数控电源电路的工作原理、功能及故障分析

　　引言

　　数控电源电路是广东省中职学校技能大赛电子产品装配与调试项目的竞赛电路。

　　该项目的竞赛内容有三大部分，其中第二部分内容就是按照任务书中电子产品和功能电路的原理图，在赛场提供的电路板（PCB板）上焊接及安装电子元器件和功能部件，完成电子产品的装配，同时在PCB板上设置了两个故障，竞赛选手排除故障后完成检修报告，并进行有关参数的测量，性能的测试，编制工艺卡片。

　　一、数控电源电路分析

　　1.数控电源电路原理图

　　

　　数控电源电路的主要包括以IC6为核心的单片机控制电路，单片机芯片中巳写入程序，控制外围功能电路。电路包括有：给自身工作供电的电源电路；MCU控制电路；液晶显示电路；PWM控制输出恒定电压电路；输出电流采样电路；输出电压采样电路；过流报警电路等部分。

　　2.数控电源电路的工作原理及功能介绍

　　数控电源电路的工作原理如下：电路接上交流12V×2电源，经整流、滤波、稳压后输出20.1V、+5V直流电压，再经IC4（小功率极性反转电源转换器），产生-5V直流电，20.1V和-5V为IC5（LM324）四运算放大器供电，+5V为芯片及外围功能电路供电。单片机芯片脚输出一个PWM信号，经过低通滤波之后，在运算放大器“+”输入端行成一个与PWM信号占空比成正比例的电压，而输出电压就等于四倍的该电压，并且他们之间的比例可以通过改变R14和R15的阻值而改变；另外单片机芯片脚输出的JK信号，使VT1导通，继电器通电，触头动作，使整流的输入交流电从单12V转换成双12V;单片机芯片①脚输出过流报警信号。

　　数控电源电路的功能包括以下：

　　（1）LED1为+24V电源指示灯；

　　（2）6个按键设置电路的工作状态：分别是S1（LOCK）键按下后可以锁定键盘和取消锁定（每按一下，改变一次状态）；

　　S2（OUT）键可以打开和关闭输出电压（每按一下，改变一次状态）；V+和V-键，在打开输出电压的情况下，分别用来调大和调小输出电压；

　　I+和I-分别用来调大和调小输出电流；

　　（3）LCD1液晶显示器显示欢迎界面、输出电压大小、电路当前工作状态、输出电流及保护电流等信息；

　　（4）V+和V-两端可以输出0~17.8V左右的直流可控电压；

　　（5）电路还具有过流报警功能，当输出电流超过设定的保护电流时，B1蜂鸣器响一次，并且LED2指示灯亮一次，同时输出电压自动关闭。

　　二、数控电源电路竞赛故障分析

　　在技能竞赛中，赛场提供的数控电源电路的PCB板中，已经设置了两个故障，学生在竞赛中需排查故障，使整个电路能正常工作。同时还要书写检修报告，检修报告分故障现象；检测过程；故障点；故障排除四个方面来写。

　　赛场提供的PCB板中，设置的第一个故障点为IC2到IC3的连接导线断开。

　　（1）故障现象是接入双12V交流电源后，LED1指示灯亮，按下任一按键后，整机没有反应，液晶显示屏不亮，V+和V-两端之间没有输出。

　　（2）检测过程：在检修时，我们要根据故障现象，对电路原理进行分析，整个电路的功能主要由单片机芯片IC6控制，根据按下任一按键后，整机没有反应这一故障现象，我们大致可以判断出应当是芯片工作不正常，用万用表测量芯片的供电脚，没有电压，再往前测IC3的③脚，也没有输出电压，再测IC2的③脚，有20V的电压输出，而测量IC3的①脚，没有电压输入，由此可以判断IC2的③脚与IC3的①脚之间的线路开路，断电后再用万用表的电阻档仔细检查，可以发现，IC3的①脚的焊盘与导线开路。

　　（3）故障点就是IC3的①脚的焊盘与导线开路。

　　（4）故障排除：用导线将IC2的③脚与IC3的①脚连接，再开机后，用万用表测量IC3的③脚电压，有5V电压输出，液晶显示屏也可以点亮，V+和V-两端之间也有电压输出。第一个故障点排除。

　　第二个故障点设置在单片机芯片的脚至VD2的正极之间。

　　（1）故障现象是“V+”和“V-”之间的输出电压明显偏低。

　　（2）检测过程：通电后，按下S1键，键盘解锁，按下S2,打开输出电压，按下V+键，输出电压会不断增加，但最多到13V左右，就不能再往上增了。根据故障现象分析，问题可能出在两个部分，一是微处理部分，二是整流输出部分。再做进一步的检查，发现输出电压要以增加，液晶显示屏也显示正常，说明微处理器工作正常，怀疑问题是在整流电路部分，用万用表检查桥堆的的输出直流电压，约有17V左右，明显偏低，这个就是整机电压偏低的主要原因，再检查加在桥堆上的交流电压，只有12V,这说明继电器没有吸合，首先确认继电器电路、器件没有故障，再测IC6的脚，有高电平输出，再测VD2的正极，没有高电平，根据分析判断，故障应该在IC6的脚到VD2的正极之间，因为VD2没有高电平，三极管VT1就不能导通，继电器线圈也就不能得电，导致双12V交流电不能加至桥堆的输入端，引起输出的直流电压明显偏低。

　　（3）故障点：断电后，用万用表检查PCB板的线路，发现C6的脚到VD2的正极之间有一个通孔不通。（4）故障排除：用导线将IC6的脚和VD2的正极连接后，通电开机，输出电压正常，故障排除。

　　三、数控电源电路竞赛故障设置的合理性分析

　　赛场提供的电路PCB板上设置的故障，第一个属于电源性故障。我接触了很多中职学校技能大赛的电子产品装配与调试的电路，这些电路绝大多数都是由单片机芯片控制，具有一定实际功能、但输出负载较小的电路，常见的竞赛电路中的电源电路一般由变压器、全波整流、滤波、分压、稳压后提供±5~24V的直流电压，然后供给单片机、传感器检测、输出显示或控制部分。有部分电源电路还在主电源和负载之间加上一些控制电路，如继电器控制、触发器控制等，如2010的国赛的定额计数器电路就比较典型。

　　维修电源性故障，是我们作为一个电子产品维修工应当具备的基本技能之一，不论电源性故障设置有哪个位置，故障现象都是很明显的，我们在训练学生维修故障时，只要对电源电路的各部分电路详细讲解，学生彻底理解电路原理后，对这一部分电路的故障检修应当能熟练掌握，所以这个故障点的设置我认为是非常合理的。

　　数控电源电路PCB板中设置的第二个故障是IC6的脚到VD2的正极之间有一个通孔不通。电路正常情况下，IC6的脚输出一个高电平，通过VD2送到三极管VT1的基极，VT1饱和导通，继电器线圈通电，同时其触头改变状态，使输入的交流电从单12V转换为双12V,双12V经整流、滤波、控制后，即可输出0~17V左右的恒定电压。从理论分析的角度来讲，这个故障的设置也是没问题的，但在实际应用中还是存在问题的。我指导的学生在该年参加省的技能大赛，虽然获得一等奖，但成绩与前两位的同学相比，差距还是明显的。赛后，我与学生总结讨论时，学生告诉我一个问题，就是学生把两个故障都排除了，但电路功能并没有完全实现，输出受控制的直流电压最多升到13V左右，实际上就是第二个故障的功能障碍并没有完全排除。当时我也分析不到原因所在。竞赛完后一段时间，市面上有了这套数控电源电路的套件出售，我买了六套，既给学生训练，同时我也研究当时省赛的学生所出现的问题。

　　购买的电路套件，在装配好并排除故障后，通电测试，其中也有两套出现了与学生竞赛时相同的问题，用导线将IC6的脚和VD2的正极连接后，通电操作，也没听到继电器的吸合声，导致输出电压不足。我仔细研究分析电路，查找有关资料，分析有关元件的参数，我认为可能存在的几个原因：

　　（1）电路 中有关元件的参数设置不合理；

　　（2）三极管VT1饱和导通程度不足，压降过大；

　　（3）就是电路中选用的电磁继电器额定负载电流偏大，而芯片IC6 脚输出的JK信号功率偏小，导致继电器的吸合不灵敏。我在出现问题的两套电路套件通电时，给VD2的正极额外加一个+5V信号，发现几乎每次都能听见继电器的清脆的吸合声，电路的功能也都能全部实现，由此我认为技能大赛所提供的数控电源电路PCB板中所设置的第二个故障，它存在着一些不稳定因素，它的合理性也还是值得商榷的。

　　四、自制数控电源电路PCB板的故障设置

　　为了在平时的训练中按照我的思路训练学生，同时也增加我教学上的一些素材，每年我都会制作一些电路的PCB板，并按照我的设想，在PCB板中设置两到三个故障。

　　我使用Protel 2004软件，绘制了数控电源电路的原理图及PCB板图，PCB板图如图2所示。

　　

　　考虑到电路的对比性及合理性，自制PCB板时，我尽量做到元件的布局与原板一致，但在故障设置上有所区别。

　　这一次制作的数控电源电路的PCB板，我将第一个故障设置在VD5的负极到IC2的②脚之间，他们之间的连线断开时，三端稳压集成就没有了基准电压，输出脚也就没有电压输出，IC3也就没有了5V输出，单片机没有了5V电压供电，整机也就不能正常工作，这个故障设置对训练学生的排除故障的能力，是非常有帮助的。

　　第二个故障，我设在单片机芯片IC6的脚与R5、R6的连接端。按照电路的工作原理，IC6的脚输出的是一个占空比可调的PWM信号，当脚输出不同占空比的PWM信号时，V+和V-端输出的电压也不同。图3所示的就是当输出电压为5V和15V时，PWM信号的波形图：

　　

　　在检测故障时，首先用万用表测量IC6 脚的电压，它是一个受按键V+、V-控制的、在0~5V之间变化的电压，当PWM信号不能送至TP10时，在IC5（LM324四运放）的⑥脚就不能形成一个与PWM信号占空比成正比例的电压，也就是在输出端不能输出一个受控制的，在0~17V可变的恒定电压。学生在排除故障时，要求学生对整个电路的工作原理非常熟悉，要清楚知道各个控制信号的作用，各个信号的走向，这个对于训练学生分析电路，排除故障，是非常有帮助的。同时也克服了竞赛电路PCB板设置的第二个故障存在的不确定性和不稳定性。

　　五、结束语

　　综上所述，我在指导学生技能训练的过程中，积累了一定的实践经验，查阅了大量的技术书籍，认真、详细分析在学生训练过程中所出现的一些问题，并能够运用实践上的经验，解决一些技术问题，逐步提高学生的技能水平，以参加全国技能竞赛并获得好成绩为目标，在以后的学习中，不断的努力训练，积极探索。