低压直流电源预防性监测设计与实践

低压直流电源预防性监测设计与实践

霍建东

（国家新闻出版广电总局二〇二二台，新疆省喀什市844000）

摘要:在低压直流供电设备工作中，直流电源性能下降会造成负载设备工况不稳定甚至损坏设备等问题，此类问题不易查找且影响较大，针对这些弊端，本文提出一套较实用的解决方案，给出具体直流电源检测电路的设计方法，最后通过Multisim软件进行仿真验证，进而投入具体使用，在监测自动化开关电源工作电压波动变化方面具有一定的实际应用价值。

关键词：直流电源；LP339；预防性监测

中图分类号：TN602

Abstract:Inthelowvoltagedirectcurrentpowersupplyequipment,theperformanceofloadingequipmentwillbeunstable,eventheequipmentwillbedamagedbyadeclineofDCpower.Thiskindofproblemisnoteasytofindandhasgreatinfluence.Inviewofthesedrawbacks,thispaperputsforwardasetofmorepracticalsolutionsandgivesthedesignmethodofspecificDCpowersupplydetectioncircuit.Finally,aftertheMultisimsoftwaresimulationverification,thissolutionwillbeusedinspecificapplication,whichhasacertainpracticalvalueinmonitoringautomaticswitchingpowersupplyvoltagefluctuationofthepowersupply.

Keywords：DCpower;LP339;preventivemonitoring

1引言

大功率广播发射台发射机房目前大量使用了各类低压直流电源，其供电电压为交流输入，能为负载提供稳定直流输出。常见的直流电源有+5V、+12V、+24V等直流开关电源；发射机各类电路板[]上也有经过整流电路产生的15V、18V、22V直流电源；还有能提供低电压、大电流直流输出的特殊大功率直流电源。直流电源性能可靠、工作稳定，是负载正常运行的可靠前提。随着直流电源工作年限的增加，元器件会面临逐渐老化，工作性能逐步下降等问题。直流电源影响着许多广播设备的稳定运行，甚至直接关系到发射机房的播音安全，因此有必要探索研究相关技术手段进行预防性监测，及时了解直流电源工作的工况。

2低压直流电源

2.1低压直流电源的分类

直流电源从结构上可分为线性稳压电源、电感性开关稳压电源、电容型稳压电源。从输出电压与输入电压关系上可分为降压型、升压型和升压降压型三种。我台在发射机房常用的类型为降压型低压直流电源。

2.2低压直流电源的工作特点

直流电源的供电电压基本是交流输入转化为直流输出，无论供电电压或是输出负载电阻变化时，输出的直流电压都能保持恒定。直流电源的参数有纹波系数、电压稳定度、响应速度和温度系数等，它具有线路简单、纹波小、抗干扰能力强、效率较高等特点。

3低压直流电源的监测电路设计

直流开关电源本身具有简单的指示功能，却不能反映其工作电压上、下波动的状况。另外，其运行环境复杂，维护过程中不易发现具体问题。工作中曾经遇到过当负载已出现故障时，24V直流电源输出明显下降，但其指示灯仍显示正常的情况；也发生过24V直流电源输出过高，甚至超过30V而损坏重要设备的情况。本文探讨设计监测直流电源动态工作电压的电路，预定功能为：在输出电压达到某个较大或较小门槛值时，能够及时给出声、光报警，便于值、检维护人员及早更换或维修，从而实现对它的预防性监测目的。

3.1相关的需求分析

以监测24V直流开关电源为例，设计的监测电路要求在直流电源输出电压低于17V，或高于27V时能够声光报警。这里使用LP339电压比较器，对输入电压进行比较分析，给出相应的状态指示和报警信息。

3.2电压比较器LP339

LP339有四组输入端和四个输出端，其中每组两个输入端对应一个输出端。两个输入端分为同相输入端和反相输入端，用“+”、“-”表示。比较信号送入输入端，当“+”端电压高于“-”端时，输出高电平，相当于输出端开路；当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。比较电压差别大于10mV就能确保输出可靠地翻转，灵敏度比较高。

4电路结构及功能分析

4.1电路结构方框图

电路包括12V电压发生电路、信号输入电路、参考电压、比较电路和状态指示电路。电路结构示意图见图1:

图1直流电源电压检测电路架构图

4.2电路图及电路结构分析

图2低压直流电源监测电路仿真图

低压直流电源监测电路如图2所示，分为5个部分。

4.2.1比较器电路

比较器U1使用LP339作为核心元件，比较器有4路输入，这里仅使用了其中的A、B两路。R10、R11为其上拉电阻，大小为20K。U1的同相端信号接采样信号，由降压电路来。其电源为12V直流，有三端稳压器产生。

4.2.2参考电压产生电路

R1、R2、R3串联连接作为分压器，产生8V和4V的参考电压。电源端接三端稳压器U2，下端接地。

4.2.312VDC电压产生电路

U2型号为LM7812，输入24V直流电压，产生+12V直流电压。D1、D2为单向二极管，其负极接在一起，确保两路24V采样均能为稳压块供电。

4.2.4信号输入电路

24V采样电压引来后经R4、R5，R6、R7分压后分别送入比较器的同相端，作为比较器的信号输入电压。R4、R5为可调电阻，通过调整R4、R5可以改变输入信号的大小。

4.2.5状态指示电路

由三极管Q1、Q2，固态继电器K1、K2以及蜂鸣器和一些电阻发光二极管组成。其中三极管Q1、Q2为NPN型晶体三极管，LED1、LED2为正常指示灯，LED3、LED4为故障指示灯。固态继电器工作电压为24V，使用其一组常闭节点作为后级电路的电源通路。

4.3工作过程分析

参看图2可知，电路分为A、B两路，分别对采样信号进行处理并进行状态指示以及高、低限警告。

两路24V直流电源采样信号经D1、D2送给U2，变为12V直流电压，作为比较器U1的电源和参考电压的电源；电源信号经R4、R5，R6、R7降压，送入比较器的同相端。调整R4、R5可以设定高低限报警电压值，这里设定R4低限报警值为17V，设定R5高限报警值为27V。当U+>U-时，输出高电平；U+<U-时，输出低电平。

比较器的输出决定三极管Q1、Q2的状态，三极管导通，继电器动作，三极管截止，继电器无输出。当A路输入高于17V时，比较器输出为高电平，三极管导通，继电器K1吸合，LED1亮绿灯；输入低于17V时，比较器输出为低电平，三极管截止，继电器K1释放。24V电通过继电器常闭接点送出，LED2亮红灯，并驱动LS1蜂鸣报警。B路工作情况与A路相同，不再赘述。

4.4功能性试验

电路设计完成后使用Multisim软件进行仿真试验，结果完全达到设计的要求。该电路有两种接法，其一接两路采样信号，一路监测最高值，一路监测最低值；其二，将一路采样信号同时接到A、B输入端，这样就能监测一路信号的最大值和最小值了。具体功能特点如下：

（1）可以给出正常指示和故障指示，并且有声音提示；

（2）为不影响前级电源的正常工作，输入端设置了0.5A的保险，确保主电路工作电源安全；

（3）监测精确度较高，监测电压误差在0.5V以内；

（4）能耗低，工作电流小于50mA，蜂鸣器工作时电流小于100mA。

5实际应用及效果

经过仿真后对电路进行了PCB刻板，接线采用2P的接线端子和连接器，方便连线；共设置了4个测试点，便于调试和快速判断电路板故障。经过调整电位器R4、R5，设置监测阀值。完成元件组装的电路板在播出系统各控制电源如天线自动化、发射机自动化、触摸屏、TCU切换等重要设备的直流电源监测中，运行一年来工作稳定可靠，还成功监测一起发射机触摸屏直流电源下降到19V异态并发出报警，维护人员及时有效进行了处置，降低了风险，消除了隐患。

6结束语

本文提出了低压直流电源的预防性监测思路，给出了设计方案和电路图，并进行了电路仿真。该电路设计具有很高的实际应用价值，目前已经在我台直流电源设备上得到广泛应用，贯彻了广播电台预防为主的维护总方针，从预防的角度为安全播音提供了可靠保障。

参考文献

[1]郑铭芳主编.低压电器选用维修手册[M].北京：机械工业出版社，1995.

[2]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社,2000.