一種具有過流保護的數顯可調電源模塊設計

鄒志斌 祝香港 郭宗蓮

摘要：針對各高職院校電子電路實驗箱中電源使用中存在的問題和不足，提出了一種具有過電流保護的、電壓可調的、帶實時數字顯示的獨立電源模塊設計方案，并且進行了詳細的電路設計，設計完成的電源模塊能夠輸出7.5V的交流電壓、+5V的直流電壓、0-30V可調直流電壓，并能夠測試實驗過程中使用導線的通斷，該電源模塊能夠滿足多種實驗電路的供電需要，減少實驗中由于連接導線帶來的故障，提高實驗效率。

關鍵詞：過電流保護;實時數字顯示;電壓可調

0? 引言

對于各類高職院校的電氣類、電子類、通信類等專業的學生而言，都需要學習《電路基礎》、《模擬電子技術基礎》、《數字電子技術基礎》這些專業基礎課，同時也要進行相關的電子電路實驗。對每一種電路而言，都需要有電源供電才能正常工作，而不同電路需要的電源電壓大小又有所不同，目前使用的電源基本跟其它電路一起安裝在實驗箱中的同一塊大電路板上，由于電源使用頻繁，所以經常出現故障，嚴重影響到實驗正常進行。另外，學生在實驗中可能會誤操作造成電源短路，引起火災，所以設計一款電壓可調的具有過流保護的獨立電源模塊非常必要。

1? 具有過流保護的數顯可調電源模塊整體設計

具有過流保護的數顯可調電源模塊主要是給外電路提供合適的電壓，總體可以分成電壓產生電路、過電流檢測電路、0-10V電壓調節電路、0-30V電壓輸出顯示電路、導線通斷檢測電路。其中，電壓產生電路主要是將220V交流電轉變成7.5V交流電壓和+5V、-5V、+10V直流電壓輸出或供電源模塊內部其它電路使用。過電流檢測電路主要是將實際的負載電流與設定的基準電流相比較，根據比較結果輸出一定的電壓值給0-30V電壓輸出顯示電路使用。0-10V電壓調節電路的作用主要是將+10V的基準電壓通過調節旋鈕轉換為0-10V電壓，給電壓輸出電路部分使用。0-30V電壓輸出顯示電路部分的作用主要根據過電流和-5V電壓的有無控制輸出電壓，實現缺-5V電壓時無輸出，有-5V電壓時0-30V電壓正常輸出，并顯示具體的電壓值。導線通斷檢測電路主要檢測實驗所使用的導線的通斷情況并指示出來。

2? 具有過流保護的數顯可調電源模塊各部分設計

2.1 電壓產生電路設計

電壓產生電路主要是將交流220V電壓轉變為7.5V交流電壓、+5V、-5V和+10V直流電壓。為了使各電壓盡可能相互獨立，該部分電路包含了三路整流、濾波、穩壓電路[1-2]，設計的電路如圖1所示。220V電壓經過變壓器T1后轉變為7.5V和23.5V的交流電壓，7.5V經過由D5、D6、D7、D8組成的橋式整流電路、由C2組成的電容濾波電路、7805穩壓電路后轉變為+5V的直流電壓，7.5V和+5V輸出供實驗室其它電路使用，+5V也供電源內部電路使用;23.5V經過由D1、D2、D4、D4組成的橋式整流電路、由C1組成的濾波電路、TL431可調穩壓電路后產生+10V的基準電壓供電源內部電路使用;23.5V經過R21、C4、D10組成的倍壓整流、C5濾波、1N4733穩壓管穩壓后產生-5V直流電壓供電源內部電路使用。

2.2 過電流檢測電路設計

過電流檢測電路的作用是將實際的負載電流與設定的基準電流相比較，根據比較結果輸出電壓給后續電路使用，同時指示過電流情況，設計的電路如圖2所示。基準電流由R1、R15、R22串聯實現，實際電流的取樣通過R23來實現，過電流檢測電路是由運算放大器U1實現，電路中電流的閾值計算公式為：過電流指示電路由三極管VT4和電阻R9、R13、R12、LED1組成，當實際的電流大于閾值電流時，U1輸出低電平， VT4導通，發光二極管LED1發光，指示過電流，反之，U1輸出高電平，VT4截止，LED1熄滅。改變電阻R15、R22、R23的大小可以改變電流閾值。

2.3 0-10V電壓調節電路設計

0-10V電壓調節電路的作用主要是將+10V的基準電壓通過調節多圈電位器轉換為0-10V電壓，給電壓輸出電路使用，設計的電路如圖3所示。圖中，通過電位器調節后的電壓通過R5、C10組成的RC濾波電路將0-10V電壓輸出到后續電路使用[3-4]。

2.4 0-30V電壓輸出電路設計

0-30V電壓輸出電路的作用是根據過電流輸出、0-10V電壓調節輸出、實際輸出、-5V電壓檢測電路的電壓產生輸出電壓控制信號，實現缺-5V無電壓輸出，有-5V時0-30V電壓輸出，并顯示具體數值，設計的電路如圖4所示。圖中集成運算放大器U2構成電壓比較器[5];二極管D11的作用是選擇0-10V電壓調節輸出和過電流檢測輸出的一路作為U2的同相輸入U+;R4、R6組成的反饋分壓電路將輸出電壓Vout的1/3作為U2反相輸入U-;U2的輸出和缺-5V電壓檢測電路的輸出作為0-30V電壓輸出電路的控制信號;-5V電壓檢測電路是由三極管VT3和R7、R16、R18組成;0-30V電壓輸出電路由VT2、VT1、R17、C6、D12、D13組成，其中D12、D13起保護作用;0-30V輸出電壓顯示電路是在輸出端直接外加5位數字電壓表。此部分電路的工作原理是：當無-5V電壓時，VT3導通，VT2、VT1截止，電壓無輸出;當-5V電壓正常時，如果過電流，那么U2的U+約為-5V，U2輸出約為-5V，VT2、VT1截止，0-30電壓輸出電路無輸出;當-5V電壓正常，無過流時，U2的U+為0-10V電壓的設定電壓，U2的U-為Vout的1/3，兩個電壓相比較，如果U-比設定的電壓小，那么U2輸出增加，Vout跟著增加，如果輸出電壓偏大，U2的U-比設定的電壓大，那么U2輸出減少，Vout跟著減少，實現了輸出電壓控制。電位器Rw的作用是使U2調零。

2.5 導線通斷檢測電路設計

導線通斷檢測電路的作用主要檢測實驗所使用的導線的通斷情況并正確指示，設計的具體電路如圖5所示。圖5中A、B為導線接入端，導線測試時，將導線的兩端分別接入A、B，如果導線連通，在+5V電壓的作用下，發光二極管LED2發光、蜂鳴器B1發出聲音指示導線為通。如果導線內部斷開，那么LED2熄滅、B1無聲音發出。

3? 結論

本設計完成的電源模塊經過焊接調試后，能夠實現+5V直流輸出，7.5V交流輸出和0-30V可調直流電壓輸出，能夠滿足不同電路對電源電壓的需要;還有測試實驗所用導線通斷的功能，減少了由于導線問題帶來的故障，提高了實驗效率;還有過電流保護功能，能夠有效保護實驗室實驗電路板和其它設備的安全;并且使用方便，安全可靠，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1]郭宗蓮.模擬電子技術基礎[M].北京：中國鐵道出版社，2015.1.

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[5]張靜秋.基于集成運算放大器的窗口電壓比較器的設計[J]. 電子制作，2017（4）：10-12.