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：
输出直流电压调节范围5~15V，纹波小于10mV
输出电流为止500m A.
稳压系数小于0.2。
直流电源内阻小于0.5Ω。
输出直流电压能步进调节，步进值为1V。
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)PRODUCT(ROUND()) \# "#,##0"
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：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×U2max=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。
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。
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