全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽-直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)

1、<p>　　2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)（L題）</p><p><b>　　【高職高專組】</b></p><p>　　參賽學(xué)校：亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院</p><p><b>　　參賽學(xué)生：</b></p><p>&l

2、t;b>　　指導(dǎo)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(hù)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(hù)裝置構(gòu)成。直流穩(wěn)壓電源一般有電源變壓器、整流濾波電路機(jī)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(shè)計(jì)達(dá)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(zhuǎn)換電路和單片機(jī)系統(tǒng)組成，當(dāng)安裝設(shè)備長期處于低功率電平時(shí)，會消耗較多能量。因此在設(shè)備中加入功率測試部分，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載的輸出變化。而選用漏電保護(hù)裝置也應(yīng)考慮多方面的因素。其中，首先是正確選擇漏電保護(hù)裝置的漏電動作電流。因此選用高靈敏度、快速型漏電保護(hù)裝置（動作電流不宜超過30mA），以便發(fā)生人觸電事故時(shí)，能得到其他人的幫助計(jì)時(shí)脫離電源。</p>&l

4、t;p>　　關(guān)鍵詞： 直流穩(wěn)壓電源 功率測量 漏電保護(hù)裝置</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hù)裝置………………………………………………………………………… </p><p>　　3. 電路設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………………………… </p><p>　　3.1直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)………………………………………………………………… </p&

7、gt;<p>　　3.2漏電保護(hù)裝置電路設(shè)計(jì)………………………………………………………………… </p><p>　　3.3功率測量和顯示電路設(shè)計(jì)……………………………………………………………… </p><p>　　4. 測試方法與測試結(jié)果……………………………………………………………………… </p><p>　　4.1測試儀器……………………

8、………………………………………………………………</p><p>　　4.2測試方法……………………………………………………………………………………</p><p>　　5. 總結(jié)…………………………………………………………………………………………</p><p>　　6.參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………… </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(hù)（L題）</p><p><b>　　【高職高專組】</b></p><p><b>　　1設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>

10、　　1.1 基本要求</b></p><p>　　設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化開關(guān)S接1端，RL阻值固定為5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在7~25V變化時(shí)，要求輸出電壓為5士0.05V,電壓調(diào)整率SU≤1%。</p><p>　　（2）.連接方式不變，RL阻值固定為5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在5.5~

11、7V變化時(shí)，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(dāng)直流穩(wěn)壓電源輸出電流由1A減小到0.01A時(shí)，要求負(fù)載調(diào)整率S ≤1%.</p><p>　　(4).制作一個(gè)功率測量與顯示電路，實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)一個(gè)動作電流為30mA的漏電保護(hù)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>　　（1）.轉(zhuǎn)換開關(guān)S接2端，將RL接到漏電保護(hù)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(diào)節(jié)R，將漏電動作電流設(shè)定為30mA。當(dāng)漏電保護(hù)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(fù)輸出。要求漏電保護(hù)裝置沒有動作時(shí)，輸出電壓≥4.6V.

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

14、計(jì)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(hù)裝置構(gòu)成，而直流穩(wěn)壓電源與漏電保護(hù)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(jìn)入線性穩(wěn)壓電路(見圖1—1)。線性穩(wěn)壓電路輸出值可調(diào)，為7~25V直流電壓輸出。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：電路簡單，容易調(diào)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(yán)重，使的總電路效率指標(biāo)難以達(dá)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(dá)到1.5A，為適應(yīng)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(gè)大功率管來擴(kuò)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)流過穩(wěn)壓管自身的電流大小（端電壓基本不變）來滿足負(fù)載電流的改變，并與限流電阻配合將電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動。在電網(wǎng)電壓不變時(shí)，負(fù)載電流的變化范圍就是穩(wěn)壓管電流的調(diào)節(jié)范圍。負(fù)載不變時(shí)，電網(wǎng)電壓的波動，在波動至最低時(shí)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(shí)，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(diào)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(gè)大功率管來擴(kuò)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)操作。方案三，能利用流

19、過穩(wěn)壓管自身的電流來滿足負(fù)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(yīng)電網(wǎng)點(diǎn)的波動。因此選擇方案三。</p><p>　　2.1.2漏電保護(hù)裝置</p><p>　　方案一：漏電保護(hù)繼電器由零序互感器、脫扣器和輸出信號的輔助接點(diǎn)組成。它可與大電流的自動開關(guān)配合，作為低壓電網(wǎng)的總保護(hù)或主干路的漏電、接地或絕緣監(jiān)視保護(hù)。</p><p>　　當(dāng)主回路

20、有漏電流時(shí)，由于輔助接點(diǎn)和主回路開關(guān)的分離脫扣器串聯(lián)成一回路，因此輔助接點(diǎn)接通分離脫扣器而斷開空氣開關(guān)、交流接觸器等，使其掉閘，切斷主回路。輔助接點(diǎn)也可以接通聲、光信號裝置，發(fā)出漏電報(bào)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(jìn)行比較。如圖1-3所示，電路由集成運(yùn)放構(gòu)成。對于高質(zhì)量的集成運(yùn)放而言，其開環(huán)電壓放大倍數(shù)很大，輸出偏置電流，失調(diào)電壓都很小。若按理想情況（A

21、od=無窮大，IBI=0，Uio=0）考慮時(shí)，則集成運(yùn)放開環(huán)工作時(shí) 當(dāng)Ui>0時(shí)，Uo為低電平Ui<0時(shí)，Uo為高電平集成運(yùn)放輸出的高低電平值一般為最大輸出正負(fù)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(gè)零序電流互感器。被保護(hù)的相線、中性線穿過環(huán)形鐵心，構(gòu)成了互感器的一次線圈N1，纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構(gòu)成了互感器的二次線圈N2，如果沒有漏電發(fā)生，這時(shí)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(yīng)的感應(yīng)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(yīng)電動勢，這個(gè)信號就會被送到中間環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)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(dāng)中間環(huán)節(jié)為電子式時(shí)，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(jìn)行放大和處理，并輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。</p><p>　　3. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)用于接收中間環(huán)節(jié)的指令信號，實(shí)施動作，自動切斷故障處的電源。</p><p>　　4. 試驗(yàn)裝置：由于漏電保護(hù)器是一個(gè)保護(hù)裝置，因此應(yīng)定期檢查其是否完好

24、、可靠。試驗(yàn)裝置就是通過試驗(yàn)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(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1直流穩(wěn)壓電源電

25、路設(shè)計(jì)</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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較得到誤差電壓，該誤差電壓對調(diào)整管的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)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(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此要在基準(zhǔn)電壓處設(shè)計(jì)輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從0V開始調(diào)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(fù)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(diào)且內(nèi)部有過載保護(hù)的三端集成穩(wěn)壓器，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，設(shè)計(jì)一電壓補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)輸出電壓從0V起連續(xù)可調(diào)，因要求電路具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力，需設(shè)計(jì)一軟啟動電路以適應(yīng)所帶負(fù)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(jī)制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。該電路采用可控硅作為第一級調(diào)壓元件，用穩(wěn)壓電源芯片LM317，LM337作為第二級調(diào)壓元件，通過AT89CS51單片機(jī)控制繼電器改變電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值，從而改變調(diào)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(qū)動能力可達(dá)1A，同時(shí)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(jī)、鍵盤顯示等幾部分。</p><p>　　正、負(fù)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(fù)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(luò)。電阻網(wǎng)絡(luò)的每

29、個(gè)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(jī)控制實(shí)時(shí)對當(dāng)前電壓電流進(jìn)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(dāng)前設(shè)置的電壓值，可以方便用戶在重新上電后不用設(shè)置，而且也不會因?yàn)殡妷褐颠^高損壞用戶設(shè)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(diào)直流電壓，且其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，但是電路比較復(fù)雜，成本較高，

30、使用于要求較高的場合。在實(shí)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(shè)計(jì)方案。</p><p>　　3.2漏電保護(hù)裝置電路設(shè)計(jì)</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(jìn)行采樣，將電流互感器的二次側(cè)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(shí)，根據(jù)測試電流的周期(工頻)按照每個(gè)周期40個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣一個(gè)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(jì)算出實(shí)際的電流有效值。電路應(yīng)滿足如下條件，當(dāng)交流電流的瞬時(shí)值達(dá)到正向峰值時(shí)，放大器輸出5V;當(dāng)交流電流的瞬時(shí)值達(dá)到負(fù)向峰值時(shí)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(shè)計(jì)</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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，以4000個(gè)計(jì)數(shù)脈沖周期，即用4000個(gè)脈沖的時(shí)間作為A/D轉(zhuǎn)換的一個(gè)周期，每個(gè)轉(zhuǎn)換周期分成自動穩(wěn)零（AZ）、信號積分（INT）和反積分（DE）3個(gè)階段，</p><p>　　圖5 CC7107A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p&g

34、t;　　（a） 模擬電路 （b） 數(shù)字電路</p><p>　　信號積分（INT）階段：信號一旦進(jìn)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(zhuǎn)入到對模擬信號進(jìn)行取樣積分階段，本階段的時(shí)間固定為1000個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)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(jìn)行積分。積分器在0-T1的時(shí)間里，即在0-1000個(gè)計(jì)數(shù)脈沖時(shí)間里從零開始積分，取樣積分結(jié)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(shí)間，相當(dāng)于計(jì)1000個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的時(shí)間。</p><p>　　反積分（DE）階段：雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的反積分階段是實(shí)現(xiàn)對與輸入模擬信號極性相反的參考電壓V

36、ref進(jìn)行積分。在反積分開始時(shí)，參考電容上的參考電壓Vref送入緩沖放大器進(jìn)行放大，放大后的參考電壓再送入積分器進(jìn)行積分，這時(shí)，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(shí)間為（T2-T1）。將Vint0的積分值代入，并對第</p><p>&l

37、t;b>　　二項(xiàng)進(jìn)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(gè)常數(shù)，因此模擬電壓

38、Vin與積分器在反積分時(shí)返回至零時(shí)的時(shí)間成反比。因T是用計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。通過譯碼器，就可以接受計(jì)數(shù)器的狀態(tài)，即信號的大小用數(shù)碼表示出來，以實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字表示。若Vref取作1000MV，則更為直觀，這時(shí)在數(shù)值上有</p><p><b>　　VIN=T</b></p><p>　　4.測試方法與測試結(jié)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(fù)載，用萬用表測量其輸出電壓為4.99

40、V。</p><p><b>　　5.總結(jié)</b></p><p>　　本系統(tǒng)以高性能的DDS芯片AD9852和AT89S52單片機(jī)為核心，配合門與非門邏輯電路，實(shí)現(xiàn)了硬件與軟件的完美結(jié)合地實(shí)現(xiàn)了題目提出的指標(biāo)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)來滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)然，因時(shí)間和水平有限，系統(tǒng)還有很多值的改進(jìn)的地方。例如才有更高更精度的元器件

41、，軟件算法可以進(jìn)一步完善等等。</p><p><b>　　6. 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)[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(shù)—

42、理論與實(shí)踐一體化件教程[M]中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2012</p><p>　　[4] 梁源、賈靈、郝強(qiáng).大學(xué)生嵌入式學(xué)習(xí)實(shí)踐[M].北京航天航空大學(xué)出版社，2010</p><p>　　[5] 陳永真、寧武、藍(lán)和慧.新編全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)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(jī)電保護(hù)裝置實(shí)用技