简易数控直流稳压电源设计

简易数控直流稳压电源设计

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10m V

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。

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。

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 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是，取其放电时间常数R L C 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 f U 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 f U 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。