简介
2016年3月的模电课程设计
目录
一、选题背景 1
二、方案论证 1
1 设计题目要求 1
1.1 基本要求 2
1.2 发挥部分 2
2 总体设计方案 2
2.1 设计思路 2
2.2 设计方案 2
三、 单元电路设计 4
3.1 直流稳压电源电路 4
3.1.1电路原理及功能说明 4
3.1.2元件选取与计算 4
3.2 正负极电流采样并放大电路 5
3.2.1电路原理及功能说明 5
3.2.2元件选取与计算 5
3.3 差分放大电路 6
3.3.1电路原理及功能说明 7
3.3.2元件选取与计算 7
3.4漏电保护电路 7
3.4.1电路原理及功能说明 8
3.4.2元件选取与计算 8
四、整机电路 9
4.1整机电路图 9
4.2元件清单 10
4.3 电路实现的功能和系统使用说明 11
五、性能指标的测量与分析 11
5.1 电路测试 11
5.1.1 测试使用的仪器 11
5.1.2指标测试步骤、测量数据与分析 11
5.1.3 故障分析及处理 12
六 课程设计总结 12
参考文献 13
直流稳压电源及漏电保护装置
一、选题背景
电源是电子设备的重要组成部分，而电子设备一般都需要直流稳压电源供电。漏电保护是利用漏电保护装置来防止电气事故的一种安全措施。漏电保护装置可用于防止漏电引起的火灾，还可用于检测和切断各种单相接地事故。故研究漏电保护理论与技术应用对人类生活与安全生产具有重要意义。本文线性直流稳压电源设计部分采用串联式直流稳压电路，由调整管、比较放大电路、基准电压电路、采样电路组成，由较高直流电压输入，输出较低可调稳定电压并实现输出满足负载的额定电流。而漏电保护装置设计部分，通过取样正极线和负极线上采样电阻的电压值经放大并输出电压差值，并用模拟漏电支路，从而实现当漏电电流大于给定动作电流时，该电压差值大于对应某个电压值，再通过电压比较判断后，切断负载的电源通路，并另实现排除漏电故障后按复位按键恢复对负载供电的功能。
二、方案论证
1 设计题目要求
设计题目要求设计并制作一台线性直流稳压电源和一个漏电保护装置，电路连接如图1 所示。图中RL 为负载电阻、R 为漏电电流调整电阻、A 为漏电流显示电流表、S 为转换开关、K 为漏电保护电路复位按钮。
1.1 基本要求
设计一台额定输出电压为 5V，额定输出电流为 1A 的直流稳压电源。
（1）转换开关 S 接 1 端，RL 阻值固定为 5Ω。当直流输入电压在 7~25 V 变化时，要求输出电压为 5±0.05V，电压调整率 SU≤1%。
（2）连接方式不变， RL 阻值固定为 5Ω。当直流输入电压在 5.5~7V 变化时，要求输出电压为 5±0.05V。
（3）连接方式不变，直流输入电压固定在 7V，当直流稳压电源输出电流由1A 减小到 0.01A 时，要求负载调整率 SL≤1%。
1.2 发挥部分
设计一个动作电流为 30mA 的漏电保护装置 （使用基本要求部分制作的直流稳压电源供电，不得使用其他电源）。
（1）转换开关 S 接 2 端，将 RL 接到漏电保护装置的输出端，阻值固定为20Ω，R 和电流表 A 组成模拟漏电支路（见图 1） 。调节 R，将漏电动作电流设定为 30 mA。当漏电保护装置动作后，RL 两端电压为 0V 并保持自锁。 排除漏电故障后， 按下 K 恢复输出。要求漏电保护装置没有动作时，输出电压≥4.6V。
（2）要求漏电保护装置动作电流误差的绝对值≤5%。
（3）尽量减小漏电保护装置的接入功耗。
2 总体设计方案
2.1 设计思路
根据题目要求，本装置包括直流稳压电源和漏电保护装置两部分。
2.2 设计方案
2.2.1直流稳压电源方案选择
方案1：采用LM7805三端稳压器。LM7805可提供DC5V输出电压，应用范围广，且内含过流和过载保护电路。带散热片时可持续提供1A电流。但它产生的直流5V电源很难保证电压调整率和负载调整率的要求。
方案2：采用电压串联负反馈线性直流稳压电源设计。采用大功率场效应管 K790作为主要控制器件，利用TL431产生2.5V电压基准，将输出电压采样反馈并与基准电压比较，比较器输出控制场效应管，从而实现线性稳压电源。由K790的参数资料，最大导通电阻为0.4Ω，根据题意，最大负载电流为1A时，最大压差为0.4V，满足输入输出最小压差为0.5V的指标要求，K790的最大功耗150W，最大电流15A，也满足题目要求。
经以上分析比较，决定采用方案2。
2.2.2 漏电保护装置方案设计
根据题目要求，先检测电源正极线路上的电流和电源负极线路上的电流，分别通过差分放大和同相放大，获得两个电流线性对应的电压值，并再次通过差分放大电路，计算两个电压差值Uab，利用模拟漏电支路，调节漏电电流达到30mA时，调节并联在电源两端的电位器分压出的电压，设定使其略小于此时的Uab值，从而触发电压比较电路输出高电平，驱动执行漏电保护动作，切断负载电源。如图表1所示。
三、 单元电路设计
3.1 直流稳压电源电路
3.1.1电路原理及功能说明
TL431输出2.5V基准电压。K790作调整管。在电路上电过程中，误差运放的同相端经由取样电阻R3、R7对输出电压Uo采样，再与2.5V基准电压比较后输出放大信号，控制调整K790的G极电压，使输出电压Uo保持稳定。即，当Vout增大，LM358 的2号端电压增大，1号端输出电压减小，K790的G、S极间电压Ugs减小，Id减小，从而Vout减小。反之亦然。即：
3.1.2元件选取与计算
根据TL431的资料参数，其最大工作电流可达150mA，根据输入电压变化范围在5.5~25V的要求，考虑到尽量降低系统功耗，所以使TL431最低工作电流不小于3mA，故取
调整管的选择：根据K790的资料参数
最大功耗P=150W
最大漏极电流Id=15A
电压Uds最大值：500V
DS极间开启电阻Ron最大值0.4Ω
符合题目要求。故调整管选择K790。
考虑题目要求尽量降低系统功耗，取R7=10kΩ，因R7、R3间电压稳定时为基准电压2.5V，为输出5V电压，电位器R3最大阻值要大于R7，取20kΩ。
3.2 正负极电流采样并放大电路
3.2.1电路原理及功能说明
如图表3所示，负载电流出、进回路上各加一个小阻值的分流电阻，使用 INA138电流传感器对正极电流采样放大，使用LM324对负极电流采样放大。右边两个运放作为电压跟随器。
3.2.2元件选取与计算
题目要求当负载固定为20Ω，且漏电保护装置没有动作时，输出电压≥4.6V，即
得 采样电阻
考虑到实际电路连接线的阻值及测量误差等其它因素的影响，给出一定的设计余量，所以取采样电阻为0.1Ω。
而负载固定为20Ω时，负载电流约为 ，故采样电阻上采样的电压约为0.025V，
而当达到漏电关断电流为30mA，正极采样电阻上电压变化值为 ，
且考虑到电源为5V，故确定把采样信号放大倍数设为 ，此时获得的对应漏电时正极采样放大电压的变化值可达0.3V左右，利于提高漏电保护动作执行的判断精度。
如上图表4为INA138简要原理图，由其计算公式 ，为使正极采样放大倍数为100，取图表3中R1=500kΩ。
同样为使负极采样放大倍数为100，由同相放大电路的计算方法，有 ,故取R7=1KΩ，R8=100KΩ。
3.3 差分放大电路
3.3.1电路原理及功能说明
如图表5，LM358左边运放计算Va-Vb，右边运放作电压跟随器。
3.3.2元件选取与计算
3.4漏电保护电路
3.4.1电路原理及功能说明
如图表6，利用模拟漏电支路，调节漏电电流达到30mA时，调节电位器R11分压出的电压，设定使其略小于此时的Vab值，从而触发电压比较器LM311的7端输出高电压，MCR100-8晶闸管导通，继电器工作，切断了负载电源，此时晶闸管保持自锁。而当排除故障后，按下K2复位键时，Q3的9013截止，晶闸管截止，继电器不工作，恢复了对负载的供电。
3.4.2元件选取与计算
由题目要求尽量减小漏电保护装置的接入功耗，取R10=1kΩ，R12=1kΩ，电位器R11=20kΩ。
四、整机电路
4.1整机电路图
4.2元件清单
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
接电流表 Header, 2-Pin P11 HDR1X2 Header 2 1
接负载 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 双运放 U6, U12, U13 DIP8 LM358 3
4.3 电路实现的功能和系统使用说明
五、性能指标的测量与分析
5.1 电路测试
测试漏电保护装置电路部分。
5.1.1 测试使用的仪器
表格 3测试使用仪器
序号 仪器名称 数量
1 直流稳压电源 1
2 数字万用表 2
5.1.2指标测试步骤、测量数据与分析
（1）接入20Ω负载，电源输入7V，调节稳压电源部分，使输出5V直流稳压。
先不接电流表，测量无漏电时Va、Vab工作点电压。
测量漏电时工作点电压时，接电流表，调节模拟漏电部分R13电位器，使电流表达到近30mA（如调试时继电器工作导致负载电源断开，可先按住复位键，再测量）。
工作点 理论数据 测试数据
Va（无漏电时） 2.5V 2.532V
Va（漏电达近30mA时） 2.8V 3.015V
Vb 2.5V 2.117V
Vab（无漏电时） 0V 0.421V
Vab（漏电达近30mA时） 0.3V 0.539V
（2）再调节漏电保护电路部分的LM311的第3端所连电位器，使第3端此处电压略小于漏电达近30mA时的Vab电压值。此时漏电保护电路的初始化调试完成。调节模拟漏电部分R13电位器，使电流表测量的电流值约为25mA，按复位键，此时测量负载两端电压Vo1,再慢慢调节R13电位器，使电流表测量电流值慢慢增大到题目要求的 内的某个值时，听到继电器里开关跳闸的声音，记录此时测量负载两端电压Vo2。如下表：
工作点 理论数据 测试数据
负载两端电压Vo1 ≥4.6V 4.821V
负载两端电压Vo2 0V 0V
测量结果符合题目要求。
5.1.3 故障分析及处理
（1）正极采样电路一开始使用LM324运放放大，但正常时和漏电时测出的Va电压值虽然有2V多，但两者变化值不大，只有零点零几伏的小变化。所以改用INA138作正极电流采样，电压变化值可达明显约0.5V。
（2）负极电流采样的同相放大电路，一开始测Vb值的时候，无论怎么改那两个电阻值即改放大倍数，Vb值总在3.7V左右，经检查电路发现是下方0.1Ω电阻右侧接LM324第5脚那个线断路了。因为是制PCB感光板，打印电路图时可能是打印机问题导致此线断了。经用焊锡修补，测Vb值的结果正常了。
（3）LM358差分输出电压测量时一开始是0V，经检查，两输入端接反，即R21和R24接错了，LM358的2脚和1脚间的电阻改为接2脚和4脚，3脚和4脚间的电阻改为接3脚和1脚。故障排除。
（4）PCB板上的模拟漏电电路部分的电位器接的正电压画错成直接按稳压出的5V而不是接负载正极端，所以这部分改成在面包板上接线调试。
六 课程设计总结
本次课程设计中遇到的主要问题是正极电流采样电路，一开始时用面包板调试LM324搭建的差分放大电路，使用的不是0.1Ω和20Ω电阻，而是k级电阻和电位器，虽然输出的差分电压正常，但没测试模拟漏电时的差分电压变化值会不会太小，所以做出的PCB板正极电流采样部分改用了外接INA138作放大。另一个问题是测试漏电保护电路部分时， LM311的2号脚一开始被我置空，而我误以为是0V，纠结为何3号脚-端电压比2号脚+端电压高，而LM311却输出高电平，后来排查才知+端悬空不能算是0V，须接地，才能输出低电平。稳压电源部分，K790封装搞错，D和S脚接反，且未考虑K790的Ugs开启电压，导致输入8V以下时输出电压小于5V，且负载小时输出电流不够，经Multisim仿真调试，应接上一运放，使形成负反馈的同时能使GS极电压能大于开启电压。通过本次课设，学会了实验室手工制PCB感光板的全过程，加深了对电路分析调试的经验。
参考文献
[1] 童诗白，华成英 主编.模拟电子技术基础，第4版.北京：高等教育出版社，2006
[2] 胡仁杰 堵国樑 主编.全国大学生电子设计竞赛优秀作品设计报告选编，2013.南京：东南大学出版社，2014
