编号：131702
直流稳压电源及漏电保护装置（
2013年 9 月07日
L 题）
摘要
直流稳压电源工作流程为降压、整流（把交流电变直流电），输入滤波、三端稳压器稳压、输出滤波五部分。通过整流后得电流幅值变化很大，所以需要用电容对电流进行滤波。然后输出即可。国内外多年的运行经验表明，推广使用漏电保护器，对防止触电伤亡事故，避免因漏电而引起的火灾事故, 具有明显的效果。本文就广泛使用的电流型漏电保护器。
关键词： 整流 滤波 LM317 W7805 电流型漏电保护器
Abstract
dc regulated power supply working process as step-down and rectifier (ac to dc), input filter, three-terminal voltage regulator, voltage regulator, output filter for five parts. After rectifying current amplitude changes a lot, so need to use for capacitance current filter. Then the output. Many years of operating experience at home and abroad show that promote the use of the leakage protector, to prevent to get an electric shock accident, avoid fire accident caused by leakage, has obvious effect. In this paper, the use of current mode leakage protector.
Keywords: rectifier filter LM317 W7805 current mode leakage protector
目录
一、系统方案设计与论证 ................................... 1 1. 整体设计 ........................................... 1 2. 方案设计 ........................................... 1 二、直流电压电路分析 ..................................... 2 1.将220V交流电转换成5.5V-25V直流电可调 .............. 2 2.将5.5V-25V直流电可调转换成直流5V稳压输出 .......... 5 3.应用电路拓展 ........................................ 5 三、功率测量及显示电路 ................................... 5 1.真有效值转换器 ...................................... 5 2.单片机系统 .......................................... 7 四、漏电保护装置 ......................................... 7 五、存在的问题 ........................................... 9 六、心得体会 ............................................. 9 参考文献 ................................................ 10
一、系统方案设计与论证
1. 整体设计
图1 系统整体设计图
2. 方案设计
2.1元件性能分析 2.1.1色环电阻
电阻值计算示意图下如图所示： 棕红 橙 黄 绿 兰 1 2 3 4 5 6 紫 7 灰 8 白 9 黑 0 % 金 5银 10% 2.1.2桥式整流器
图2 原理图
桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路。用来将交流电转变成直流电。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。
桥式整流器是由多只整流二极管作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率桥式整流器在绝缘层外添加金属壳包封，增强散热。桥式整流器品种多，性能优良，整流效率高，稳定性好，最大整流电流从0.5A到50A，最高反向峰值电压从50V到1000V。
2.1.3电解电容
电解电容是电容的一种，介质有电解液，涂层有极性，分正负，不可接错。电容(Electric capacity)，由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成
2.1.4瓷片电容
陶瓷电容无极性。陶瓷电容的容量一般较小，用于信号源滤波，可用于消除
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高频干扰。
2．1.5 LM317三端正电压稳压器
lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。
首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。
其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。
在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保
护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。
元件清单表
二、直流电压电路分析
1.将220V交流电转换成5.5V-25V直流电可调
220V的交流电从直流稳压电源插头送到变压器的初级线圈，并从次级线圈感应出经约9V的交流电压送到4个二极管。二极管在电路中的符号有短线的一端称为它的负极（或阴极），有三角前进标志的一端称为它的正极（或阳极）。基本作用是只允许电流从它的正极流向它的负极（即只能按三角标示的方向流动），而不允许从负极流向正极。我们知道，交流电的特点是方向和电压大小一直随时间变化，用通俗的话说，它的正负极是不固定的。但是不管从变压器中出来的两根线中哪根电压高，电流都能而且只能由D3或D4流入右边的电路，由D1或D2流回去。这样，从右边的电路来看，正极永远都是D3和D4连接的那一端，负极永远是D1和D2连接的那一端。这便是二极管整流的原理。
二极管把直流稳压电源交流电方向变化的问题解决了，但是它的电压大小还在变化。而电容器有可以存储电能的特性，正好可以用来解决这个问题。在电压较高时向电容器中充电，电压较低时便由电容器向电路供电。这个过程叫作滤波。图中的C1便是用来完成这个工作的。
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经过C1滤波后的比较稳定的直流电送到三端稳压集成电路LM317T的Vin端(3脚)。LM317T是一种这样的器件：由Vin端给它提供工作电压以后，它便可以保持其+Vout端(2脚)比其ADJ端(1脚)的电压高1.25V。因此，我们只需要用极小的电流来调整ADJ端的电压，便可在+Vout端得到比较大的电流输出，并且电压比ADJ端高出恒定的1.25V。
图3 可调电压电路框图
图4 可调电压波形图
图5可调电压具体电路图
电容便通过负载电阻放电，其电压也开始下降，趋势与电容两端电压基本相同
LM317的输出电压可以从1.25V连续调节到37V。其输出电压可以由下式算出：
输出电压=1.25×（1+ADJ端到地的电阻/ADJ端到+Vout端的电阻）。
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图6 LM317内部电路图
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2.将5.5V-25V直流电可调转换成直流5V稳压输出
W7805是单电压+5V稳压集成块，这是一个输出正5V直流电压的稳压电路。IC采用集成稳压器W7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，R为负载电阻。当输出较大时，W7805应配上散热板。
图7 W7805原理图
图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。这样标注便于记忆。引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。W7805引脚正确的顺序：1脚接输入，2脚接地，3脚接输出。
3.应用电路拓展：为提高输出电压的应用电路。
稳压二极管VD1串接在W7805稳压器2脚与地之间，可使输出电压Uo得到一定的提高，输出电压Uo为W7805稳压器输出电 压与稳压二极管VC1稳压值之和。VD2是输出保护二极管，一旦输出电压低于VD1稳压值时，VD2导通，将输出电流旁路，保护lm7800稳压器输出级不被 损坏。
为输出电压可在一定范围内调节的应用电路。由于R1、RP电阻网络的作用，使得输出电压被提高，提高的幅度取决于RP与R1的比值。调节电位器RP，即可一定范围内调节输出电压。当RP=0时，输出电压Uo等于W7805稳压器输出电压；当RP逐步增大时，Uo也随之逐步提高。
三、功率测量及显示电路
功率测量及显示电路由真有效值转换电路和单片机系统组成。
1.真有效值转换器 选用高精度的AD637芯片，其外围元件少、频带宽，精度高于0.5％。
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图8 5l 单片机流程图
图9 AD637芯片外围扩展图 6
真有效值转换电路 2.单片机系统
本系统主要由 C5l 单片机、可编程逻辑器件 EPM7128、A/D 转换器AD574 和键盘显示接口电路等组成。经AD637进行有效值变换后的模拟电压信号送A/D转换器AD574，由C51控制AD574进行模/数转换，并对转换结果进行运算处理，最后送显示电路完成功率显示。其中EPM7128完成地址译码和各种控制信号的产生，62256用于存储数据的处理。
键盘显示电路用于调试过程中的参数校准输入，主要由显示接口芯片8279，4×4键盘及8位数码管显示部分构成。
⑶ 软件设计 本系统用软件设计了特殊功能键，通过对键盘的简单操作，便可实现功率放大器输出功率的直接显示(以十进制数显示)，精确到小数点后4 位，显示误差小于4.5％。 本系统软件采用结构化程序设计方法，功能模块各自。软件主体流程图如图17所示。
系统初始化：加电后完成系统硬件和系统变量的初始化。其中包括变量设置、标志位设定、置中断和定时器状态、设置控制口的状态、设置功能键等。
等待功能键输入：由键盘输入命令和校准参数。 控制测量：由单片机读取所设定的数值，进行数据的处理。
显示测量结果：ATC51控制8279显示接口芯片，使用8位数码管显示测量的输出功率。
四、漏电保护装置
1.用于防止触电事故的漏电保护装置只能作为附加保护。加装漏电保护装置的同时不得取消或放弃原有的安全防护措施。
漏电保护装置是用来防止人身触电和漏电引起事故的一种接地保护装置，当电路或用电设备漏电电流大于装置的整定值，或人、动物发生触电危险时，它能迅速动作，切断事故电源，避免事故的扩大，保障了人身、设备的安全。因此，漏电保护开关的正确选用和维护管理工作是搞好农村安全用电的主要技术、管理措施。 一、漏电保护装置的正确选用
2.漏电保护装置的选用，应根据系统的保护方式、使用目的、安装场所、电压等级、被控制回路的漏电电流以及用电设备的接地电阻数值等因数来确定。
2.1根据使用目的来选择
用于防止人身触电事故的漏电保护装置，一般根据直接接触保护和间接接触保护两种不同的要求选用，在选择动作特性时也应有所区别。
2.1.1直接接触保护是防止人体直接触及电气设备的带电导体而造成的触电伤亡事故，当人体和带电导体直接接触时，在漏电保护装置动作切断电源之前，通过人体的触电电流和漏电保护装置的动作电流选择无关，它完全由人体触电的电压和人体电阻所决定，漏电保护装置不能通过人体的触电电流，所以用于直接接触保护的漏电保护装置，必须具有小于0.1S的快速动作性能，或具有IEC漏电保护装置标准规定的反时限特性。
2.1.2间接接触保护是为了防止用电设备在发生绝缘损坏时，在金属外壳等外露金属部件上呈现危险的接触电压。漏电保护开关的动作电流I△n的选择应和用电设备的接地电阻R和允许的接触电压U联系考虑，用电设备上的接触电压U要小于规定值。漏电保护器的动作电流I△n的选择：I△n≤U/R其中：U——允许接触电压 R——设备的接触电阻一般对于额定电压为220V或380V的固定
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式电气设备，如水泵、磨粉机等其他容易与人体接触的电气设备，当用电设备金属外壳的接地电阻在500Ω以下时，可选用30～50mA,0.1s以内动作的漏电保护装置；当用电设备金属外壳的接地电阻在100Ω以下时，可选用200～500mA的漏电保护装置；对于较重要的用电设备，为了减少瞬间的停电事故，也可选用动作电流为0.2s的延时型保护装置。家庭使用的用电设备由于经常带有频繁插进拨出的插头，同时，部分居民住宅没有考虑接地保护设施。当用电设备发生漏电碰壳等绝缘故障时，设备外壳可能呈现和工作电压相同的危险电压，极易发生触电伤亡事故，因此，电气设备安装规程中规定，必须在家庭进户线的电能表后面，安装动作电流为30mA和0.1S以内动作的高灵敏型漏电保护开关。
2.2根据电路和用电设备的正常泄漏电流来选择
2.2.1漏电保护装置的动作电流选择得越低，当然可以提高开关的灵敏度。然而，任何供电回路和用电设备，绝缘电阻不可能无穷大，总会有一定的泄漏电流存在。所以从保证电路的稳定运行和提供不间断的供电来讲，漏电保护装置的动作电流选择要受到电路正常泄漏电流的制约。
2.2.2由于测定电流的泄漏电流，必须有较复杂的测试方法或使用专用测试设备进行测量，为选用方便，可参照下列经验公式：对于照明电路和居民生活用电的单相电路：I△n≥IH/2000对于三相三线制或三相四线制的动力线路及动力和照明混合线路：I△n≥IH/1000其中：I△n——漏电保护开关装置动作电流IH——电路的实际最大供电电流一般家庭供电电路，如果使用3A电能表的用户，正常情况下每户泄漏电流约在1mA左右，原则上，在家庭单相电路中的泄漏电流超过电路最大供电电流的1/3000时，应对电路进行检修。
3．电保护开关投入运行后的管理
漏电保护开关投入运行后，必须进行有效的管理，确保漏电保护保持良好的运行状态，真正起到保护的作用。管理工作主要有以下几个方面：
3.1护开关在投入运行后，应自觉建立运行记录并健全相应的管理制度； 3.2护开关投入运行后，在通电状态下，每月须按动试验按钮一至二次，检查漏电保护开关动作是否正常、可靠，尤其在雷雨季节应增加试验次数；
3.3析漏电保护开关的运行情况，及时更换有故障的漏电保护开关； 3.4护开关的维修应由专业人员进行，运行中遇有异常现象应找电工处理，以免扩大事故范围；
3.5其他不明原因使漏电保护开关动作后，应作检查分析；
3.6护开关动作后，经检查未发现事故原因时，允许试合闸一次，如果再次动作，应查明原因，找出故障，必要时对其进行动作特性试验，不得连续强行送电，除经检查确认为漏电保护开关本身发生故障外，严禁私自撤除漏电保护开关强行送电；
3.7漏电保护开关在运行中的动作特性及其变化，应定期进行动作特性试验。特性试验项目包括：测试漏电动作电流值、测试漏电不动作电流值、测试分断时间；
3.8护开关进行动作特性试验时，应使用经国家有关部门检测合格的专用测试仪器，严禁利用相线直接触碰接地装置的试验办法；
3.9漏电保护开关除按漏电保护特性进行定期试验外，对断路器部分应按低压电器有关要求定期检查。以下是漏电保护装置电路图：
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五、存在的问题
该电路在设计中不够完善，还存在较多的问题，包括漏电保护电路的欠缺，可调电压不是很完整等。由于时间有限，部分重要的电路元器件无法按时获得，在一定程度中影响了电路的性能和电路完成的进度。但是在老师和同学们的努力下还是克服了诸多的困难，实现了电路的主要性能。通过该电路的学习和设计，我们确实得到了锻炼，懂得了什么是团结，什么是真正能力的提高，感谢组委会给我们这次展现能力的机会。
六、心得体会
本次课程设计涉及到所学的电路及模拟电路知识。在学习方面，通过查阅书籍，网上资料等方法了解了相关的电路知识并巩固了所学的电子知识。在实物制作过程中，通过对元件的选购了解了一些相关元件的性能、作用、价格以及购买地点等信息。例如在元件方面学习到色环电阻的计算、LM317的性能原理、电容在电路中的作用等等。制作过程涉及到电焊、组装，进而强化了动手能力。
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参考文献
[1] 华成英 童诗白，模拟电子技术基础，北京，高等教育出版社，2006 [2] 陈大钦, 电子技术基础实验，北京，华中理工大学电子学教研室,2007
[3] 夏路易 石宗义,电路原理图与电路板设计教程，北京，北京希望电子出版社，2002 [4] 梁正习. 漏电保护器应用技术. 北京：化学工业出版社，1995，14-34
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