5）、三极管Q1（6）、继电器JDQ1（7）、发光二极管LED1（10）、直流电源电路以及二极管D1、D2、D3和D4组成，非门U1A的输入端经电阻R1与JP1的1号接线端相连接，U1C的输入端经电阻R2与JP2的2号接线端相连接，电阻R1和电阻R2的阻值较大（如均采用20kΩ），以起到限流隔离作用，保证E1通过JP1接到实验电路中后不会对电容反接保护电路产生破坏性影响。直流电源电路用于提供稳定的直流电，直流电的正极为Vcc。
二极管D1的正极、负极分别与U1C的输入端和电源正极相连接，D2的正、负极分别与U1A的正极和电源正极相连接，D3的正极、负极分别与电源地和U1A的输入端相连接，D4的正、负极分别与电源地和U1C的输入端相连接。D1、D2起到高电平箝位作用，D3、D4起到低电平箝位作用，当E1经JP1被反接且施加在D1正极的电压大于Vcc（至少比Vcc大0.7V）时，D1导通使U1C输入端的电位不高于Vcc+0.7V，D3导通使U1A输入端的电压不会低于-0.7V；当E1被正确连接时，施加在D2正极的电压大于Vcc（至少比Vcc大0.7V）时，D2导通使U1A输入端的电压不会超过Vcc+0.7V，D4导通使U1C输入端的电压不会低于-0.7V，以保非门U1A和U1C的正常工作。
非门U1A和U1C的输入端分别经电阻R3和电阻R4接于电源地上，当JP1没有接到其他实验电路或者虽然接到其他实验电路中但实验电路没有通电时， R3和R4分别将非门U1A和U1C输入端的电位拉为低电平。
非门U1A的输出端与非门U1B的输入端相连接，U1B的输出端经电阻R6与三极管Q1的基极相连接，Q1为NPN型三极管，三极管Q1的发射极接于电源地上，Q1的集电极与继电器JDQ1的线圈串联后接于电源正极上，以利用Q1的导通和截止来控制继电器JDQ1线圈的通电和断电。为了避免继电器JDQ1在断电的瞬间产生自感应高压，所示继电器JDQ1的两端并联有二极管D5，起到续流作用。所示非门U1C的输出端依次经电阻R5和发光二极管LED1接于电源正极上，当发光二极管LED1点亮时表明E1接线错误，提醒实验人员变换E1正负极的接入方式。
直流电源电路由由变压器TB1（8）、三端稳压管PV1（9）、电解电容E2、电解电容E3以及二极管D6、D7、D8和D9形成的全桥整流电路组成，变压器TB1的一次侧接于交流市电上，二次侧接于全桥整流电路的输入端，全桥整流电路输出端的正极接于三端稳压管PV1的输入端，三端稳压管PV1的输出端形成电源正极Vcc；电解电容E3设置于全桥整流电路的输出端，电解电容E2设置于三端稳压管PV1的输出端，E3、E2实现滤波和稳压作用。
当变压器TB接上电源时，本发明的电容反接保护电路开始工作。
当JP1没有接到其它实验电路中或虽然接到其它实验电路中但实验电路没有通电时：电阻R3、R4分别将非门U1A与U1C输入端拉到地电位，由于U1A输入端是低电位，其输出端侧是高电位，经过U1B反相，U1B输出低电位，三极管Q1截止， 继电器JDQ1的电磁线圈不通电，JD1常开触点不动作，被保护电容E1没有接入实验电路中；同时，由于U1C输入端是低电位，其输出端侧是高电位，指示灯两端等电位，因此发光二极管LED1不会发光。因此，此时有极性电解电容E1不会投入到外部的电路中，错误指示灯也不会发光：
当JP1以错误方式接到实验电路中并且实验电路通电时：外部实验电路形成的电流经过R2、R4、D3、R1形成回路，在R4两端形成下正上负的电压，如果电压高出Vcc很多，则会被D1箝位到Vcc+0.7V的电压，使U1C输出端电位＝0，标志E1接线错误的指示灯LED1点亮。此时U1A输入端承受-0.7V的电压，U1A输出端是高电平，经过U1B反相后，U1B输出低电平，使Q1截止，继电器JDQ不动作，因此电容器E1不能投入，因此保护了E1。
当JP1以正确方式接到实验电路中并且实验电路通电时：外部实验电路形成的电流经过R1、R3、D4、R2形成回路，在R3两端形成上正下负的电压，如果电压高出Vcc很多，则会被D2箝位到Vcc+0.7V的电压，使U1A输出端电位＝0，经过U1B反相后，使Q1导通，继电器JDQ动作，因此电容器E1投入电路中。此时U1B输入端承受-0.7V的电压，使U1B输出端是高电位，错误标志指示灯LED两端等电位，因此不会发光。
实施例2，如图2所示，给出了本发明的用与门实现对有极性电解电容反接的保护电路的电路图，其由电容接线端JP2（11）、有极性电解电容E4（12）和电容反接保护电路组成，E1为被保护的用于接到其他实验电路中的有极性电解电容，电容接线端JP2用于将E1接入其他电路中，JP2具有标号分别为1和2的两个接线端子，E4的正极经继电器JDQ2的常开点接于JP2的1号端子上，E4的负极直接与JP2的2号端子相连接。电容反接保护电路由与门U2A（13）、与门U2B（14）、发光二极管LED2（15）、三极管Q2（16）、继电器JDQ2（17）、直流电源电路以及二极管D10、D11、D12和D13组成，与门U2A的两个输入端短接在一起，U2B的两个输入端也短接在一起。
与门U2A的两个输入端经电阻R7与JP2的1号接线端相连接，U2B的两个输入端经电阻R8与JP2的2号接线端相连接，R7和R8采用较大阻值（如均采用20kΩ）的电阻，以起到限流隔离作用，保证E2通过JP2接到实验电路中后不会对电容反接保护电路产生破坏性影响。直流电源电路用于提供稳定的直流电，直流电的正极为Vcc。与门U2A的输入端、与门U2B的输入端分别经电阻R9和电阻R10接于电源地上，当JP2没有接到其他实验电路或者虽然接到其他实验电路中但实验电路没有通电时， R9和R10分别将与门U2A和与门U2B输入端的电位拉为低电平。
同样地，二极管D10的正极、负极分别与U2B的输入端和电源正极相连接，D11的正、负极分别与U2A的正极和电源正极相连接，D12的正极、负极分别与电源地和U2A的输入端相连接，D13的正、负极分别与电源地和U2B的输入端相连接。D10、D11起到高电平箝位作用，D12、D13起到低电平箝位作用，当E2经JP2被反接且施加在D10正极的电压大于Vcc（至少比Vcc大0.7V）时，D10导通使U2B输入端的电位不高于Vcc+0.7V，D12导通使U2A输入端的电压不会低于-0.7V；当E1被正确连接时，施加在D11正极的电压大于Vcc（至少比Vcc大0.7V）时，D11导通使U2A输入端的电压不会超过Vcc+0.7V，D13导通使U2B输入端的电压不会低于-0.7V，以保证与门U2A和U2B的正常工作。
与门U2A的输出端经电阻R11与三极管Q2的基极相连接，Q2为NPN型三极管，三极管Q2的发射极接于电源地上，集电极与继电器JDQ2的线圈串联后接于电源正上，以通过三极管Q2的导通和截止来控制继电器JDQ2线圈的通电和断电。为了避免继电器JDQ2的线圈在断电的瞬间出现自感高电压，其两端并联有续流二极管D14，二极管D14的正极接于Q2的集电极上，负极接于电源正上。所示与门U2B的输出端依次经电阻R12和发光二极管LED2接于电源地上，发光二极管LED2点亮表示有极性电解电容E4的接线错误，以提醒实验人员进行纠正。
本实施例中直流电源由变压器TB2（18）、三端稳压管PV2（19）、电解电容E5、电解电容E6以及二极管D15、D16、D17和D18形成的全桥整流电路组成，本实施例中的直流电源电路与实施例1中的相同，只是元器件的标号不一样。
当变压器TB2接上电源时，本实施例中的电容保护电路开始工作。
当JP2没有接到其它实验电路中或虽然接到其它实验电路中但实验电路没有通电时：电阻R9、R10分别将与门U2A和与门U2B的输入端拉到地电位（低电平），U2A输出低电位，Q2截止， JDQ2的电磁线圈不通电，JDQ2常开触点不动作，被保护电容E4没有接入实验电路中；同时，由于U1B的输入端是低电位，其输出端也是低电位，指示灯LED2两端等电位，因此不会发光。因此，此时电容器E4不会投入到外部的电路中，错误指示灯LED2也不会发光：
当JP2以错误方式接到实验电路中并且实验电路通电时：外部实验电路形成的电流经过R8、R10、D12、R7形成回路，在R10两都形成下正上负的电压，如果电压高出Vcc很多，U2B输出端则会被D10箝位到Vcc+0.7V的电压，使U2B输出端呈现高电位，标志E4接线错误的指示灯LED2点亮。此时U2A输入端承受-0.7V的电压，U2A输出端是低电平，使Q2截止，继电器JDQ2不动作，因此电容器E4不能投入，因此保护了E4。
当JP1以正确方式接到实验电路中并且实验电路通电时：外部实验电路形成的电流经过R1、R9、D13、R8形成回路，在R9两端形成上正下负的电压，如果电压高出Vcc很多，U1A输入端则会被D11箝位到Vcc+0.7V的电压，使U2A输出端呈现高电位，使Q2导通，继电器JDQ2动作，因此电容器E4投入电路中。此时U2B输入端承受-0.7V的电压，使U2B输出端是低电位，错误标志指示灯LED2两端等电位，因此不会发光。