原创 简易数控直流稳压电源设计

简易数控直流稳压电源设计<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

一、设计任务和要求

      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．  输出直流电压调节范围5~15V，纹波小于10mV

2．  输出电流为止<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />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。

二、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。

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图1简易数控直流稳压电源框图

三、电路设计

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之和的确良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之和的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 U₂。

U₂=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=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

      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

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是，取其放电时间常数R_LC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_LC≥（2～5）T/2=2～5/2f,

由于ω＝2πf,故ωR_LC≥(2～5)π,取ωR_LC＝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×U_2max=1.1××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。

2．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）×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．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·D₀+U_H/4R·D₁+U_H/2R·D₂+U_H/R·D₃〕

   =-R_fU_H/2³R〔2³D₃+2²D₂+2¹D₁+2⁰D₀〕

设U_o2=-U_o1(U_IN).当D₃D₂D₁D₀(Q₃Q₂Q₁Q₀)=1111时,要求U_IN=10V，即：

                         10=R_fU_H/2³R×15

当U_H=5V时，R_f=1.067R.取R=20KΩ,R_f由 20KΩ电阻和电阻10KΩ电位器串联组成。

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。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

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

四、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。