簡介
2016年3月的模電課程設計
目錄
一、選題背景 1
二、方案論證 1
1 設計題目要求 1
1.1 基本要求 2
1.2 發揮部分 2
2 總體設計方案 2
2.1 設計思路 2
2.2 設計方案 2
三、 單元電路設計 4
3.1 直流穩壓電源電路 4
3.1.1電路原理及功能說明 4
3.1.2元件選取與計算 4
3.2 正負極電流采樣并放大電路 5
3.2.1電路原理及功能說明 5
3.2.2元件選取與計算 5
3.3 差分放大電路 6
3.3.1電路原理及功能說明 7
3.3.2元件選取與計算 7
3.4漏電保護電路 7
3.4.1電路原理及功能說明 8
3.4.2元件選取與計算 8
四、整機電路 9
4.1整機電路圖 9
4.2元件清單 10
4.3 電路實現的功能和系統使用說明 11
五、性能指標的測量與分析 11
5.1 電路測試 11
5.1.1 測試使用的儀器 11
5.1.2指標測試步驟、測量數據與分析 11
5.1.3 故障分析及處理 12
六 課程設計總結 12
參考文獻 13
直流穩壓電源及漏電保護裝置
一、選題背景
電源是電子設備的重要組成部分，而電子設備一般都需要直流穩壓電源供電。漏電保護是利用漏電保護裝置來防止電氣事故的一種安全措施。漏電保護裝置可用于防止漏電引起的火災，還可用于檢測和切斷各種單相接地事故。故研究漏電保護理論與技術應用對人類生活與安全生產具有重要意義。本文線性直流穩壓電源設計部分采用串聯式直流穩壓電路，由調整管、比較放大電路、基準電壓電路、采樣電路組成，由較高直流電壓輸入，輸出較低可調穩定電壓并實現輸出滿足負載的額定電流。而漏電保護裝置設計部分，通過取樣正極線和負極線上采樣電阻的電壓值經放大并輸出電壓差值，并用模擬漏電支路，從而實現當漏電電流大于給定動作電流時，該電壓差值大于對應某個電壓值，再通過電壓比較判斷后，切斷負載的電源通路，并另實現排除漏電故障后按復位按鍵恢復對負載供電的功能。
二、方案論證
1 設計題目要求
設計題目要求設計并制作一臺線性直流穩壓電源和一個漏電保護裝置，電路連接如圖1 所示。圖中RL 為負載電阻、R 為漏電電流調整電阻、A 為漏電流顯示電流表、S 為轉換開關、K 為漏電保護電路復位按鈕。
1.1 基本要求
設計一臺額定輸出電壓為 5V，額定輸出電流為 1A 的直流穩壓電源。
（1）轉換開關 S 接 1 端，RL 阻值固定為 5Ω。當直流輸入電壓在 7~25 V 變化時，要求輸出電壓為 5±0.05V，電壓調整率 SU≤1%。
（2）連接方式不變， RL 阻值固定為 5Ω。當直流輸入電壓在 5.5~7V 變化時，要求輸出電壓為 5±0.05V。
（3）連接方式不變，直流輸入電壓固定在 7V，當直流穩壓電源輸出電流由1A 減小到 0.01A 時，要求負載調整率 SL≤1%。
1.2 發揮部分
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壓電源供電，不得使用其他電源）。
（1）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（見圖 1） 。調節 R，將漏電動作電流設定為 30 mA。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。
（2）要求漏電保護裝置動作電流誤差的絕對值≤5%。
（3）盡量減小漏電保護裝置的接入功耗。
2 總體設計方案
2.1 設計思路
根據題目要求，本裝置包括直流穩壓電源和漏電保護裝置兩部分。
2.2 設計方案
2.2.1直流穩壓電源方案選擇
方案1：采用LM7805三端穩壓器。LM7805可提供DC5V輸出電壓，應用范圍廣，且內含過流和過載保護電路。帶散熱片時可持續提供1A電流。但它產生的直流5V電源很難保證電壓調整率和負載調整率的要求。
方案2：采用電壓串聯負反饋線性直流穩壓電源設計。采用大功率場效應管 K790作為主要控制器件，利用TL431產生2.5V電壓基準，將輸出電壓采樣反饋并與基準電壓比較，比較器輸出控制場效應管，從而實現線性穩壓電源。由K790的參數資料，最大導通電阻為0.4Ω，根據題意，最大負載電流為1A時，最大壓差為0.4V，滿足輸入輸出最小壓差為0.5V的指標要求，K790的最大功耗150W，最大電流15A，也滿足題目要求。
經以上分析比較，決定采用方案2。
2.2.2 漏電保護裝置方案設計
根據題目要求，先檢測電源正極線路上的電流和電源負極線路上的電流，分別通過差分放大和同相放大，獲得兩個電流線性對應的電壓值，并再次通過差分放大電路，計算兩個電壓差值Uab，利用模擬漏電支路，調節漏電電流達到30mA時，調節并聯在電源兩端的電位器分壓出的電壓，設定使其略小于此時的Uab值，從而觸發電壓比較電路輸出高電平，驅動執行漏電保護動作，切斷負載電源。如圖表1所示。
三、 單元電路設計
3.1 直流穩壓電源電路
3.1.1電路原理及功能說明
TL431輸出2.5V基準電壓。K790作調整管。在電路上電過程中，誤差運放的同相端經由取樣電阻R3、R7對輸出電壓Uo采樣，再與2.5V基準電壓比較后輸出放大信號，控制調整K790的G極電壓，使輸出電壓Uo保持穩定。即，當Vout增大，LM358 的2號端電壓增大，1號端輸出電壓減小，K790的G、S極間電壓Ugs減小，Id減小，從而Vout減小。反之亦然。即：
3.1.2元件選取與計算
根據TL431的資料參數，其最大工作電流可達150mA，根據輸入電壓變化范圍在5.5~25V的要求，考慮到盡量降低系統功耗，所以使TL431最低工作電流不小于3mA，故取
調整管的選擇：根據K790的資料參數
最大功耗P=150W
最大漏極電流Id=15A
電壓Uds最大值：500V
DS極間開啟電阻Ron最大值0.4Ω
符合題目要求。故調整管選擇K790。
考慮題目要求盡量降低系統功耗，取R7=10kΩ，因R7、R3間電壓穩定時為基準電壓2.5V，為輸出5V電壓，電位器R3最大阻值要大于R7，取20kΩ。
3.2 正負極電流采樣并放大電路
3.2.1電路原理及功能說明
如圖表3所示，負載電流出、進回路上各加一個小阻值的分流電阻，使用 INA138電流傳感器對正極電流采樣放大，使用LM324對負極電流采樣放大。右邊兩個運放作為電壓跟隨器。
3.2.2元件選取與計算
題目要求當負載固定為20Ω，且漏電保護裝置沒有動作時，輸出電壓≥4.6V，即
得 采樣電阻
考慮到實際電路連接線的阻值及測量誤差等其它因素的影響，給出一定的設計余量，所以取采樣電阻為0.1Ω。
而負載固定為20Ω時，負載電流約為 ，故采樣電阻上采樣的電壓約為0.025V，
而當達到漏電關斷電流為30mA，正極采樣電阻上電壓變化值為 ，
且考慮到電源為5V，故確定把采樣信號放大倍數設為 ，此時獲得的對應漏電時正極采樣放大電壓的變化值可達0.3V左右，利于提高漏電保護動作執行的判斷精度。
如上圖表4為INA138簡要原理圖，由其計算公式 ，為使正極采樣放大倍數為100，取圖表3中R1=500kΩ。
同樣為使負極采樣放大倍數為100，由同相放大電路的計算方法，有 ,故取R7=1KΩ，R8=100KΩ。
3.3 差分放大電路
3.3.1電路原理及功能說明
如圖表5，LM358左邊運放計算Va-Vb，右邊運放作電壓跟隨器。
3.3.2元件選取與計算
3.4漏電保護電路
3.4.1電路原理及功能說明
如圖表6，利用模擬漏電支路，調節漏電電流達到30mA時，調節電位器R11分壓出的電壓，設定使其略小于此時的Vab值，從而觸發電壓比較器LM311的7端輸出高電壓，MCR100-8晶閘管導通，繼電器工作，切斷了負載電源，此時晶閘管保持自鎖。而當排除故障后，按下K2復位鍵時，Q3的9013截止，晶閘管截止，繼電器不工作，恢復了對負載的供電。
3.4.2元件選取與計算
由題目要求盡量減小漏電保護裝置的接入功耗，取R10=1kΩ，R12=1kΩ，電位器R11=20kΩ。
四、整機電路
4.1整機電路圖
4.2元件清單
Comment Description Designator Footprint LibRef Quantity Value
LM324 Operational Amplifier AR1, AR2, AR3 OPAMP 3
Cap Pol1 Polarized Capacitor (Radial) C1, C2 CAPPR5-5x5 Cap Pol1 2 470uF
Cap Capacitor C3 RAD-0.3 Cap 1 470uF
Cap Capacitor C20 CAPR5-4X5 Cap 1 105
Diode 1N4148 High Conductance Fast Diode D1 DO-35 Diode 1N4148 1
Relay-SPDT Single-Pole Dual-Throw Relay K1 MODULE5B Relay-SPDT 1
KEY K2 KeyA KEY 1
接電流表 Header, 2-Pin P11 HDR1X2 Header 2 1
接負載 Header, 2-Pin P16 HDR1X2 Header 2 1
K790 N-Channel MOSFET Q1 SWITCH_A1 MOSFET-N 1
MCR100-8 Silicon Controlled Rectifier Q2 TO-220-AB SCR 1
9013 NPN General Purpose Amplifier Q3 SWITCH_A1 2N3904 1
Res2 Resistor R1, R2, R4, R5, R7, R8, R9, R10, R12, R21, R22, R23, R24, R72 AXIAL-0.4 Res2 14 500k, 1K, 0.1, 0.1, 1k, 100k, 1K, 1K, 1K, 100K, 100K, 100K, 100K, 10K
20k R3, R11, R13 VR3296-1 RES_ADJ 3
INA138 INA138 U1 INA138 1
TL431 U2 TO-220-AB TL431 1
LM311 U4 DIP8 LM311 1
LM358 雙運放 U6, U12, U13 DIP8 LM358 3
4.3 電路實現的功能和系統使用說明
五、性能指標的測量與分析
5.1 電路測試
測試漏電保護裝置電路部分。
5.1.1 測試使用的儀器
表格 3測試使用儀器
序號 儀器名稱 數量
1 直流穩壓電源 1
2 數字萬用表 2
5.1.2指標測試步驟、測量數據與分析
（1）接入20Ω負載，電源輸入7V，調節穩壓電源部分，使輸出5V直流穩壓。
先不接電流表，測量無漏電時Va、Vab工作點電壓。
測量漏電時工作點電壓時，接電流表，調節模擬漏電部分R13電位器，使電流表達到近30mA（如調試時繼電器工作導致負載電源斷開，可先按住復位鍵，再測量）。
工作點 理論數據 測試數據
Va（無漏電時） 2.5V 2.532V
Va（漏電達近30mA時） 2.8V 3.015V
Vb 2.5V 2.117V
Vab（無漏電時） 0V 0.421V
Vab（漏電達近30mA時） 0.3V 0.539V
（2）再調節漏電保護電路部分的LM311的第3端所連電位器，使第3端此處電壓略小于漏電達近30mA時的Vab電壓值。此時漏電保護電路的初始化調試完成。調節模擬漏電部分R13電位器，使電流表測量的電流值約為25mA，按復位鍵，此時測量負載兩端電壓Vo1,再慢慢調節R13電位器，使電流表測量電流值慢慢增大到題目要求的 內的某個值時，聽到繼電器里開關跳閘的聲音，記錄此時測量負載兩端電壓Vo2。如下表：
工作點 理論數據 測試數據
負載兩端電壓Vo1 ≥4.6V 4.821V
負載兩端電壓Vo2 0V 0V
測量結果符合題目要求。
5.1.3 故障分析及處理
（1）正極采樣電路一開始使用LM324運放放大，但正常時和漏電時測出的Va電壓值雖然有2V多，但兩者變化值不大，只有零點零幾伏的小變化。所以改用INA138作正極電流采樣，電壓變化值可達明顯約0.5V。
（2）負極電流采樣的同相放大電路，一開始測Vb值的時候，無論怎么改那兩個電阻值即改放大倍數，Vb值總在3.7V左右，經檢查電路發現是下方0.1Ω電阻右側接LM324第5腳那個線斷路了。因為是制PCB感光板，打印電路圖時可能是打印機問題導致此線斷了。經用焊錫修補，測Vb值的結果正常了。
（3）LM358差分輸出電壓測量時一開始是0V，經檢查，兩輸入端接反，即R21和R24接錯了，LM358的2腳和1腳間的電阻改為接2腳和4腳，3腳和4腳間的電阻改為接3腳和1腳。故障排除。
（4）PCB板上的模擬漏電電路部分的電位器接的正電壓畫錯成直接按穩壓出的5V而不是接負載正極端，所以這部分改成在面包板上接線調試。
六 課程設計總結
本次課程設計中遇到的主要問題是正極電流采樣電路，一開始時用面包板調試LM324搭建的差分放大電路，使用的不是0.1Ω和20Ω電阻，而是k級電阻和電位器，雖然輸出的差分電壓正常，但沒測試模擬漏電時的差分電壓變化值會不會太小，所以做出的PCB板正極電流采樣部分改用了外接INA138作放大。另一個問題是測試漏電保護電路部分時， LM311的2號腳一開始被我置空，而我誤以為是0V，糾結為何3號腳-端電壓比2號腳+端電壓高，而LM311卻輸出高電平，后來排查才知+端懸空不能算是0V，須接地，才能輸出低電平。穩壓電源部分，K790封裝搞錯，D和S腳接反，且未考慮K790的Ugs開啟電壓，導致輸入8V以下時輸出電壓小于5V，且負載小時輸出電流不夠，經Multisim仿真調試，應接上一運放，使形成負反饋的同時能使GS極電壓能大于開啟電壓。通過本次課設，學會了實驗室手工制PCB感光板的全過程，加深了對電路分析調試的經驗。
參考文獻
[1] 童詩白，華成英 主編.模擬電子技術基礎，第4版.北京：高等教育出版社，2006
[2] 胡仁杰 堵國樑 主編.全國大學生電子設計競賽優秀作品設計報告選編，2013.南京：東南大學出版社，2014
