簡(jiǎn)易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1、1 引言 隨著對(duì)系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與通信設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制，從而使直流電源智能化，具有遙測(cè)、遙信、遙控的三遙功能，基本實(shí)現(xiàn)了直流電源的無(wú)人值守設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源主要由單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、指示燈及報(bào)警電路、檢測(cè)電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、直流穩(wěn)壓電路等幾部分，直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設(shè)備。2 簡(jiǎn)易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)并制作有一定輸出電壓調(diào)節(jié)范圍和功能的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源?；疽笕缦拢? 輸出直流電壓調(diào)節(jié)范圍315V，紋波小于10mV2

2、 輸出電流為止500m A.3 穩(wěn)壓系數(shù)小于0.2。4 直流電源內(nèi)阻小于0.5。5 輸出直流電壓能步進(jìn)調(diào)節(jié)，步進(jìn)值為1V。6 由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增的減。2.2 設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的工作原理框圖如圖1所示。主要包括三大部分：數(shù)字控制部分、D/A變換器及可調(diào)穩(wěn)壓電源。數(shù)字控制部分用+、-按鍵控制一可逆二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出輸入到D/A變換器，經(jīng)D/A變換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓，此電壓經(jīng)過放大到合適的電壓值后，去控制穩(wěn)壓電源的輸出，使穩(wěn)壓電源的輸出電壓以1V的步進(jìn)值增或減。圖1簡(jiǎn)易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源框圖2.3 電路設(shè)計(jì) 整流、濾波電路設(shè)計(jì)首先確定整流

3、電路結(jié)構(gòu)為橋式電路；濾波選用電容濾波。電路如圖2所示。圖2 整流濾波電路電路的輸出電壓UI應(yīng)滿足下式：UUomax+（UI-UO）min+UI 式中，Uomax為穩(wěn)壓電源輸出最大值；（UI-UO）min為集成穩(wěn)壓器輸入輸出最小電壓差；URIP為濾波器輸出電壓的紋波電壓值（一般取UO、（UI-UO）min之和的確良10%）；UI為電網(wǎng)波動(dòng)引起的輸入電壓的變化（一般取UO、（UI-UO）min、URIP之和的10%）。對(duì)于集成三端穩(wěn)壓器，當(dāng)（UI-UO）min=210V時(shí)，具有較好的穩(wěn)壓特性。故濾波器輸出電壓值：UI15+3+1.8+1.9822(V),取UI=22V.根據(jù)UI可確定變壓器次級(jí)電壓

4、 U2。 U2=UI/1.11.2(20V)在橋式整流電路中，變壓器，變壓器次級(jí)電流與濾波器輸出電流的關(guān)系為：2=(1.52)II(1.52)IO=1.5×0.5=0.75(A).取變壓器的效率0.8,則變壓器的容量為 P=U2I2/=20×0.75/0.8=18.75(W)選擇容量為20W的變壓器。因?yàn)榱鬟^橋式電路中每只整流三極管的電流為 ID=12Imax=1/2IOmax=1/2×0.5=0.25(A) 每只整流二極管承受的最大反向電壓為選用三極管IN4001，其參數(shù)為：ID=1A，URM=100V。可見能滿足要求。一般濾波電容的設(shè)計(jì)原則是，取其放電時(shí)間常數(shù)

5、RLC是其充電周期的確25倍。對(duì)于橋式整流電路，濾波電容C的充電周期等于交流周期的一半，即RLC（25）T/2=25/2f,由于2f,故RLC(25),取RLC3則 C=3/RL其中RL=UI/II，所以濾波電容容量為C3II/2fUI(3×0.5)/ 2×50×220.681×103(F)取C=1000µF。電容耐壓值應(yīng)考慮電網(wǎng)電壓最高、負(fù)載電流最小時(shí)的情況。UCmax=1.1×U2max=1.1××2031.1(V)綜合考慮波電容可選擇C=1000µF，50V的電解電容。另外為了濾除高頻干擾和改善電源

6、的動(dòng)態(tài)特性，一般在濾波電容兩端并聯(lián)一個(gè)0.010.1µF的高頻瓷片電容。2.3.2 D/A變換器D/A變換器設(shè)計(jì)若要使UIN步進(jìn)變化，則需要一數(shù)模轉(zhuǎn)換器完成。電路如圖4所示。圖4 D/A 轉(zhuǎn)換器電路該電路的輸入信號(hào)接四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出 端，設(shè)計(jì)數(shù)器輸出高電平為UH+5V，輸出 低電平UL0V。則輸出 電壓表達(dá)式為Uo1=-RfUH/8R·D0+UH/4R·D1+UH/2R·D2+UH/R·D3 =-RfUH/23R23D3+22D2+21D1+20D0設(shè)Uo2=-Uo1(UIN).當(dāng)D3D2D1D0(Q3Q2Q1Q0)=1111時(shí),要求UI

7、N=12V，即： 12=RfUH/23R×15當(dāng)UH=5V時(shí)，Rf=1.28R.取R=20K,Rf由 20K電阻和電阻3.5K電位器串聯(lián)組成。 可調(diào)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)為了滿足穩(wěn)壓電源最大輸出電流500mA的要求，可調(diào)穩(wěn)壓電路選用三端集成穩(wěn)壓器CW7805，該穩(wěn)壓器的最大輸出電流可達(dá) 1.5A，穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、紋波大小等性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。要使穩(wěn)壓電源能在515V之間調(diào)節(jié)，可采用圖3所示電路。圖 3 可調(diào)穩(wěn)壓電路設(shè)運(yùn)算放大器為理想器件，所以UNUP。又因?yàn)閁P=（R2/R1+R2）UIN，UN=（U0-R3/R3+R4）×3 所以，輸出電壓滿足關(guān)系式U0=UNI·

8、;（R·/R1+R2）+（R3/R3+R4）×3令R1=R4=0，R2=R3=1K。則U0=UIN+3。由此可見，U0與Uin之間成線性關(guān)系，當(dāng)UIN變化時(shí)，輸出電壓也相應(yīng)改變。若要求輸出電壓步進(jìn)增或減，UIN步進(jìn)增或減即可。 數(shù)字控制電路設(shè)計(jì)數(shù)字控制電路的核心是可逆二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74LS193就是雙時(shí)鐘4位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器數(shù)字輸出的加/減控制是由“+”、“-”兩面三刀按鍵組成，按下“+”或“-”鍵，產(chǎn)生的輸入脈沖輸入到處74LS193的CP+或CP-端，以便控制74LS193的輸出是作加計(jì)數(shù)還是作減計(jì)數(shù)。為了消除按鍵的抖動(dòng)脈沖，引起輸出的誤動(dòng)作，分別在“+”、

9、“-”控制口接入了由雙集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538組成的單脈沖發(fā)生器。每當(dāng)按一次按鍵時(shí)，輸出一個(gè)100ms 左右的單脈沖。電路如圖5所示。74LS193及CD4538的功能表請(qǐng)查閱有關(guān)資料。圖5 可逆二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 輔助電源設(shè)計(jì)要完成D/A轉(zhuǎn)換及可調(diào)穩(wěn)壓器的正常工作，運(yùn)算放大器LM324必須要求正、負(fù)雙電源供電?，F(xiàn)選擇±15V供電電源。數(shù)字控制電路要求5V電源，可選擇CW7805集成三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)。輔助電源原理圖如圖6所示。圖6 輔助電源電路圖2.4 調(diào)試要點(diǎn) 輔助電源的安裝調(diào)試在安裝元件之前，尤其要注意電容元件的極性，注意三端穩(wěn)壓器的各端子的功能及電路的連接。檢查正確無(wú)誤后，加入交流

10、電源，測(cè)量各輸出端直流電壓值。 單脈沖及計(jì)數(shù)器調(diào)試加入5V電源，用萬(wàn)用表測(cè)量計(jì)數(shù)器輸出端子，分別按動(dòng)“+”鍵和“-”鍵，觀察計(jì)數(shù)器的狀態(tài)變化。 D/A變換器電路調(diào)試將計(jì)數(shù)器的輸出端Q3Q0分別接到D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端D3D0，當(dāng)Q3Q0=0000時(shí)，調(diào)節(jié)RW1，使運(yùn)算放大器輸出UO2=0V當(dāng)Q3Q0=1111時(shí)，調(diào)節(jié)10K電位器，使U02=10V。 可調(diào)穩(wěn)壓電源部分調(diào)試將電路聯(lián)接好，在運(yùn)算放大器同相輸入端加入一010v的直流電壓，觀察輸出穩(wěn)壓值的變化情況。將上述各部分電路調(diào)節(jié)器試好后，將整個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)。 2.5總電路圖3 元件清單4 心得體會(huì)通過本次的課程設(shè)計(jì)，我們綜合應(yīng)用課本理論解決實(shí)際問題的能力得到了提高；我覺得課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的幫助很大，它需要我們將學(xué)過的理論知識(shí)與實(shí)際情況的聯(lián)系起來(lái)，加強(qiáng)我們對(duì)學(xué)過的知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力。在