全國大學生電子設計競賽-直流穩(wěn)壓電源及漏電保護

1、<p>　　2013年全國大學生電子設計競賽</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源及漏電保護（L題）</p><p><b>　　【高職高專組】</b></p><p>　　參賽學校：亳州職業(yè)技術學院</p><p><b>　　參賽學生：</b></p><p>&l

2、t;b>　　指導老師：</b></p><p><b>　　2013年9月7日</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源及漏電保護裝置</p><p>　　摘要：本系統(tǒng)是由直流穩(wěn)壓電源、功率測量和顯示電路及漏電保護裝置構成。直流穩(wěn)壓電源一般有電源變壓器、整流濾波電路機穩(wěn)壓電路組成。穩(wěn)壓器把不穩(wěn)定的直流電壓變成穩(wěn)定的直流電壓輸出

3、，通過線性穩(wěn)壓設計達到輸出低壓直流電的作用。功率測量及顯示電路由真有效值轉換電路和單片機系統(tǒng)組成，當安裝設備長期處于低功率電平時，會消耗較多能量。因此在設備中加入功率測試部分，可以實時監(jiān)測負載的輸出變化。而選用漏電保護裝置也應考慮多方面的因素。其中，首先是正確選擇漏電保護裝置的漏電動作電流。因此選用高靈敏度、快速型漏電保護裝置（動作電流不宜超過30mA），以便發(fā)生人觸電事故時，能得到其他人的幫助計時脫離電源。</p>&l

4、t;p>　　關鍵詞： 直流穩(wěn)壓電源 功率測量 漏電保護裝置</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設計要求…………………………………………………………………………………… 3</p><p>　　1.1基本要求……………………………………………………………………………… 3</p>

5、<p>　　1.2發(fā)揮部分……………………………………………………………………………… 3</p><p>　　2. 方案設計與論證………………………………………………………………………… </p><p>　　2.1方案論證與比較……………………………………………………………………… </p><p>　　2.1.1直流穩(wěn)壓電源…………………………

6、…………………………………………… </p><p>　　2.1.2漏電保護裝置………………………………………………………………………… </p><p>　　3. 電路設計………………………………………………………………………………………………… </p><p>　　3.1直流穩(wěn)壓電源電路設計………………………………………………………………… </p&

7、gt;<p>　　3.2漏電保護裝置電路設計………………………………………………………………… </p><p>　　3.3功率測量和顯示電路設計……………………………………………………………… </p><p>　　4. 測試方法與測試結果……………………………………………………………………… </p><p>　　4.1測試儀器……………………

8、………………………………………………………………</p><p>　　4.2測試方法……………………………………………………………………………………</p><p>　　5. 總結…………………………………………………………………………………………</p><p>　　6.參考文獻……………………………………………………………………………………… </p>

9、;<p>　　7. 附錄（功率測量的仿真電路）……………………………………………………………………</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源及漏電保護（L題）</p><p><b>　　【高職高專組】</b></p><p><b>　　1設計要求</b></p><p><b>

10、　　1.1 基本要求</b></p><p>　　設計一臺額定輸出電壓為5V, 額定輸出電流為1V的直流穩(wěn)壓電路。</p><p>　　（1）.轉化開關S接1端，RL阻值固定為5Ω。當直流輸入電壓在7~25V變化時，要求輸出電壓為5士0.05V,電壓調整率SU≤1%。</p><p>　?。?）.連接方式不變，RL阻值固定為5Ω。當直流輸入電壓在5.5~

11、7V變化時，要求輸出電壓為5士0.05V。</p><p>　?。?）.連接方式不變，直流輸入電壓固定在7V，當直流穩(wěn)壓電源輸出電流由1A減小到0.01A時，要求負載調整率S ≤1%.</p><p>　　(4).制作一個功率測量與顯示電路，實時顯示穩(wěn)壓電源的輸出功率。</p><p><b>　　發(fā)揮部分</b></p><

12、;p>　　設計一個動作電流為30mA的漏電保護裝置（使用基本要求部分制作的直流穩(wěn)壓電源供電，不得使用其他電源）。</p><p>　?。?）.轉換開關S接2端，將RL接到漏電保護裝置的輸出端，阻值固定為20Ω，R和電流表A組成模擬漏電支路。調節(jié)R，將漏電動作電流設定為30mA。當漏電保護裝置動作后，RL兩端電壓為0V并保持自鎖。排除漏電故障后，按下K恢復輸出。要求漏電保護裝置沒有動作時，輸出電壓≥4.6V.

13、</p><p>　　(2).要求漏電保護裝置動作電流誤差的絕對值≤5%。</p><p>　?。?）.盡量減小漏電保護裝置的接入功耗。</p><p><b>　　（4）.其他。</b></p><p><b>　　≥</b></p><p><b>　　2方案設

14、計與論證</b></p><p>　　2.1方案論證與比較</p><p>　　由于本系統(tǒng)是由直流穩(wěn)壓電源、功率測量和顯示電路及漏電保護裝置構成，而直流穩(wěn)壓電源與漏電保護裝置屬于系統(tǒng)的重要組成部分，為此對此部分做出方案論證以便優(yōu)化本系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.1直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　方案一：從濾波電路輸出后，直

15、接進入線性穩(wěn)壓電路(見圖1—1)。線性穩(wěn)壓電路輸出值可調，為7~25V直流電壓輸出。這種方案的優(yōu)點是：電路簡單，容易調試，但效率上難以保證。線性穩(wěn)壓電路的輸入端一般為15V左右的電壓，而其輸出端只為5V，兩端壓降太大，功率損耗嚴重，使的總電路效率指標難以達到。</p><p><b>　　圖1—1</b></p><p>　　方案二：因CW7805系列的穩(wěn)壓管最大輸出

16、電流只能達到1.5A，為適應更大輸出電流的需</p><p>　　要，三端集成穩(wěn)壓器可以借助于外接一個大功率管來擴展輸出電流。如圖1—2所示，輸出電壓仍由三段固定輸出穩(wěn)壓器的輸出值來決定，而輸出電流則是集成穩(wěn)壓器輸出電流的β倍（β為功率管V的電流放大倍數(shù)）。二極D用來補償管V的U BE隨溫度變化對輸出電壓的影響。由于此方案最后輸出電流較大，所以不利于實驗操作。</p><p><b&

17、gt;　　圖1—2</b></p><p>　　方案三：穩(wěn)壓器把不穩(wěn)定的直流電壓變成穩(wěn)定的直流電壓輸出。他利用調節(jié)流過穩(wěn)壓管自身的電流大?。ǘ穗妷夯静蛔儯﹣頋M足負載電流的改變，并與限流電阻配合將電流的變化轉換成電壓的變化，以適應電網(wǎng)電壓的波動。在電網(wǎng)電壓不變時，負載電流的變化范圍就是穩(wěn)壓管電流的調節(jié)范圍。負載不變時，電網(wǎng)電壓的波動，在波動至最低時必須保證穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)，在波動至最高時，要保

18、證管子的功耗不超過允許的最大管耗。</p><p>　　最終方案選擇：方案一，電路簡單，容易調試，但效率上難以保證。方案二，三端集成穩(wěn)壓器可以借助于外接一個大功率管來擴展輸出電流。輸出電壓仍由三段固定輸出穩(wěn)壓器的輸出值來決定，而輸出電流則是集成穩(wěn)壓器輸出電流的β倍（β為功率管V的電流放大倍數(shù)）。二極D用來補償管V的U BE隨溫度變化對輸出電壓的影響。由于此方案最后輸出電流較大，所以不利于實驗操作。方案三，能利用流

19、過穩(wěn)壓管自身的電流來滿足負載電流的改變，并與限制電阻配合將電流的變化換成電壓的變化，以適應電網(wǎng)點的波動。因此選擇方案三。</p><p>　　2.1.2漏電保護裝置</p><p>　　方案一：漏電保護繼電器由零序互感器、脫扣器和輸出信號的輔助接點組成。它可與大電流的自動開關配合，作為低壓電網(wǎng)的總保護或主干路的漏電、接地或絕緣監(jiān)視保護。</p><p>　　當主回路

20、有漏電流時，由于輔助接點和主回路開關的分離脫扣器串聯(lián)成一回路，因此輔助接點接通分離脫扣器而斷開空氣開關、交流接觸器等，使其掉閘，切斷主回路。輔助接點也可以接通聲、光信號裝置，發(fā)出漏電報警信號，反映線路的絕緣狀況。</p><p>　　方案二：過零比較器是將信號Ui與參考電壓進行比較。如圖1-3所示，電路由集成運放構成。對于高質量的集成運放而言，其開環(huán)電壓放大倍數(shù)很大，輸出偏置電流，失調電壓都很小。若按理想情況（A

21、od=無窮大，IBI=0，Uio=0）考慮時，則集成運放開環(huán)工作時 當Ui>0時，Uo為低電平Ui<0時，Uo為高電平集成運放輸出的高低電平值一般為最大輸出正負電壓值Uom。輸出電壓如圖1-4</p><p><b>　　圖1-3圖1-4</b></p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　

22、　1. 檢測元件：檢測元件可以說是一個零序電流互感器。被保護的相線、中性線穿過環(huán)形鐵心，構成了互感器的一次線圈N1，纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構成了互感器的二次線圈N2，如果沒有漏電發(fā)生，這時流過相線、中性線的電流向量和等于零，因此在N2上也不能產(chǎn)生相應的感應電動勢。如果發(fā)生了漏電，相線、中性線的電流向量和不等于零，就使#$上產(chǎn)生感應電動勢，這個信號就會被送到中間環(huán)節(jié)進行進一步的處理。</p><p>　　2. 中間

23、環(huán)節(jié)：中間環(huán)節(jié)通常包括放大器、比較器、脫扣器，當中間環(huán)節(jié)為電子式時，中間環(huán)節(jié)還要輔助電源來提供電子電路工作所需的電源。中間環(huán)節(jié)的作用就是對來自零序互感器的漏電信號進行放大和處理，并輸出到執(zhí)行機構。</p><p>　　3. 執(zhí)行機構：該結構用于接收中間環(huán)節(jié)的指令信號，實施動作，自動切斷故障處的電源。</p><p>　　4. 試驗裝置：由于漏電保護器是一個保護裝置，因此應定期檢查其是否完好

24、、可靠。試驗裝置就是通過試驗按鈕和限流電阻的串聯(lián)，模擬漏電路徑，以檢查裝置能否正常動作。</p><p><b>　　方案四：</b></p><p><b>　　最終方案選擇：</b></p><p><b>　　3.電路設計</b></p><p>　　3.1直流穩(wěn)壓電源電

25、路設計</p><p>　　1)晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。該電路中，輸出電壓UO經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓，取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調整管的工作狀態(tài)進行調整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓UI發(fā)生變化引起的輸出電壓的變化正好相反，從而保證輸出電壓UO為恒定值(穩(wěn)壓值)。因輸出電壓要求從0V起實現(xiàn)連續(xù)可調，因此要在基準電壓處設計輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從0V開始調節(jié)

26、。</p><p>　　單純的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源電路很簡單，但增加輔助電源后，電路比較復雜，由于都采用分立元件，電路的可靠性難以保證。</p><p>　　(2)采用三端集成穩(wěn)壓器電路。他采用輸出電壓可調且內(nèi)部有過載保護的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調整范圍較寬，設計一電壓補償電路可實現(xiàn)輸出電壓從0V起連續(xù)可調，因要求電路具有很強的帶負載能力，需設計一軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。該電路

27、所用器件較少，成本低且組裝方便、可靠性高。</p><p>　　(3)用單片機制作的可調直流穩(wěn)壓電源。該電路采用可控硅作為第一級調壓元件，用穩(wěn)壓電源芯片LM317，LM337作為第二級調壓元件，通過AT89CS51單片機控制繼電器改變電阻網(wǎng)絡的阻值，從而改變調壓元件的外圍參數(shù)，并加上軟啟動電路，獲得0～24V，0.1V步長，驅動能力可達1A，同時可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。</p><

28、;p>　　其硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電路、壓差控制電路、穩(wěn)壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數(shù)據(jù)存儲電路、單片機、鍵盤顯示等幾部分。</p><p>　　正、負端壓差控制電路的作用是減少LM317和LM337輸入端和輸出端的壓差以降低LM317和LM337的功耗。穩(wěn)壓電路由三端穩(wěn)壓芯片LM317(負壓用LM337)及外圍器件組成，輸出電壓控制電路采用繼電器控制的電阻網(wǎng)絡。電阻網(wǎng)絡的每

29、個電阻都需要精密匹配，電阻的精密程度直接影響輸出電壓的精度。電壓電流采樣電路由單片機控制實時對當前電壓電流進行采樣，以修正輸出電壓值。掉電前重要數(shù)據(jù)存儲電路用以保存當前設置的電壓值，可以方便用戶在重新上電后不用設置，而且也不會因為電壓值過高損壞用戶設備。</p><p>　　該電源穩(wěn)定性好、精度高，并且能夠輸出±24V范圍內(nèi)的可調直流電壓，且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調直流穩(wěn)壓電源，但是電路比較復雜，成本較高，

30、使用于要求較高的場合。在實際中，如果對電路的要求不太高(這種情況較多)，多采用第二種設計方案。</p><p>　　3.2漏電保護裝置電路設計</p><p>　　電流檢測電路如圖1-5所示。通過電流互感器對測試電流進行采樣，將電流互感器的二次側輸出信號經(jīng)濾波、放大、電壓提升等電路，變換為A/D模塊可以采集的單極性電壓信號(0~5V)后送入LPC2132。</p><p

31、>　　在檢測電流的大小時，根據(jù)測試電流的周期(工頻)按照每個周期40個點進行采樣，采樣一個周期后，根據(jù)電流互感器的衰減倍數(shù)和提升電壓的數(shù)值，通過軟件算法計算出實際的電流有效值。電路應滿足如下條件，當交流電流的瞬時值達到正向峰值時，放大器輸出5V;當交流電流的瞬時值達到負向峰值時放大器輸出0V。</p><p><b>　　如圖1-5</b></p><p>　　

32、3.3功率測量和顯示電路設計</p><p>　　單相功率測量儀電路框圖如圖1所示，由電壓量取樣電路、電流量取樣電路、電流量放大電路、模擬乘法器電路、濾波電路、整流電路、 3 1/2 A/D轉換和顯示器組成。功率是電壓和電流的乘積，可將測得的電壓和電流通過模擬乘法器獲得。乘法器的輸出信號中含有交流分量，故需經(jīng)過阻容濾波器濾波，濾波后得到有功功率。</p><p>　　圖1 單相功率測量電

33、路框圖</p><p>　　CC7107 電路如圖5所示，其中圖（a）為模擬電路，圖（b）為數(shù)字電路。CC7107采用雙積分的方法實現(xiàn)A/D轉換，以4000個計數(shù)脈沖周期，即用4000個脈沖的時間作為A/D轉換的一個周期，每個轉換周期分成自動穩(wěn)零（AZ）、信號積分（INT）和反積分（DE）3個階段，</p><p>　　圖5 CC7107A/D轉換電路</p><p&g

34、t;　?。╝） 模擬電路 （b） 數(shù)字電路</p><p>　　信號積分（INT）階段：信號一旦進入積分階段，則斷開反饋回路，輸入端短路消失，使電路從自動穩(wěn)零階段轉入到對模擬信號進行取樣積分階段，本階段的時間固定為1000個計數(shù)脈沖的時間。輸入的模擬信號Vin首先經(jīng)過緩沖放大器放大，信號放大K倍后送至積分器進行積分。積分器在0-T1的時間里，即在0-1000個計數(shù)脈沖時間里從零開始積分，取樣積分結束后，積分

35、器的輸出電壓為</p><p>　　VINTC=—1/RINTCINT∫kVINdt</p><p>　　式中，Rint為積分電阻；Cint為積分電容；K為緩沖放大器的電壓放大系數(shù)；Vin為模擬信號電壓；T1為積分時間，相當于計1000個計數(shù)脈沖的時間。</p><p>　　反積分（DE）階段：雙積分A/D轉換器的反積分階段是實現(xiàn)對與輸入模擬信號極性相反的參考電壓V

36、ref進行積分。在反積分開始時，參考電容上的參考電壓Vref送入緩沖放大器進行放大，放大后的參考電壓再送入積分器進行積分，這時，積分器從Vint0開始積分，積分器的輸出電壓為</p><p>　　VDE0=VINT0+1/RINTCINT∫kVREFdt</p><p>　　積分器返回到零的時間為（T2-T1）。將Vint0的積分值代入，并對第</p><p>&l

37、t;b>　　二項進行積分得</b></p><p>　　0=—t1/RINTCINTkVIN+(t2—t1)/RINTCINTkVREF</p><p><b>　　化簡后：</b></p><p>　　VIN=VREFT/1000</p><p>　　Vref是穩(wěn)定的參考電壓，是一個常數(shù)，因此模擬電壓

38、Vin與積分器在反積分時返回至零時的時間成反比。因T是用計數(shù)脈沖個數(shù)實現(xiàn)的。通過譯碼器，就可以接受計數(shù)器的狀態(tài)，即信號的大小用數(shù)碼表示出來，以實現(xiàn)模擬量的數(shù)字表示。若Vref取作1000MV，則更為直觀，這時在數(shù)值上有</p><p><b>　　VIN=T</b></p><p>　　4.測試方法與測試結果</p><p><b>

39、　　4.1.測試儀器</b></p><p><b>　　萬用表</b></p><p><b>　　4.2.測試方法</b></p><p>　　將直流穩(wěn)壓電源輸入端接入7至25V電壓，在直流穩(wěn)壓電源輸出端用萬用表測量其輸出電壓，發(fā)現(xiàn)輸出電壓為5V，將直流穩(wěn)壓電源接入5歐負載，用萬用表測量其輸出電壓為4.99

40、V。</p><p><b>　　5.總結</b></p><p>　　本系統(tǒng)以高性能的DDS芯片AD9852和AT89S52單片機為核心，配合門與非門邏輯電路，實現(xiàn)了硬件與軟件的完美結合地實現(xiàn)了題目提出的指標在系統(tǒng)設計過程中，力求硬件電路簡單充分發(fā)揮軟件編程靈活的特點來滿足系統(tǒng)的設計要求。當然，因時間和水平有限，系統(tǒng)還有很多值的改進的地方。例如才有更高更精度的元器件

41、，軟件算法可以進一步完善等等。</p><p><b>　　6. 參考文獻</b></p><p>　　[1] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽[M].電子工業(yè)出版社，2010</p><p>　　[2] 高吉祥.模擬電子線路設計[M]. 電子工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[3] 袁媛、張艷艷.模擬電子將技術—

42、理論與實踐一體化件教程[M]中國科學技術大學出版社，2012</p><p>　　[4] 梁源、賈靈、郝強.大學生嵌入式學習實踐[M].北京航天航空大學出版社，2010</p><p>　　[5] 陳永真、寧武、藍和慧.新編全國大學生電子設計競賽試題精解選[M].電子工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[6] 姚致清、李金伴、張喜玲.繼電器與機電保護裝置實用技