2013年全国大学生电子设计竞赛
直流稳压电源及漏电保护装置（
【高职高专组】
2013年9月7日星期四
L 题）
摘 要
本设计的直流稳压电源采用TL431产生基准电压，LM358集成运放对电压进行放大，复合三极管对电流放大等3个环节组成。漏电保护装置主要由运放对其信号进行放大，通过A/D芯片进行信号的采样、量化、编码传输给单片机，通过单片机来控制1602液晶显示器显示所设置的状态及参数。
关键词：TL431 LM358 基准电压 电压放大 电流放大 AT89C51 A/D 12864
直流稳压电源及漏电保护装置（L 题）
【高职高专组】
1. 系统方案
1.1设计方案与论证
按照系统的设计功能要求，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。本模块的功率测量与显示电路主要由单片机软件系统实现，用单片机的自动控制能力配合按键控制，来控制稳压电源的输出功率。
确定设计系统主要由单片机主控模块，按键模块，A/D模块，显示模块，
漏电保护装置模块，直流稳压电源模块共6部分组成。电路框图如图1所示。
1） 直流稳压电源方案选择
方案一：我们可采取LM7805芯片来稳压，它内部由采样、基准、放大、调整和保护电路组成。保护电路具有过流、过热及短路保护功能。
方案二：可采取分立器件设计一种低压差稳压电源电路。电路器件选用常
规器件构成，成本低。结构简单。该电路经本实验测试，具有很好的负载特性和电压稳定性。该电路是由基准电压、电压放大和电流放大等3个环节组成。其中，
基准电压由TL431产生，可获得稳定的2．5 V基准输出，该直流电源稳压模块具有稳压精度高、负载特性好等特点，且电路简单。所以选择方案二。
2）显示方案选择
方案一：输出功率的显示可以用数码管，但数码管的只能显示简单的数
字，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。
方案二：我们设计的系统需要显示的信息多，所以应选用显示功能更好的 液晶显示，要求能显示更多的数据，增加显示信息的可读性，看起来更方便。而 液晶 LCD 有明显的优点：微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，字 迹美观，视觉舒适，而且容易控制。所以选择方案二。
2. 理论分析与计算
2.1 稳压电源分析计算
图2为低压层直流稳压电源电路原理图。该电路是由基准电压、电压放大和电流放大等3个环节组成。其中，基准电压由TL431产生，按图2中电路连接，当通过R0的电流在0．5~10 mA时可获得稳定的2．5 V基准输出。
输出电压的具体数值由运算放大器UA 确定，采用同相放大器的优越性在于其输入阻抗极大，可很好地将TL431输出的2．5 V电压与后级电路隔离，使其不受负载变化的影响；运放与电阻R3和R2组成比例放大环节，可对基准电压按要求进行比例放大输出，但输出电压最大不能超过运放的电源电压。
电流放大采用两个三极管，UA 通过驱动调整管VQ2控制调整管VQ1，组成反馈实现电流放大环节，对输出电压进行调节，从而实现稳压输出。二极管VD 在运放UA 低压输出时使调整管VQ2基极一发射极电压为负，使VQ2立即进入截止状态，电流Ic2迅速降低，VQ2的VCE 升高导致VQ1的基极电压升高，使 VQ1的基极电流IB 减少，进而减少输出电流ICQ1(βIB)；反之同理。RL 是输出负载，C0和C1是滤波电容。
按照图2
，可得出控制环节回路方程：
式中，Irg 为运放UA 的输出端1的输出控制电流。
由式(2)可知，Irg 通过控制VQ2啦的电流IC2控制VQ1的基极电流，IB1，R8控制调节管VQ2，进而控制VQ1的输出电流IC1，VQ2是与 VQ1形成串联负反馈，无需进一步放大VQ1的输出电流IC1，用R8对IC1分流。电路输出电压Vcc 为5 V，驱动额定负载是350 Ω，供电电源是标准7 V输出的电池。运算放大器选LM358，取R1、R2为10 kΩ，TL431电流范围是100～150 mA，
选用R1=3 kΩ，符合要求。VCC=(1+R2/R1)x2．5=5 V。合理选取R8和R9的电阻值，使VQ1和VQ2均工作在线性区。
2.2 漏电检测分析计算
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。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。漏电保护装置没有动作时，输出电压≥4.6V 。
2.3 关断保护分析计算
3. 电路与程序设计
3.1总体电路图
3.1.1 低压层直流稳压电源电路原理图
3.1.1 漏电保护装置原理图
3.2 工作流程图
4. 测试方案与测试结果
4.1调试方法与仪器
检测仪器：电压表、电流表、示波器
调试方法：将转换开关 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，我们将电压表接在RL 两端测量输出电压，测得输出电压在 5±0.05V 允许范围内，电压调整率 SU ≤1%。连接方式不变，RL 阻值固定为 5Ω。我们来调节直流输入电压在 5.5~7V 变化时，侧得也在输出电压为 5±0.05V 范围内。 连接方式不变，当我们将直流输入电压固定在 7V 时，将量程调到电流档时，我们将会发现，测得的直流稳压电源输出电流由1A 减小到 0.01A 时。
4.2 测试数据完整性
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。。
4.3测试结果分析
4.3.1测试结果（数据）
我们在5.5V 到7V 之间，7V~25V之间分别取不同的4个点，以下是随机取点电压。
1）输入电压在5.5V~7V之间时
表格 1
表格 2
3） 测量漏电保护装置的电流如下表：
表格 3
万用表测试出来的电流就从大到小的递减。而当我们滑动变阻器到160Ω左右时，我们万用表显示的电流刚好是题目要求所显示值。
4.3.2 测试分析与结论
由4.3.1测试结果可知，
2013年全国大学生电子设计竞赛
直流稳压电源及漏电保护装置（
【高职高专组】
2013年9月7日星期四
L 题）
摘 要
本设计的直流稳压电源采用TL431产生基准电压，LM358集成运放对电压进行放大，复合三极管对电流放大等3个环节组成。漏电保护装置主要由运放对其信号进行放大，通过A/D芯片进行信号的采样、量化、编码传输给单片机，通过单片机来控制1602液晶显示器显示所设置的状态及参数。
关键词：TL431 LM358 基准电压 电压放大 电流放大 AT89C51 A/D 12864
直流稳压电源及漏电保护装置（L 题）
【高职高专组】
1. 系统方案
1.1设计方案与论证
按照系统的设计功能要求，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。本模块的功率测量与显示电路主要由单片机软件系统实现，用单片机的自动控制能力配合按键控制，来控制稳压电源的输出功率。
确定设计系统主要由单片机主控模块，按键模块，A/D模块，显示模块，
漏电保护装置模块，直流稳压电源模块共6部分组成。电路框图如图1所示。
1） 直流稳压电源方案选择
方案一：我们可采取LM7805芯片来稳压，它内部由采样、基准、放大、调整和保护电路组成。保护电路具有过流、过热及短路保护功能。
方案二：可采取分立器件设计一种低压差稳压电源电路。电路器件选用常
规器件构成，成本低。结构简单。该电路经本实验测试，具有很好的负载特性和电压稳定性。该电路是由基准电压、电压放大和电流放大等3个环节组成。其中，
基准电压由TL431产生，可获得稳定的2．5 V基准输出，该直流电源稳压模块具有稳压精度高、负载特性好等特点，且电路简单。所以选择方案二。
2）显示方案选择
方案一：输出功率的显示可以用数码管，但数码管的只能显示简单的数
字，其电路复杂，占用资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。
方案二：我们设计的系统需要显示的信息多，所以应选用显示功能更好的 液晶显示，要求能显示更多的数据，增加显示信息的可读性，看起来更方便。而 液晶 LCD 有明显的优点：微功耗，尺寸小，超薄轻巧，显示信息量大，字 迹美观，视觉舒适，而且容易控制。所以选择方案二。
2. 理论分析与计算
2.1 稳压电源分析计算
图2为低压层直流稳压电源电路原理图。该电路是由基准电压、电压放大和电流放大等3个环节组成。其中，基准电压由TL431产生，按图2中电路连接，当通过R0的电流在0．5~10 mA时可获得稳定的2．5 V基准输出。
输出电压的具体数值由运算放大器UA 确定，采用同相放大器的优越性在于其输入阻抗极大，可很好地将TL431输出的2．5 V电压与后级电路隔离，使其不受负载变化的影响；运放与电阻R3和R2组成比例放大环节，可对基准电压按要求进行比例放大输出，但输出电压最大不能超过运放的电源电压。
电流放大采用两个三极管，UA 通过驱动调整管VQ2控制调整管VQ1，组成反馈实现电流放大环节，对输出电压进行调节，从而实现稳压输出。二极管VD 在运放UA 低压输出时使调整管VQ2基极一发射极电压为负，使VQ2立即进入截止状态，电流Ic2迅速降低，VQ2的VCE 升高导致VQ1的基极电压升高，使 VQ1的基极电流IB 减少，进而减少输出电流ICQ1(βIB)；反之同理。RL 是输出负载，C0和C1是滤波电容。
按照图2
，可得出控制环节回路方程：
式中，Irg 为运放UA 的输出端1的输出控制电流。
由式(2)可知，Irg 通过控制VQ2啦的电流IC2控制VQ1的基极电流，IB1，R8控制调节管VQ2，进而控制VQ1的输出电流IC1，VQ2是与 VQ1形成串联负反馈，无需进一步放大VQ1的输出电流IC1，用R8对IC1分流。电路输出电压Vcc 为5 V，驱动额定负载是350 Ω，供电电源是标准7 V输出的电池。运算放大器选LM358，取R1、R2为10 kΩ，TL431电流范围是100～150 mA，
选用R1=3 kΩ，符合要求。VCC=(1+R2/R1)x2．5=5 V。合理选取R8和R9的电阻值，使VQ1和VQ2均工作在线性区。
2.2 漏电检测分析计算
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。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。漏电保护装置没有动作时，输出电压≥4.6V 。
2.3 关断保护分析计算
3. 电路与程序设计
3.1总体电路图
3.1.1 低压层直流稳压电源电路原理图
3.1.1 漏电保护装置原理图
3.2 工作流程图
4. 测试方案与测试结果
4.1调试方法与仪器
检测仪器：电压表、电流表、示波器
调试方法：将转换开关 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，我们将电压表接在RL 两端测量输出电压，测得输出电压在 5±0.05V 允许范围内，电压调整率 SU ≤1%。连接方式不变，RL 阻值固定为 5Ω。我们来调节直流输入电压在 5.5~7V 变化时，侧得也在输出电压为 5±0.05V 范围内。 连接方式不变，当我们将直流输入电压固定在 7V 时，将量程调到电流档时，我们将会发现，测得的直流稳压电源输出电流由1A 减小到 0.01A 时。
4.2 测试数据完整性
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。。
4.3测试结果分析
4.3.1测试结果（数据）
我们在5.5V 到7V 之间，7V~25V之间分别取不同的4个点，以下是随机取点电压。
1）输入电压在5.5V~7V之间时
表格 1
表格 2
3） 测量漏电保护装置的电流如下表：
表格 3
万用表测试出来的电流就从大到小的递减。而当我们滑动变阻器到160Ω左右时，我们万用表显示的电流刚好是题目要求所显示值。
4.3.2 测试分析与结论
由4.3.1测试结果可知，