過流過壓保護可調(diào)直流電源

1、電路實踐系列講義 過流過壓保護可調(diào)直流電壓源2013-3-25過流過壓保護可調(diào)直流電壓源電源是是對電子設(shè)備，電子電路等等提供電能的，這些電器設(shè)備，電路相對于電源來說，稱之為負載，當電源本身出現(xiàn)故障或者是負載出現(xiàn)故障，若不及時排除，很有可能損壞電路。當電路出現(xiàn)故障時，大部分情況下會出現(xiàn)電源電壓異常或者是電流異常，而對電源及電路而言，電流過大，電壓過高更具有破壞性，因此，具有過流過壓保護功能的電源是在實際使用中應用非常廣泛的電源。過流過壓保護的方法主要有以下這些措施：熔斷器保護，即通常用的保險絲，保險管，它是一種過流保護器件，將它串接在電源電路中，一旦當負載出現(xiàn)故障而使電源供電電流突然增大時，保險

2、絲熔斷，截斷電源與負載的通路，達到保護電源和負載本身的目的。注意：并不是電流一超過保險絲的額定電流就立即熔斷，通常要超過額定電流1.5倍至2倍，保險絲才熔斷。所以，這種保護方法是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，電路設(shè)計方便；但缺點是：保護電流值不明確，在需要高精度保護條件下達不到要求，二是熔斷后，需要更換，在一些燒保險比較頻繁的情況下（如學生實驗設(shè)備）就是很麻煩的一件事情。自恢復保險保護，實際就是一種熱敏電阻保護，它也是串接在電源電路中，是一種過流保護方法。當電流沒有超過額定值時，作為過流保護用的熱敏電阻溫度正常，所呈現(xiàn)的電阻很小，不會影響電源電路的正常工作，一旦當電流超過它的額定電流時，作為過流保護用的熱

3、敏電阻溫度徒然升高，所呈現(xiàn)的電阻很大，截斷電源與負載的通路，達到保護電源和負載本身的目的，此后由于流過作為過流保護用的熱敏電阻的電流很小，溫度降低，降低到一定程度時，作為過流保護用的熱敏電阻電阻值減小到正常值，電源恢復工作，若故障沒有排除，將會進入下一輪保護。這種方法的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但缺點是反應太慢，所以多數(shù)情況下也不宜使用。晶閘管保護，在開關(guān)電源中用得較多，在開關(guān)電源中，有一個振蕩器，我們可以設(shè)計讓振蕩器是否工作與 晶閘管的狀態(tài)有關(guān)，而晶閘管的狀態(tài)由其電壓決定，在電路正常工作條件下，讓晶閘管處于截止狀態(tài)，而一旦電路出現(xiàn)不正常狀態(tài)，晶閘管導通，電路進入保護狀態(tài)。有關(guān)此方面的問題，

4、請實踐者參閱有關(guān)開關(guān)電源的資料。以繼電器為主要器件的電子保護電路，繼電器主開關(guān)接在電源主電路中，讓控制電路控制繼電器線圈而控制繼電器主開關(guān)的通斷。本電子實踐項目中有一個這樣以繼電器為主要控制器件的電路，讀者可參閱電源保護電路，電路編號YJQE-B-I。以電源調(diào)整管（大功率三極管）為主要器件的電子保護電路，本項目所要介紹和實踐的電路就是一個這樣的保護電路，主要方法是讓一個控制電路控制電源調(diào)整管的通斷（讓調(diào)整管處于開關(guān)工作狀態(tài)，電路正常時飽和導通，電路不正常時截止）。這種電路反應快，動作值界線確定，具有自恢復功能，是一種較理想的電源保護電路，缺點是電路相對復雜，成本相對較高。以上是關(guān)于保護電路的一

5、般說明，本電路的第二個重要特點是輸出電壓可調(diào)?，F(xiàn)在輸出電壓可調(diào)電源電路一般采用三端穩(wěn)壓器LM317實現(xiàn)。具體器件說明及電路在后面說明。本課程設(shè)計項目是設(shè)計一直流電源，重點是過流保護發(fā)及過壓保護。電源輸出直流電壓兩路，一路是固定輸出電壓源+5V，另一路是輸出電壓可調(diào)+3V-+12V。額定輸出電流300mA，設(shè)計保護電流四檔可調(diào)：338mA，268mA，105mA，35mA，即當電源輸出電流超過設(shè)計保護電流時，保護電路動作，斷開電源與負載的連接。本電路由如下部分組成：變壓電路，整流電路，濾波電路，過流保護電路，輸出電壓調(diào)節(jié)電路。變壓器降壓二極管整流電容濾波調(diào)整三極管保護電路調(diào)整三極管7805LM3

6、17調(diào)節(jié)電路 +5V +3V-+12V 各部分電路的設(shè)計降壓，整流，濾波電路因為本電路輸出電壓最大為12V，即三端穩(wěn)壓器輸入電壓要求大于12+515V，可以選擇為16V，所以取整流濾波輸出電壓（即三端穩(wěn)壓器輸入電壓）為16V左右。降壓變壓器次級電壓的選擇，因為整流濾波輸出電壓的最大值等于變壓器次級電壓的1.414倍，所以可考慮選擇變壓器次級電壓為12V，這樣，整流濾波輸出電壓的最大值等于17V。變壓器的功率選擇，因為電路輸出額定電流300mA，所以電路輸出額定功率為17V*300mA=5W，所以變壓器功率為67w就可以了，本電路選擇變壓器功率為10W。整流二極管的耐壓要求：高于17V（高于變壓

7、器次級電壓最高值）。整流二極管的平均整流電流要求：大于300mA。這樣，整流二極管采用常用的整流二極管IN4001（耐壓而100V，電流1A）就足夠達到要求了。濾波電容的耐壓要求：高于17V（高于變壓器次級電壓最高值）。濾波電容的容量要求：，其中T為220V交流電周期為0.02 秒，R為整流濾波電路負載等效電阻（可這樣確定：整流濾波電路最小輸出電壓比上最大輸出電流，本電路：15V/300mA=50），C （600uF1000uF），取C 為1000uF/25V。保護電路右圖所示為NE555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，外部連接可參見電路原理圖?！?”“6”接一起通過電阻R6接電源VCC，通過電容器C4接地

8、GND，”7”通過電阻R3接電源調(diào)整三極管Q1的基極。電路剛接上電源時，電容C4無充電電荷，“2”“6”為低電平，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，與非門G1輸出低電平，G2輸出高電平，泄流管T截止，因此調(diào)整管Q1無偏置電流而截止，這時電源通過R6對電容C4充 電，“2”“6”電位升高，當電位升高到（2/3）VCC時，比較器C1輸出低電平，與非門G1輸出高電平，泄流管T導通，調(diào)整管Q1導通。電源向負載供電。這就是電路起始工作過程，時間由電阻R6和電容C4決定。大約為R6*C4。 電路在正常工作條件下（無過流），檢測電阻R5（或并上R8或并上R9或并上R8/R9）上電壓較小，三極管Q2

9、截止，555維持工作狀態(tài)不變，泄流管T導通，調(diào)整管Q1導通。電源向負載供電。如果電路輸出電流過大，這個電流通過R5，在R5上產(chǎn)生較大的電壓，使Q2導通，電容C4通過Q2快速放電，使“2”“6”電位快速下降到低于（1/3）VCC時，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，與非門G1輸出低電平，G2輸出高電平，泄流管T截止，因此調(diào)整管Q1無偏置電流而截止，斷開了電源與負載的連接，起到保護電路和負載的目的。電路保護后，輸出電流為0，Q2又截止，C4再次充電，當充電使得“2”“6”電位升高到（2/3）VCC時，比較器C1輸出低電平，與非門G1輸出高電平，泄流管T導通，調(diào)整管Q1導通，電源向負載供電

10、。但只要故障沒有排除，電路又立即進入保護狀態(tài)。當電路處于保護狀態(tài)時，與非門G1輸出低電平，非門G3輸出高電平，發(fā)光二極管D1亮，表示電路處于保護狀態(tài)。或者用當電路處于保護狀態(tài)時，與非門G1輸出低電平，非門G3輸出高電平，蜂鳴器叫，表示電路處于保護狀態(tài)。各元件參數(shù)的計算：555的工作電壓不能大于16V，不能直接將整流濾波后電壓（最大為17V）加到555上，串聯(lián)一個紅色發(fā)光二極管降壓（所降電壓為1.8V），降壓后最大為15.2V。555輸出高電平電壓約為14V，設(shè)計D1電流為4mA，則R1=(14-1.8)/4=3.05K，取R1=3K。蜂鳴器限流電阻R1的計算：555輸出高電平電壓約為14V，設(shè)

11、計蜂鳴器工作電流為4mA，用12V的蜂鳴器，則R1=(14-12)/4=500，取R1= 470。R6和C4的計算，設(shè)計保護時間為0.5秒，則根據(jù)T=1.1R6*C4，可取C4=47uF，R6=10K。設(shè)Q2導通電壓為0.6V，則R5=0.6V/300mA=2。為了調(diào)節(jié)的方便，取電阻R8，R9與R5通過開關(guān)成并聯(lián)狀態(tài)。取R8 = 10，R5=3.“7”為低電平時，Q1要飽和導通，因為當“7”為低電平時電阻R3上的電流近似為17/R3，這個電流設(shè)多大合適？這要考慮調(diào)整管的電流放大系數(shù)，小功率管9012的50，而調(diào)整管最大輸出電流為300mA，因此，調(diào)整管基極電流只要大于6mA，調(diào)整管就處于飽和狀

12、態(tài)，R3=17/6=2.83K，可取R3=2K。R2的估算：當取R3為2K時，R3電流為8.5 mA，是基極電流與R2電流之和，因此R2電流必須小于2.5 mA，取R2=10K可行。Q1主要考慮的是最大輸出電流，因最輸出電流為300mA，而9012的電流可達500mA。R4取幾十歐姆都可以。Q3，R11，R12組成過壓保護電路，在接口處的電壓高于+5V時，Q3將導通，電容C4放電，555“6”腳電位下降，內(nèi)部泄流管截止，Q1截止，起到保護作用。所以這是一個過壓保護電路。R7是起動電阻，在帶負載開機時，且負載較重時開啟電源，此時由于開機時濾波電容的充電以及負載電流的共同影響，電路可能起動不了，有

13、了R7提供通路，電路可以啟動。S是起動按鍵，在帶負載開機時，且負載很重時開啟電源，此時由于開機時濾波電容的充電以及負載電流的共同影響，電路可能起動不了，按下按鍵提供通路，電路可以啟動。電源是電路中必不可少的電路器件，是給電路提供電能的單元電路。在電子電路中，所需要的電源主要是直流電源：直流穩(wěn)壓源（主要反映穩(wěn)壓源器件的參數(shù)有：額定輸出電壓值，額定輸出功率，電源效率，紋波抑制系數(shù)，輸出電壓穩(wěn)定系數(shù)等等），若輸出電壓可調(diào)稱為可調(diào)直流穩(wěn)壓源，穩(wěn)壓源電路主要由變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓以及輸出電壓調(diào)節(jié)電路五部分組成，常用的直流穩(wěn)壓電源有串聯(lián)式穩(wěn)壓直流電源和開關(guān)直流穩(wěn)壓電源，串聯(lián)式穩(wěn)壓直流電源主要優(yōu)點是電路結(jié)

14、構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便，缺點是效率低，開關(guān)直流穩(wěn)壓電源優(yōu)點是電源效率高，缺點是電路結(jié)構(gòu)復雜成本較高。直流電流源（主要參數(shù)有輸出電流，額定輸出功率，等等），輸出電流可調(diào)的稱為可調(diào)電流源，電流源電路主要由電壓轉(zhuǎn)化成電流的電路構(gòu)成。三端穩(wěn)壓器LM317簡介LM317是三端穩(wěn)壓器，不穩(wěn)定直流電壓從LM317的輸入端（3）輸入，從輸出端（2）輸出穩(wěn)定的直流電壓。 LM317外形如左圖所示，腳的編號從左至右為1，2，3。1調(diào)整端，2輸出端，3輸入端。不穩(wěn)定電壓從3端輸入，從2端輸出的電壓為穩(wěn)定電壓。LM317的一個最重要的特性是：21之間電壓恒為1.25V。其它特性需要了解的是：調(diào)整端（1）電流很?。ㄐ∮?.0

15、5mA)，在工作電流比它大得多的條件下這個電流忽略不計；輸入端所加電壓小于40V；為保證三端穩(wěn)壓器正常穩(wěn)定的工作，輸入端電壓要比輸出端電壓高于3V以上。以LM317為核心器件構(gòu)成的輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與電路參數(shù)的計算：不穩(wěn)定的直流電壓Ui從三端穩(wěn)壓器LM317的輸入端（3）輸入。 輸入電壓低于40V，但需要比最高輸出電壓高出3V以上。本電路設(shè)計最高輸出電壓為12V，則本電路輸入電壓高于15V（本電路取16V左右）?？烧{(diào)的穩(wěn)定直流電壓Uo從三端穩(wěn)壓器LM317的輸出端（2）輸出，可調(diào)電壓源電壓大小由“1”腳到地GND之間的電阻以及“2”腳與“1”腳之間的電阻確定?？烧{(diào)電壓源額定輸出電

16、流大小由三端穩(wěn)壓器LM317 決定，當三端穩(wěn)壓器裝上散熱片后，額定輸出電流為1.5A。本可調(diào)電壓源設(shè)計指標：輸出電壓可調(diào)：1.5V9.00V；步進0.5V。 額定輸出電流：1A，額定輸出電流的含義是，電路在正常工作的條件下，能夠輸出的最大電流。因為當輸出電壓恒定時，輸出電流隨著負載的變化而變化，負載電阻越小時，輸出電流越大，所以要注意負載電阻不能取得太小，需要根據(jù)額定電流（或額定功率）進行計算。 三端穩(wěn)壓器LM317的輸出端（2）到調(diào)整端(1)的電壓恒定為1.25V，三端穩(wěn)壓器LM317的調(diào)整端（1）的電流小于50A，當控制電路工作電流比50A大得多時，這個電流可以忽略不計，即認為調(diào)整端（1）

17、虛斷路。本電路設(shè)計控制電路工作電流為5mA左右，比50A電流大得多（100倍），因此調(diào)整端（1）的電流完全可以忽略不計。這樣從三端穩(wěn)壓器LM317的輸出端（2）流到調(diào)整端（1）的電流與從調(diào)整端（1）流到地GND的電流相同。設(shè)計思想：固定輸出端（2）到調(diào)整端(1)的電阻RaR9/R10，則LM317從輸出端（2）流到調(diào)整端(1) Ra的電流不變，而調(diào)整端（1）到地GND的等效電阻Rb（R11，R12，R13，R14，R15電阻）可調(diào)（通過改變四位開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)而改變電阻阻值的大小），由于流過調(diào)整端（1）到地GND的等效電阻的電流也不變，所以調(diào)整端（1）到地GND的電壓隨著調(diào)整端（1）到地GND的

18、電阻的變化而變化，使得輸出端電壓變化。 其中Ra是輸出端（2）到調(diào)整端(1)的電阻R9/R10。Rb是調(diào)整端（1）到地GND的等效電阻。下面確定電阻Rb的最小值Rbmin和最大值Rbmax與電阻Ra的關(guān)系。當電阻Rb取最小值Rbmin時，輸出電壓最低為3V，因此，關(guān)系式 成立，得 當電阻Rb取最大值Rbmax時，輸出電壓最高為9.00V，因此，關(guān)系式 成立，得 當取Ra=375（可用390并10K得到）。當然也可以用其它組合，只要注意到Ra的電阻值不要取得過大（一般不要大于500），過大時，工作電流過小，調(diào)整端的電流就不能忽略不計了，前面的計算方法也就不再正確，當然也不要取得太小（一般不要小于

19、100），太小時工作電流太大，造成不必要的功率浪費。當取Ra=375時，Rbmin 0.2*375 75。Rmax=6.2*375=2.325K。當取R14150，R13300，R12600，R111.2K。R1575。正好滿足最大值要求。同時。又滿足步進0.5V的要求，只是由于沒有600歐姆的電阻，而用了620歐姆的電阻，會存在一定的誤差，當然可以并聯(lián)在個電阻來使得結(jié)果更加精確。四位開關(guān)狀態(tài)電阻連接狀態(tài)等效電阻值 輸出電壓值0000R11+R12+R13+R14+R152.325K9.000001R11+R12+R13+R152.175K8.50010R11+R12+R14+R152.025

20、K8.00011R11+R12+R151.875K7.50100R11+R13+R14+R151725K7.00101R11+R13+R151.575K6.50110R11+R14+R151.425K6.00111R11+R151.275K5.51000R12+R13+R14+R151.125K5.01001R12+R13+R159754.51010R12+R14+R158254.01011R12+R156753.51100R13+R14+R155253.01101R13+R153752.51110R14+R152252.01111R15751.5當開關(guān)狀態(tài)變化時，電阻變化，輸出電壓變化，下面

21、通過表格形式反映開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓的關(guān)系。0代表開關(guān)斷開，1代表開關(guān)閉合。帶保護直流電源（實踐制作測試部分）仔細研究電路原理圖，其重點是過流保護過程的分析與理解。當電路工作原理問題弄清以后，計算確定電路中各電阻的阻值。將其討論過程以及設(shè)計計算過程寫入報告中。若將保護電流改變?yōu)閙A，請重新確定R5。仔細研究印刷電路板，在本印刷電路板上將要裝配的器件有：普通1/4W電阻器，瓷片電容器，整流二極管，發(fā)光二極管，三極管，集成塊555。輸入和輸出接口等等。仔細研究印刷電路上的圖形或符號，確定各位置所裝配的是何種元件。若是二極管，還要弄清板上的對應“+”極和“-”極，若是三極管，弄清板上對應的“e” “b

22、” “c”，對于集成塊，要弄清楚各腳在印刷板上的相應位置。仔細研究元器件，各電阻器及其阻值，精度，功率，電阻阻值可從電阻上所標的色碼直接讀出，或者用萬能表的歐姆檔直接測量確定。各瓷片電容的電容量（標注在電容上）。各發(fā)光二極管及其”+”-“極。三極管上對應的“e” “b” “c”，集成塊的腳編號的確認。認真焊接。按照印刷板上器件編號找到相應的元件，按以下順序焊接：電阻，IC座，瓷片電容，發(fā)光二極管，三極管，接口。焊接過程中注意以下問題：各發(fā)光二極管”+”-“極。三極管上對應的“e” “b” “c”集成塊的腳在印刷板上的對應位置。J1要與前續(xù)電路的輸入輸出電源接口方位相一致，因此要注意其方位。仔細

23、觀察各焊接點，檢查有無短路現(xiàn)象和虛焊現(xiàn)象。認真測量。在觀察所焊接的電路板處于正常狀態(tài)后，將交流電源接入到J1接口。將負載電流逐漸增大，并用電流表加以監(jiān)測，記錄下當電路有保護動作時的負載電流，并記錄下此時對應的保護電阻R5的值。改變開關(guān)S2的狀態(tài)，用以改變保護電阻R5的電阻值，再次將負載電流逐漸增大，并用電流表加以監(jiān)測，記錄下當電路有保護動作時的負載電流，并記錄下此時對應的保護電阻R5的值。重復以上步驟。4 改變開關(guān)S3的狀態(tài)，測量輸出電壓。設(shè)計表格并將實驗測量數(shù)據(jù)，理論數(shù)據(jù)記錄在表格中。附：元器件表編號規(guī)格編號規(guī)格編號規(guī)格R1470R13300D14001R210KR14150D24001R33KR1575D34001R4100C11000u/25VD44001R520C2103D5LEDR610KC3103Q19012R710C410uFQ29013R83C510uFS1按鍵R9390C710uFS22P開關(guān)R1010KC8103S34P開關(guān)R111.2KU1555J12腳接口R12620U2LM317J22腳接口B蜂鳴器器件匯總：貼片電阻：470 ，1只。10K ，只。3K ，只。100 ，