简易数控直流电压源报告.docx
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简易数控直流电压源报告
题目:
串联型直流稳压电源设计
专业电子信息工程
班级09电信一班
学号090507128
姓名黄志诚
指导老师郭海燕
摘要
直流稳压电源一般由电源变压器,整流滤波电路及稳压电路组成。
变压器把高交流电变为需要的低压交流电。
整流器把交流电变为直流电。
经滤波后,稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
本次设计主要采用串联型直流稳压电路,通过220V、50HZ交流电压经电源变压器降压后,通过桥式整流VD1—VD4整流成直流电再经过滤波电容平滑直流电,减少直流电纹波系数。
最后,通过稳压器稳压,将输出电压稳定在5V。
关键词:
整流、滤波、电压源、过流保护
目录
1系统设计3
1.1设计要求3
1.1.1设计任务4
1.1.2、基本要求4
1.1.3、发挥部分4
1.1.4测试要求4
1.1.5系统框图4
1.2方案论证与比较5
1.2.1电压采样模块5
1.2.2稳压模块6
1.2.3过载保护模块6
1.2.4最终方案6
2.单元电路分析6
2.1D/A转换模块6
2.1.1工作原理6
2.1.2参数选择7
2.2电压放大模块7
2.2.1工作原理7
2.2.2参数选择7
2.3稳定电压源及电压采样模块8
2.3.1工作原理8
2.3.2参数选择8
2.4过载保护模块9
2.4.1工作原理9
2.4.2参数选择9
3.软件设计10
3.1实现功能10
3.2软件平台及开发工具10
3.3软件流程图10
4.系统测试10
4.1电路测试:
11
5.结论12
6.参考文献13
7.附录
7.1原器件清单13
1系统设计
1.1设计要求
1.1.1基本要求
1、用分立元件(不能用专用芯片)设计一个+5V的直流稳压电源
2、输出电压:
Vo=5V
3、输出最大电流:
1.0A
4、具有过流保护功能,1.2A保护
5、纹波电压≤10mV。
1.2原理电路设计
1、整体框架图
直流稳压电源由变压器、整流、滤波、和稳压电路四部份组成,其原理框图如上图所示。
电网供给的电压经电源变压器降压后,得到符合电路需要的交流电压,然后由整流电路转换成方向不变,大小随时间变化的脉动电压,再用滤波器滤其分量,得到比较平直的直流电压。
但这样的直流输出电压,还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。
在对直流供电要求较高的场合,还需要使用稳压电路,以保证输出直流电压更加稳定。
电源变压器:
将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2
整流电路:
将交流电压u2变为脉动的直流电压u3
滤波电路:
将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4
稳压电路:
清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压u0的稳定
原理框图
电路图
四、单元电路设计及主要元器件参数计算
整流电路
二级管在截止时管子两端承受的最大反向电压是在U2的正半周时D1、D4导通,D2、D3载止。
此时D1、D2所承受的最大反向电压均为Ui的最大值,即:
Uo=
Ui
同理,在Ui负半周,D3、D4也承受同样大小的反向电压。
桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因电源变压器在正负半周内都有电流给负载,电源变压器得到了充分的利用,效率较高。
过流保护电路
本电路采用的是限流型保护电路,当
负载电流超过1.2A时T2管基极与射极间电压达到0.7V,T2管导通,便从T1管基极电流分流,因而限制了调整管的发射极电流。
三、输出电压及调节范围
基准电压UREF=3.9V、调整管T1和A组成同相放大电路,
Rw动端在最上端时,输出电压最小
=
Rp动端在最下端时,输出电压最大
=
取:
R4=620
,Rw=1K
,R5=2K
带入上式可得输出Uo
(4.7V,7.05V),输出Uo可调节到5V满足要求
根据稳压电路的各项参数,T1管选用TIP122,T2管选9013满足题意
2、方案比较及单元电路设计
整流电路主要有单相半波整流电路,和单相桥式整流电路;滤波电路主要有电容滤波电路、电感滤波电路。
方案一:
整流和滤波电路由单相半波整流电路和电感滤波电路组成。
方案二:
整流和滤波电路由单相桥式整流电路和电容滤波电路组成。
单相半波整流电路:
直接在交流电路中串接一个合适的二极管,如图1所示,利用二极管的单相导电性,把交流电转换为直流电,产生图2所示的电压波形。
图1单相半波整流电路图2半波整流电路输出电压波形
单相桥式整流电路:
采用的是全波整流,它有四只二极管组成。
其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内,负载上电压和电流的方向始终不变,利用四只二极管桥式连接,可满足这一要求,如图3所示。
其输出电压波形如图5.
图3单相桥式整流电路图4桥式整流电路输出电压波形图
单相半波整流电路的优点是使用元器件少,电路简单:
缺点是效率低,输出电压脉动系数大。
这种电路仅适用于电流较小,对电流脉动程度要求不高的场合。
而桥式整流电路,对二极管的参数要求与半波整流一样,但有输出电压高、变压器利用率高、脉动小等优点,因此得到了广泛的应用;但它所需要二极管的数量多,由于实际二极管的正向电阻不为零,必然会使整流电路的内阻增大,从而使损耗较大。
故本设计选择单相桥式整流电路。
电容滤波电路:
是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端并联一个电容(区分正负极)即构成电容滤波电路,电容在电路中也有储能的作用,并联的电容器在电源供给的电压升高时,能把部分能量存储起来,而当电源电压降低时,就把能量释放出来,使负载电压比较平滑
图5电容滤波电路原理图
图6电容滤波电路输出电压波形图
电感滤波电路:
在整流电路与负载之间串联一个电感线圈就构成了电感滤波电路,一般为了增大电感线圈的电感量,采用有铁芯的线圈,其原理图如图7所示。
电容滤波电路简单易行,输出电压平均值高,但它仅适用于负载电流较小且其变化也较小的场合。
而电感滤波能应用于负载电流较大的场合,当负载电阻很小时,就应该用电感滤波电路。
本次设计使用电容滤波电路。
图7电感滤波电路
所以本次采用方案二
1.2方案论证与比较
1.2.1电压采样模块
方案一:
在输出口串上两个大电阻和一个电位器,从电位器的中间抽头进行采样,这样不但可以得到完全采样,而且可调.因为实际的电阻值与所标的电阻值会有一些误差,电位器的精密度等都会增加电压采样误差.电路图如下:
方案二:
由于产生的稳定直流电压源的电压值高达9.9V,不能直接送给PIC的I/O采样,则需将其线性降压,而此降压电路模块不会影响电压源的各性能。
因此利用电压跟随器的输入电阻无穷大的特性,得出采样电压。
综合以上分析,方案二较好。
1.2.2稳压模块
方案一:
如下图所示,电路接成串联型电压负反馈,我们把输入电压加到运放的同相端,与6脚的取样电压构成差动放大器,把他们之间的电压差进行放大,放大后的电压再接到调整管的基级,通过调整管的调整作用,来达到稳定输出电压的效果。
方案二:
如图,电压经过差分放大后由功率三极管放大电流组成电压负反馈电路。
再经过电容滤波,电路即可输出稳定的直流电压。
综合以上分析,方案二较好。
1.2.3过载保护模块
方案一:
如下图所示,
采用复合管组成限流型保护电路,通过调整电阻R8,当电路中的电流达到或超过需保护的设定值时,R8两端的电压超过0.5V,9013导通工作,电流中的电流可通过9013进行分流,使得TIP122的基极电位被拉下来,使得TIP122截止,以此来保护调整管。
当R8两端的电压小于0.5V时,9013截止,TIP122恢复工作。
但过载时,电流不易测得。
而且LM324的输入端电压最小为300mV,当取样电阻两端电压过小时,LM324取样不到,从而影响后续的同相比例放大及A/D值。
方案二:
如下图所示
在如上的电路中,将负载接在电流取样电阻之前,输出电压会受到电流取样电阻的影响。
一旦取样电阻确定后,通过观测其两端电压大小即可得出流经负载的电流值大小。
通过软件控制过载时对电路的保护。
从而,使得过载时,电流易于测得。
综上所述,选用方案二。
1.2.4最终方案
单片机PIC16F877A主要用于预设输出电压值并通过按键来实现输出电压的步进控制,当电路输出较大电压,若输出端所接负载较小,电路中电流较大,超过设计要求,系统启动保护状态,过载保护通过软件来实现。
系统将电路中实时采样的电压值和电流值送数码管显示。
(1)单片机控制模块:
采用PIC16F877A单片机为核心。
(2)基准电压模块:
采用数字电位器MCP41010进行D/A转换输出基准电压。
(3)控制调整模块:
采用达林顿管TIP122进行控制调整输出电压。
(4)输出取样模块:
采用电阻臂进行电压取样,小功率电阻进行电流取样。
(5)显示模块:
采用数码管显示。
2.单元电路分析
2.1D/A转换模块
2.1.1工作原理
如图所示,利用PIC16F877A及数字电位器MCP41010进行D/A转换,从而得到步进电压源。
MCP41010的1、2、3脚分别与PIC的三个I/O口相连。
当
=0时,MCP41010才工作。
SCK用于接入PIC的C2口输出的时钟信号。
SI为MCP41010的数据输入引脚,用于接收从PIC的C3口输出的数据信号,即步进电压信号。
当
=0时,SCK的上升沿到来时,数据从SI引脚输入数字电位器,从而得到步进电压。
2.1.2参数选择
电解电容
、瓷片电容
是为了对+5V参考电压进行滤波,故可选取电解电容
为10µF、瓷片电容
为104。
2.2电压放大模块
2.2.1工作原理
如图所示,由于MCP41010是8位电流型串行数字电位器,可产生256个步进。
当参考电压为+2.5V时,PW0输出的步进值约为0.01V。
所以要想得到步进值为0.1V,需放大5倍,并且电位器每次步进2阶同时自动调整。
通过对输出D/A的输出电压进行同相放大,该电路的放大倍数大约为5倍,并通过电位器来改变它的放大倍数,从而达到对输出电压进行硬件校准的目的。
2.2.2参数选择
(1)电路负反馈放大倍数:
不妨选取
。
(2)集成运放选取LM324。
2.3稳定电压源及电压采样模块
2.3.1工作原理
所示,集成运放的1、2、3引脚构成差分放大电路,与功率三极管TIP122组成闭环负反馈电路,使得2、3引脚的电压保持相等。
其中功率三极管还起到放大电流的作用,各电容起到稳压滤波作用。
由于输出电压范围为0~9.9V,不能直接将其作为电压采样值送给PIC的I/O口,所以需要将其线性降压。
根据电压跟随器的输入电阻无穷大的特性,组成如图采样电路,并且不影响直流电压源的各参数性质。
2.3.2参数选择
(1)由于设计要求电压源输出的电压高达9.9V,所以用大于9.9V的电源给电路供电。
三极管是电流控制电流型器件,考虑到流经其上的电流要高达0.5A,因此所选三极管的功率要承受:
所以需要选择散热性好的功率三极管TIP122,并且加上散热片帮助其尽快散热。
(2)稳压滤波电容
(3)电压采样电阻
使得
范围是0~4.95V,符合I/O口采样电压值要求。
2.4过载保护模块
2.4.1工作原理
如图所示,通过对电阻
两端电压的取样及放大,从而得到对应电流值所对应的电压值
。
LM324构成同相输入比例放大电路,放大倍数为5倍。
需A/D转换的电流进行滤波。
2.4.2参数选择
(1)为便于运算,
选用1Ω。
由于输出的最大电流可达500mA,由
可得,
=0.25W,为保险起见,故
选用1Ω/2W的功率电阻。
(2)
可取瓷片电容104。
注意:
14引脚输出出不可加电容值较大的电解电容。
由于采样功率电阻阻值非常小,在电流值不大的情况下,相应的电压值也很小,一旦在14引脚出接一个较大的电解电容虽然有稳压滤波的作用,可是其充放电会严重影响A/D采样的电压值,即相应的电流采样值。
(3)过载保护电路放大倍数
因此不妨选取
。
3.软件设计
3.1软件平台及开发工具
本系统软件的开发平台是MPLABIDE,开发工具为MPLABICD2。
3.2软件流程图
4.系统测试
4.1测试步骤:
①第一步:
检查电路没有问题,上电
②第二步:
预设置电压值,并用数字万用表检测输出电压,及功率电阻两端的电压。
③第三步:
用示波器测输出电压的纹波。
4.2测试结果
①输出电压及功率电阻两端的电压见下表:
Vout设定值/V
Vout测量值/V
流过功率电阻电流/mA
A/D显示的电流/mA
Vout误差/%
电流误差/%
0.1
0.096
6
6
4
0
0.2
0.18
11
11
10
5
0.4
0.38
20
21
10
5
0.8
0.772
38
34
10
10.5
1.0
0.95
47.00
43.00
5
8.5
1.2
1.172
56
52.0
5
7.14
1.5
1.492
70
66
3
5.7
2.0
1.994
92
86
0.3
4.3
2.5
2.478
160
157
0.88
1.87
3.0
2.980
138
132
0.6
4.3
3.5
3.478
160
157
0.6
2.5
4.0
3.988
183
179
0.9
2.18
4.5
4.496
206
203
0.8
1.4
5.0
4.994
229
226
0.122
1.3
6.0
6.010
274
273
0.166
0.4
7.0
7.018
319
319
0.25
0
8.0
8.064
365
366
0.8
0.22
9.0
9.032
410
412
0.355
0.4
9.2
9.226
419
422
0.2
0.7
9.5
9.500
433
437
0
0.9
9.9
9.970
451
455
0.7
0.8
5.结论
本设计基本完成基本要求里面的内容和发挥部分的功能和指标。
表1
基本要求
实现性能
输出电压:
范围0~+9.9V,步进0.1V,纹波不大于10mV
基本实现
纹波10~20mV
最大输出电流:
500mA
实现
启停键:
“工作”与“停止”两状态的转换键,每按该键一次状态翻转一次
实现
“停止”状态:
禁止电压输出,状态指示灯灭,电压指示器显示预设电压,负载电流为0;在该状态下按“+”、“-”两键调整预设电压值,调整步进0.1V
实现
“工作状态”:
允许输出预设电压,正常工作指示灯亮,电压、电流指示器实时显示输出电压和负载电流。
一旦负载电流超限输出保护关断信号,转入“保护”状态,保护响应时间不超过10mS。
处在“工作”状态时输出电压不能调整,按启停键转换到“停止”状态
实现
“保护”状态:
禁止电压输出,过载指示灯亮,电压、电流指示器显示预设电压和超载时的电流值,5秒后自动回到“停止”状态
实现
6.参考文献
[1]清华大学电子学教研组编,阎石主编.数字电子技术基础(第五版).北京:
高等教育出版社,2006.5
[2]张华林,周小方编著.电子设计竞赛实训教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2007.7
7.附录
7.1原器件明细表
器件名称
器件型号
数量(个)
器件名称
器件型号
数量(个)
集成芯片
16F877A
1
瓷片电容
104
4
MCP41010
1
电解电容
10Uf
3
LM324
1
电
阻
3K3
三极管
7815
1
10K
TIP122
1
5K
电位器
10K
1
二极管
4007
4
5K
2
敷铜板
1
散热片
2
蜂鸣器
1
7.2电路原理图
7.3电路PCB图
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