电源保护电路系统的设计与制作.

1电源保护电路系统的设计与制作为了方便在实验室做各种电路实验，实验室电源系统应具有如下的功能：输出+12V，-12V，+5V固定电压的直流稳压电压源；输出输出电压从1.25V到12V可调的直流稳压电压源；输出电流从2mA到40mA可调的直流电流源；输出电压约为+16V，-16V的直流电压源（没有经过稳压的电压源，方便做电源实验用）；输出电压为12V的交流电压源（方便做电源实验用）；在电子技术实验室使用较广泛的综合电路实验箱所使用的电源一般有好几组电源输出，如+12V，+5V，-12V等等，数字实验电路还有一个+5V电源插口。由于是学生实验用仪器，学生在做实验时操作出错是常有的现象，主要是以下三类错误：一是电源直接短路造成的严重过载而损坏电源电路，此类错误的后果是损坏稳压器，或整流二极管或变压器；二是负载过重，这往往是学生由于接线错误，如芯片的线接错，虽没有直接短路，但可能电流超过额定值，若再加上没有及时排除故障，使得时间过长，而损坏电路，如损坏芯片，进一步损坏电源电路器件；还有一种可能是将+12V或者-12V电源插入到数字实验电路的+5V电源插口，这样造成数字电路（如高低电平信号形成电路，数码信号显示电路等等）中的集成块损坏，特别是TTL集成电路块的损坏。因此，设计制作一个电路保护系统很有必要。对保护电路的要求：过压保护：输出的所有电压中，只要任何一个电压超过额定值1V，保护电路动作。欠压保护：输出的所有电压中，只要任何一个电压低于额定值1V，保护电路动作。过流保护：任何一个输出电流超过500mA时或所有正电源电流之和超过500mA时或所有负电源电流之各超过500mA时，保护电路动作。电源电压接错保护：在应加+5V电源接口处错误地加上了其它电源，如+12V，-12V等等，保护电路动作。常用的电路保护措施有：熔断器保护，即通常用的保险丝，保险管，它是一种过流保护器件，将它串接在电源电2路中，一旦当负载出现故障而使电源供电电流突然增大时，保险丝熔断，截断电源与负载的通路，达到保护电源和负载本身的目的。注意：并不是电流一超过保险丝的额定电流就立即熔断，通常要超过额定电流1.5倍至2倍，保险丝才熔断。所以，这种保护方法是结构简单，成本低，电路设计方便；但缺点是：保护电流值不明确，在需要高精度保护条件下达不到要求，二是熔断后，需要更换，在一些烧保险比较频繁的情况下（如学生实验设备）就是很麻烦的一件事情，时间上也难以做到需要保护时立即截断电源。因此这种保护方式通常只能在短路保护中采用。自恢复保险保护，实际就是一种热敏电阻保护，它也是串接在电源电路中，是一种过流保护方法。当电流没有超过额定值时，作为过流保护用的热敏电阻温度正常，所呈现的电阻很小，不会影响电源电路的正常工作，一旦当电流超过它的额定电流时，作为过流保护用的热敏电阻温度徒然升高，所呈现的电阻很大，截断电源与负载的通路，达到保护电源和负载本身的目的，此后由于流过作为过流保护用的热敏电阻的电流很小，温度降低，降低到一定程度时，作为过流保护用的热敏电阻电阻值减小到正常值，电源恢复工作，若故障没有排除，将会进入下一轮保护。这种方法的优点是电路结构简单，成本低，但缺点是反应太慢，所以多数情况下也不宜使用。晶闸管保护，在开关电源中用得较多，在开关电源中，有一个振荡器，我们可以设计让振荡器是否工作与晶闸管的状态有关，而晶闸管的状态由其电压决定，在电路正常工作条件下，让晶闸管处于截止状态，而一旦电路出现不正常状态，晶闸管导通，电路进入保护状态。有关此方面的问题，请实践者参阅有关开关电源的资料。以继电器为主要器件的电子保护电路，继电器主开关接在电源主电路中，让控制电路控制继电器线圈而控制继电器主开关的通断。本电子实践项目中就是一个这样以继电器为主要控制器件的电路。以电源调整管（大功率三极管）为主要器件的电子保护电路，主要方法是让一个控制电路控制电源调整管的通断（让调整管处于开关工作状态，电路正常时饱和导通，电路不正常时截止）。这种电路反应快，动作值界线确定，具有自恢复功能，是一种较理想的电源保护电路，缺点是电路相对复杂，成本相对较高。保护措施方案的选定：由于这样的电源电路从交流电经整流滤波后有二路，一路产生+12V电源，另一路产生-12V电源，所以要在直流电路上采取保护措施，就得有二个保护电路，显然不太合理。所3以在交流电路上就采取保护措施比较恰当，而要在交流支路上保护，而交流支路有二路，一是变压器初级交流支路，一是变压器次级交流支路，由于初级边电压较高，不利于选用保护器件，而次级边电压较低，利于选用保护器件。从对保护电路的要求知，既要接入交流电路，以要反映及时，还要保护界线非常明显，选用以继电器为主要器件保护电路比较恰当，即在电路正常工作时，继电器正常导通，当电路出现不正常状态时，继电器动作，交流供电电路断开，起到保护作用。其它几种保护电路方案各有不足之处，熔断器保护电路对过压，欠压问题没有什么反映，对这类问题起不到保护作用，而且保护界线非常模糊，达不到电路的要求；自恢复保险保护的不足之处与熔断器保护电路的不足之处一样，，一样达不到电路的要求；调调整管保护电路只适合直流电路上的保护，而对交流电路上的保护无能为力。4电路设计方案的形成：加法比较器+5V电源接口信号检测电路继电器驱动电路辅助电源电路开机延时电路电源电压信号的检测过压比较或门欠压比较减法器比较器变压器双12V继电器取样电阻整流滤波电路稳压电路5电路设计方案的解说：主电源电路220V交流电源接入双12V电源变压器，变压器的功率根据电源输出电压和额定输出电流进行计算，若正负二路电源额定输出电流为0.5A，整流输出电压用正负16V计算，则一边的功率就是16*0.5=8W，一共是16W，可选用20W的变压器。从变压器输出的二路交流首先分别经过继电器的常闭触头（所以要选用有二路触头的继电器），再接整流滤波电路，最后经过稳压电路输出。保护电路过压与欠压故障的保护：从各电源输出端引入电压信号到电压信号检测电路，由于有多个电压，所以可以选用加法器来进行检测，得到当各电压正常时加法器的输出电压信号，当引入的电压信号不正常时，本电路的输出电压信号肯定会发生变化，将这个信号引入到过压比较器和欠压比较器，这就可以得到一个能够反映主电源各电压是否在正常范围内的信号。过流保护电路：主电源电流渡过取样电阻，这样主电流的大小可以通过取样电阻的电压反映出来，所以首先通过减法器检测出取样电阻上的电压，再送到比较器，判断是否电流过大。注意，由于有正负二路电源，所以这样的电路有二路。以上各电路的输出信号经过或门送出。或门送出的信号不能直接控制驱动器，有一个+5V电源接口是否接错电源的信号，将这个信号和或门送出的信号再送到加法器。开机延时电路：由于开机时主电源输出电压并不能立即达到正常值，若不考虑这个因素，电源将开机不起。因此保护电路必须在主电源达到正常值后才开始工作，因此要设计一个开机延时电路。或门送出的信号，+5V电源接口是否接错电源的信号，开机延时信号一起送到加法器进行加法运算，加法器计算出的结果就可以反映出电路工作状态，再将这个加法器的结果送到比较器，比较器输出控制信号。由于继电器的动作电流相对较大，运算放大器是带不起这个负载的，因此控制信号需要经过驱动电路再驱动继电器。以上就是整个电路系统的说明，在这个电路系统，开机延时电路和+5V电源接口是否接错电源的信号电路是需要认真考虑的，总的要求是电路要简单，工作要有效。具体的解决方案请阅读后面的电路设计的具体说明。6继电器的要求：由于实验电路的电源电路采用的变压器次级电压为双12V，额定电流小于1A，因此，继电器必须是二路的，耐压高于20V，电流大于1A。选用松下DS2Y-SDC5V双路继电器可以达到要求。松下DS2Y-SDC5V双路继电器的外形如图所示。电流电压：2A30DCV。额定动作电压5V，实际上大于3.75V就动作。若电源电压采用的是+5V电源，则可以直接在控制信号的作用之下加上电源电压。若电源电压高于5V，则需要在电源与继电器之间串联一个限流电阻。限流大小的计算：经测量，本继电器线圈电阻为120欧姆左右，即动作电流在40毫安左右，因此，限流电阻的计算需要以此数据为依据进行计算，在此电阻上的电流也为40毫安左右，例如：电源电压为+12V，所接限流电阻大小应为R＝（12-5）/0.04=175欧姆，可取限流电阻为180欧姆。有二路开关，每一路有二位，一位是常闭开关，一路是常开开关。此为底视图，即将继电器底部朝向眼睛，所看到的继电器的8个脚。MN为线圈，注意，这个线圈有“+”“-”极，其中Ｍ端为“+”极。“+”“-”极的判断方法，一般情况下，“+”“-”极的判断应该用万用表就可测量出来，但此继电器线圈的“+”“-”极无法用万用表测量，正反向测量出的电阻值都在120欧姆左右，因此，必须采用加电源测试，当将5V电源加到线圈两端时，听到继电器动作声音，说明电源正极所接的一端为继电器线圈的正极，另一端为负极，当将5V电源加到线圈两端时，若听不到继电器动作声音，说明电源正极所接的一端为继电器线圈的负极，另一端为正极。A为中间点，A，B之间常闭，Ａ，Ｃ之间常开。也可选用松下DS2Y-SDC12V双路继电器。这个继电器外形，脚的分布与上面所述继电器完全相同，只是继电器动作额定电压是+12V，所测得的电阻约为680欧姆，计算得额定动作电流为18mA。同样，若需要外接限流电阻时，按以上参数进行计算。其它详细资料以及其它品牌和型号的继电器请实践者查阅有关资料。本电路设计的中心任务是，可以让二路交流电分别从A1和A2点进入，而分别从B1和B2点送出。在电路处于正常工作状态时，让MN线圈电流为０，继电器不动作处于常态，即AB间处于导通状态，交流电正常送到后续电路，对电路正常供电。在电路处于非正常工MA1B1C1NA2B2C27作状态时，让MN线圈通电，继电器动作处于暂态，即AB间处于断开状态，交流电送电电路被断开。对后续电路起到保护作用。保护电路结构的选择：由于所需要保护的类型较多，而且电源输出路数也多，所以选用合适的电路结构非常重要，否则选用不当，设计电路的难度会加大，而且电路可能比较复杂。根据电路的要求，本人选用以运算电路和比较器为电路主要结构。因此运算放大器将成为本电路的核心器件。通用运算放大器LM358是一块双运放集成电路，内含二个完全一样的运算放大器，引脚8个，引脚编号1，2，3，4，5，6，7，8按如下方法确定：正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圆点的位置在左下），左下第一引脚为1，然后按逆时针顺序依次确定2，3，4，5，6，7，8，即左上脚为8号引脚。实物图如图所示。8脚接正电源，4脚接负电源或地GND．引脚3，2，1三个脚组成A运放（其中引脚3为A运放的同相输入端，引脚2为A运放的反相输入端，引脚1为A运放的输出端），引脚5，6，7三个脚组成B运放（其中引脚5为B运放的同相输入端，引脚6为B运放的反相输入端，引脚7为B运放的输出端）。通用运算放大器LM324简介通用运算放大器LM324是四运放集成电路，内含四个完全一样的运算放大器，引脚14个，引脚编号1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14按如下方法确定：正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圆点的位置在左下），左下第一引脚为1，然后按逆时针顺序依次确定2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，即左上脚为14号引脚。实物如图所示。4脚接正电源，11脚接负电源或地GND．引脚3，2，1三个脚组成A运放（其中引脚3为A运放的同相输入端，引脚2为A运放的反相输入端，引脚1为A运放的输出端）。引脚5，6，7三个脚组成B运放（其中引脚5为B运放的同相输入端，引脚6为B运放的反相输入端，引脚7为B运放的输出端）。引脚10，9，8三个脚组成C运放（其中引脚10为C运放的同相输入端，引脚9为C运放的反相输入端，引脚8为C运放的输出端）。8引脚12，13，14三个脚组成D运放（其中引脚12为D运放的同相输入端，引脚13为D运放的反相输