一款+5V电源短路报警电路的设计与制作

一、故障演示

基于以上考虑，我们用电子仿真软件Multisim7先做一个虚拟实验。

1、用三端稳压器LM7805组成的+5V稳压电源原理图如图1所示。在Multisim7电子平台上建立如图2试验电路。图2中，交流电源V1和地线均从电子仿真软件Multisim7的基本界面左侧电源工具箱中调出；变压器T1、电容C1、C2、负载电阻RL、开关J1均从基本元件箱中调出；保险丝F1、三端稳压器U1均从杂项库中调出；电压表U2从指示器库中调出：整流桥D1从二极管库中调出。2、开启仿真开关。这时从图2的电压表U2可以看出：稳压电源输出电压指示为5.002V。这时开关J1没有闭合。表示稳压电源输出5V正常。
3、按一下键盘上的“A”键，开关J1合上，模仿电源输出端与地短路。这时从图3中可以看见O.5A保险丝F1立即熔断，且电压表U2指示为7.822nv(0V)。

实际应用中，稳压电源输出端不慎与地短路，图1电路即烧保险丝，稳压电源无输出，排除短路故障后需重新换上新的保险丝才能有+5V电源输出。如将保险丝换成1A或更大，稳压电源输出端短时间对地短路，虽不会立即烧毁保险丝，但时间一长，短路电流很大有可能使三端稳压器等其它元件发热烧毁。能不能当稳压电源输出一旦短路，即有红色发光二极管亮和蜂鸣器声响报警；排除故障后，电源能自动恢复正常+5V输出。这就是我们要设计解决的问题。
二、+5V电源短路报警电路的设计与仿真

基于以上要求，我们设计的思路是利用与非门的“有0为1，全1为0”的特性，将与非门和+5V稳压电源输出端连在一起，稳压电源正常时，与非门输出低电平，发光二极管和蜂鸣器都不工作；如果+5V电源输出端短路，与非门就输出高电平，使红色发光二极管亮、蜂鸣器发声报警。迅速关闭电源，不会烧毁稳压电源，排除故障后，电源能自动恢复正常+5V输出。
1、按照上述思路，先在Multisim7电子平台上建立如图4仿真电路。图4中，增加的元件：电阻R1、R2、R3从电子仿真软件Multisim7的基本界面左侧基本元件库中调出；稳压管D2从二极管库中调出：发光二极管U5从3D元件库中调出；电源VDD符号从电源库中调出：反相器U2A4069从CMOS库中调出；蜂鸣器U4从指示器库中调出；并将保险丝换成1A。

2、开启仿真开关，这时，由于开关J1没有闭合，图4中电压表U2指示5.002V，说明稳压电源工作正常，发光二极管U5不发光、蜂鸣器不响。
3、按一下键盘上“A”键，这时从图5可以看到发光二极管U5亮，且电压表指示为0.159uV(0V)，并能听到蜂鸣器U4鸣叫(注：实际电路能听到。仿真时并不能听到声响)，1A保险丝并不立即烧毁。

看到发光二极管u5亮，只要再次按一下键盘上“A”键，开关J1打开(模仿将短路故障排除)，发光二极管U5灯灭，且电压表指示回到5.002V，稳压电源恢复正常输出如图4所示。 根据以上虚拟仿真结果，下面我们将它做成有实用价值的“+5V电源短路保护报警”电路装置。电子仿真软件MUltisim7有无缝链接到Ultiboard模块进行直接印制电路板功能，由于篇幅所限，牵涉到比较多内容，在此无法讲清这一方法。此处仍用大家熟悉的Protel99SE进行绘制“+5V电源短路保护报警电路.PCB”文件。

1、绘制“+5v电源短路保护报警电路.SCH”电原理图
(1)在Protel99SE所创建的“+5V电源短路保护报警电路.SCH”窗口下，绘制电原理图如图6所示。其中：反相器4069隶属于ProtELDOSSchematIC4000CMOS.lib文件中；三端稳压器MC7805隶属于ProtelDOSSchematicVoltaqeRequlators.lib文件中。其它元件均隶属于MiscellaneousDevices.lib文件中。在绘制“+5V电源短路保护报警电路.SCH”电原理图之前，应确保设计管理管窗口“Browse”栏下，元件外形封装库“Libraries”中已加载以上3个文件，如没有可单击“Add／Remove”按钮加载(注：受篇幅所限。这里对如何进行SCH绘制电路图也不作介绍，请读者参考其它Protet书籍)。

(2)将图6中所有用到的元件属性资料列在表1中供参考。其中：由于电源变压器T1体积较大，不放在电路板上，故在电路板上放置一个连接头J1，通过连接头J1来外接变压器；电阻R1和稳压管D2的连接点放置网络标号VDD，VDD为供给反相器4069的电源；另在电路板上放置几个过孔以安装保险丝座。用以按插保险丝管。2、绘制“+5V电源短路保护报警电路”印刷电路板铜膜走线

在以前的《电子制作》业余绘制电路板文章中，已经比较详细地介绍了半自动和全自动绘制单面、双面电路板技术。其实，对于一些简单的电路，绘制电路的铜膜走线PCB图还可以更简单，只要掌握和知道了元件的封装形式知识，就可以在PCB窗口中直接调出和绘制电路的铜膜走线图。下面结合“+5V电源短路保护报警电路”，讲述这种纯手工直接绘制印刷电路板的方法。先了解一下元件的封装形式知识，在ProtelPCB99SE的“Libraries”下有一个“PCBFootprints.lib”文件，里面有几百种元件的封装形式，比如电阻，它有AXIAL0.3、AXIAL0.4….AXIAL1.0共8种，“AXIAL”的英文意思是“轴向”，后面的数字表示电阻两脚问尺寸为0.3、0.4…英寸等，平时我们最常用的1／8W色环电阻就是0.3英寸；又比如"DIP14”就是双列14脚集成电路的封装形式。只要知道和常握了表1中“FOOTPRINT”栏中各元件封装形式，我们就可以进行纯手工直接绘制印刷电路板了。

(1)在“+5V电源短路保护报警电路.SCH”窗口下，单击菜单“File／New …”，在出现的对话框中，选中PCBDocument图标。再单击“OK”，即可创建一个“PCB1.PCB”文件，将它改名为“+5V电源短路保护报警电路.PCB”，双击该文件图标即可进入“+5V电源短路保护报警电路.PCB”。

(2)在“+5V电源短路保护报警电路.PCB"窗口下，将左边设计管理器窗口切换到BrowsePCB下，单击下方Browse栏下的下拉箭头，选取Libraries选项，Protel99SE系统默认将元件外形封装库文件PCBFootprints.lib自动加载在下方的文件列表栏中，在下方Components栏下就是各种元件外形封装型号，拖动右侧滚动条，可以找到所需元件封装形式。鼠标箭头所选中的AXIAL0.3即电阻的外形封装型号，并在下方预览框可以看见所选元件(注：如计算机屏幕分辨率调成800×600则看不全预览框)。单击“Place”按钮，即可将电阻放入PCB图纸上。

(3)根据表1元件的“FOOTPRINT”栏内容，分别调出电阻、电容、三端稳压器、集成电路和连接器各一只。每个元件都带有“Designator”和“Comment”两项标注，先双击“Designator”，将弹出对话框，将“Text”栏中内容删除，单击“OK”退出；再双击“Commernt”同样会弹出对话框。将“Text”栏中输入元件序号，再单击“OK”退出。用这种方法可以调出每个带有序号的元件。

(4)根据表1，将“+5V电源短路保护报警电路”所有元件都调出并经整理后如图11所示。
(5)在“+5V电源短路保护报警电路.PCB”窗口下，先单击左下角“CurrentLayer”栏下拉箭头，选取“BottomLayer”，再单击菜单“View/Toolbars/PlacementTools”，调出放置工具栏，用鼠标选取“画线”工具。参考图6进行绘制“+5V电源短路保护报警电路”底层铜膜走线；再在每个焊盘上放置一个直径80mil、孔径28miI的过孔，最后完成如图13所示。


(6)在绘制好“+5V电源短路保护报警电路.PCB”底层铜膜走线窗口下，单击菜单“File／Print/Preview…”将出现如图14所示打印预览图，将左侧设计管理器窗口切换在“BrowsePCBPrint”下，选中下方“MultilayerCompositePrint”文件，再单击菜单“Edit／Change…”将出现对话框。

(7)分别单击右边“Layers”栏下“TopLayer”和“TopOverlay”，再单击下方“Remeve…”将它们删除；然后单击“Add…”将弹出对话框，单击"printLayerType"栏下拉箭头，分别选中“TopPaste"和“TopSolder”，再单击“OK”，将它们添加到“Layers”栏；再利用“MoveUp”按钮将“Layers”栏下4项排序；去除左侧“ComponentS”栏下3个选勾。复选“Options”栏下的“ShOWHoles”，单选“ColorSet”栏下的“BlackWhite”。完成，最后单击下方“Close”，完成“+5V电源短路保护报警电路”底铜膜走线图。

(8)如何转印、腐蚀、钻孔因篇幅所限无法在此细述。 (1)电源变压器T1可选2-5W，220V／-9V整流电桥也可用4只1N4000系列二极管代替；蜂鸣器可选电压3V的HYDZ小型蜂鸣器；印刷电路板上有一片较大面积敷铜与地相连。可作为三端稳压器散热，其它元件无特殊要求，焊接好通电就可作短路报警试验。用3个反相器并联输出是为了增大输出电流，以增大蜂鸣器声响。(2)如将“+5V电源短路保护报警装置”作为其它电子仪器+5V电源的短路保护报警电路，绘制的印刷电路板上F1、T1、D1、U1、C1和C2都不需要了，让其空着，焊上其它元件，接线稍作改动.即可作为其它电子仪器+5V电源的短路保护报警装置。

结束语：集成电路78／79系列三端稳压器用处非常广，许多常用电子仪器都用78/79系列三端稳压器作输出，该“+5V电源短路保护报警装置”，制作简单容易，具有很强的实用性，只要掌握工作原理，可以触类旁通地设计出其它多种电源的短路保护装置。本文起一个抛砖引玉作用，希望电子爱好者设计出更多更好的电源短路保护报警装置。

传统的电子产品设计方法是：手工画设计图纸——手工估算和搭建电路——反复调试修改——产品定型，其间搭建电路和调试修改需经多次试验，耗时耗材周期长。本文给读者介绍现代电子产品设计方法：电脑绘原理图——电路虚拟仿真——调试定型，一些需要调整的参数和结果都可以在计算机软件上虚拟仿真实验时得到，可以大大缩短调试修改周期。另外，还可以借助于电子仿真软件Multisim7的温度分析、最坏情况分析等功能，对电子产品模拟实验室条件下无法进行的试验，对提高设计电子产品的稳定可靠性大有好处。电子仿真软件Multisim7功能非常强大，除了能对电路进行仿真实验之外，还提供18种基本分析方法，且有其它电子仿真软件所没有的许多特色功能，是目前世界上最新、最先进的一款优秀EDA软件，Multisim7界面友好，易学易用，有兴趣的读者可以登录WWW.TTLCMOS.COM网站了解这方面的更多内容。