1 引言
随着对系统更高效率与更低功耗的需求,电信与通信设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性与智能化方向发展。
整流系统由以前的分立元件与集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守设计的直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/A 转换电路、直流稳压电路等几部分,直流稳压电源就是最常用的仪器设备。
2 简易数控直流稳压电源设计
2、1 设计任务与要求
设计并制作有一定输出电压调节范围与功能的数控直流稳压电源。
基本要求如下:
1．输出直流电压调节范围3~15V,纹波小于10mV
2．输出电流为止500m A、
3．稳压系数小于0、2。
4．直流电源内阻小于0、5Ω。
5．输出直流电压能步进调节,步进值为1V。
6．由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增的减。
2、2 设计方案
根据设计任务要求,数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。
主要包括三大部分:数字控制部分、D/A变换器及可调稳压电源。
数字控制部分用+、-按键控制一可逆二进制计数器,二进制计数器的输出输入到D/A变换器,经D/A变换器转换成相应的电压,此电压经过放大到合适的电压值后,去控制稳压电源的输出,使稳压电源的输出电压以1V的步进值增或减。
图1简易数控直流稳压电源框图
2、3 电路设计
2.3.1 整流、滤波电路设计
首先确定整流电路结构为桥式电路;滤波选用电容滤波。
电路如图2所示。
图2 整流滤波电路
电路的输出电压U I 应满足下式:U ≥U omax +(U I -U O )min+△U I
式中,U omax 为稳压电源输出最大值;(U I -U O )min 为集成稳压器输入输出最小电压差;U RIP 为滤波器输出电压的纹波电压值(一般取U O 、(U I -U O )min 之与的确良10%);△U I 为电网波动引起的输入电压的变化(一般取U O 、(U I -U O )min 、U RIP 之与的10%)。
对于集成三端稳压器,当(U I -U O )min=2~10V 时,具有较好的稳压特性。
故滤波器输出电压值:U I ≥15+3+1、8+1、98≥22(V),取UI=22V 、根据UI 可确定变压器次级电压 U 2。
U 2=U I / 1、1～1、2≈(20V)
在桥式整流电路中,变压器,变压器次级电流与滤波器输出 电流的关系为:Ｉ2=(1、5～2)I I ≈(1、5～2)I O =1、5×0、5=0、75(A)、取变压器的效率η＝0、8,则变压器的容量为
P=U 2I 2/η=20×0、75/0、8=18、75(W) 选择容量为20W 的变压器。
因为流过桥式电路中每只整流三极管的电流为
I D =1∕2I max =1/2I Omax =1/2×0、5=0、25(A) 每只整流二极管承受的最大反向电压为
)(31%)101(202max 2V U U RM ≈+⨯⨯==
选用三极管IN4001,其参数为:I D =1A,U RM =100V 。
可见能满足要求。
一般滤波电容的设计原则就是,取其放电时间常数R L C 就是其充电周期的确2～5倍。
对于桥式整流电路,滤波电容C 的充电周期等于交流周期的一半,即
R
L
C≥(2～5)T/2=2～5/2f,
由于ω＝2πf,故ωR
L C≥(2～5)π,取ωR
L
C＝3π则 C=3π/ωR
L
其中R
L =U
I
/I
I
,所以滤波电容容量为C＝3πI
I
/2πfU
I
＝(3π×0、5)/ 2π
×50×22＝0、681×103(μF)
取C=1000µF。
电容耐压值应考虑电网电压最高、负载电流最小时的情况。
U Cmax =1、1×2U
2max
=1、1×2×20≈31、1(V)
综合考虑波电容可选择C=1000µF,50V的电解电容。
另外为了滤除高频干扰与改善电源的动态特性,一般在滤波电容两端并联一个0、01～0、1µF的高频瓷片电容。
2.3.2 D/A变换器
D/A变换器设计若要使UIN步进变化,则需要一数模转换器完成。
电路如图4所示。
图4 D/A 转换器电路
该电路的输入信号接四位二进制计数器的输出端,设计数器输出高电
平为U
H ≈+5V,输出低电平U
L
≈0V。
则输出电压表达式为
U o1=-R
f
〔U
H
/8R·D
+U
H
/4R·D
1
+U
H
/2R·D
2
+U
H
/R·D
3
〕
=-R
f U
H
/23R〔23D
3
+22D
2
+21D
1
+20D
〕
设U
o2=-U
o1
(U
IN
)、当D
3
D
2
D
1
D
(Q
3
Q
2
Q
1
Q
)=1111时,要求U
IN
=12V,即:
12=R
f U
H
/23R×15
当U
H =5V时,R
f
=1、28R、取R=20KΩ,R
f
由 20KΩ电阻与电阻3、5KΩ电
位器串联组成。
2.3.3 可调稳压电路设计
为了满足稳压电源最大输出电流500mA的要求,可调稳压电路选用三端集成稳压器CW7805,该稳压器的最大输出电流可达 1.5A,稳压系数、输出电阻、纹波大小等性能指标均能满足设计要求。
要使稳压电源能在5～15V之间调节,可采用图3所示电路。
图 3 可调稳压电路
设运算放大器为理想器件,所以UN≈UP。
又因为
UP=(R2/R1+R2)UIN,UN=(U0-R3/R3+R4)×3
所以,输出电压满足关系式
U0=UNI·(R·/R1+R2)+(R3/R3+R4)×3
令R1=R4=0,R2=R3=1KΩ。
则U0=UIN+3。
由此可见,U0与Uin之间成线性关系,当UIN变化时,输出电压也相应改变。
若要求输出电压步进增或减,UIN步进增或减即可。
2.3.4 数字控制电路设计
数字控制电路的核心就是可逆二进制计数器。
74LS193就就是双时钟4位二进制同步可逆计数器。
计数器数字输出的加/减控制就是由“+”、“-”两面三刀按键组成,按下“+”或“-”键,产生的输入脉冲输入到处74LS193的CP+或CP-端,以便控制74LS193的输出就是作加计数还就是作减计数。
为了消除按键的抖动脉冲,引起输出的误动作,分别在“+”、“-”控制口接入了由双集成单稳态触发器CD4538组成的单脉冲发生器。
每当按一次按键时,输出一个100ms 左右的单脉冲。
电路如图5所示。
74LS193及CD4538的功能表请查阅有关资料。
图5 可逆二进制计数器
2.3.5 辅助电源设计
要完成D/A转换及可调稳压器的正常工作,运算放大器LM324必须要求正、负双电源供电。
现选择±15V供电电源。
数字控制电路要求5V电源,可选择CW7805集成三端稳压器实现。
辅助电源原理图如图6所示。
图6 辅助电源电路图
2、4 调试要点
2.4.1 辅助电源的安装调试
在安装元件之前,尤其要注意电容元件的极性,注意三端稳压器的各端子的功能及电路的连接。
检查正确无误后,加入交流电源,测量各输出端直流电压值。
2.4.2 单脉冲及计数器调试
加入5V电源,用万用表测量计数器输出端子,分别按动“+”键与“-”键,观察计数器的状态变化。
2.4.3 D/A变换器电路调试
将计数器的输出端Q3～Q0分别接到D/A转换器的数字输入端D3～D0,当Q3～Q0=0000时,调节RW1,使运算放大器输出UO2=0V当Q3～Q0=1111时,调节10KΩ电位器,使U02=10V。
2.4.4 可调稳压电源部分调试
将电路联接好,在运算放大器同相输入端加入一0～10v的直流电压,观察输出稳压值的变化情况。
将上述各部分电路调节器试好后,将整个系统连接起来。
2、5总电路图
3 元件清单
4 心得体会
通过本次的课程设计,我们综合应用课本理论解决实际问题的能力得到了提高;我觉得课程设计对我们的帮助很大,它需要我们将学过的理论知识与实际情况的联系起来,加强我们对学过的知识的实际应用能力。
在这次课程设计过程中,我遇到了几个自己不能解决的问题,通过老师与同学的帮助最终把问题解决,因此,我发现自己的电子知识还就是有限的,而且我们所学的理论知识就是很有用的,没有坚实的知识基础,就是不可能完成设计的。
在设计的过程中还培养了我们的团队精神,同学们共同协作,解决了许多人无法解决的问题,在今后的学习过程中我们会更加团结与努力。