过流过压保护可调直流电源

电路实践系列讲义

过流过压保护可调直流电压源

2013-3-25

过流过压保护可调直流电压源

电源是是对电子设备，电子电路等等提供电能的，这些电器设备，电路相对于电源来说，称之为负载，当电源本身出现故障或者是负载出现故障，若不及时排除，很有可能损坏电路。当电路出现故障时，大部分情况下会出现电源电压异常或者是电流异常，而对电源及电路而言，电流过大，电压过高更具有破坏性，因此，具有过流过压保护功能的电源是在实际使用中应用非常广泛的电源。

过流过压保护的方法主要有以下这些措施：

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。

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。本电子实践项目中有一个这样以继电器为主要控制器件的电路，读者可参阅电源保护电路，电路编号YJQE-B-I 。

以电源调整管（大功率三极管）为主要器件的电子保护电路，本项目所要介绍和实践的电路就是一个这样的保护电路，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。

以上是关于保护电路的一般说明，本电路的第二个重要特点是输出电压可调。现在输出电压可调电源电路一般采用三端稳压器LM317实现。具体器件说明及电路在后面说明。

本课程设计项目是设计一直流电源，重点是过流保护发及过压保护。电源输出直流电压两路，一路是固定输出电压源+5V，另一路是输出电压可调+3V＝--+12V。额定输出电流300mA ，设计保护电流四档可调：338mA ，268mA ，105mA ，35mA ，即当电源输出电流超过设计保护电流时，保护电路动作，断开电源与负载的连接。

本电路由如下部分组成：变压电路，整流电路，滤波电路，过流保护电路，输出电压调节电路。

+5V

+3V--+12V

各部分电路的设计 降压，整流，滤波电路

因为本电路输出电压最大为12V ，即三端稳压器输入电压要求大于12+5＝15V ，可以选择为16V ，所以取整流滤波输出电压（即三端稳压器输入电压）为16V 左右。降压变压器次级电压的选择，因为整流滤波输出电压的最大值等于变压器次级电压的1.414倍，所以可考虑选择变压器次级电压为12V ，这样，整流滤波输出电压的最大值等于17V 。变压器的功率选择，因为电路输出额定电流300mA ，所以电路输出额定功率为17V*300mA=5W，所以变压器功率为6—7w 就可以了，本电路选择变压器功率为10W 。

整流二极管的耐压要求：高于17V （高于变压器次级电压最高值）。

整流二极管的平均整流电流要求：大于300mA 。

这样，整流二极管采用常用的整流二极管IN4001（耐压而100V ，电流

1A ）就足够达到要求了。

滤波电容的耐压要求：高于17V （高于变压器次级电压最高值）。

1

T

滤波电容的容量要求：C >(3--5) ，其中T 为220V 交流电周期为0.02 秒，R 为整流滤波电

R

路负载等效电阻（可这样确定：整流滤波电路最小输出电压比上最大输出电流，本电路：15V/300mA=50Ω），

C > （600uF —1000uF ），取C 为1000uF/25V。

保护电路

右图所示为NE555定时器内部结构图，外部连接可参见电路原理图。“2”“6”接一起通过电阻R6接电源VCC ，通过电容器C4接地GND ，”7”通过电阻R3接电源调整三极管Q1的基极。电路刚接上电源时，电容C4无充电电荷，“2”“6”为低电平，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，与非门G1输出低电平，G2输出高电平，泄流管T 截止，因此调整管Q1无偏置电流而截止，这时电源通

过

R6

对

电

容

C4

充

电，“2”“6”电位升高，当电位升高到（2/3）VCC 时，比较器C1输出低电平，与非门G1输出高电平，泄流管

T 导通，调整管Q1导通。电源向负载供电。这就是电路起始工作过程，时间由电阻R6和电容C4决定。大约为R6*C4。

电路在正常工作条件下（无过流），检测电阻R5（或并上R8或并上R9或并上R8//R9）上电压较小，三极管Q2截止，555维持工作状态不变，泄流管T 导通，调整管Q1导通。电源向负载供电。

如果电路输出电流过大，这个电流通过R5，在R5上产生较大的电压，使Q2导通，电容C4通过Q2快速放电，使“2”“6”电位快速下降到低于（1/3）VCC 时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，与非门G1输出低电平，G2输出高电平，泄流管T 截止，因此调整管Q1无偏置电流而截止，断开了电源与负载的连接，起到保护电路和负载的目的。电路保护后，输出电流为0，Q2又截止，C4再次充电，当充电使得“2”“6”电位升高到（2/3）VCC 时，比较器C1输出低电平，与非门G1输出高电平，泄流管T 导通，调整管Q1导通，电源向负载供电。但只要故障没有排除，电路又立即进入保护状态。

当电路处于保护状态时，与非门G1输出低电平，非门G3输出高电平，发光二极管D1亮，表示电路处于保护状态。或者用当电路处于保护状态时，与非门G1输出低电平，非门G3输出高电平，蜂鸣器叫，表示电路处于保护状态。

各元件参数的计算：

555的工作电压不能大于16V ，不能直接将整流滤波后电压（最大为17V ）加到555上，串联一个红色发光二极管降压（所降电压为1.8V ），降压后最大为15.2V 。

555输出高电平电压约为14V ，设计D1电流为4mA ，则R1=(14-1.8)/4=3.05K，取R1=3K。 蜂鸣器限流电阻R1的计算：

555输出高电平电压约为14V ，设计蜂鸣器工作电流为4mA ，用12V 的蜂鸣器，则R1=(14-12)/4=500Ω，取R1= 470Ω。

R6和C4的计算，设计保护时间为0.5秒，则根据T=1.1R6*C4，可取C4=47uF，R6=10K。 设Q2导通电压为0.6V ，则R5=0.6V/300mA=2Ω。为了调节的方便，取电阻R8，R9与R5通过开关成并联状态。

取R8 = 10Ω，R5=3Ω.

“7”为低电平时，Q1要饱和导通，因为当“7”为低电平时电阻R3上的电流近似为17/R3，这个电流设多大合适？这要考虑调整管的电流放大系数β，小功率管9012的β>50，而调整管最大输出电流为300mA ，因此，调整管基极电流只要大于6mA ，调整管就处于饱和状态，R3=17/6=2.83K，可取R3=2K。

R2的估算：当取R3为2K 时，R3电流为8.5 mA，是基极电流与R2电流之和，因此R2电流必须小于2.5 mA，取R2=10K可行。

Q1主要考虑的是最大输出电流，因最输出电流为300mA ，而9012的电流可达500mA 。

R4取几十欧姆都可以。

Q3，R11，R12组成过压保护电路，在接口处的电压高于+5V时，Q3将导通，电容C4放电，555“6”脚电位下降，内部泄流管截止，Q1截止，起到保护作用。所以这是一个过压保护电路。

R7是起动电阻，在带负载开机时，且负载较重时开启电源，此时由于开机时滤波电容的充电以及负载电流的共同影响，电路可能起动不了，有了R7提供通路，电路可以启动。

S 是起动按键，在带负载开机时，且负载很重时开启电源，此时由于开机时滤波电容的充电以及负载电流的共同影响，电路可能起动不了，按下按键提供通路，电路可以启动。

电源是电路中必不可少的电路器件，是给电路提供电能的单元电路。在电子电路中，所需要的电源主要是直流电源：直流稳压源（主要反映稳压源器件的参数有：额定输出电压值，额定输出功率，电源效率，纹波抑制系数，输出电压稳定系数等等），若输出电压可调称为可调直流稳压源，稳压源电路主要由变压，整流，滤波，稳压以及输出电压调节电路五部分组成，常用的直流稳压电源有串联式稳压直流电源和开关直流稳压电源，串联式稳压直流电源主要优点是电路结构简单，调节方便，缺点是效率低，开关直流稳压电源优点是电源效率高，缺点是电路结构复杂成本较高。直流电流源（主要参数有输出电流，额定输出功率，等等），输出电流可调的称为可调电流源，电流源电路主要由电压转化成电流的电路构成。

三端稳压器LM317简介

LM317是三端稳压器，不稳定直流电压从LM317的输入端（3）输入，从输出端（2）输出稳定的直流电压。

LM317外形如左图所示，脚的编号从左至右为1，2，3。

1—调整端，2—输出端，3—输入端。不稳定电压从3端输入，从2端输出的电压为稳定电压。

LM317的一个最重要的特性是：2—1之间电压恒为1.25V 。

其它特性需要了解的是：调整端（1）电流很小（小于0.05mA) ，在工作电流比它大得多的条件下这个电流忽略不计；输入端所加电

压小于40V ；为保证三端稳压器正常稳定的工作，输入端电压要比输出端电压高于3V 以上。

以LM317为核心器件构成的输出电压可调的直流稳压电源的设计与电路参数的计算： 不稳定的直流电压Ui 从三端稳压器LM317的输入端（3）输入。

输入电压低于40V ，但需要比最高输出电压高出3V 以上。本电路设计最高输出电压为12V ，则本电路输入电压高于15V （本电路取16V 左右）。可调的稳定直流电压Uo 从三端稳压器LM317的输出端（2）输出，可调电压源电压大小由“1”脚到地GND 之间的电阻以及“2”脚与“1”脚之间的电阻确定。

可调电压源额定输出电流大小由三端稳压器LM317 决定，当三端稳压器装上散热片后，额定输出电流为1.5A 。

本可调电压源设计指标：

输出电压可调：1.5V —9.00V ；步进0.5V 。

额定输出电流：1A ，额定输出电流的含义是，电路在正常工作的条件下，能够输出的最大电流。因为当输出电压恒定时，输出电流随着负载的变化而变化，负载电阻越小时，输出电流越大，所以要注意负载电阻不能取得太小，需要根据额定电流（或额定功率）进行计算。

三端稳压器LM317的输出端（2）到调整端(1)的电压恒定为1.25V ，三端稳压器LM317的调整端（1）的电流小于50μA ，当控制电路工作电流比50μA 大得多时，这个电流可以忽略不计，即认为调整端（1）虚断路。本电路设计控制电路工作电流为5mA 左右，比50μA 电流大得多（100倍），因此调整端（1）

的电流完全可以忽略不计。这样从三端稳压器LM317的输出端（2）流到调整端（1）的电流与从调整端（1）流到地GND 的电流相同。

设计思想：固定输出端（2）到调整端(1)的电阻Ra ＝R9//R10，则LM317从输出端（2）流到调整端(1) Ra 的电流不变，而调整端（1）到地GND 的等效电阻R b （R11，R12，R13，R14，R15电阻）可调（通过改变四位开关的开关状态而改变电阻阻值的大小），由于流过调整端（1）到地GND 的等效电阻的电流也不变，所以调整端（1）到地GND 的电压随着调整端（1）到地GND 的电阻的变化而变化，使得输出端电压变化。

U o =1. 25+

1. 25

R b ① R a

其中Ra 是输出端（2）到调整端(1)的电阻R9//R10。

Rb 是调整端（1）到地GND 的等效电阻。

下面确定电阻Rb 的最小值Rbmin 和最大值Rbmax 与电阻Ra 的关系。 当电阻Rb 取最小值Rbmin 时，输出电压最低为3V ，因此，关系式

1. 5=1. 25+R b min ⨯

得 R b m in =

1. 25

成立， R a

0. 25

R a =0. 2R a ② 1. 25

当电阻Rb 取最大值Rbmax 时，输出电压最高为9.00V ，因此，关系式

9. 00=1. 25+R b m ax ⨯

得 R b m ax =

1. 25

成立， R a

7. 75Ra

=6. 2R a ③

1. 25

当取Ra=375Ώ（可用390Ώ并10K 得到）。当然也可以用其它组合，只要注意到Ra 的电阻值不要取得过大（一般不要大于500Ώ），过大时，工作电流过小，调整端的电流就不能忽略不计了，前面的计算方法也就不再正确，当然也不要取得太小（一般不要小于100Ώ），太小时工作电流太大，造成不必要的功率浪费。

当取Ra=375Ώ时，Rbmin ＝ 0.2*375 ＝ 75Ώ。Rmax=6.2*375=2.325K。

当取R14＝150，R13＝300，R12＝600，R11＝1.2K 。R15＝75。正好满足最大值要求。同时。又满足步进0.5V 的要求，只是由于没有600欧姆的电阻，而用了620欧姆的电阻，会存在一定的误差，当然可以并联在个电阻来使得结果更加精确。

当开关状态变化时，电阻变化，输出电压变化，下面通过表格形式反映开关状态与输出电压的关系。 0代表开关断开，1代表开关闭合。

带保护直流电源（实践制作测试部分）

仔细研究电路原理图，其重点是过流保护过程的分析与理解。

当电路工作原理问题弄清以后，计算确定电路中各电阻的阻值。将其讨论过程以及设计计算过程写入报告中。若将保护电流改变为５００mA ，请重新确定R5。

仔细研究印刷电路板，在本印刷电路板上将要装配的器件有：普通1/4W电阻器，瓷片电容器，整流二极管，发光二极管，三极

管，集成块555。输入和输出接口等等。

仔细研究印刷电路上的图形或符号，确定各位置所装配的是何种元件。若是二极管，还要弄清板上的对应“+”极和“-”极，若是三极管，弄清板上对应的“e ” “b ” “c ”，对于集成块，要弄清楚各脚在印刷板上的相应位置。

仔细研究元器件，各电阻器及其阻值，精度，功率，电阻阻值可从电阻上所标的色码直接读出，或者用万能表的欧姆档直接测量确定。各瓷片电容的电容量（标注在电容上）。各发光二极管及其”+””-“极。三极管上对应的“e ” “b ” “c ”，集成块的脚编号的确认。

认真焊接。按照印刷板上器件编号找到相应的元件，按以下顺序焊接：电阻，IC 座，瓷片电容，发光二极管，三极管，接口。焊接过程中注意以下问题：

１ 各发光二极管”+””-“极。三极管上对应的“e ” “b ” “c ” ２ 集成块的脚在印刷板上的对应位置。

３ J1要与前续电路的输入输出电源接口方位相一致，因此要注意其方位。 仔细观察各焊接点，检查有无短路现象和虚焊现象。

认真测量。在观察所焊接的电路板处于正常状态后，将交流电源接入到J1接口。 将负载电流逐渐增大，并用电流表加以监测，记录下当电路有 保护动作时的负载电流，并记录下此时对应的保护电阻R5的值。 改变开关S2的状态，用以改变保护电阻R5的电阻值，再次 将负载电流逐渐增大，并用电流表加以监测，记录下当电路有保护 动作时的负载电流，并记录下此时对应的保护电阻R5的值。 重复以上步骤。

4 改变开关S3的状态，测量输出电压。

设计表格并将实验测量数据，理论数据记录在表格中。

附：元器件表

器件汇总：

贴片电阻：470 ，1只。10K ，２只。3K ，１只。100 ，1只。20 ，1只。10 ，1只。3 ，1只。 直插电阻：390 ，1只。10K ，1只。1.2K ，1只。620 ，1只。300 ，1只。150 ，1只。75 ，1只。 电容： 103，3只。1000uF ，1只。10uF ，3只。 三端稳压器： LM317，1块。 蜂鸣器 1个。

芯片： NE555，1片。整流二极管：4只。发光二极管：1只。

三极管： 8550，１只 。9013，1只。按键：1个。2P 座2个。2P 线2根。 拨码开关： 2P 1个。 4P １个。 焊锡丝 1根。 课程设计任务： 实践部分： 1 画电路原理图。

2 查阅主要器件（变压器，整流管，三极管，555）的技术资料。 3 辩认套件中所有电子元器件以及印刷电路板。

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4 焊接。

5 测试：本电路决定保护电流大小的是电阻R5，为了研究和观察保护电流大小随R5的变化而变化，设计了电阻模块（由R7R8R9串联而成），当MN 端口连接到J3的任意两点时，R5的等效电阻发生变化。实验者改变连接方式，测量R5等效电阻在不同值时的保护电流大小（方法是在输出端加负载，改变负载电阻大小改变输出电流，观察保护电路在什么时候动作），观察电路在正常工作条件下输出电压及保护电路状态。观察各测量电路在非正常工作条件下输出电压及保护电路状态。

测试完成后，将连线焊接在可使保护电流最接近300mA 的位置。 6 分析故障和排除故障，并将分析和排除过程记录下来。 理论部分

若电路的额定输出电流和电路保护电流都设定为500mA ，请重新计算确定调整管Q1，电阻R5，R3。 报告部分：

程设计题目，时间，地点，指导老师。课程设计目的。电路工作原理。参数确定与计算过程。测试数据表格。故障处理过程与体会。 器件清单与电路原理图。 考察与评分

作品是否整齐与美观。测量数据方法与结果是否正确。元器件是否会辨认及元器件特性是否掌握。理论计算方法与原理是否掌握。报告内容是否真实，全面，认真等等。

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