探究直流穩(wěn)壓電源及漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)重點(diǎn)分析

林俊逸 龍葵 李秋惠 藍(lán)海森

摘要：作為可給電路運(yùn)行帶來(lái)直觀影響的裝置，對(duì)穩(wěn)壓電源與保護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性不言而喻。文章便以相關(guān)裝置為討論對(duì)象，首先對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，其次圍繞設(shè)計(jì)要點(diǎn)展開(kāi)了討論，內(nèi)容涉及軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有程序設(shè)計(jì)等方面，最后通過(guò)三次測(cè)試，說(shuō)明該裝置可起到穩(wěn)壓、漏電保護(hù)的效果。希望為設(shè)計(jì)人員提供幫助，使日后所開(kāi)展電路設(shè)計(jì)工作具有理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：漏電保護(hù)裝置;直流穩(wěn)壓電源;欠壓過(guò)壓保護(hù)

前言：隨著科技的發(fā)展，社會(huì)各界對(duì)電路運(yùn)行狀態(tài)所提出要求較過(guò)去有所提高，如何確保電路得到長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)已成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點(diǎn)。事實(shí)證明，要想使電路運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到預(yù)期水平，關(guān)鍵是要對(duì)電源和保護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化，利用直流穩(wěn)壓電源對(duì)原有電源進(jìn)行替代，并確保電路所存在漏電故障可被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以處理，這也是本文選擇對(duì)相關(guān)裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行探究的原因，有關(guān)人員應(yīng)對(duì)此引起重視。

1保護(hù)裝置設(shè)計(jì)方案

為徹底解決大電流所輸出電壓不穩(wěn)定和低壓差問(wèn)題，有關(guān)人員計(jì)劃對(duì)可提供漏電保護(hù)的穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，該設(shè)備所輸出額定電流值為1A，電壓值為5V。此外，該裝置還要新增實(shí)時(shí)顯示及關(guān)斷保護(hù)等功能，其電路連接方案如下：

結(jié)合設(shè)計(jì)要求可知，該裝置的構(gòu)成模塊較多，主要有顯示電路，漏電保護(hù)，欠壓及過(guò)壓保護(hù)，斷零與缺相保護(hù)。另外，還可酌情加入單片機(jī)系統(tǒng)，穩(wěn)壓電源等模塊，確保該裝置所具有功能可達(dá)到相關(guān)要求，即：輸出電壓略低于輸入電壓，輸出波紋相對(duì)較小，反應(yīng)迅速，日常運(yùn)行所產(chǎn)生噪聲較低。

2保護(hù)裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1軟件設(shè)計(jì)

該裝置所使用編程軟件為C語(yǔ)言，由單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)繼電器啟閉狀態(tài)加以控制，基于A/D裝換對(duì)漏電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量并加以顯示。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)該裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，有關(guān)人員需要對(duì)計(jì)算機(jī)加以利用，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的方式，確保該裝置投入使用后，可長(zhǎng)期處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在信息化和科學(xué)化方面表現(xiàn)達(dá)到相關(guān)要求。在對(duì)多方因素加以考慮后，有關(guān)人員提出對(duì)兼容性理想的單片機(jī)加以應(yīng)用，在保證單片機(jī)實(shí)際應(yīng)用范圍達(dá)到預(yù)期的基礎(chǔ)上，對(duì)其運(yùn)算速度進(jìn)行提升[1]。

系統(tǒng)內(nèi)部所采取設(shè)計(jì)方案，主要是2路PWM+1280RAM+相應(yīng)復(fù)位點(diǎn)位，此外，為確保即使處于強(qiáng)干擾環(huán)境中，該系統(tǒng)仍然能夠發(fā)揮出應(yīng)有功能，有關(guān)人員決定對(duì)A/D轉(zhuǎn)化模式加以利用。將I/O灌電流數(shù)值設(shè)置為20mA，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)能力進(jìn)行增強(qiáng)的方式，賦予控制系統(tǒng)對(duì)較大電流進(jìn)行高效處理的能力，使系統(tǒng)壽命得到延長(zhǎng)。

2.3程序設(shè)計(jì)

2.3.1電路設(shè)計(jì)

對(duì)該裝置內(nèi)部電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)人員應(yīng)對(duì)以下內(nèi)容引起重視：基于開(kāi)關(guān)電源電壓對(duì)穩(wěn)壓信號(hào)進(jìn)行提升，使電壓值趨于穩(wěn)定。對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣的前提是電路處于被保護(hù)的狀態(tài)，由此可見(jiàn)，電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是信號(hào)取樣，在沒(méi)有為電路提供漏電保護(hù)時(shí)，有關(guān)人員將取樣負(fù)載值設(shè)定為5Ω，若電路存在漏電故障且處于被保護(hù)的狀態(tài)，則可將負(fù)載值調(diào)整為100Ω，確保采樣信號(hào)能夠得到準(zhǔn)確計(jì)算、及時(shí)轉(zhuǎn)換和實(shí)時(shí)顯示。單片開(kāi)關(guān)電源負(fù)責(zé)對(duì)調(diào)整模塊電壓進(jìn)行降低，為單片機(jī)提供符合其運(yùn)行需求的可靠電壓。另外，為保證穩(wěn)壓電路所具有優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，有關(guān)人員提出對(duì)該設(shè)備所具有抗干擾性能進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，酌情串聯(lián)電容、電阻或是晶體管，通過(guò)對(duì)干擾進(jìn)行降低的方式，達(dá)到精確穩(wěn)壓的目的。

2.3.2流程設(shè)計(jì)

對(duì)該裝置所使用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法，主要為線性差補(bǔ)法、誤差補(bǔ)償法，確保所采集信號(hào)可盡快得到分析，在對(duì)兩路模數(shù)間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行科學(xué)控制的基礎(chǔ)上，高效完成處理信號(hào)數(shù)字的工作，使電流值、電壓值還有功率信號(hào)得到實(shí)時(shí)顯示。另外，采集數(shù)據(jù)還包括穩(wěn)壓模塊當(dāng)前負(fù)載信號(hào)，若穩(wěn)壓模塊運(yùn)行狀態(tài)正常，則將采集所得電流值及電壓值分別記錄為和，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換的方式，確保信號(hào)處理結(jié)果符合預(yù)期。如果穩(wěn)壓電路當(dāng)前狀態(tài)為漏電保護(hù)狀態(tài)，則需要在接入相應(yīng)負(fù)載的前提下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并記錄，在此基礎(chǔ)上，對(duì)采集所得數(shù)據(jù)做A/D轉(zhuǎn)換處理，基于PID對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，確保穩(wěn)壓輸出供電效果最大程度接近理想水平。

2.4硬件設(shè)計(jì)

2.4.1穩(wěn)壓電源

在設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路時(shí)，有關(guān)人員不僅要對(duì)穩(wěn)壓和變壓引起重視，還要對(duì)濾波及整流加以考慮。通過(guò)對(duì)串聯(lián)穩(wěn)壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)并應(yīng)用的方式，使穩(wěn)壓電源所具有作用得到充分發(fā)揮。穩(wěn)壓電路的構(gòu)成模塊以基準(zhǔn)電壓和采樣為主，此外，還新增了調(diào)整與比較放大模塊。穩(wěn)壓電路對(duì)輸出電壓加以穩(wěn)定的原理，主要為負(fù)反饋原理，強(qiáng)調(diào)以采樣模塊為依托，對(duì)輸出電壓、實(shí)時(shí)變化情況加以確定，在此基礎(chǔ)上，對(duì)額定電壓、采集所得電壓信號(hào)做比較放大處理，根據(jù)經(jīng)過(guò)比較放大處理的電路輸出值，對(duì)導(dǎo)通程度進(jìn)行調(diào)整，確保電路所輸出電壓始終處于允許范圍內(nèi)，由此來(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的[2]。

2.4.2關(guān)斷保護(hù)

該電路的組成構(gòu)件，主要有按鈕K、控制電路以及開(kāi)關(guān)，而組成控制電路的構(gòu)件以場(chǎng)效應(yīng)管和繼電器為主。對(duì)圖1的2端和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接，將該裝置輸出端對(duì)應(yīng)阻值設(shè)定為20Ω，確保在電源存在漏電故障的情況下，及時(shí)觸發(fā)電路保護(hù)動(dòng)作，此時(shí)，負(fù)載兩側(cè)的電壓值可第一時(shí)間降至0V，在此期間設(shè)備始終處于自鎖定狀態(tài)。直至漏電故障被排除，方可按下按鈕K，使相關(guān)電路及設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.4.3漏電保護(hù)

對(duì)該裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)人員提出引入集成芯片對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)串聯(lián)單片機(jī)的方式，確保電路得到有效控制。漏電保護(hù)原理如下：由漏電傳感器負(fù)責(zé)采集三相四線配網(wǎng)實(shí)時(shí)電流信號(hào)，若配網(wǎng)的應(yīng)用方向?yàn)榕_(tái)區(qū)總保護(hù)，通常要將電流動(dòng)作值控制在500mA～1000mA左右，同時(shí)，將分?jǐn)鄷r(shí)間設(shè)定為0.5s。如果配網(wǎng)的應(yīng)用方向?yàn)槎?jí)保護(hù)，則可將電流動(dòng)作值調(diào)整為300mA，對(duì)應(yīng)分?jǐn)鄷r(shí)間以0.3s為宜。在對(duì)相關(guān)裝置加以應(yīng)用時(shí)，工作人員可視情況對(duì)上述數(shù)值加以調(diào)整，使其符合項(xiàng)目要求。另外，為保證漏電傳感器可對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，有關(guān)人員提出以電流傳感器為載體，通過(guò)新增放大電路的方式，使檢測(cè)靈敏度得到顯著提高。

2.4.4欠壓及過(guò)壓保護(hù)

實(shí)時(shí)采集三相四線配網(wǎng)傳遞出電壓信號(hào)，如果采集所得電壓信號(hào)存在未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓、超出額定電壓×50%的情況，第一時(shí)間發(fā)布可觸發(fā)保護(hù)裝置的信號(hào)，為電氣設(shè)備和后序線路提供全方位保護(hù)[3]。

2.4.5斷零與缺相保護(hù)

以實(shí)時(shí)采集電壓信號(hào)為前提，若當(dāng)三相四線配網(wǎng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采集所得數(shù)據(jù)表明相位無(wú)電壓值存在或線路有斷線可能，及時(shí)發(fā)布觸發(fā)保護(hù)裝置的信號(hào)，確保相關(guān)電氣設(shè)備及后序線路均可得到相應(yīng)的安全保護(hù)。

3保護(hù)裝置運(yùn)行效果

3.1測(cè)試方法

第一步，對(duì)圖1的1端和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接，保證負(fù)載RL所連接電阻值為5Ω，將輸入電壓由7V逐漸提升至25V，對(duì)電路變化情況進(jìn)行記錄，如表1所示：

第二步，沿用上述連接方式，將RL對(duì)應(yīng)阻值進(jìn)行固定（以5Ω為宜），對(duì)輸入電路的電壓數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，保證輸入電壓處于5.5V～7V這一范圍內(nèi)，如實(shí)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)的變化情況，如表2所示：

第三步，在不更改連接方式的前提下，將輸入電壓值固定在7V，對(duì)穩(wěn)壓電源所輸出電流值進(jìn)行調(diào)節(jié)，將其數(shù)值從1A逐漸減小至0.01A，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，如表3所示：

3.2數(shù)據(jù)分析

將輸入7V直流電壓時(shí)，設(shè)備所輸出電壓設(shè)為，將輸入25V直流電壓對(duì)應(yīng)輸出電壓設(shè)為，以測(cè)試所得數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合以下公式對(duì)電壓調(diào)整率進(jìn)行計(jì)算，最終結(jié)果為不足1%。

沿用原有連接方式，將RL阻值設(shè)為5Ω，結(jié)合測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)電路實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行計(jì)算，最終結(jié)果為4.95V～5.05V。

將負(fù)載電阻定為500Ω，將穩(wěn)壓電源所輸出電壓值設(shè)為，在負(fù)載電阻是5Ω的情況下，用代表電源所輸出電壓?；谝韵鹿胶蜏y(cè)試所得數(shù)據(jù)，對(duì)電路實(shí)際負(fù)載調(diào)整率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果同樣未超過(guò)1%。

測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)備利用串聯(lián)穩(wěn)壓電路對(duì)傳統(tǒng)電路進(jìn)行了替代，使大電流所輸出電壓不穩(wěn)定、低壓差等問(wèn)題得到徹底解決，其相關(guān)性能指標(biāo)以及功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

結(jié)論：通過(guò)上文的分析能夠看出，對(duì)可提供漏電保護(hù)功能的穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)人員應(yīng)將重心放在漏電保護(hù)、穩(wěn)壓電源和計(jì)算機(jī)控制等方面，在此基礎(chǔ)上，對(duì)該裝置所涉及程序及電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保無(wú)論穩(wěn)壓電路是否處于漏電保護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)，該設(shè)備均可發(fā)揮出應(yīng)有作用，為電路長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]裘昌利，宋暖，陳大川.實(shí)用型多路輸出直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作[J].電子測(cè)試，2020，No.438（09）：30-32.

[2]鄭慶樂(lè)，榮相，楊帆，等.一種礦用低壓漏電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2020，046（002）：12-17.

[3]郭春平.煤礦井下檢漏保護(hù)裝置遠(yuǎn)方人工漏電跳閘試驗(yàn)技術(shù)必要性分析[J].煤礦安全，2020，v.51;No.558（12）：139-145.