全保护多功能直流电源系统

设计名称： 全保护多功能直流电源设计 姓 名： 曾佑峰 学 号： 20114354 专业班级： 2011级电子信息工程二班 院（系）： 计算机与信息工程学院 设计时间： 2014年4月23日 设计地点： 中南林业科技大学

指导教师评语： 成绩： 签名： 年 月 日 1

全保护多功能直流电源系统

目录

一、主要内容

二、基本原理

三、电路原理图

四、各参数计算

五、总结

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一、 主要内容

1、 电源是电子设备的重要组成部分，直接影响着电子设备的工作质量，因此，越来越受到

人们的重视。各国的电子设计人员不断地研究开发新型电源， 包括新的电路理论、新的器件和新的电路方案。直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。本设计主要采用晶体稳压构成稳压电路，通过变压，整流，波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可调范围5-12V。 2、电源的输出指标：输出+12V，-12V，+5V固定电压的直流稳压电压源；

输出输出电压从1.25V到12V可调的直流稳压正电压源； 输出输出电压从-1.25V到-12V可调的直流稳压负电压源； 输出电流从2mA到40mA可调的直流电流源； 输出电压约为+16V，-16V的直流电压源 输出电压为12V的交流电压源

二、 直流稳压电源的基本原理

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系统框图

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2、 各部分电路原理

a、整流滤波电路

把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路按其组成器件可分为不控整流电路、半控整流电路和全控整流电路。后两种电路按其控制方式又可分为相控整流电路和斩波整流电。相控整流电路由于采用电网换相方式，不需要专门的换相电路，因而电路简单、工作可靠，得到广泛应用。但相控整流电路在控制用α较大时，功率因数较低，网侧电流谐波含量较大。因而在大功率调速传动中，低速运行时，采用斩控整流电路可解决功率因数变坏的问题。整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样；按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种，按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压器二次侧电流的方向是单相或双相，又分为单拍电路和双拍电路；实用电路是上述的组合结构。

滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。滤波电路形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入式（电感器L接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，仅用一电感器与负载串联）。 整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。各滤波电容C满足RL-C＝（3~5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。

整流滤波电路

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b、稳压电路

如图是串联稳压电源电路图，其中T1是调整管，D1和R2组成基准电压，T2为比较放大器，R3～R5组成取样电路，R6是负载。其电路组成框图如图。假设由于某种原因引起输出电压UO降低时，通过R3～R5的取样电路，引起T2基极电压（UT2）O成比例下降，由于T2发射极电压（UT2）E受稳压管D1的稳压值控制保持不变，所以T2发射结电压（UT2）BE将减小，于是T2基极电流（IT2）B减小，T2发射极电流（IT2）E跟随减小，T2管压降（UT2）CE增加，导致其发射极电压（UT2）C上升，即调整管T1基极电压（UT1）B将上升，T1管压降（UT1）CE减小，使输入电压UI更多的加到负载上，这样输出电压UO就上升。当输出电压升高时整个变化过程与上面完全相反。在串联稳压电源的整个稳压控制过程中，由于增加了比较放大电路T2，输出电压UO的变化经过T2放大后再去控制调整管T1的基极，使电路的稳压性能得到增强。T2的β值越大，输出的电压稳定性越好。

串联稳压电路

c、可调电流源

可调电流源有多种不同的方法实现，本电流源由一个二极管和一个三极管实现，由电路原理图可知，由电源端到三极管基极电压由发光二极管导通电压决定，取为红色发光二极管，导通电压为1.8V，而三极管发射极到基极间的电压为0.7V，因此，三极管发射极电阻上的电压是恒定的为二极管的导通电压与三极管eb间的电压差决定，如本电路为恒定的1.1V，因此，只要调节三极管发射极电阻就可以调节三极管发射极电流（也就是三极管集电极电流），将三极管集电极电流作为输出电流。这个电路就构成

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了可调电流源。 d、 保护电路

过压与欠压故障的保护：从各电源输出端引入电压信号到电压信号检测电路，由于有多个电压，所以可以选用加法器来进行检测，得到当各电压正常时加法器的输出电压信号，当引入的电压信号不正常时，本电路的输出电压信号肯定会发生变化，将这个信号引入到过压比较器和欠压比较器，比较器的输出信号状态就可以是一个反映主电源各电压是否在正常范围内的信号。这种方法的优点是可以同时检测多个电压信号，只要有一个出现问题时，在这个电路的输出端都能够反映出来；但它的缺点是若几个电压信号同时出现问题，而且正好相互抵消（如一个电压升高，另一个电压降低，而且变化的量又正好使电路输出数据不变），此时电路将没有反映，达不到保护的目的，但是出现这样现象的概率是很小的，因此不会影响电路的实际使用。

过流保护电路：主电源电流流过取样电阻，这样主电流的大小可以通过取样电阻的电压反映出来，所以首先通过减法器检测出取样电阻上的电压值，再送到比较器，判断是否电流过大。注意，由于有正负二路电源，所以这样的电路有二路。

过流保护电路

以上各电路的输出信号经过或门送出。

或门送出的信号不能直接控制驱动器，有一个+5V电源接口是否接错电源的信号，将这个信号和或门送出的信号再送到加法器。

e、开机延时电路：由于开机时主电源输出电压并不能立即达到正常值，若不考虑这个因素，电源将无法开机。因此保护电路必须在主电源达到正常值后才开始工作，因此要设计一个保护电路工作开机延时电路。

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或门送出的信号，+5V电源接口是否接错电源的信号，开机延时信号一起送到加法器进行加法运算，加法器计算出的结果就可以反映出电路工作状态，再将这个加法器的结果送到比较器，比较器输出控制信号。

由于继电器的动作电流相对较大，运算放大器是带不起这个负载的，因此控制信号需要经过驱动电路再驱动继电器。一般使用的驱动电路采用三极管电路，让三极管处在饱和导通与截止工作状态。

f、或门的选择：可以用数字集成电路芯片，也可以用分立元件构成的或门电路。本人选用分立元件构成的或门电路，只要二个二极管就可以了，二个二极管的阳极分别接二个比较器的输出端，阴极接在一起。当二个比较器都是输出低于电平时，这二个二极管都截止，当二个比较器中有一个输出高于电平时，这二个二极管中一个导通，另一个截止，因此，连接在一起的二极管阴极一定为高电平。

g、二极管耐压的选择，当以上二个二极管中一个导通，一个截止时，处于截止状态的二极管一端的电压是高电平约为10.6V，低电平约为-10.6V，所以加在二极管上的反向电压为21.2V。所以选用的二极管反向耐压必须大于22V。

h、二极管电流的选择，因为所接负载电阻大于10K，实际流过二极管的电流小于1mA。 这个电流很小。二极管和选择：因输出电流很小，所以选用二极管4148就可以了。4148的最高反向耐压大于75V，最大电流为150mA。

三、 电路原理图

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四、 各参数计算

1、信号检测加法器的设计计算：

本电路工作电压选用+5V。 过压欠压保护电路：由运算放大器所构成的加法比例放大器电路如图所示。

将+12V，+5V，-12V信号分别从电阻R3，R4，R5的一端加入，为了计算方便，取R3=R4=R5，此时在正常状态下，同相输入端“3”的电压的计算方法是：分别计算各

信号单独作用时在同相输入端“3”的电压。注意，计算+12V单独作用时，R4，R5与R6相当于是并联的，所以单独产生的电压是U1R4//R5//R612

R3R4//R5//R6计算-12V单独作用时，R3，R4与R6是并联的，所以单独产生的电压是

U2R3//R4//R6(12)

R5R3//R4//R6R3//R5//R65

R4R3//R5//R6计算+5V单独作用时，R3，R5与R6是并联的，所以单 独产生的电压是U3所以加法电路的输出结果（U1A运算放大器同相输入端的电压）等于这三个电压单独所产生的结果之和

UU1U2U3

由于选用的R3，R4，R5是相同的，所以+12V单独作用与-12V单独作用将相互抵消，所以

UU3

将R3，R4，R5，R6的数值代入计算式后得

U+ = 1.07V

这个加法比例放大器电路电路的输出电压高不能超过3.5V，要留有一定的余地，最好是不超过3V，低不能低于1V，本人选择2.7V左右。

同相输入端“3”的电压.为上述结果之和。加法器的输出电压设计在较中间的值，如2.68V

（实际上在2V—3V之间都比较合适）。以此确定R1和R2的值。

注意：UO=(1+R1/R2)Ui

则放大倍数为2.7/1.07＝2.5

因此，R1与R2的比值为1.5。选用R1 = 30K。 R2 = 20K 。此时输出电压理论值为2.68V。

上述讨论可知，在电源+12V，-12V，+5V电压处于正常值时，加法比例放大器电路输出电压为2.68V，当这几个电压有变化时，加法比例放大器电路的输出电压也将发生变化。当电压变化1V时，加法比例放大器电路输出电压变化的电压值为

(2.68 / 5)*1= 0.536V

因此选用加法比例放大器电路输出电压可变化的范围为0.3V左右，即加法比例放大器电路输出电压的变化范围是2.4 — 3.0V。因此加法比例放大器电路后面接二个比较器，

一个比较器的比较电压是3.0V，当加法比例放大器电路输出电压低于3.0V时，比较器输出低电平，当加法比例放大器电路输出电压高于3.0V时，比较器输出高电平。

一个比较器的比较电压是2.4V，当加法比例放大器电路输出电压高于2.4V时，比较器输出低电平，当加法比例放大器电路输出电压低于2.4V时，比较器输出高电平。 2、一般减法器的设计与计算

如图示，若要实现 U0aU1bU2确定各电阻的阻值。

由“虚断路”（即运算放大器的二个输入端电流为0），电阻R1，R2对U1分压得同相输入端电位为UR2U1

R1R210

由“虚短路”（即运算放大器的二个输入端电压为0）得反相输入端电位也为UR2U1

R1R2由电阻R3电流与R4电流相等得

U0UUU2R 4R3UR2U1R2U10即

RU21R2RR1R2 4R3U0(R1R2)R2U1RR2U1U2(R1R2) 4R3UR2U1R(RR2)R4U20(R1R2)R42U11R 3R3 UR2(R3R4)R0(RRU14U2

12)R3R3因此，只要取

R4bR3

R2(R3R4)aR3(R1R2) 取U0U1U2 R310K 则 R410K

22R20.7*10(R1R2) 取 R214K 则 R130K 3、基极电阻R18的计算

当信号为高电平时，让三极管饱和导通，即基极电流的β倍大于集电极电流。 集电极电流 ＝ 继电器电流约20mA + 蜂鸣器电流（不大于20mA) 集电极电流以40mA计算，β以最小值64计算， 则最小基极电流为 ＝ 40 / 64 = 0.63mA R18的最大值为 ＝ 10.6 / 0.63 = 16.8(K)

取 R18 = 12K。

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4、延时时间的计算：图中的R17和C2二个器件就是延时电路的主要器件。由于这个电路的作用，电阻R14左端的电压在开机时其电位是从0开始逐渐开始升高，最后达到5V的，从前面的讨论中可知，若在开机时，由于保护电路将检测到非正常的主电源电压而在由四个二极管构成的或门输出高电平信号，但这个高电平信号单独作用时在控制电路中的加法电路中产生的电压只有1.95V，比比较电压3.43V低，保护电路不会动作。

首先计算电容器充电到多大电压时，比较器状态转换，即同相端的电压达到比较电压值3.43V，也即这个电压（R14左端电压）单独作用时，在同相端产生的电压为

3.43V—1.95V = 1.48V，

1.95V是四个二极管构成的或门输出的高电平单独产生的同相端的电压。

这个1.48V电压就是R14左端电压单独作用时产生的电压，设R14左端电压为U。则 1.48=U*R15//(R13+R16)/(R14+R15//(R13+R16))

=U*50/150=U/3 得U=4.44V

即当电容充电到4.44V后可能继电器就动作，而在电容器充电到4.44V之前是不会动作的。

电容充电到4.44V需要多长时间？

估算，因这个电压正好是电源电压的百分之六十多，也就是RC电路的时间常数所表示的时间。这个时间常数为RC=30K*100uF=3S。但实际时间比这个时间长，这个只是一个时间数量级的计算。这个延时时间已经足够长了。

准确的开机延时时间的计算： 电容等效充电电路图如图所示。

设任意时刻t电容器上电压为uC，则在任意时刻t应满足以下电流关系式

UCCuCuCduCC ①

R1R2dt因R1=R2=R，整理得

RCduC2uCUCC0 ② dt这是一个一阶非齐次微分方程，对应的一阶齐次

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微分方程为

RCduCdt2uC0 ③ 其解为

lnuC2RCtU ④ 2tuCU(t)eRC ⑤

代入一阶非齐次微分方程，

2t2t2tRC{U/(t)eRC2eRCU(t)}2U(t)eRCRCUCC0整理得 RCU/(t)e2tRCUCC 2t得到 U/(t)UCCRCeRC 2t两边同时积分得 U(t)UCC2eRCU1 U2t将⑨代入⑤得 uCCC2U1eRC 当t = 0时，uC0 得U1UCC2 最后得 uUCCC2(1e2tRC) 将R，C，UCC数据代入等式得

u2tC6(1e15)

2t当Uc = 4.44V时， 0.26e15

2t 3.846e15 ln3.8462t/15 1.347 = 2t/15 t = 10.1(秒) 若取电容为22uF，则计算得 t = 2.22(秒)

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五，总结

此次课程设计给我带来了很大的收获，让我学到了很多，不仅掌握了简单的电子电

路的设计与制作，也掌握了一些典型电路的应用。在制作电路时，我了解到对于原理的理解是十分重要的。只有深入的理解直流稳压电源的原理，才能准确的明确电路中各个元器件之间的作用与相互关系，才能准确的应用公式推算出每个元器件的参数，从而才能准确的选出与之对应的型号。计算参数时要仔细并还要有耐心，不能急于求成，只要做到了这些才能保证参数的准确性。经过此次设计，可以说是收益匪浅，既培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力，和实际联系起来，也比较清楚的认识到自己掌握这方面知识的程度，要继续加强动手能力，思考能力，同时也体现了同学之间的团结互助精神。有了这一次的设计，相信对以后的课程设计、毕业论文以及毕业答辩等有很大帮助。

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