簡易UPS不間斷電源競賽題學生

1、2011年*第*屆中等職業(yè)學校電子技能競賽考題（學生組）考題名稱：簡易UPS不間斷電源完成時間：4小時目錄一、電路說明部分1.1電路原理簡介1.2電路主要元器件介紹1.3裝配及調(diào)試說明二、考題答卷部分2.1電子產(chǎn)品裝配30分2.2原理分析及參數(shù)測試25分2.3電子產(chǎn)品功能測試30分三、電路設(shè)計軟件Portel應(yīng)用部分15分備注：請參賽選手認真審題后，再焊接組裝?？?號：工 位 號：一、電路說明部分1、1電路原理簡介1、產(chǎn)品功能不間斷電源(以下簡稱UPS)在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見，如學校、企業(yè)、銀行和機關(guān)單位的等，UPS主要作用是在市電停電時，能夠繼續(xù)為不能斷電的設(shè)備繼續(xù)提供電能，為用戶爭取時間

2、停止設(shè)備。這里為同學們展現(xiàn)的是一種簡單的UPS電路，其主要目的是了解UPS電源的工作原理，電路中J2為交流電源輸入端，J1為不間斷電源輸出端，考慮到裝調(diào)人員的人身安全，這里的系統(tǒng)工作電壓為AC30V。2、電路工作原理UPS電源主要由以下電路組成：正弦波振蕩器、限幅放大器、前置驅(qū)動、功率放大器、升壓變壓器、開關(guān)機控制電路、雙電源切換電路、失電檢測電路、失電報警電路、過流檢測保護電路、手動開關(guān)機控制電路等，組成框圖見圖1，電路原理圖見圖2。圖1 UPS電源組成圖正弦波振蕩電路：正弦波振蕩電路為文氏橋振蕩器，C1/C2/R1/R22/RP5組成選頻電路，調(diào)節(jié)RP5可調(diào)整振蕩電路的振蕩頻率，R3/R4

3、/RP2組成正反饋電路，為振蕩電路提供必要的電壓增益，調(diào)節(jié)RP2可調(diào)整電路的正反饋量。限幅放大電路：限幅放大電路是為反比例運算放大電路，由R13/R25/R26/RP6/U1B組成，調(diào)節(jié)RP6可改變電路的放大倍數(shù)。開關(guān)機控制：開關(guān)機控制電路由繼電器K1作為執(zhí)行部件，當繼電器吸合時，限幅放大器輸出的信號對地短路，后級電路停止工作達到關(guān)機目的。前置驅(qū)動：前置驅(qū)動電路為電壓跟隨器，由U1C組成此電路不起放大作用，只為驅(qū)動功率放大電路，為功率管提供足夠的驅(qū)動電流。功率放大電路：功率放大電路采用簡單的OCL功放電路，由R30/R31/R32/R33/R34/Q6/Q7組成，正半周Q7工作，負半周Q6工作

4、，R34為電流取樣電阻，電流越大其端電壓越高。升壓變壓器：升壓變壓器為普通的工頻變壓器，電路組成元件為T1/RV1/R2/LED4/D9組成，RV1為壓敏電阻，其標稱值為36V，此電阻為過壓保護電阻，防止因電壓過高傷及人身安全，R2/LED4/D9為升壓電路的工作指示，當指示燈點亮時證明升壓電路已開始工作。輸出切換電路：輸出切換電路由D1/C13/K2組成，K2為雙刀雙擲的繼電器，線圈工作電壓為DC24V，D1和C13為整流濾波電路為K2提供工作電源，當輸入的AC24V電壓存在時，K2吸合輸出自動切換到常用電源，不純在是，輸出切換到由升壓電路提供的電源。電源檢測：電源檢測電路由R35/D10/

5、C17/U4組成，當輸入電源AC24V存在時，光電耦合器U4導通，控制繼電器K1吸合，升壓電路停止工作，當無電源輸入AC24V存在時，U4截止不參與對K1的控制，此時失壓告警電路開始報警。失壓告警電路：失壓告警電路由2個多諧振蕩電路組成，R8/C6/U5D/U5E組成音頻振蕩電路，振蕩頻率約為2kHz，U5F和R21為振蕩電路的輸出隔離電路。R29/C8/U5A/U5B組成周期為2Hz間隙振蕩電路，通過U5C和R20隔離后由Q4調(diào)制音頻信號，D7/D6/Q3/R13/Q15組成報警音控制電路。過流保護電路：過流保護電流由取樣電阻、三極管放大電路、檢波電路、電壓比較電路和鎖存電路組成。R34為取

6、樣電阻。R28/R17/RP4/C16/C12/C11/Q1組成放大電路，將取樣電阻的電壓進行放大，調(diào)節(jié)RP4可調(diào)整放大電路的靜態(tài)點。D8和C11組成檢波電路，將交流信號轉(zhuǎn)換成直流電壓。RP3/R16/R15/R27/U1D組成電壓比較器，調(diào)整RP3可設(shè)置比較器的參考點電壓。U3A/R9/C9/S1組成過流鎖存電路。LED1和R6組成過流保護指示電路，LED1點亮時過流保護啟動。手動開關(guān)機電路：C15/R10/R11/S2/R24/LED2/U3B組成手動開關(guān)機電路，U3B為D觸發(fā)器，按一次S2輸出翻轉(zhuǎn)一次，U3B的輸出端Q通過D4控制開關(guān)機電路。3、電路目的將±12V通過J3接入，

7、AC24V通過J2接入，J1為電壓輸出端，LED5為輸出指示燈。A、 開啟±12V電源，關(guān)閉AC24V電源。輸出端電壓為30V±2V；喇叭BT1發(fā)出滴滴滴.的報警音；按S1鍵可開關(guān)機，關(guān)機后輸出為0V；短接輸出端，保護電路啟動，電路停止工作，輸出為0VB、 開啟±12電源，開啟AC24V電源。輸出端電壓J1=輸入端電壓J2，報警音消失。C、 關(guān)閉±12電源，開啟AC24V電源，輸出端電壓J1=輸入端電壓J2，報警音消失。圖2 電路原理圖4.PCB元件布置圖，詳見圖3和圖4圖3 頂層元件布置圖圖4 底層元件布置圖5.元件清單序號名稱規(guī)格代號封裝序號名稱規(guī)格

8、代號封裝1色環(huán)電阻1kR32AXIAL0.351電解電容10uf/50VC12RB2.5/52色環(huán)電阻1kR33AXIAL0.352電解電容10uf/50VC9RB2.5/53色環(huán)電阻1/1WR34AXIAL0.553電解電容100uf/25VC19RB4/74色環(huán)電阻3kR4AXIAL0.354電解電容100uf/25VC20RB4/75色環(huán)電阻4.7kR24AXIAL0.355獨石電容0.1ufC3RAD0.26色環(huán)電阻4.7kR7AXIAL0.356獨石電容0.1ufC4RAD0.27色環(huán)電阻4.7kR6AXIAL0.357獨石電容0.1ufC2RAD0.28色環(huán)電阻4.7kR5AXIA

9、L0.358獨石電容0.1ufC7RAD0.29色環(huán)電阻10kR35AXIAL0.359獨石電容0.01ufC16RAD0.210色環(huán)電阻10kR10AXIAL0.360獨石電容0.1ufC5RAD0.211色環(huán)電阻10kR13AXIAL0.361獨石電容0.1ufC8RAD0.212色環(huán)電阻10kR16AXIAL0.362獨石電容0.1ufC1RAD0.213色環(huán)電阻10kR18AXIAL0.363貼片電容0.1ufC6080514色環(huán)電阻10kR12AXIAL0.364二極管1N4007D111N400115色環(huán)電阻10kR17AXIAL0.365二極管1N4007D101N400116色

10、環(huán)電阻10kR9AXIAL0.366二極管1N4007D91N400117色環(huán)電阻10kR15AXIAL0.367二極管1N4148D3DIODE7.7518色環(huán)電阻10kR14AXIAL0.368二極管1N4148D6DIODE7.7519色環(huán)電阻10kR11AXIAL0.369二極管1N4148D5DIODE7.7520色環(huán)電阻20kR22AXIAL0.370二極管1N4148D7DIODE7.7521色環(huán)電阻22kR2AXIAL0.371二極管1N4148D2DIODE7.7522色環(huán)電阻22kR1AXIAL0.372二極管1N4148D8DIODE7.7523色環(huán)電阻22kR3AXIA

11、L0.373二極管1N4148D4DIODE7.7524色環(huán)電阻47kR23AXIAL0.374二極管1N4148D1DIODE7.7525色環(huán)電阻47R36axial0.375二極管1N4007D121N400126色環(huán)電阻100kR27AXIAL0.376發(fā)光二極管M3 紅色LED2LED0.127色環(huán)電阻100kR28AXIAL0.377發(fā)光二極管M3 紅色LED3LED0.128色環(huán)電阻100kR25AXIAL0.378發(fā)光二極管M3 紅色LED4LED0.129色環(huán)電阻100kR26AXIAL0.379發(fā)光二極管M3 紅色LED1LED0.130色環(huán)電阻200kR30AXIAL0.3

12、80發(fā)光二極管M3 紅色LED5LED0.131色環(huán)電阻200kR31AXIAL0.381貼片三極管1815Q5SOT-23/C181532貼片電阻4.7kR8080582貼片三極管1815Q3SOT-23/C181533貼片電阻10kR20080583貼片三極管1815Q4SOT-23/C181534貼片電阻10kR21080584三極管1815Q1TO-92C/C181535貼片電阻10kR19080585三極管1815Q2TO-92C/C181536貼片電阻100kR29080586三極管D772Q6D88237壓敏電阻7D390RV1RAD0.387三極管D882Q7D88238可調(diào)電

13、位器10k*2RP5KT88集成電路4013U3DIP1439可調(diào)電阻10kRP1VR336289集成電路40106U5SOP-1440可調(diào)電阻10kRP4VR336290集成電路LM324U141可調(diào)電阻10kRP3VR336291接線端子CON2J12-5.0842可調(diào)電阻10kRP2VR336292接線端子CON2J22-5.0843可調(diào)電阻50kRP6VR336293接線端子CON3J33-5.0844電解電容1uf/50VC18RB2.5/594光耦PC817U4DIP445電解電容10ufC17RB2.5/595繼電器MR62-24USRK28JJDQ46電解電容10uf/25VC

14、15RB2.5/596繼電器SRSB-12VDCK1JH23F47電解電容10uf/50VC11RB2.5/597按鍵6*6mmS26*6KEY48電解電容10uf/50VC10RB2.5/598按鍵6*6mmS16*6KEY49電解電容10uf/50VC14RB2.5/599變壓器12V/36V 3WT112/1.5W變壓器50電解電容10uf/50VC13RB2.5/5100揚聲器8/0.5WBT18/28 表 11.2電路主要元器件介紹1、 運算放大器LM324LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，其內(nèi)部包含4組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，兩組運算放大器相

15、互獨立，引腳及內(nèi)部方框圖如圖5所示，LM324具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種電路中。圖 52、雙D觸發(fā)器CD4013CD4013是一雙D觸發(fā)器,由兩個相同的、相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)、置位、復位、時鐘輸入和Q及（Q非）輸出，此器件可用作移位寄存器，且通過將Q輸出連接到數(shù)據(jù)輸入，可用作計算器和觸發(fā)器。在時鐘上升沿觸發(fā)時，加在D輸入端的邏輯電平傳送到Q輸出端。置位和復位與時鐘無關(guān)，而分別由置位或復位線上的高電平完成。引腳圖見圖6，真值表見表2。 圖 6 表 23、6非門CD40106（輸入帶施密特觸發(fā)） CD40106型

16、是在輸入級具有施密特觸發(fā)功能的反相器。在輸入波形的上升段和下降段，其閥值電壓不同。CD40106的引腳圖如圖7。圖 74、變壓器變壓器采用普通工頻變壓器，初級為12V,次級為36V,外形見圖8。圖 8側(cè)視圖高壓側(cè)低壓側(cè)壓敏電阻器簡稱VSR，是一種對電壓敏感的非線性過電壓保護半導體元件。它在電路中用文字符號“RV”或“R”表示，圖9是外形圖，圖10為電路圖形符號。5、壓敏電阻圖 10圖 91.3裝配及調(diào)試說明1、 焊接說明A、 變壓器焊接時應(yīng)注意高壓端和低壓端，低壓端12V焊接在三極管Q6/Q7側(cè)，高壓端36V焊接在繼電器輸出側(cè)；B、 可調(diào)電位器RP5金屬部分需接地。2、 調(diào)試方法A、 調(diào)試前的

17、準備工作通過J3端子接入+12V、-12V和GND工作電源（注意電源極性）。通過J2端子接入AC24V。將RP1調(diào)整至接地端，即輸出電壓為0處；將RP6的電阻值調(diào)節(jié)到最小位置；將RP4的阻值調(diào)節(jié)到最小位置。完成以上步驟后可將±12電源接通。B、 開關(guān)機控制電路：開關(guān)機控制電路的執(zhí)行部件為K1，當K1吸合時由U1B輸出的信號對地短接，升壓電路無法工作。繼電器K1由3個單元電路進行控制，分別為手動開關(guān)機電路、過流檢測電路和交流電源檢測電路，要調(diào)試其他電路前，應(yīng)將先將以上3塊電路調(diào)試正常，使K1處于斷開狀態(tài)。手動開關(guān)機電路調(diào)試：手動開關(guān)機電路以D觸發(fā)器為核心，數(shù)據(jù)輸入端D與輸出端Q相連，S

18、2作為D觸發(fā)器的時鐘信號，當S2按下時電路翻轉(zhuǎn)一次，當LED2熄滅時，U3的13腳輸出為低電平，手動開關(guān)機電路不參與對K1的控制。過流檢測電路：在此處先不介紹過流檢測電路的調(diào)試方法，其主要目的是先將過流檢測電路關(guān)閉，使過流檢測電路不參與對K1的控制，關(guān)閉過流檢測電路的方法，首先調(diào)節(jié)RP4使Q1電壓為最小值（一般為1V以下）。其次調(diào)節(jié)RP3使RP3動觸點的輸出電壓為12V。最后按下S1鍵使LED1熄滅，此時U3A的1腳輸出為低電平，證明過流檢測電路未參與對K1的控制。交流電源檢測電路：先不接入AC24V電源即交流電源檢測電路不參與對K1的控制?？傊谡{(diào)試升壓電路之前應(yīng)使K1處于斷開狀態(tài)！C、 正

19、弦波振蕩電路調(diào)試。通電前請將RP1調(diào)整到最小點，即RP1的動觸點輸出電壓為0V。接通±12V電源，用示波器測量U1的1腳，觀察電路是否起振，若未起振調(diào)節(jié)RP2使電阻減小增大正反饋量，使電路起振。若輸出的正弦波失真了，調(diào)節(jié)RP2使電阻增大減小失真度。調(diào)節(jié)RP5可改變電路的振蕩頻率。在調(diào)試振蕩電路時通過調(diào)整RP5和RP3使電路輸出頻率為50Hz±1Hz的標準正弦波。D、 放大和升壓電路調(diào)試。調(diào)節(jié)RP6使等效電阻值最小，調(diào)節(jié)RP1使RP1輸出端的正弦波峰值電壓為2V。檢查壓敏電阻RV1是否焊接正確。接入±12V電源斷開AC24V電源，用萬用表測量J1電壓，此時調(diào)節(jié)RP6

20、使J1的輸出電壓為AC30V。注意：此電路調(diào)試時K1不能處于吸合狀態(tài)，導致K1吸合升壓電路將停止工作。E、 交流電源檢測和輸出切換電路調(diào)試：當AC24V接入時，D10和C17組成整流濾波電路，為光耦U4初級供電，光耦初級通電后次級導通，電流通過光耦次級通過D2使三極管Q2導通繼電器K1吸合，此時升壓電路關(guān)閉。AC24V接入時，繼電器K2吸合，交流輸出端J1通過繼電器K2的常開觸點與J2接通；當AC24V未接入時繼電器K1、K2斷開，此時升壓電路開始工作，由升壓電路產(chǎn)生的交流電源通過K2的常閉觸點輸出到J1。F、 交流電源失電告警電路：失電告警電路由U5和相關(guān)的外部元件組成，當AC24V接入時，

21、光耦U4次級導通，三極管Q3導通，音頻振蕩電路和間歇振蕩電路輸出的信號通過二極管D6和D7對地短路，此時喇叭不發(fā)出聲音證明交流電源存在。當AC24V為接入時Q3截止，通過間歇信號通過Q4調(diào)制音頻信號使喇叭發(fā)出滴滴滴.的聲音，告知使用者停電了。G、 過流檢測電路調(diào)試：先按S2鍵關(guān)閉升壓電路，R17/R28/C16/C12/RP4/Q1組成的三極管基本放大電路，調(diào)節(jié)RP4可改變電路的靜態(tài)工作點，調(diào)節(jié)RP4使三極管C極電壓為3±0.5V。RP3為比較器的參考電壓設(shè)置點，調(diào)節(jié)RP3可調(diào)整過流保護的啟動值。D觸發(fā)器U3A和S1/C9/R9組成的過流保護鎖存電路，S端為邏輯1時輸出端Q為1，R端

22、為邏輯1時輸出端Q為0，S1作為過流保護后的清除按鍵。若電流過大超出設(shè)定值比較器輸出為1，此時D觸發(fā)器U3A輸出端Q輸出為1，通過二極管D3使K1吸合關(guān)閉升壓電路，從而起著過流保護的作用，升壓電路關(guān)閉后取樣電阻R34無電壓信號，比較器輸出為邏輯0，但此時D觸發(fā)器輸出Q仍然為邏輯1，只能通過按下S1鍵使輸出清零，從其啟動升壓電路。H、 LED指示說明： LED1 過流保護指示燈，點亮時表示過流保護啟動；LED2 手動開關(guān)機指示燈 ，點亮時表示關(guān)機；LED3 電源指示燈，點亮時表示DC12V工作電源正常；LED4 升壓電路工作指示燈，點亮時表示升壓電路已輸出交流電壓；LED5 輸出指示燈，電路時表

23、示交流電源輸出端J1輸出正常。 3、整機試驗圖1J3接入±12V電源，J2接入AC24V電源，此時J1電壓等于J2電壓，升壓電路停止工作，當斷開AC24V電壓時，喇叭發(fā)出滴滴滴.的報警音，J1的電源等于30V，按下S2鍵可開關(guān)J1輸出的30V電壓，當J1輸出端短路時LED1點亮J1輸出電壓等于0V，短路消除后按下S2鍵J1從新輸出30V電壓。二、考 題 答 卷 部 分2.1電子產(chǎn)品裝配(30分)元件包中大概有30%的多余材料用于篩選，請根據(jù)電路原理圖和元材料清單篩選出合適的原材料，并完成2.2項的元件測試報告。元件焊接標準及工具的使用標準見下表：內(nèi)容技術(shù)要求配分評分標準得分元器件引腳

24、1、引腳加工尺寸及成形應(yīng)符合裝配工藝要求41、檢查成品，不符合要求的，每處每件扣0.5分/件。2、根據(jù)監(jiān)考記錄，工具的不正確操作，每次扣0.5分。元器件安裝2、元件高度及字符方向應(yīng)符合工藝要求3、元件安裝橫平豎直4、電路板底層安裝貼片元件6焊點5、焊點大小適中，無漏、假、虛、連焊，焊點光滑、圓潤、干凈，無毛刺6、焊盤不應(yīng)脫落7、修腳長度適當，一致，美觀9安裝質(zhì)量8、集成電路、二三極管等及導線安裝均應(yīng)符合工藝要求9、元器件安裝牢固，排列整齊10、無燙傷和劃傷，整機清潔無污物6常用工具的使用和維護11、電烙鐵的正確使用12、鉗口工具的正確使用和維護13、萬用表正常使用和維護14、毫伏表正常使用和維

25、護15、示波器正常使用和維護52.2參數(shù)測試（25分）1、篩選元件（10分）將下表中涉及元器件檢測結(jié)果填入表中。注意：質(zhì)量判定填寫“可用”、“斷路”、“短路”、“漏電”。所使用的萬用表型號為:_元 器 件識別及檢測內(nèi)容配分評分標準得分電阻器R1標稱值(含誤差)測量值測量檔位每支1分錯1項，該電阻不得分。電容器C1標稱值(µ f)介質(zhì)質(zhì)量判定每支1分錯1項，該電容不得分。二極管D10正向電阻反向電阻測量檔位質(zhì)量判定每支1分錯1項，該二極管不得分。三極管Q7畫外形示意圖標出管腳名稱電路符號質(zhì)量判定每支1分錯1項，該三極管不得分。繼電器K2畫外形示意圖標出管腳名稱線圈電阻質(zhì)量判定每支1分錯

26、1項，該可調(diào)電阻不得分。光耦U4畫外形示意圖標出管腳名稱電路符號質(zhì)量判斷每支1分錯1項，該蜂光耦不得分。元件挑選全部元器件元件應(yīng)用正確2分檢查電路板上安裝的元件，裝錯、漏裝或操作損壞元件扣0.5分/件。萬用表的使用和維護萬用表正常使用和維護操作全過程中，對萬用表的使用逐工位檢查2分各項操作方法不當及錯誤操作手法扣0.5分/項2、電路原理分析和參數(shù)測試（共15分，每空0.5分）（1、電阻R35的作用是什么。（2、可調(diào)電阻RP4的作用是什么。（3、電容C14的作用是什么。（4、由U1B和外圍元件組成的什么電路（反比例運算放大電路，同比例運算放大電路，電壓比較器）。（5、三極管Q6/Q7和外圍元件組

27、成什么功率放大電路（OTL、OCL、BTL）。（6、壓敏電阻RV1的作用是什么（過壓保護、限流、濾波）。（7、二極管D4/D3/D2組成什么邏輯關(guān)系（與、或、異或）。（8、三極管Q4工作于什么狀態(tài)（放大、開關(guān)、檢波）。（9、三極管Q1工作于什么狀態(tài)（放大、開關(guān)、檢波）。（10、U1D和外圍元件組成（反比例運算放大電路，同比例運算放大電路，電壓比較器）。（11、二極管D7的作用是（整流、開關(guān)隔離、鉗位）。（12、二極管D10的作用是（整流、開關(guān)隔離、鉗位）。（13、二極管D1的作用是（整流、開關(guān)隔離、鉗位）。（14、電容C18的作用是（濾波、耦合、振蕩）。（15、三極管Q2的C極和E極擊穿升壓電

28、路將（停止工作、正常工作、輸出電壓降低）。（16、若三極管Q3的C極和E極開路告警電路將發(fā)出滴滴滴報警聲（正常、連續(xù)、始終不）。（17、正弦波振蕩電路中的C2增大，其振蕩頻率（增大、減小）。（18、音頻振蕩電路中的R8減小，其振蕩頻率（增大、減?。?。（19、當升壓電路工作時R34兩端電壓為V。（20、當升壓電路正常工作時整機電流為mA。（21、電容C15和R10組成什么電路。（22、當手動開關(guān)機電路處于開機狀態(tài)時，測量U3部分引腳的電壓。CD4013U3引腳10111213電位（23、在電路正常工作時,測量U1 第1腳的波形（共2.5分，波形記錄1分，測試數(shù)據(jù)每個0.5分） 記錄示波器波形示波

29、器填入數(shù)據(jù)得分時間檔位：幅度檔位：頻率：峰峰值：周期：3、電子產(chǎn)品功能測試（30分）1、 本電路功能完成，電路的調(diào)試方法，詳見第8頁的裝配調(diào)試說明。（25分）鑒定內(nèi)容技術(shù)要求配分評分標準得分實現(xiàn)UPS電源的全部功能根據(jù)1.3項中的第3項“整機試驗”，作為技術(shù)要求。25分正弦波振蕩電路能輸出50±1Hz的正弦波（3分）升壓電路能輸出AC30V±2V的電壓（6分）手動開關(guān)機電路能正常工作（2分）失壓告警電路正常工作（4分）短路保護電路能正常工作（7分）輸出自動切換電路能正常工作（3分）2、 電路路原理分析（5）（1）、描述文氏橋振蕩電路的工作原理？(2分)（2）、當R25和RP6并聯(lián)等效電阻為100k時，請計算由U1B/R26/R13/R25/RP6組成的放大電路的電壓放大倍數(shù)？（3分）四、電路設(shè)計軟件PROTEL DXP 2004應(yīng)用音頻功放電路設(shè)計（1