±5V 简易直流稳压电源设计±5V 简易直流稳压电源设计内容摘要该电源系统以 ATMEL89S52 单片机为核心控制芯片，实现数控直流稳压电源功能的方案。设计采用 4 位二进制同步可逆计数器 74LS193、7805 和双成单态触发器 CD4538 组成的单脉冲发生器构成稳压源，实现了。输出电压范围为－ 5V～+5V，电压步进 1V 的数控稳压电源，另外该方案只采用了 3 按键实现输出电压的方便设定。通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，可以使大家学会如何选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源和掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。关键词：±5V；稳压电源；设计I ±5V 简易直流稳压电源设计2.3.2 采用 A/D 和 D/A图 2.4 A/D 和 D/A 构成直流电源的电路采用 A/D 和 D/A 构成直流电源的电路如图 2.4 所示。采用单片机构成直流电源的电路如图 2.4 所示，利用 AVR 单片机自带的 D/A 口 DAC0 输出 0～2.5V 的电压，然后经一级反相放大器和跟随器，此时可以输出 0 到－5V 电压。但是因为 A/D 变换器只能采集 0 到+2.56V 的电压，所以再在跟随器后面加一级反相放大器器然后送回到 A/D 采样，MCU 比较发现 DAC0 输出为正确电压时，则从跟随器后直接输出电压，这样就可以输出 0 到-5V 的电压了。当需要正相电压时从 DAC1 口输出电压，这时就不需要反相，其它原理与 DAC0 相似。优点：精确度高，纹波小，效率和密度比较高，可靠性也不错。缺点：电路相对复杂，AVR 单片机的 IO 口不能容忍负电压，否则会被损坏。所以，这种方案也行不通。2.3.3 采用 D/A 和数字电位器组合采用运算放大器 LM324 正、负双电源供电±15V。数字控制电路要求 5V 电源，把这个电压送到三端稳压器件 7805 的公共端，然后，再以+5V 作为参考则输出的电压就能实现在－5V～+5V 任意可调。采样时，是对地采样的，就省去了负电压不好采样的麻烦，这也是我们的创新之处。MCUA/D236AR?Op Amp+5VDAC0Port10R110R110R1-5V236AR?Op AmpVCCDAC1236AR?Op Amp236AR?Op Amp-5V-5VVCC10R110R1V0236AR?Op Amp+5V-5VPort10R110R110R17 ±5V 简易直流稳压电源设计图 2.5 D/A 和数字电位器组合电路8 ±5V 简易直流稳压电源设计3 主要单元电路设计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 3.1 所示。图 3.1 整流滤波电路电路的输出电压 UI 应满足下式：U≥Uomax+（UI-UO）min+△UI式中，Uomax 为稳压电源输出最大值；（UI-UO）min 为集成稳压器输入输出最小电压差；URIP 为滤波器输出电压的纹波电压值（一般取 UO、（UI-UO）min 之和的确良 10%）；△UI 为电网波动引起的输入电压的变化（一般取 UO、（UI-UO）min、URIP 之和的 10%）。对于集成三端稳压器，当（UI-UO）min=2～10V 时，具有较好的稳压特性。故滤波器输出电压值：UI≥15+3+1.8+1.98≥22(V),取 UI=22V.根据 UI 可确定变压器次级电压 U2。U2=UI/　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)II≈(1.5～2)IO=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=U2I2/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 ID=1∕2Imax=1/2IOmax=1/2×0.5=0.25(A) 每只整流二极管承受的最大反向电压为9 ±5V 简易直流稳压电源设计URM=√2 U max=√2×20×(1+10 %)≈31(V )选用三极管 IN4001，其参数为：ID=1A，URM=100V。可见能满足要求。一般滤波电容的设计原则是，取其放电时间常数 RLC 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RLC≥（2～5）T/2=2～5/2f,由于 ω＝2πf,故 ωRLC≥(2～5)π,取 ωRLC＝3π 则C=3π/ωRL其中 RL=UI/II，所以滤波电容容量为C＝3πII/2πfUI＝(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。UCmax=1.1×√2U2max=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和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[4]。3.2 可调稳压电路设计图 3.2 可调稳压电路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-5～5V 之间调节，可采用图 3.2所示电路。设运算放大器为理想器件，所以 UN≈UP。又因为10 ±5V 简易直流稳压电源设计UP=（R2/R1+R2）UIN，UN=（U0-R3/R3+R4）×5所以，输出电压满足关系式U0=UNI·（R·/R1+R2）+（R3/R3+R4）×5令 R1=R4=0，R2=R3=1KΩ。则 U0=UIN+5。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。3.3 可调稳压电路设计图 3.3 D/A 转换器电路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 3.3所示。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UH≈+5V，输出 低电平 UL≈0V。则输出 电压表达式为Uo1=-Rf〔UH/8R·D0+UH/4R·D1+UH/2R·D2+UH/R·D3〕=-RfUH/23R〔23D3+22D2+21D1+20D0〕设 Uo2=-Uo1(UIN).当 D3D2D1D0(Q3Q2Q1Q0)=1111 时,要求 UIN=10V，即：10=RfUH/23R×15当 UH=5V 时，Rf=1.067R.取 R=20KΩ,Rf 由 20KΩ 电阻和电阻 10KΩ 电位器串联组成[5]。11 ±5V 简易直流稳压电源设计3.4 数字控制电路设计数字控制电路的核心是可逆二进制计数器。74LS193 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 的输出是作加计数还是作减计数。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。图 3.4 可逆二进制计数器3.5 辅助电源设计图 3.5 辅助电源电路图要完成 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12 ±5V 简易直流稳压电源设计双电源供电。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 3.5 所示。3.6 调试要点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）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“+”键和“-”键，观察计数器的状态变化。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。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进行通调。13 ±5V 简易直流稳压电源设计结束语本次课程设计的课题是直流稳压电源，完成了题目要求的基本部分的和发挥部分要求，达到了预期目标。本系统以 51 单片机 ATMEL89S52 芯片和 8 位精度的 DA转换器 DAC0832 为核心部件，利用常用的三端稳压器件 7805 的公共端与输出端固定的 5 伏电压特性，最终实现了数字显示输出电压值和电流值可实时控制并显示的数控电源 。由于本人水平有限，缺乏相关的实际经验，文中一些计算和选型难免有不足之处，还望各位老师批评指正。 14 ±5V 简易直流稳压电源设计参考文献[1] 王加加，徐亮亮.直流稳定电源设计.魅力中国，2010.[2] 滕建华.基于单片机的直流稳压电源设计.科技信息，2010.[3] 毛志强.数控直流稳压电源及系统设计.机电产品开发与创新，2010.[4] 吴小帆，许志华.直流稳压电源设计.商情，2010.[5] 陈石龙.简易数控直流稳压电源的设计.宁德师专学报：自然科学版,2010.[6] 赵效敏.开关电源的设计与应用.上海:上海科学普及出版社,2000.[7] 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南第二册.北京:机械工业出版社,2001.[8] 王全保.电子变压器手册. 沈阳:辽宁科学出版社,1998.[9] 李全利.单片机原理及应用技术．北京高等教育出版社，2004．[10] 郝立军.直流稳压电源的设计方法.农业机械与电器化，2007．15 ±5V 简易直流稳压电源设计目 录内容摘要............................................................................................................................I引 言.................................................................................................................................11 稳压电源概述...............................................................................................................21.1 稳压电源的分类...............................................................................................21.2 稳压电源的发展...............................................................................................21.3 稳压电源的组成...............................................................................................21.3.1 变压电路................................................................................................31.3.2 整流滤波电路........................................................................................31.3.3 稳压电路................................................................................................32 系统方案选择和论证...................................................................................................52.1 基本目标...........................................................................................................52.2 系统整体流程...................................................................................................52.3 系统基本方案...................................................................................................52.3.1 三端稳压电源........................................................................................62.3.2 采用 A/D 和 D/A....................................................................................72.3.3 采用 D/A 和数字电位器组合..............................................................73 主要单元电路设计.......................................................................................................93.1 整流、滤波电路设计.......................................................................................93.2 可调稳压电路设计.........................................................................................103.3 可调稳压电路设计.........................................................................................113.4 数字控制电路设计.........................................................................................123.5 辅助电源设计.................................................................................................123.6 调试要点.........................................................................................................13结束语.............................................................................................................................14参考文献.........................................................................................................................15 ±5V 简易直流稳压电源设计 ±5V 简易直流稳压电源设计引 言电源波动或负载变化影响而保持稳定，这就需要我们对整流后的电源进行稳压设计。在各种电子电路中，总离不开电源电路，而由于电路结构和元件特性，就需要用到直流电源供电，而能提供直流电源的干电池太阳能电池等功率小，成本高等缺点。而交流电在产生、电能输送等方面具有独特的优点，发电站、各市电网中的电能传输都是以交流电的形式进行输送，因此，就需要我们对市电提供的电压进行降压整流等，把交流电转换成直流电，以获得我们所需要的电压。电力系统供电电压的波动，或者负载阻抗和功率的变化，都会引起整流器输出电压随之改变。在电子电路和自动控制装置中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，使整流器输出电压尽可能少受流电进行滤波，稳压，以获得我们所需要的供电电源。1 ±5V 简易直流稳压电源设计1 稳压电源概述1.1 稳压电源的分类稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源。既然我们谈的是稳压电源的分类，那么首先就应该清楚电源的输出是什么，是输出直流电还是输出交流电。这样第一个层次就出来了，首先应该根据电源的输出类型来分类。接下来的分类就要麻烦一些，是按稳压电路与负载的连接方式分类还是按调整管的工作状态分类呢？其实了解一下我们身边的电子设备会发现实际应用中稳压电源有两个区别很大的种类，一种是各种比较简单的电子设备中广泛使用的线性稳压电源，比如收音机、小型音响等；一种是各种复杂电子设备中广泛使用的开关稳压电源，比如大屏幕彩电、微型计算机等。这样看来第二个层次的分类我们可以根据调整管的工作状态来分类。接下来的第三个层次的分类就是根据稳压电路与负载的连接方式来分类。再往下面细分由于各种不同的电路特性相差太大，就不好一概而论，应该根据每一个具体类别的特性进行分类区分了。1.2 稳压电源的发展稳压电源的历史可追溯到十九世纪，爱迪生发明电灯时，就曾考虑过稳压器，到二十世纪初，就有铁磁稳压器以及相应的技术文献，电子管问世不久，就有人设计了电子管直流稳压器。在四十年代后期，电子器件与磁饱和元件相结合，构成了电子控制的磁饱和交流净化电源稳压器。五十年代晶体管的诞生使晶体管串联调整稳压电源成了直流稳压电源的中心。六十年代后期，科研人员对稳定电源技术做了新的总结，使开关电源，可控硅电源得到快速发展，与此同时，集成稳压器也不断发展。直至今日，在直流稳压电源领域，以电子计算机为代表的要求供电电压低，电流大的电源大都由开关电源担任，要求供电电压高，电流大的设备的电源由可控硅电源代之，小电流、低电压电源都采用集成稳压器。1.3 稳压电源的组成电子电路都需稳定的直流电源，除少数情况下用电池外，一般都由交流电网供电，经变压、整流、滤波、稳压后获得。其工作过程是，利用变压器将交流电网电压变为所需要的交流电压；然后经过整流电路，把大小和方向都随时间变化的交流电变成脉动的直流电；再经过滤波电路，滤除脉动直流电中的交流成分，输出平滑的直流电；2 ±5V 简易直流稳压电源设计稳压电路的作用是，当电网电压波动或负载变化引起输出的直流电压变化时，通过稳压电路的自动调整使输出电压维持平稳[1]。1.3.1 变压电路通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。通俗的说，电源变压器是一种电→磁→电转换器件。即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。1.3.2 整流滤波电路单相整流电路的形式有半波整流电路、全波整流电路、桥式整流电路，其中桥式整流电路应用最广泛。单相桥式整流电路如图 1.1 所示，它由四只整流二极管接成电桥形式，其中两个共阴极组二极管的阴极接负载 RL 的一端，为输出直流电的正极。另两个共阳极组二极管的阳极接负载 RL 的另一端，为输出直流电的负极。两个二极管阳极和阴极相连的端子接整流变压器的次级绕组。 图 1.1 单相桥式整流电路 图 1.2 电容滤波电路滤波电路的主要元件是电容和电感，利用它可构成电容滤波电路、电感滤波电路，电容电感 Г 型滤波电路和 π 型滤波电路等，其中以电容滤波电路最常用。电容滤波电路如图 1.2 所示，滤波电容器并联在负载两端[2]。1.3.3 稳压电路整流滤波后所得的直流电压虽然比较平滑，但是当电网电压波动或负载变动时，输出的直流电压也跟着变动。实际工作中，电网电压的波动及负载的变动是客观存在的，因此，负载两端的电压是不稳定的。稳压电路的作用就是向负载提供稳定的直流3 ±5V 简易直流稳压电源设计电压。稳压电路按所用器件可分为分立元件直流稳压电路和集成直流稳压电路；按电路结构可分为并联型直流稳压电路和串联型直流稳压电路；按电压调整单元的工作方式则可分为线性直流稳压电路和开关型直流稳压电路[3]。4 ±5V 简易直流稳压电源设计2 系统方案选择和论证2.1 基本目标设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源。基本要求如下：1）输出电压：范围－5V～＋5V，步进 0.1V。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）数字显示输出电压值。2.2 系统整体流程简易数控直流稳压电源主要包括三部分：数字控制部分、模拟/数字转换部分(D/A 变换器)及可调稳压电源,数字控制部分由“﹢”，“﹣”控制可逆计数器，由二进制计数器输出，再输入到 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固定步进值增减。简易数控直流稳压电源设计的系统整体框图见图 2.1图 2.1 系统整体框图2.3 系统基本方案根据设计任务要求，数控直流稳压电源主要包括三大部分：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。此次设计初期做了三端稳压电源、采用 A/D 和 D/A 设计、采用 D/A 和数字电位器与运放到组合三种方案进行比较选择，现将各方案及其优缺点陈述如下：5 ±5V 简易直流稳压电源设计2.3.1 三端稳压电源图 2.2 可调三端稳压直流电源电路图 2.3 PN 节调节电路采用可调三端稳压电源构成直流可调电源的电路如图 2.2 所示。怎样实现数控呢？我们把图 2.3 中的可变电阻 RP 用数字电位器来代替，就能实现数控了。但由于三端稳压芯片 LM317 和 LM337 的输出电压不能从 0V 起调。可以采用在输出的地方加两个二级管，利用 PN 节的固有电压来实现从 0V 起调，如图 2.3 所示。优点：该方案结构简单，使用方便，干扰和噪音小。缺点：数字电位器误差较大，控制精度不够高，误差电压较大。同时更重要的是几乎所有的数字电位器能够容忍的电流都在 20mA 以下。所以，这种方案就被否决了。10R1Vin VoutGNDU1 LM3171Kx9c1021000uC1100uC2100uC310uC4RP+15V10R1VinVoutGNDU1LM3371Kx9c1021000uC1100uC2100uC310uC4 RP+15V10R1Vin VoutGNDU1 LM3171Kx9c1021000uC1100uC2100uC310uC4RP+15V D?DiodeD?Diode6