一种具有过流保护的数显可调电源模块设计

邹志斌 祝香港 郭宗莲

摘要：针对各高职院校电子电路实验箱中电源使用中存在的问题和不足，提出了一种具有过电流保护的、电压可调的、带实时数字显示的独立电源模块设计方案，并且进行了详细的电路设计，设计完成的电源模块能够输出7.5V的交流电压、+5V的直流电压、0-30V可调直流电压，并能够测试实验过程中使用导线的通断，该电源模块能够满足多种实验电路的供电需要，减少实验中由于连接导线带来的故障，提高实验效率。

关键词：过电流保护;实时数字显示;电压可调

0  引言

对于各类高职院校的电气类、电子类、通信类等专业的学生而言，都需要学习《电路基础》、《模拟电子技术基础》、《数字电子技术基础》这些专业基础课，同时也要进行相关的电子电路实验。对每一种电路而言，都需要有电源供电才能正常工作，而不同电路需要的电源电压大小又有所不同，目前使用的电源基本跟其它电路一起安装在实验箱中的同一块大电路板上，由于电源使用频繁，所以经常出现故障，严重影响到实验正常进行。另外，学生在实验中可能会误操作造成电源短路，引起火灾，所以设计一款电压可调的具有过流保护的独立电源模块非常必要。

1  具有过流保护的数显可调电源模块整体设计

具有过流保护的数显可调电源模块主要是给外电路提供合适的电压，总体可以分成电压产生电路、过电流检测电路、0-10V电压调节电路、0-30V电压输出显示电路、导线通断检测电路。其中，电压产生电路主要是将220V交流电转变成7.5V交流电压和+5V、-5V、+10V直流电压输出或供电源模块内部其它电路使用。过电流检测电路主要是将实际的负载电流与设定的基准电流相比较，根据比较结果输出一定的电压值给0-30V电压输出显示电路使用。0-10V电压调节电路的作用主要是将+10V的基准电压通过调节旋钮转换为0-10V电压，给电压输出电路部分使用。0-30V电压输出显示电路部分的作用主要根据过电流和-5V电压的有无控制输出电压，实现缺-5V电压时无输出，有-5V电压时0-30V电压正常输出，并显示具体的电压值。导线通断检测电路主要检测实验所使用的导线的通断情况并指示出来。

2  具有过流保护的数显可调电源模块各部分设计

2.1 电压产生电路设计

电压产生电路主要是将交流220V电压转变为7.5V交流电压、+5V、-5V和+10V直流电压。为了使各电压尽可能相互独立，该部分电路包含了三路整流、滤波、稳压电路[1-2]，设计的电路如图1所示。220V电压经过变压器T1后转变为7.5V和23.5V的交流电压，7.5V经过由D5、D6、D7、D8组成的桥式整流电路、由C2组成的电容滤波电路、7805稳压电路后转变为+5V的直流电压，7.5V和+5V输出供实验室其它电路使用，+5V也供电源内部电路使用;23.5V经过由D1、D2、D4、D4组成的桥式整流电路、由C1组成的滤波电路、TL431可调稳压电路后产生+10V的基准电压供电源内部电路使用;23.5V经过R21、C4、D10组成的倍压整流、C5滤波、1N4733稳压管稳压后产生-5V直流电压供电源内部电路使用。

2.2 过电流检测电路设计

过电流检测电路的作用是将实际的负载电流与设定的基准电流相比较，根据比较结果输出电压给后续电路使用，同时指示过电流情况，设计的电路如图2所示。基准电流由R1、R15、R22串联实现，实际电流的取样通过R23来实现，过电流检测电路是由运算放大器U1实现，电路中电流的阈值计算公式为：过电流指示电路由三极管VT4和电阻R9、R13、R12、LED1组成，当实际的电流大于阈值电流时，U1输出低电平， VT4导通，发光二极管LED1发光，指示过电流，反之，U1输出高电平，VT4截止，LED1熄滅。改变电阻R15、R22、R23的大小可以改变电流阈值。

2.3 0-10V电压调节电路设计

0-10V电压调节电路的作用主要是将+10V的基准电压通过调节多圈电位器转换为0-10V电压，给电压输出电路使用，设计的电路如图3所示。图中，通过电位器调节后的电压通过R5、C10组成的RC滤波电路将0-10V电压输出到后续电路使用[3-4]。

2.4 0-30V电压输出电路设计

0-30V电压输出电路的作用是根据过电流输出、0-10V电压调节输出、实际输出、-5V电压检测电路的电压产生输出电压控制信号，实现缺-5V无电压输出，有-5V时0-30V电压输出，并显示具体数值，设计的电路如图4所示。图中集成运算放大器U2构成电压比较器[5];二极管D11的作用是选择0-10V电压调节输出和过电流检测输出的一路作为U2的同相输入U+;R4、R6组成的反馈分压电路将输出电压Vout的1/3作为U2反相输入U-;U2的输出和缺-5V电压检测电路的输出作为0-30V电压输出电路的控制信号;-5V电压检测电路是由三极管VT3和R7、R16、R18组成;0-30V电压输出电路由VT2、VT1、R17、C6、D12、D13组成，其中D12、D13起保护作用;0-30V输出电压显示电路是在输出端直接外加5位数字电压表。此部分电路的工作原理是：当无-5V电压时，VT3导通，VT2、VT1截止，电压无输出;当-5V电压正常时，如果过电流，那么U2的U+约为-5V，U2输出约为-5V，VT2、VT1截止，0-30电压输出电路无输出;当-5V电压正常，无过流时，U2的U+为0-10V电压的设定电压，U2的U-为Vout的1/3，两个电压相比较，如果U-比设定的电压小，那么U2输出增加，Vout跟着增加，如果输出电压偏大，U2的U-比设定的电压大，那么U2输出减少，Vout跟着减少，实现了输出电压控制。电位器Rw的作用是使U2调零。

2.5 导线通断检测电路设计

导线通断检测电路的作用主要检测实验所使用的导线的通断情况并正确指示，设计的具体电路如图5所示。图5中A、B为导线接入端，导线测试时，将导线的两端分别接入A、B，如果导线连通，在+5V电压的作用下，发光二极管LED2发光、蜂鸣器B1发出声音指示导线为通。如果导线内部断开，那么LED2熄灭、B1无声音发出。

3  结论

本设计完成的电源模块经过焊接调试后，能够实现+5V直流输出，7.5V交流输出和0-30V可调直流电压输出，能够满足不同电路对电源电压的需要;还有测试实验所用导线通断的功能，减少了由于导线问题带来的故障，提高了实验效率;还有过电流保护功能，能够有效保护实验室实验电路板和其它设备的安全;并且使用方便，安全可靠，应用前景广阔。

参考文献：

[1]郭宗莲.模拟电子技术基础[M].北京：中国铁道出版社，2015.1.

[2]毛景魁.小功率直流电源的分析与设计[J].河南机电高等专科学校学报，2014（3）：1-3，11.

[3]秦浩钧.直流稳压电源的设计与测试[J].甘肃科技，2018（21）：15-18.

[4]欧跃龙，杨衫.连续可调电源电路的设计与分析[J].华中电力，2010（4）：37-39.

[5]张静秋.基于集成运算放大器的窗口电压比较器的设计[J]. 电子制作，2017（4）：10-12.