探究直流穩壓電源及漏電保護裝置設計重點分析

林俊逸 龍葵 李秋惠 藍海森

摘要：作為可給電路運行帶來直觀影響的裝置，對穩壓電源與保護裝置進行優化設計的重要性不言而喻。文章便以相關裝置為討論對象，首先對設計方案進行了簡要說明，其次圍繞設計要點展開了討論，內容涉及軟件設計、系統設計還有程序設計等方面，最后通過三次測試，說明該裝置可起到穩壓、漏電保護的效果。希望為設計人員提供幫助，使日后所開展電路設計工作具有理論依據。

關鍵詞：漏電保護裝置;直流穩壓電源;欠壓過壓保護

前言：隨著科技的發展，社會各界對電路運行狀態所提出要求較過去有所提高，如何確保電路得到長期、穩定運行，現已成為業內人士關注的重點。事實證明，要想使電路運行狀態達到預期水平，關鍵是要對電源和保護裝置進行優化，利用直流穩壓電源對原有電源進行替代，并確保電路所存在漏電故障可被及時發現并加以處理，這也是本文選擇對相關裝置的設計要點進行探究的原因，有關人員應對此引起重視。

1保護裝置設計方案

為徹底解決大電流所輸出電壓不穩定和低壓差問題，有關人員計劃對可提供漏電保護的穩壓電源進行設計，該設備所輸出額定電流值為1A，電壓值為5V。此外，該裝置還要新增實時顯示及關斷保護等功能，其電路連接方案如下：

結合設計要求可知，該裝置的構成模塊較多，主要有顯示電路，漏電保護，欠壓及過壓保護，斷零與缺相保護。另外，還可酌情加入單片機系統，穩壓電源等模塊，確保該裝置所具有功能可達到相關要求，即：輸出電壓略低于輸入電壓，輸出波紋相對較小，反應迅速，日常運行所產生噪聲較低。

2保護裝置設計要點

2.1軟件設計

該裝置所使用編程軟件為C語言，由單片機負責對繼電器啟閉狀態加以控制，基于A/D裝換對漏電數據進行實時測量并加以顯示。

2.2系統設計

對該裝置進行設計期間，有關人員需要對計算機加以利用，通過計算機控制的方式，確保該裝置投入使用后，可長期處于穩定運行狀態，在信息化和科學化方面表現達到相關要求。在對多方因素加以考慮后，有關人員提出對兼容性理想的單片機加以應用，在保證單片機實際應用范圍達到預期的基礎上，對其運算速度進行提升[1]。

系統內部所采取設計方案，主要是2路PWM+1280RAM+相應復位點位，此外，為確保即使處于強干擾環境中，該系統仍然能夠發揮出應有功能，有關人員決定對A/D轉化模式加以利用。將I/O灌電流數值設置為20mA，通過對驅動能力進行增強的方式，賦予控制系統對較大電流進行高效處理的能力，使系統壽命得到延長。

2.3程序設計

2.3.1電路設計

對該裝置內部電路進行設計時，有關人員應對以下內容引起重視：基于開關電源電壓對穩壓信號進行提升，使電壓值趨于穩定。對信號進行取樣的前提是電路處于被保護的狀態，由此可見，電路設計環節的重點是信號取樣，在沒有為電路提供漏電保護時，有關人員將取樣負載值設定為5Ω，若電路存在漏電故障且處于被保護的狀態，則可將負載值調整為100Ω，確保采樣信號能夠得到準確計算、及時轉換和實時顯示。單片開關電源負責對調整模塊電壓進行降低，為單片機提供符合其運行需求的可靠電壓。另外，為保證穩壓電路所具有優勢得到充分發揮，有關人員提出對該設備所具有抗干擾性能進行優化，對電路進行設計時，酌情串聯電容、電阻或是晶體管，通過對干擾進行降低的方式，達到精確穩壓的目的。

2.3.2流程設計

對該裝置所使用軟件進行設計的方法，主要為線性差補法、誤差補償法，確保所采集信號可盡快得到分析，在對兩路模數間的轉換進行科學控制的基礎上，高效完成處理信號數字的工作，使電流值、電壓值還有功率信號得到實時顯示。另外，采集數據還包括穩壓模塊當前負載信號，若穩壓模塊運行狀態正常，則將采集所得電流值及電壓值分別記錄為和，通過A/D轉換的方式，確保信號處理結果符合預期。如果穩壓電路當前狀態為漏電保護狀態，則需要在接入相應負載的前提下，對信號進行采集并記錄，在此基礎上，對采集所得數據做A/D轉換處理，基于PID對其進行調整，確保穩壓輸出供電效果最大程度接近理想水平。

2.4硬件設計

2.4.1穩壓電源

在設計穩壓電路時，有關人員不僅要對穩壓和變壓引起重視，還要對濾波及整流加以考慮。通過對串聯穩壓電路進行設計并應用的方式，使穩壓電源所具有作用得到充分發揮。穩壓電路的構成模塊以基準電壓和采樣為主，此外，還新增了調整與比較放大模塊。穩壓電路對輸出電壓加以穩定的原理，主要為負反饋原理，強調以采樣模塊為依托，對輸出電壓、實時變化情況加以確定，在此基礎上，對額定電壓、采集所得電壓信號做比較放大處理，根據經過比較放大處理的電路輸出值，對導通程度進行調整，確保電路所輸出電壓始終處于允許范圍內，由此來達到穩壓的目的[2]。

2.4.2關斷保護

該電路的組成構件，主要有按鈕K、控制電路以及開關，而組成控制電路的構件以場效應管和繼電器為主。對圖1的2端和轉換開關進行連接，將該裝置輸出端對應阻值設定為20Ω，確保在電源存在漏電故障的情況下，及時觸發電路保護動作，此時，負載兩側的電壓值可第一時間降至0V，在此期間設備始終處于自鎖定狀態。直至漏電故障被排除，方可按下按鈕K，使相關電路及設備恢復正常運行。

2.4.3漏電保護

對該裝置進行設計時，有關人員提出引入集成芯片對電流進行檢測，通過串聯單片機的方式，確保電路得到有效控制。漏電保護原理如下：由漏電傳感器負責采集三相四線配網實時電流信號，若配網的應用方向為臺區總保護，通常要將電流動作值控制在500mA～1000mA左右，同時，將分斷時間設定為0.5s。如果配網的應用方向為二級保護，則可將電流動作值調整為300mA，對應分斷時間以0.3s為宜。在對相關裝置加以應用時，工作人員可視情況對上述數值加以調整，使其符合項目要求。另外，為保證漏電傳感器可對微弱信號進行準確檢測，有關人員提出以電流傳感器為載體，通過新增放大電路的方式，使檢測靈敏度得到顯著提高。

2.4.4欠壓及過壓保護

實時采集三相四線配網傳遞出電壓信號，如果采集所得電壓信號存在未達到標準電壓、超出額定電壓×50%的情況，第一時間發布可觸發保護裝置的信號，為電氣設備和后序線路提供全方位保護[3]。

2.4.5斷零與缺相保護

以實時采集電壓信號為前提，若當三相四線配網處于運行狀態時，采集所得數據表明相位無電壓值存在或線路有斷線可能，及時發布觸發保護裝置的信號，確保相關電氣設備及后序線路均可得到相應的安全保護。

3保護裝置運行效果

3.1測試方法

第一步，對圖1的1端和轉換開關進行連接，保證負載RL所連接電阻值為5Ω，將輸入電壓由7V逐漸提升至25V，對電路變化情況進行記錄，如表1所示：

第二步，沿用上述連接方式，將RL對應阻值進行固定（以5Ω為宜），對輸入電路的電壓數值進行調整，保證輸入電壓處于5.5V～7V這一范圍內，如實記錄相關數據的變化情況，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，對穩壓電源所輸出電流值進行調節，將其數值從1A逐漸減小至0.01A，對實驗結果進行記錄，如表3所示：

3.2數據分析

將輸入7V直流電壓時，設備所輸出電壓設為，將輸入25V直流電壓對應輸出電壓設為，以測試所得數據為依據，結合以下公式對電壓調整率進行計算，最終結果為不足1%。

沿用原有連接方式，將RL阻值設為5Ω，結合測試數據對電路實際輸出電壓值進行計算，最終結果為4.95V～5.05V。

將負載電阻定為500Ω，將穩壓電源所輸出電壓值設為，在負載電阻是5Ω的情況下，用代表電源所輸出電壓。基于以下公式和測試所得數據，對電路實際負載調整率進行計算，計算結果同樣未超過1%。

測試結果表明，該設備利用串聯穩壓電路對傳統電路進行了替代，使大電流所輸出電壓不穩定、低壓差等問題得到徹底解決，其相關性能指標以及功能均達到了設計要求。

結論：通過上文的分析能夠看出，對可提供漏電保護功能的穩壓電源進行設計時，有關人員應將重心放在漏電保護、穩壓電源和計算機控制等方面，在此基礎上，對該裝置所涉及程序及電路進行優化設計，確保無論穩壓電路是否處于漏電保護的運行狀態，該設備均可發揮出應有作用，為電路長期、穩定運行提供支持。

參考文獻：

[1]裘昌利，宋暖，陳大川.實用型多路輸出直流穩壓電源的設計與制作[J].電子測試，2020，No.438（09）：30-32.

[2]鄭慶樂，榮相，楊帆，等.一種礦用低壓漏電保護裝置設計[J].工礦自動化，2020，046（002）：12-17.

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