过载保护可调直流稳压电源.docx

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过载保护可调直流稳压电源

过载保护可调直流稳压电源

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电路实践系列讲义

过流过压保护可调直流电压源

长沙卓天电子实践服务中心

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。

调整三极管

7805

LM317

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）。

滤波电容的容量要求：

，其中T为220V交流电周期为0.02秒，R为整流滤波电路负载等效电阻（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8.5mA，是基极电流与R2电流之和，因此R2电流必须小于2.5mA，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