簡介
2016年3月的模電課程設(shè)計(jì)
目錄
一、選題背景 1
二、方案論證 1
1 設(shè)計(jì)題目要求 1
1.1 基本要求 2
1.2 發(fā)揮部分 2
2 總體設(shè)計(jì)方案 2
2.1 設(shè)計(jì)思路 2
2.2 設(shè)計(jì)方案 2
三管宵、 單元電路設(shè)計(jì) 4
3.1 直流穩(wěn)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(jì)算 4
3.2 正負(fù)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(jì)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(jì)算 7
3.4漏電保護(hù)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(jì)算 8
四、整機(jī)電路 9
4.1整機(jī)電路圖 9
4.2元件清單 10
4.3 電路實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說明 11
五低散、性能指標(biāo)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(biāo)測試步驟桨昙、測量數(shù)據(jù)與分析 11
5.1.3 故障分析及處理 12
六 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 12
參考文獻(xiàn) 13
直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置
一、選題背景
電源是電子設(shè)備的重要組成部分措左，而電子設(shè)備一般都需要直流穩(wěn)壓電源供電依痊。漏電保護(hù)是利用漏電保護(hù)裝置來防止電氣事故的一種安全措施。漏電保護(hù)裝置可用于防止漏電引起的火災(zāi)，還可用于檢測和切斷各種單相接地事故。故研究漏電保護(hù)理論與技術(shù)應(yīng)用對人類生活與安全生產(chǎn)具有重要意義篮条。本文線性直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)部分采用串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路，由調(diào)整管性宏、比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路状飞、采樣電路組成毫胜，由較高直流電壓輸入，輸出較低可調(diào)穩(wěn)定電壓并實(shí)現(xiàn)輸出滿足負(fù)載的額定電流诬辈。而漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)部分酵使，通過取樣正極線和負(fù)極線上采樣電阻的電壓值經(jīng)放大并輸出電壓差值，并用模擬漏電支路焙糟，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)漏電電流大于給定動(dòng)作電流時(shí)口渔，該電壓差值大于對應(yīng)某個(gè)電壓值，再通過電壓比較判斷后穿撮，切斷負(fù)載的電源通路缺脉，并另實(shí)現(xiàn)排除漏電故障后按復(fù)位按鍵恢復(fù)對負(fù)載供電的功能。
二悦穿、方案論證
1 設(shè)計(jì)題目要求
設(shè)計(jì)題目要求設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)線性直流穩(wěn)壓電源和一個(gè)漏電保護(hù)裝置攻礼，電路連接如圖1 所示。圖中RL 為負(fù)載電阻咧党、R 為漏電電流調(diào)整電阻秘蛔、A 為漏電流顯示電流表陨亡、S 為轉(zhuǎn)換開關(guān)傍衡、K 為漏電保護(hù)電路復(fù)位按鈕深员。
1.1 基本要求
設(shè)計(jì)一臺(tái)額定輸出電壓為 5V，額定輸出電流為 1A 的直流穩(wěn)壓電源蛙埂。
（1）轉(zhuǎn)換開關(guān) S 接 1 端倦畅，RL 阻值固定為 5Ω。當(dāng)直流輸入電壓在 7~25 V 變化時(shí)绣的，要求輸出電壓為 5±0.05V叠赐，電壓調(diào)整率 SU≤1%。
（2）連接方式不變屡江， RL 阻值固定為 5Ω芭概。當(dāng)直流輸入電壓在 5.5~7V 變化時(shí)，要求輸出電壓為 5±0.05V惩嘉。
（3）連接方式不變罢洲，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)文黎，要求負(fù)載調(diào)整率 SL≤1%惹苗。
1.2 發(fā)揮部分
設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)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）耸峭。
（1）轉(zhuǎn)換開關(guān) S 接 2 端桩蓉，將 RL 接到漏電保護(hù)裝置的輸出端，阻值固定為20Ω劳闹，R 和電流表 A 組成模擬漏電支路（見圖 1） 院究。調(diào)節(jié) R，將漏電動(dòng)作電流設(shè)定為 30 mA本涕。當(dāng)漏電保護(hù)裝置動(dòng)作后儡首，RL 兩端電壓為 0V 并保持自鎖。 排除漏電故障后偏友， 按下 K 恢復(fù)輸出蔬胯。要求漏電保護(hù)裝置沒有動(dòng)作時(shí)，輸出電壓≥4.6V位他。
（2）要求漏電保護(hù)裝置動(dòng)作電流誤差的絕對值≤5%氛濒。
（3）盡量減小漏電保護(hù)裝置的接入功耗。
2 總體設(shè)計(jì)方案
2.1 設(shè)計(jì)思路
根據(jù)題目要求鹅髓，本裝置包括直流穩(wěn)壓電源和漏電保護(hù)裝置兩部分舞竿。
2.2 設(shè)計(jì)方案
2.2.1直流穩(wěn)壓電源方案選擇
方案1：采用LM7805三端穩(wěn)壓器。LM7805可提供DC5V輸出電壓窿冯，應(yīng)用范圍廣骗奖，且內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)可持續(xù)提供1A電流。但它產(chǎn)生的直流5V電源很難保證電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率的要求执桌。
方案2：采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋線性直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)鄙皇。采用大功率場效應(yīng)管 K790作為主要控制器件，利用TL431產(chǎn)生2.5V電壓基準(zhǔn)仰挣，將輸出電壓采樣反饋并與基準(zhǔn)電壓比較伴逸，比較器輸出控制場效應(yīng)管，從而實(shí)現(xiàn)線性穩(wěn)壓電源膘壶。由K790的參數(shù)資料错蝴，最大導(dǎo)通電阻為0.4Ω，根據(jù)題意颓芭，最大負(fù)載電流為1A時(shí)顷锰，最大壓差為0.4V，滿足輸入輸出最小壓差為0.5V的指標(biāo)要求亡问，K790的最大功耗150W馍惹，最大電流15A，也滿足題目要求玛界。
經(jīng)以上分析比較万矾，決定采用方案2。
2.2.2 漏電保護(hù)裝置方案設(shè)計(jì)
根據(jù)題目要求慎框，先檢測電源正極線路上的電流和電源負(fù)極線路上的電流良狈，分別通過差分放大和同相放大，獲得兩個(gè)電流線性對應(yīng)的電壓值笨枯，并再次通過差分放大電路薪丁，計(jì)算兩個(gè)電壓差值Uab，利用模擬漏電支路馅精，調(diào)節(jié)漏電電流達(dá)到30mA時(shí)严嗜，調(diào)節(jié)并聯(lián)在電源兩端的電位器分壓出的電壓，設(shè)定使其略小于此時(shí)的Uab值洲敢，從而觸發(fā)電壓比較電路輸出高電平漫玄，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行漏電保護(hù)動(dòng)作，切斷負(fù)載電源压彭。如圖表1所示睦优。
三、 單元電路設(shè)計(jì)
3.1 直流穩(wěn)壓電源電路
3.1.1電路原理及功能說明
TL431輸出2.5V基準(zhǔn)電壓壮不。K790作調(diào)整管汗盘。在電路上電過程中，誤差運(yùn)放的同相端經(jīng)由取樣電阻R3询一、R7對輸出電壓Uo采樣隐孽，再與2.5V基準(zhǔn)電壓比較后輸出放大信號癌椿，控制調(diào)整K790的G極電壓，使輸出電壓Uo保持穩(wěn)定菱阵。即踢俄，當(dāng)Vout增大，LM358 的2號端電壓增大送粱，1號端輸出電壓減小，K790的G掂之、S極間電壓Ugs減小抗俄，Id減小，從而Vout減小世舰。反之亦然动雹。即：
3.1.2元件選取與計(jì)算
根據(jù)TL431的資料參數(shù)，其最大工作電流可達(dá)150mA跟压，根據(jù)輸入電壓變化范圍在5.5~25V的要求胰蝠，考慮到盡量降低系統(tǒng)功耗，所以使TL431最低工作電流不小于3mA震蒋，故取
調(diào)整管的選擇：根據(jù)K790的資料參數(shù)
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
符合題目要求茸塞。故調(diào)整管選擇K790。
考慮題目要求盡量降低系統(tǒng)功耗查剖，取R7=10kΩ钾虐，因R7、R3間電壓穩(wěn)定時(shí)為基準(zhǔn)電壓2.5V笋庄，為輸出5V電壓效扫，電位器R3最大阻值要大于R7，取20kΩ直砂。
3.2 正負(fù)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所示菌仁，負(fù)載電流出、進(jìn)回路上各加一個(gè)小阻值的分流電阻静暂，使用 INA138電流傳感器對正極電流采樣放大济丘，使用LM324對負(fù)極電流采樣放大。右邊兩個(gè)運(yùn)放作為電壓跟隨器洽蛀。
3.2.2元件選取與計(jì)算
題目要求當(dāng)負(fù)載固定為20Ω闪盔，且漏電保護(hù)裝置沒有動(dòng)作時(shí)，輸出電壓≥4.6V辱士，即
得 采樣電阻
考慮到實(shí)際電路連接線的阻值及測量誤差等其它因素的影響泪掀，給出一定的設(shè)計(jì)余量，所以取采樣電阻為0.1Ω颂碘。
而負(fù)載固定為20Ω時(shí)异赫，負(fù)載電流約為 椅挣，故采樣電阻上采樣的電壓約為0.025V，
而當(dāng)達(dá)到漏電關(guān)斷電流為30mA塔拳，正極采樣電阻上電壓變化值為 鼠证，
且考慮到電源為5V，故確定把采樣信號放大倍數(shù)設(shè)為 靠抑，此時(shí)獲得的對應(yīng)漏電時(shí)正極采樣放大電壓的變化值可達(dá)0.3V左右量九，利于提高漏電保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行的判斷精度。
如上圖表4為INA138簡要原理圖颂碧，由其計(jì)算公式 荠列，為使正極采樣放大倍數(shù)為100，取圖表3中R1=500kΩ载城。
同樣為使負(fù)極采樣放大倍數(shù)為100肌似，由同相放大電路的計(jì)算方法，有 ,故取R7=1KΩ诉瓦，R8=100KΩ川队。
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(yùn)放計(jì)算Va-Vb睬澡，右邊運(yùn)放作電壓跟隨器固额。
3.3.2元件選取與計(jì)算
3.4漏電保護(hù)電路
3.4.1電路原理及功能說明
如圖表6，利用模擬漏電支路煞聪，調(diào)節(jié)漏電電流達(dá)到30mA時(shí)对雪，調(diào)節(jié)電位器R11分壓出的電壓，設(shè)定使其略小于此時(shí)的Vab值米绕，從而觸發(fā)電壓比較器LM311的7端輸出高電壓瑟捣，MCR100-8晶閘管導(dǎo)通，繼電器工作栅干，切斷了負(fù)載電源迈套，此時(shí)晶閘管保持自鎖。而當(dāng)排除故障后碱鳞，按下K2復(fù)位鍵時(shí)桑李，Q3的9013截止，晶閘管截止窿给，繼電器不工作贵白，恢復(fù)了對負(fù)載的供電。
3.4.2元件選取與計(jì)算
由題目要求盡量減小漏電保護(hù)裝置的接入功耗崩泡，取R10=1kΩ禁荒，R12=1kΩ，電位器R11=20kΩ角撞。
四呛伴、整機(jī)電路
4.1整機(jī)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(fù)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(yùn)放 U6, U12, U13 DIP8 LM358 3
4.3 電路實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)使用說明
五、性能指標(biāo)的測量與分析
5.1 電路測試
測試漏電保護(hù)裝置電路部分热康。
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(shù)量
1 直流穩(wěn)壓電源 1
2 數(shù)字萬用表 2
5.1.2指標(biāo)測試步驟沛申、測量數(shù)據(jù)與分析
（1）接入20Ω負(fù)載，電源輸入7V姐军，調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源部分铁材，使輸出5V直流穩(wěn)壓。
先不接電流表奕锌，測量無漏電時(shí)Va著觉、Vab工作點(diǎn)電壓。
測量漏電時(shí)工作點(diǎn)電壓時(shí)歇攻，接電流表固惯，調(diào)節(jié)模擬漏電部分R13電位器梆造，使電流表達(dá)到近30mA（如調(diào)試時(shí)繼電器工作導(dǎo)致負(fù)載電源斷開缴守，可先按住復(fù)位鍵，再測量）镇辉。
工作點(diǎn) 理論數(shù)據(jù) 測試數(shù)據(jù)
Va（無漏電時(shí)） 2.5V 2.532V
Va（漏電達(dá)近30mA時(shí)） 2.8V 3.015V
Vb 2.5V 2.117V
Vab（無漏電時(shí)） 0V 0.421V
Vab（漏電達(dá)近30mA時(shí)） 0.3V 0.539V
（2）再調(diào)節(jié)漏電保護(hù)電路部分的LM311的第3端所連電位器屡穗，使第3端此處電壓略小于漏電達(dá)近30mA時(shí)的Vab電壓值。此時(shí)漏電保護(hù)電路的初始化調(diào)試完成忽肛。調(diào)節(jié)模擬漏電部分R13電位器村砂，使電流表測量的電流值約為25mA，按復(fù)位鍵屹逛，此時(shí)測量負(fù)載兩端電壓Vo1,再慢慢調(diào)節(jié)R13電位器础废，使電流表測量電流值慢慢增大到題目要求的 內(nèi)的某個(gè)值時(shí)，聽到繼電器里開關(guān)跳閘的聲音罕模，記錄此時(shí)測量負(fù)載兩端電壓Vo2评腺。如下表：
工作點(diǎn) 理論數(shù)據(jù) 測試數(shù)據(jù)
負(fù)載兩端電壓Vo1 ≥4.6V 4.821V
負(fù)載兩端電壓Vo2 0V 0V
測量結(jié)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(yùn)放放大淑掌，但正常時(shí)和漏電時(shí)測出的Va電壓值雖然有2V多蒿讥，但兩者變化值不大，只有零點(diǎn)零幾伏的小變化抛腕。所以改用INA138作正極電流采樣芋绸，電壓變化值可達(dá)明顯約0.5V。
（2）負(fù)極電流采樣的同相放大電路担敌，一開始測Vb值的時(shí)候摔敛，無論怎么改那兩個(gè)電阻值即改放大倍數(shù)，Vb值總在3.7V左右全封，經(jīng)檢查電路發(fā)現(xiàn)是下方0.1Ω電阻右側(cè)接LM324第5腳那個(gè)線斷路了舷夺。因?yàn)槭侵芇CB感光板苦酱，打印電路圖時(shí)可能是打印機(jī)問題導(dǎo)致此線斷了。經(jīng)用焊錫修補(bǔ)给猾，測Vb值的結(jié)果正常了疫萤。
（3）LM358差分輸出電壓測量時(shí)一開始是0V，經(jīng)檢查敢伸，兩輸入端接反扯饶，即R21和R24接錯(cuò)了，LM358的2腳和1腳間的電阻改為接2腳和4腳池颈，3腳和4腳間的電阻改為接3腳和1腳尾序。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(cuò)成直接按穩(wěn)壓出的5V而不是接負(fù)載正極端躯砰，所以這部分改成在面包板上接線調(diào)試每币。
六 課程設(shè)計(jì)總結(jié)
本次課程設(shè)計(jì)中遇到的主要問題是正極電流采樣電路，一開始時(shí)用面包板調(diào)試LM324搭建的差分放大電路琢歇，使用的不是0.1Ω和20Ω電阻兰怠，而是k級電阻和電位器，雖然輸出的差分電壓正常李茫，但沒測試模擬漏電時(shí)的差分電壓變化值會(huì)不會(huì)太小揭保，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(gè)問題是測試漏電保護(hù)電路部分時(shí)魄宏， LM311的2號腳一開始被我置空秸侣，而我誤以為是0V，糾結(jié)為何3號腳-端電壓比2號腳+端電壓高宠互，而LM311卻輸出高電平味榛，后來排查才知+端懸空不能算是0V，須接地予跌，才能輸出低電平搏色。穩(wěn)壓電源部分，K790封裝搞錯(cuò)匕得，D和S腳接反继榆，且未考慮K790的Ugs開啟電壓，導(dǎo)致輸入8V以下時(shí)輸出電壓小于5V汁掠，且負(fù)載小時(shí)輸出電流不夠略吨，經(jīng)Multisim仿真調(diào)試，應(yīng)接上一運(yùn)放考阱，使形成負(fù)反饋的同時(shí)能使GS極電壓能大于開啟電壓翠忠。通過本次課設(shè)，學(xué)會(huì)了實(shí)驗(yàn)室手工制PCB感光板的全過程乞榨，加深了對電路分析調(diào)試的經(jīng)驗(yàn)秽之。
參考文獻(xiàn)
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