過(guò)載保護(hù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源

PAGEPAGE6電路實(shí)踐系列講義過(guò)流過(guò)壓保護(hù)可調(diào)直流電壓源長(zhǎng)沙卓天電子實(shí)踐服務(wù)中心2013-3-25過(guò)流過(guò)壓保護(hù)可調(diào)直流電壓源電源是是對(duì)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(duì)于電源來(lái)說(shuō)，稱之為負(fù)載，當(dāng)電源本身出現(xiàn)故障或者是負(fù)載出現(xiàn)故障，若不及時(shí)排除，很有可能損壞電路。當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，大部分情況下會(huì)出現(xiàn)電源電壓異?；蛘呤请娏鳟惓?，而對(duì)電源及電路而言，電流過(guò)大，電壓過(guò)高更具有破壞性，因此，具有過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能的電源是在實(shí)際使用中應(yīng)用非常廣泛的電源。過(guò)流過(guò)壓保護(hù)的方法主要有以下這些措施：熔斷器保護(hù)，即通常用的保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)管，它是一種過(guò)流保護(hù)器件，將它串接在電源電路中，一旦當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)故障而使電源供電電流突然增大時(shí)，保險(xiǎn)絲熔斷，截?cái)嚯娫磁c負(fù)載的通路，達(dá)到保護(hù)電源和負(fù)載本身的目的。注意：并不是電流一超過(guò)保險(xiǎn)絲的額定電流就立即熔斷，通常要超過(guò)額定電流1.5倍至2倍，保險(xiǎn)絲才熔斷。所以，這種保護(hù)方法是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，電路設(shè)計(jì)方便；但缺點(diǎn)是：保護(hù)電流值不明確，在需要高精度保護(hù)條件下達(dá)不到要求，二是熔斷后，需要更換，在一些燒保險(xiǎn)比較頻繁的情況下（如學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)備）就是很麻煩的一件事情。自恢復(fù)保險(xiǎn)保護(hù)，實(shí)際就是一種熱敏電阻保護(hù)，它也是串接在電源電路中，是一種過(guò)流保護(hù)方法。當(dāng)電流沒(méi)有超過(guò)額定值時(shí)，作為過(guò)流保護(hù)用的熱敏電阻溫度正常，所呈現(xiàn)的電阻很小，不會(huì)影響電源電路的正常工作，一旦當(dāng)電流超過(guò)它的額定電流時(shí)，作為過(guò)流保護(hù)用的熱敏電阻溫度徒然升高，所呈現(xiàn)的電阻很大，截?cái)嚯娫磁c負(fù)載的通路，達(dá)到保護(hù)電源和負(fù)載本身的目的，此后由于流過(guò)作為過(guò)流保護(hù)用的熱敏電阻的電流很小，溫度降低，降低到一定程度時(shí)，作為過(guò)流保護(hù)用的熱敏電阻電阻值減小到正常值，電源恢復(fù)工作，若故障沒(méi)有排除，將會(huì)進(jìn)入下一輪保護(hù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但缺點(diǎn)是反應(yīng)太慢，所以多數(shù)情況下也不宜使用。晶閘管保護(hù)，在開(kāi)關(guān)電源中用得較多，在開(kāi)關(guān)電源中，有一個(gè)振蕩器，我們可以設(shè)計(jì)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?fàn)顟B(tài)，而一旦電路出現(xiàn)不正常狀態(tài)，晶閘管導(dǎo)通，電路進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。有關(guān)此方面的問(wèn)題，請(qǐng)實(shí)踐者參閱有關(guān)開(kāi)關(guān)電源的資料。以繼電器為主要器件的電子保護(hù)電路，繼電器主開(kāi)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(kāi)關(guān)的通斷。本電子實(shí)踐項(xiàng)目中有一個(gè)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(hù)電路，電路編號(hào)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(hù)電路，本項(xiàng)目所要介紹和實(shí)踐的電路就是一個(gè)這樣的保護(hù)電路，主要方法是讓一個(gè)控制電路控制電源調(diào)整管的通斷（讓調(diào)整管處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，電路正常時(shí)飽和導(dǎo)通，電路不正常時(shí)截止）。這種電路反應(yīng)快，動(dòng)作值界線確定，具有自恢復(fù)功能，是一種較理想的電源保護(hù)電路，缺點(diǎn)是電路相對(duì)復(fù)雜，成本相對(duì)較高。以上是關(guān)于保護(hù)電路的一般說(shuō)明，本電路的第二個(gè)重要特點(diǎn)是輸出電壓可調(diào)。現(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(shí)現(xiàn)。具體器件說(shuō)明及電路在后面說(shuō)明。本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目是設(shè)計(jì)一直流電源，重點(diǎn)是過(guò)流保護(hù)發(fā)及過(guò)壓保護(hù)。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(jì)保護(hù)電流四檔可調(diào)：338mA，268mA，105mA，35mA，即當(dāng)電源輸出電流超過(guò)設(shè)計(jì)保護(hù)電流時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，斷開(kāi)電源與負(fù)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(guò)流保護(hù)電路，輸出電壓調(diào)節(jié)電路。變壓器降壓變壓器降壓二極管整流電容濾波調(diào)整三極管保護(hù)電路調(diào)整三極管調(diào)整三極管7805LM317調(diào)節(jié)電路+5V+3V--+12V于2.5mA，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(dá)500mA。R4取幾十歐姆都可以。Q3，R11，R12組成過(guò)壓保護(hù)電路，在接口處的電壓高于+5V時(shí)，Q3將導(dǎo)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(hù)作用。所以這是一個(gè)過(guò)壓保護(hù)電路。R7是起動(dòng)電阻，在帶負(fù)載開(kāi)機(jī)時(shí)，且負(fù)載較重時(shí)開(kāi)啟電源，此時(shí)由于開(kāi)機(jī)時(shí)濾波電容的充電以及負(fù)載電流的共同影響，電路可能起動(dòng)不了，有了R7提供通路，電路可以啟動(dòng)。S是起動(dòng)按鍵，在帶負(fù)載開(kāi)機(jī)時(shí)，且負(fù)載很重時(shí)開(kāi)啟電源，此時(shí)由于開(kāi)機(jī)時(shí)濾波電容的充電以及負(fù)載電流的共同影響，電路可能起動(dòng)不了，按下按鍵提供通路，電路可以啟動(dòng)。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(kāi)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(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，缺點(diǎn)是效率低，開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源優(yōu)點(diǎn)是電源效率高，缺點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)復(fù)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(jiǎn)介L(zhǎng)M317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(hào)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(gè)最重要的特性是：2—1之間電壓恒為1.25V。其它特性需要了解的是：調(diào)整端（1）電流很小（小于0.05mA)，在工作電流比它大得多的條件下這個(gè)電流忽略不計(jì)；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(jì)與電路參數(shù)的計(jì)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(jì)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)電壓源額定輸出電流大小由三端穩(wěn)壓器LM317決定，當(dāng)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(jì)指標(biāo)：輸出電壓可調(diào)：1.5V—9.00V；步進(jìn)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?yàn)楫?dāng)輸出電壓恒定時(shí)，輸出電流隨著負(fù)載的變化而變化，負(fù)載電阻越小時(shí)，輸出電流越大，所以要注意負(fù)載電阻不能取得太小，需要根據(jù)額定電流（或額定功率）進(jìn)行計(jì)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50μA，當(dāng)控制電路工作電流比50μA大得多時(shí)，這個(gè)電流可以忽略不計(jì)，即認(rèn)為調(diào)整端（1）虛斷路。本電路設(shè)計(jì)控制電路工作電流為5mA左右，比50μA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(jì)。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(jì)思想：固定輸出端（2）到調(diào)整端(1)的電阻Ra＝R9//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(guò)改變四位開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)而改變電阻阻值的大?。捎诹鬟^(guò)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的電阻的變化而變化，使得輸出端電壓變化。①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(dāng)電阻Rb取最小值Rbmin時(shí)，輸出電壓最低為3V，因此，關(guān)系式成立，得②當(dāng)電阻Rb取最大值Rbmax時(shí)，輸出電壓最高為9.00V，因此，關(guān)系式成立，得③當(dāng)取Ra=375?（可用390?并10K得到）。當(dāng)然也可以用其它組合，只要注意到Ra的電阻值不要取得過(guò)大（一般不要大于500?），過(guò)大時(shí)，工作電流過(guò)小，調(diào)整端的電流就不能忽略不計(jì)了，前面的計(jì)算方法也就不再正確，當(dāng)然也不要取得太小（一般不要小于100?），太小時(shí)工作電流太大，造成不必要的功率浪費(fèi)。當(dāng)取Ra=375?時(shí)，Rbmin＝0.2*375＝75?。Rmax=6.2*375=2.325K。當(dāng)取R14＝150，R13＝300，R12＝600，R11＝1.2K。R15＝75。正好滿足最大值要求。同時(shí)。又滿足步進(jìn)0.5V的要求，只是由于沒(méi)有600歐姆的電阻，而用了620歐姆的電阻，會(huì)存在一定的誤差，當(dāng)然可以并聯(lián)在個(gè)電阻來(lái)使得結(jié)果更加精確。四位開(kāi)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+R152.025K8.00011R11+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(dāng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，電阻變化，輸出電壓變化，下面通過(guò)表格形式反映開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出電壓的關(guān)系。0代表開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，1代表開(kāi)關(guān)閉合。帶保護(hù)直流電源（實(shí)踐制作測(cè)試部分）仔細(xì)研究電路原理圖，其重點(diǎn)是過(guò)流保護(hù)過(guò)程的分析與理解。當(dāng)電路工作原理問(wèn)題弄清以后，計(jì)算確定電路中各電阻的阻值。將其討論過(guò)程以及設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程寫入報(bào)告中。若將保護(hù)電流改變?yōu)椋担埃癿A，請(qǐng)重新確定R5。仔細(xì)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(xì)研究印刷電路上的圖形或符號(hào)，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(duì)應(yīng)“+”極和“-”極，若是三極管，弄清板上對(duì)應(yīng)的“e”“b”“c”，對(duì)于集成塊，要弄清楚各腳在印刷板上的相應(yīng)位置。仔細(xì)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(biāo)的色碼直接讀出，或者用萬(wàn)能表的歐姆檔直接測(cè)量確定。各瓷片電容的電容量（標(biāo)注在電容上）。各發(fā)光二極管及其”+””-“極。三極管上對(duì)應(yīng)的“e”“b”“c”，集成塊的腳編號(hào)的確認(rèn)。認(rèn)真焊接。按照印刷板上器件編號(hào)找到相應(yīng)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(guò)程中注意以下問(wèn)題：１各發(fā)光二極管”+””-“極。三極管上對(duì)應(yīng)的“e”“b”“c”２集成塊的腳在印刷板上的對(duì)應(yīng)位置。３J1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(xì)觀察各焊接點(diǎn)，檢查有無(wú)短路現(xiàn)象和虛焊現(xiàn)象。認(rèn)真測(cè)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(fù)載電流逐漸增大，并用電流表加以監(jiān)測(cè)，記錄下當(dāng)電路有保護(hù)動(dòng)作時(shí)的負(fù)載電流，并記錄下此時(shí)對(duì)應(yīng)的保護(hù)電阻R5的值。改變開(kāi)關(guān)S2的狀態(tài)，用以改變保護(hù)電阻R5的電阻值，再次將負(fù)載電流逐漸增大，并用電流表加以監(jiān)測(cè)，記錄下當(dāng)電路有保護(hù)動(dòng)作時(shí)的負(fù)載電流，并記錄下此時(shí)對(duì)應(yīng)的保護(hù)電阻R5的值。重復(fù)以上步驟。4改變開(kāi)關(guān)S3的狀態(tài)，測(cè)量輸出電壓。設(shè)計(jì)表格并將實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，理論數(shù)據(jù)記錄在表格中。附：元器件表編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格編號(hào)規(guī)格R1470R13300D14001R210KR14150D24001R33KR1575D34001R4100C11000u/25VD44001R520C2103D5LEDR610KC3103Q19012R710C410uFQ29013R83C510uFS1按鍵R9390C710uFS22P開(kāi)關(guān)R1010KC8103S34P開(kāi)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，２只。3K，１只。100，1只。20，1只。10，1只。3，1只。直插電阻：390，1只。10K，1只。1.2K，1只。620，1只。300，1只。150，1只。75，1只。電容：103，3只。1000uF，1只。10uF，3只。三端穩(wěn)壓器：LM317，1塊。蜂鳴器1個(gè)。芯片：NE555，1片。整流二極管：4只。發(fā)光二極管：1只。三極管：8550，１只。9013，1只。按鍵：1個(gè)。2P座2個(gè)。2P線2根。撥碼開(kāi)關(guān)：2P1個(gè)。4P１個(gè)。焊錫絲1根。課程設(shè)計(jì)任務(wù)：實(shí)踐部分：1畫電路原理圖。2查閱主要器件（變壓器，整流管，三極管，555）的技術(shù)資料。3辯認(rèn)套件中所有電子元器件以及印刷電路板。4焊接。5