毕业论文-程控直流稳压电源设计与实现.doc

常州轻工职业技术学院常州轻工职业技术学院常州轻工职业技术学院常州轻工职业技术学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题 目 程控直流稳压电源设计与 实现 姓 名 戴 杰 学 号 0833113438 班 级 08 级 344 机电一体化 指导教师 高罗卿 职 称 日 期 C C C Z Z Z I I I L L L I I I 常州轻工职业技术学院 XX 系毕业设计 毕业设计 论文 开题报告毕业设计 论文 开题报告 学 生 姓 名 戴杰专 业 班 级 机电一体化 08 机电 334 学号 0833113438 指导教师及职称高罗卿 题 目程控直流稳压电源设计与实现 结合毕业设计 论文 课题情况 根据所查阅的文献资料 每人撰写 500 字左右的文献综 述 一 选题的背景和意义 随着电力电子技术的迅速发展 直流电源应用非常广泛 其好坏直接影响着电气设备或 控制系统的工作性能 直流稳压电源是电子技术常用的设备之一 广泛的应用于教学 科研等 领域 传统的多功能直流稳压电源功能简单 难控制 可靠性低 干扰大 精度低且体积大 复杂度高 而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足 二 课题研究的主要内容 此次的毕业设计主要是采用硬件电路和单片机的编程控制 实现稳定电压输出 在此基 础 上实现 4V 5V 6V 和 7V 的可编程直流稳压电源 三 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段 途径 1 本课题首先设计可变程控电源模块 以及集成三端可调试稳压电路 然后模拟电子开关 电路 还要针对仿真操作中的问题 进行分析 解决 2 研究手段 通过电脑使用 CAD 仿真软件和掌握 Protel99SE 软件的使用及印刷电路板的设 计程序 然后进行仿真操作 将实践与理论有效结合 四 毕业设计 论文 进度安排 2010 年 7 月 9 月接到任务书 查阅相关资料 选择论文主题 2010 年 10 月 12 月查阅相关资料 填写开题报告 2011 年 1 月直流稳压电源的设计思路 2011 年 2 月 3 月 硬件电路设计 2011 年 4 月软件设计 2011 年 5 月试验准备 试验总结 2011 年 6 月撰写毕业设计论文 整理完稿 摘 要 在各种电子实验中 电源是最基本的需要 设计出一种高精度的可调输出的电 源不但能满足不同电子实验的要求 而且能满足在同一实验中需要使用不同的电压 值来测试的要求 本文设计了一种高精度程控稳压电源 该电源的功能由硬件和软件两方面来实 现 硬件方面包括变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路 反馈电路 保护电路 程控电路 显示电路以及支持单片机运行的复位和时钟电路 市电 220V 电压通过 变压器流入系统 经过整流 滤波后变成近似的直流电压 再经过稳压部分稳压后 获得稳定的直流输出 稳压部分由达林顿管作为调整管 由运放作为反馈取样之后 的放大电路 利用放大电路来提高调整管的反应灵敏度电压稳定性 软件方面 使 用单片机语言编程 控制程控部分 即 单片机 D A A D 部分 该部分作用是 控制稳压电路部分的基准电压的输出与调整 同时实现高精度的输出 并且控制数 码管显示输出电压 整个电路的设计就是在综合考虑各个模块现有的电路的基础上 选择最佳电路 来实现设计目标的 关键词 直流稳定电源 整流 滤波 程控 D A A D Abstract In various electronics experiments the power supply is the most basic demand Designing a power supply which has high accuracy and ajustable output can satisfy not only the request of different electronics experiments but also the demand in same experiment to use different electric voltage values for test This text introduced a kind of high accuracy distance to control steady press the design of the power supply The function of that power supply is carry out by the hardware and the software both side The hardware includes transformer commutate the electric circuit the filter electric circuit steady press electric circuit feedback electric circuit the protection electric circuit distance to control electric circuit the manifestation electric circuit and support a single slice luck to go of reset with the clock electric circuit The city gives or get an electric shock the 220 V electric voltage to pass the transformer afflux system passing by to commutate the filter becomes similar direct current electric voltage behind again has been pressed part steadily steady press behind acquire stable direct current exportation Steady press part from reach Dynatron as to adjust a tube is put by the luck after being the feedback sampling of enlarge electric circuit make use of to enlarge electric circuit to raise an intelligent degree of the reaction of the adjustment tube an electric voltage stability The software aspect use a single slice the machine language plait distance control a distance to control part namely Single slice machine D A A D part It s part of functions turn to is the exportation of the basis electric voltage that the controls is steady to press the electric circuit parts and adjust carry out the exportation of the high accuracy in the meantime and the control figures tube manifestation output electric voltage The design of the whole electric circuit is the foundation that is synthesizing to consider each existing electric circuit up choose the best electric circuit to carry out the design target Keywords DC stable power supply commutate filter programmable control D A A D 目 录 第一章第一章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 1 1 电源技术研究的主要成果 1 1 1 2 电源技术的发展趋势 2 1 1 3 电源技术存在的问题 2 1 2 本文的结构和主要内容 3 第二章第二章 稳压电源整体设计 4 2 1 小功率整流电路 4 2 1 1 单相半波整流电路 4 2 1 2 单向全波整流电路 5 2 1 3 桥式整流电路 6 2 2 滤波电路 7 2 2 1 电容滤波电路 8 2 2 2 电感滤波器 10 2 3 稳压电路 11 2 3 1 稳压电路的指标 12 2 3 2 稳压管基本应用电路 13 2 3 3 串联反馈型晶体管稳压电路 15 2 4 本章小结 20 第三章第三章 硬件部分外围电路设计 21 3 1 程控部分简介 21 3 1 1 8051 单片机简介 21 3 1 2 D A 和 A D 芯片简介 23 3 1 3 单片机外围电路简介 29 3 2 数码管显示电路 31 3 3 按键电路 32 3 4 保护电路 33 3 4 1 用稳压管保护 33 3 4 2 二极管组成得过流保护电路 34 3 5 本章小结 34 第四章第四章 系统软件设计 35 4 1 概述 35 4 2 系统核心指令系统简介 35 4 3 软件系统流程介绍 35 4 4 本章小结 39 第五章第五章 实验步骤及设计不足 40 5 1 概述 40 5 2 实验方法 40 5 3 设计中存在的不足 41 5 4 本章小结 41 结结 论论 42 参考文献参考文献 43 附录附录 1 45 附录附录 2 46 附录附录 3 47 致谢致谢 48 第一章 绪论 1 1 课题背景 电子设备都需要良好稳定的电源 而外部提供的能源大多数为交流电源 电源 设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务 转换后的 直流电源应具有良好的稳定性 当电网或负载变化时 它能保持稳定的输出电压 并具有较低的纹波 我们通常称这种直流电源为稳压电源 2 但有时提供的直流电 压不符合设备要求 仍需变换 称为DC DC变换 常规的稳压电源为串联调整线性 稳压电源 它通常由50Hz工频变压器 整流器 滤波器 串联调整线性稳压器组成 调整元件工作在线性放大区 流过的电流是连续的 调整管上损耗较大的功率 需 要体积较大的散热器 因此该种电源体积大 且效率低 通常仅为35 60 同 时承受过载能力较差 但是它具有优良的纹波及动态响应特性 开关电源是利用现代电力电子技术 通过控制开关晶体管开通和关断的时间比 率 维持稳定输出电压的一种电源 开关电源处于电源技术的核心地位 它主要分 为AC DC和DC DC两大类 开关电源去除了笨重的工频变压器 代之以几十kHz 几 百kHz甚至数MHz的高频变压器 由于调整管工作在开关状态 因而功率损耗小 效 率高 目前 开关电源技术向着轻 小 薄 低噪音 高可靠 抗干扰的方向发展 新器件和新拓扑理论的出现使得开关电源日趋可靠 成熟 经济 适用 1 1 1 电源技术研究的主要成果 经过 20 多年的不断发展 开关电源技术有了重大进步和突破 新型功率器件的 开发促进了开关电源的高频化 功率 MOSFET 和 IGBT 可使中小型开关电源的工作频 率达到 400KHZ AC DC 或 1MHZ DC DC 软开关技术是高频开关电源的实现又了 可能 它不仅可以减少电源的体积和重量 而且提高了电源的效率 国产 6KHZ 通 信开关电源 采用软开关技术 效率可达 93 控制技术的发展以及专用控制芯片 的生产 不仅使电源电路大幅度简化 而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提 高 有源功率因数校正技术 APFC 的开发 提高了 AC DC 开关电源的功率因数 既治理的电网的谐波污染 又提高了开关电源的整体效果 在开关电源的所有应用领域内 通信电源使增长速度最快的一部分 新型磁材 料和新型变压器的开发 新型电容器和 EMI 滤波器技术的进步 以及专用集成控制 芯片的研制成功 使开关电源实现了小型化 并提高了 EMC 性能 微处理器监控技 术的应用 提高了电源的可靠性 也适应的市场对其智能化的要求 1 1 1 2 电源技术的发展趋势 新型半导体器件的发展使开关电源技术进步的龙头 目前正在研究高性能的碳 化硅半导体器件 一旦开发成功 对电源技术的影响将是革命性的 此外 平面变 压器 压电变压器及新型电容器等元件的发展 也将对电源技术的发展起到重要作 用 集成化是电源技术的一个重要的发展方向 通过控制电路的集成 驱动电路的 集成以及保护电路的集成 最后达到整机的集成化生产 集成化和模块化减少了外 部连线和焊接 提高了设备的可靠性 缩小了电源的体积 减轻了重量 高频开关电源的发展趋势更是向着高频化 模块化 数字化 绿色化的方向发 展 开关电源技术因应用需求不断向前发展 新技术的出现又会使许多应用产品更新 换代 还会开拓更多更新的应用领域 开关电源高频化 模块化 数字化 绿色化等 的实现 将标志着这些技术的成熟 实现高效率用电和高品质用电相结合 这几年 随着 通信行业的发展 以开关电源技术为核心的通信用开关电源 仅国内有 20 多亿人民币 的市场需求 吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究 开关电源代替线性电 源和相控电源是大势所趋 因此 同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内 市场正在启动 并将很快发展起来 还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源 工业电源正在等待着人们去开发 5 1 1 3 电源技术存在的问题 随着半导体技术和微电子技术的高速发展 集成度高 功能强大的大规模集成 电路的不断出现 使得电子设备的体积在不断地缩小 重量在不断地减轻 所以从 事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想 他们正致力于研制出效率更高 体积更小 重量更轻的开关变压器或者通过别的途 经取代开关变压器 使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要 这是从事开关 稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难 开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的 并且开关稳压电源中由 于采用了开关变压器以后 才能使之由一组输入得到极性 大小各不相同的多组输 出 要进一步提高开关稳压电源的效率 就必须提高电源的工作频率 但是 当频 率提高以后 对整个电路中的元器件又有了新的要求 例如 高频电容 开关管 开关变压器 储能电感等都会出现新的问题 进一步研制适应高频率工作的有关电 路元器件 是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题 工作在线性状态的线性稳压电源 具有稳压和滤波的双重作用 因而串联线性稳 压电源不产生开关干扰 且波纹电压输出较小 但是在开关稳压电源中的开关管工 作在开关状态 其交变电压和电流会通过电路中的元件产生较强的尖峰干扰和谐振 干扰 这些干扰就会污染市电电网 影响邻近的电子仪器及设备的正常工作 随着 开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进 开关稳压电源的这一缺点得到了一 定的克服 可以达到不妨碍一般的电子仪器 家用电器的正常工作的程度 但是在 一些精密电子仪器中 由于开关稳压电源的这一缺点 却使它得不到使用 所以 克服开关稳压电源的这一缺点 进一步提高它的使用范围 是从事开关稳压电源研 制科技人员要解决的第三个问题 1 2 本文的结构和主要内容 本文分为五章 第一章是绪论 第二章介绍核心硬件部分 整流滤波稳压部分 第三章介绍了外围硬件电路 程控显示按键部分 第四章介绍支持系统工作的软件 部分 第五章介绍了实验方法以及设计中存在的不足 第二章 稳压电源整体设计 在电子电路中 通常都需要电压稳定的直流电源供电 小功率稳压电源的组成 可以用图 2 1 表示 它是由变压器 整流 滤波 和稳压电路等四个部分组成 图 2 1直流稳压电源组成框图 电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值 然后通过整流电路 将电压变成脉动的直流电压 由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波 必须通过 滤波电路加以滤除 从而得到平滑的支流电压 但这样的电压还随电网电压波动 一般有正负 10 左右的波动 负载和温度的变化而变化 因而在整流 滤波电路 之后 还需接稳压电路 稳压电路的作用是当电网电压波动 负载和温度变化时 维持输出直流电压的稳定 当负载要求功率较大 效率较高时 常采用开关稳压电源 6 2 1 小功率整流电路 2 1 1 单相半波整流电路 单相半波整流电路是最简单的整流电路 图 2 2 是单相半波阻性负载的整流电 路 图2 2 单相半波整流电路 电路中 T 为变压器 其作用是将市电 220V 的交流电压变成所需要的直流电压 VD 是整流二极管 其作用是方向变化的交流电变为单相的脉动直流 现介绍电路的 基本原理 当交流电源为正半周 即上正下负时 二极管 VD 因加正向电压而导通 V2通 过二极管 VD 加至负载电阻 RL 上 负载电压 V0 V2为正弦半波电压 当交流电元为负半周 即上负下正时 二极管 VD 上加反相电压 故 VD 不导通 若忽略二极管 VD 的反向漏电流 则负载电阻 RL 中无电流通过 负载电压为零 由此可见 由于二极管的单向导电作用 只有一个方向的电流流过负载电阻 RL 因此在负载电阻 RL 上的电压 V0是单向的脉动直流电压 以后各周期情况和第一 周期相同 输出直流电压的平均值 即直流电压 V0可按下式求出 2 1 22 2 0 0 45 0 sin2 2 1 VttdV V 整流输出的是脉动电压 即包含有直流成分 同时又有交流成分 其中的脉动 程度一般用纹波系数来衡量 即纹波系数 输出电压的交流成分有效值 输出电压直 流成分 对于直流电源来说 纹波越小越好 为了得到教平滑的直流电压就必须进 行滤波 对于输出在几安一下的各种单相整流器来说 常在整流电路输出端并联一 个一定电容量的滤波电容 C 即为容性负载 半波整流电路的优点是结构简单 使用的元器件少 但缺点是输出的波形脉动 大 直流成分比较低 变压器有半个周期不导电 利用率低 变压器电流含有直流 成分 容易饱和 所以只能用在输出功率较小 负载要求不高的场合 2 1 2 单向全波整流电路 单向全波整流电路如图 2 3 所示 变压器 T 次级线圈具有中心抽头 即得到幅值相等而相位差的电压 V21C o 180 和 V22 在未接滤波电容时 当变压器 T 的次级线圈的交流电压上 1 正而下 2 负时 VD1 受正向电压而导通 VD2 受反向电压而截至 于是电流 iD1 通过 VD1 流过负载 RL 另半个周期 即上 1 负而下 2 正时 VD2 受正向电压而导通 VD1 受反向电 压而截至 于是电流 iD2 通过 VD2 流过负载 RL 在一个周期内负载电流 i0 iD1 iD2 为单向脉动电流 负载电压为双半波 因此直流输出平均电压为单相半 波整流电路的 2 倍 即 V0 0 9V2 图2 3 单相全波整流电路 全波整流电路接入滤波电容 C 其充放电过程与半波整流相同 但由于 V21 和 V22 轮流通过 VD1 和 VD2 向电容 C 充电 所以输出电压的脉动比半波整流时小 2 1 3 桥式整流电路 桥式整流电路如图 2 4 所示 工作原理简介如下 在 V2 的正半周内 VD1 VD4 导通 VD2 VD3 截至 在 RL 上建立起上正下负的脉动电压 如果忽略二极管的管压降及变压器的内阻 则 V0 V2 而在 V2 的负办周 二极管 VD2 VD3 导通 VD1 VD4 截至 在负载 RL 上仍建立起上正下负的脉动电压 如果忽略二极管的管压降及变压器的内阻 则 V0 V2 由此可以看出 正负办周都有电流流过负载电阻 RL 而且流过负载电阻的 电流方向是一致的 因而输出电压的直流成分提高 脉动成分降低 桥式整流电路的电压可作如下估算 整流元件仍认为是理想的 在纯电阻负载 条件下 电压的顺时值为 2 2 20sin2 2 ttVVO 负载直流电压平均值为 2 3 2 9 0 VVO 图2 4 桥式整流电路 每个二极管截止时的反向电压相同 为 V2 的幅值 即 3 4 22VVd 导通二极管的电流平均值为负载电流平均值的一半 最大值与负载电流最大值 相同 综上 桥式整流电路的特点是 与半波整流电路相比 在 V2 RL 相同的条件下 输出的直流电压提高了一倍 电流脉动程度减小 变压器正负半周都有对称电流流 过 既得到充分利用 又不存在单向磁化的问题 所以它的应用较为广泛 但是需 要 4 个整流二极管 线路稍复杂 以上简单介绍了几种整流电路 根据其优缺点的判断 所以在我的设计中采用 了桥式整流电路 一方面 能使电能得到充分利用 另一方面 由于有现成的整流 桥集成元件 设计起来也比较方便 2 2 滤波电路 交流电经整流电路后可变为脉动直流电流 其中含有较大的交流分量 为了使 设备能用上纯净的直流电 还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成份 滤波电 路一般由电抗元件组成 如在负载电阻两端并联上电容器 C 或在负载中串联上电感 器 L 或由电容 电感组合而成的各中复式滤波电路 2 2 1 电容滤波电路 电容滤波就是在整流电路后面 用大量的电解电容与负载并联例如以桥式电路为 例 整流滤波电路如图 2 5 所示 并联在负载两端的电容器 C 即起滤波作用 下面以有负载 RL 和无负载 RL 两种 情况来分析滤波电路的工作原理 无负载 即 RL 开路时 电路接通瞬间设电容 C 上 起始电压为零 电源接通后 通过整流管及变压器次级给 C 充电 因导通的二极管 及变压器次级电源内阻很小 所以充电时间常数很小 充电电流很大 只要合理选 择元件参数 便不会发生过热或烧坏晶体管的现象 当 V2 达到最大值时 Vc 也基 本上达到最大值 此后 V2 开始减小 导通的二极管由于 V2 的绝对值小于 Vc 处 于反偏截至状态 此后 输出电压保持为 Vc 而不变 当 V2 的负半周22VVc 到来时 因 Vc 不变 晶体管也不在导电 图2 5电容滤波电路 当有负载 RL 时 设 RL 为定值 当电源接通且 C 上还有近似峰值电压时 电压 波形如图所示 在 t1 t4间隔内 输入电压 V2 Vc VD1 VD2 导电 电容 C 充电 Vc 随充电过程而上升 到 t2以后 V2 按正弦规律下降 当 Vc V2时 整流管 VD1 VD2 处于反向偏置 停止导通 已充电的电容开始对负载电阻 RL放电 即暂时 代替电源向负载供电 电容 C 的放电电压按指数曲线下降 在 t3瞬间 V2上升到 Vc t3以后 V2 Vc 电容由放电转换为充电 VD3 VD4 导通 构成电源向负载 及电容供电的通路 t4以后 V2 Vc VD3 VD4 截至 电容又处于放电状态 其过 程和 t2 t3间隔内相同 以后情况如此反复 当电源切断后 需带电容放电完毕 输 出电压才能为零 电容滤波器的特点如下 1 加了滤波电容以后 输出电压的直流成分提高 脉动成分减小 这是利用电容 的储能作用来实现的 当二极管导通时 电容充电将能量储存起来 二极管截至时 再把储存的能量释放给负载 一方面使输出电压波形比较平滑 同时也增加了输出 电压的平均值 2 电容滤波放电的时间常数 愈大 放电过程愈缓慢 输出电压愈CRL 高 同时脉动成分愈小 滤波效果愈好 当 时 如负载开路 电容没有 CRL 放电通路 故 VL V2 当不加电容滤波时 桥式整流后负载上输出电压的平均2 值为 VL 0 9V2 3 电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小 这是由于滤波电路的负载 电阻 RL 减小时 电容的放电过程加快 输出电流的平均值 Io 增大 而输出电压的 平均值 VL 却减小了 通常把输出电压 VL 和输出电流 Io 之间的关系曲线称为电源 的外特性 电路输出电压随电流的增大而下降的很快 这种外特性称之为软特性 所以电容滤波电路适合用于负载电流变化不大的场合 4 电容滤波电路中 整流二极管的导通角小于 180 度 而且电容放电时间常熟 越大 导通角越小 二极管在短暂的导电时间内 有很大的浪涌电流流过 这对管 子的寿命不利 所以选用二极管时 应考虑它能承受最大冲击电流的情况 一般选 管子时 要求它承受的正向电流的能力应大于平均输出电流的 2 3 倍 电容滤波电路简单 制作方便 但是它的输出电流不宜太大 而且要求输出电 压的脉动成分较小时 必须增加电容器的容量 因此电路的体积大也不经济 为此 RC 型滤波电路在实际电路中经常使用 RC 型滤波电路如图 2 6 所示 它实际上就是在电容滤波的基础上再加上 1 级 RC 滤波电路构成的 采用这种滤 波电路可以进一步降低输出电压的脉动系数 但是 这种滤波电路的缺点是在 R 上 有直流压降 因而必须提高变压器次级电压 因而整流管的冲击电流仍然比较大 同时 由于 R 产生压降 外特性比电容滤波更软 所以这种电路只适用于小电流的 场合 图 2 6 RC 型滤波电路 2 2 2 电感滤波器 利用电感具有阻止电流变化的特点 在整流电路的负载回路中串联电感 L 如图 2 7 所示 即构成电感滤波电路 图 2 7 电感滤波电路 当整流后的脉动电流增大时 电感 L 将产生反电势 L di dt 阻止电流增大 相反 当电流减小时 电感 L 将阻止电流减小 从而使负载电流脉动成分大大降低 达到滤波的目的 由于电感交流电阻很大 而直流电阻很小 输出直流分量在电感上损失很小 所 以它适用于负载电流比较大的场合 而且外特性较好 即负载电流变化时 输出直 流电压变化较小 另外 电感滤波的二极管导通角不会减小 避免了浪涌电流的产 生 为了进一步改善滤波效果 可以采用 LC 滤波电路 它是在电感滤波电路的基础 上 再在负载电阻 RL 上并联电容器 C 如图 2 8 所示 图 2 8 LC 型滤波电路 不难看出 当 L 值很小 或 RL 很大时 该电路和电容滤波电路很类似 呈现 电容滤波的特点 为了保证整流二极管的导电角仍为 180 度 一般要求 L 值很大 对基波信号而言应满足 RL 3 LC 滤波电路中输出电压中的基波分量应由 j L 和 RL 1 C 分压得到 所以输 出电压的脉动成分比仅用电感滤波时更小 而负载电流变化时均能有良好的滤波效 果 所以说他对负载的适应性比较强 在大功率输出的电源稳压电路中 由于输出电流较大 为了减少功率损耗 一般 不用电阻做滤波器件 经常使用的是 LC 元件构成的 型滤波电路 为了增大电感 量 一般来说 L 选用铁心电感 C 选用电解电容 如图 2 10 所示 图 2 10 型 LC 滤波电路 2 3 稳压电路 经过整流和滤波后的直流电压 会由于交流电网电压的波动以及负载电阻的变动 而发生变化 在绝大多数情况下 这种输出电压的变化波动显得太大 仍需要进一 步对其稳定 这就需要采用稳压电路 通常 完整的稳压电源电路包括有整流 滤 波 和稳压电路 下面就稳压电路作一下介绍 2 3 1 稳压电路的指标 衡量稳压器的性能有许多指标 例如额定输出电压 电流和电压调节范围等 这属于特性指标 稳压系数 等效内阻 纹波电压 即交流电压分量 等属于质量 指标 自动化程度 用来说明维护人员离开时 例如 是否具有自动开机 停机性 能 故障检测等 经济指标 主要有效率和功率因数等 下面简单介绍下质量指标 1 1 稳压系数 当负载电流一定时 输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比称为稳 压系数 即 额定值 2 5 Ii OO UU UU L I 上式中 为稳压系数 为稳压器的额定输出电压 为稳压器额定输入 O U i U 电压 为输出电压的变化量 为输入电压的变化量 为负载电流 O U i U L I 另外还有以 的倒数 S 为标准 称 S 1 为稳定系数的 2 2 等效电阻 又称为动态电阻 是包括整流 滤波和稳压在内的等效电阻 当保持不 O R i U 变时 输出电压增量与输出电流增量之比称为等效内阻 O U O I 额定值 2 6 O O O I U R i U 上式中 为正值 由于电流增加 增量为正 时其两端电压受内阻影响要下 O R 降 增量为负 故上式中加了个 号 使得为正值 通常稳压器在额定范 O R 围内使用时 约在 1 5 以下 O R 3 3 纹波电压 纹波电压就是叠加在输出直流电压上的交流电压分量 通常经滤波及稳压后 它 的数值在几毫伏以内 以不影响电子设备工作为准 可用一个容量较大的电容器与 交流毫伏表串联进行测量 此电容是隔直流用的 2 3 2 稳压管基本应用电路 硅稳压管也称为齐纳二极管 其伏安特性如图所示 从伏安特性可以看到 当 流过稳压管的电流在一个较大范围内变化时 稳压管两端的电压几乎不变 稳压管 的这一特性将稳压管和负载并联 若能保证稳压管中的电流在一定范围内 则负载 电压就能在一定程度上得到稳定 因此 稳压电路的关键就是限定稳压管中的电流 因为如果工作电流太小 则电压随电流的变化很大 达不到稳压的目的 但工作电 流也不能太大 以免超过管子的额定功率 造成损坏 小功率稳压管的工作电流大 致几毫安至几十毫安 大功率的稳压管可到几安培到十几安培 图 2 12 是由稳压管构成的基本稳压电路 图 2 12 稳压管稳压电路 电路中 R 决定了向稳压管和负载输送电流的总量 起着限流和调压的作用 稳 压管起着调节电流的作用 如负载减小 要求更多的电流流过时 通过稳压 L R L R 管的电流将随之减小 使基本不变 以保证输出电压基本不变 如果不 Z I R I o V L R 变 但输入电压由于电网电压或元件参数改变而增加时 则将增加 此时也 i V R I Z I 随之增加 保证基本不变 即基本不变 如果和都变化 则将综合二 O I o V i V L R Z I 者的变化加以调整 只要的变化在它的允许的工作范围之内 就能保证起到较好 Z I 的稳压作用 其稳压过程简述如下 若电压升高 而负载不变 则电压降低 而负载不 i V i V 变 则而负载不变 则稳压过程与上诉相反 若负载电阻减小 负载电流增大 而输入电压不变 则若负载电阻 L R O I 增大 而数输入电压不变 则稳压过程与上诉相反 L R 基本稳压电路中限流电阻 R 的选用非常重要 若 R 选的太大 则供应电流不足 当较大时 稳压管的电流将减小到临界值以下 失去稳压作用 若 R 选的太小 O I 则当变到很大或开路时 都流向稳压管 可能超过允许定额而造成损坏 为此 L R R I 要合理需用 R 设稳压管的稳定电压为 最大工作电流为 最小工作电流为 市 Z V maxz I minz I 电电压最高时的整流输出电压为 最低时为 负载电流的最小值为 ax VIm in VIm minO I 开路时为 0 最大值为 要使稳压管能正常工作 必须满足下列条件 maxO I 1当市电电压最高和负载电流为 0 即负载开路时 应不超过允许最大值 Z I 既限流电阻 R 的最小值应满足 2 7 max Im Z Oax I VV R 2当市电电压最低和负载电流最大时 应不低于允许最小值 即 2 8 minmax Im zO Oin II VV R 如上两式不能同时满足 则说明在给定条件下已超过稳压管的工作范围 需限 制变化范围或选用较大功率的稳压管 稳压管稳压电路具有线路简单 调试方便等优点 但输出电流受稳压管稳定电 流的限制 而且输出电压又不能任意调节 稳压性能不高 只适用于输出电流小 负载变动不到和稳定性能要求不高的场合 或作为辅助稳压源 若负载经常变动 要求输出电压连续可调 稳定性能好 就要采用晶体管稳压源 2 3 3 串联反馈型晶体管稳压电路 串联反馈型稳压电路比稳压管稳压电路要复杂的多 它是一个闭环反馈系统 所以必须具有执行元件和反馈支路 一般情况下 它包括调整管 取样电路 基准 电压源及误差比较放大器等主要部分 调整管是闭环调节系统的执行机构 其余部 分都是反馈控制支路所必需的 原理框图如图 2 13 所示 从框图上可以看出输入电 压经过调整元件调节之后 变成稳定的输出电压 i U O U 图 2 13 串联反馈型稳压电路框图 取样电路和基准电压相比较 并把比较后的误差信号送放大器 增强反馈控制 效果 因为取样得来得是电压信号 所以这种电压源实际上是一个以电压为调节对 象得自动调节系统 其调节模式如图 2 14 所示 图中 为调节系统开环时的电 O K 压传递函数 也就是系统开环稳压系数 为执行机构在系统闭环时的电压传递函 T K 数 也就是调整管电路的电压放大倍数 K 时误差放大器开环电压放大倍数 n 为取 样电路的电压传递系数 也就是取样分压器的分压比 根据调节原理可知 该系统 的调节函数为 2 9 nKK K T 1 1 由此可知 无论输入电压波动还是负载变化对输出电压的影响 反馈系统是开环系 统的 1 1 K n 倍 更具体点说 就是反馈调整型稳压电源在电网电压调整 T K 率 负载调整率等主要技术性能方面 都是以硅稳压二极管稳压电源为代表的参数 型稳压电源的 1 K n 倍 这就是反馈调整型稳压电源比参数型稳压电源应 T K 用得更普遍得主要原因 图 2 14 串联反馈型稳压电路调节模式 串联反馈型稳压电源稳压原理是调整元件的动态电阻是随着输出电压的变化而 自动改变的 其优点是 输出电压范围不受调整元件本身耐压的限制而且各项技术 指标可以做的很高 其缺点是线路比较复杂 过载能力差 顺时过载会使调整元件 损坏 需要过载保护 因此 串联反馈调整型稳压电源广泛用在负载变动较大 稳 压性能要求较高 输出电压可调等场合 由以前学习的晶体管工作原理时已经知道 工作在放大区的晶体管 它的集 射极之间的电压和集电极电流随基极电流的变化而变化 当基极电流增 ce U C I b I b I 加时 将减小 将增大 这相当于晶体管集电极与发射极之间的电阻减小 ce U C I 而当基极电流减小时 将增大 将减小 这就相当于晶体管集电极与发射 b I ce U C I 极之间所呈现的电阻增大 由此可见 在线性放大区工作的晶体管 在基极电流的 控制下 集 射极之间的电阻时可以改变的 所以 晶体管完全可以充当串联反馈 型稳压电源中的调整元件 称为调整管 用晶体管作调整管的串联反馈型稳压电源 叫做串联反馈型晶体管稳压电源 它是串联反馈型稳压电源中应用最普遍 最有代 表性的一种 1 简单的串联反馈型晶体管稳压电路 图 2 15 是一个最简单的串联反馈型晶体管稳压电路 晶体管 VT 做调整元件 VD 做基准电压源 它给晶体管发射结提供一个固定的偏压使其能正常工作 当负载 变小或输入电压变大 使得负载两端的输出电压增大时 由于基准电压不 i U O U b E 变 所以晶体管的基极电位也不变 那么集 射极电压 b U be U be U b U O U 将减小 从而减小 管压降增大 使输出电压 减少 抵消了 b I ce U O U i U ce U 由于电网电压增加或负载减小引起的的增加 使输出电压保持基本不变 如 O U O U 果当输入电压减小或负载增大 使得输出电压下降时 调节过程与上述正好相反 O U 图 2 15 串联反馈型晶体管稳压电路 从上边的稳压过程可以看出 当输入电压增大或负载变小时 这种稳压电路是 通过输出电压的变化反过来控制调整管 VT 的管压降 从而使输出电压保持不变 以 达到自动稳压的作用 这实际是一种负反馈 所以这种电路叫做串联反馈型稳压电 路 该电路存在两个问题 其一 该电路是用输出电压的变化部分直接去控制调整管 的基极 故控制作用小 稳压性能较差 其二 输出电压固定不可调 2 带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路 简单的反馈型晶体管稳压电路 是直接利用输出电压的变化量来控制调整管的 电压变化的所以其灵敏度和电压稳定性都不够理想 采用带放大器的稳压电路 ce U 可以弥补这些不足 图 2 16 带有放大器的串联反馈型晶体管稳压电路 图 2 16 是一个带有放大器的典型电路 图中 VT1是调整管 接成射极输出器的形式 负载电阻是它的射极电阻 R1 R2 与并联组成分压器 起到取出输出电压的 L R L R 作用 叫做取样电路 VD 是硅稳压二极管 它与限流电阻 R3 一起组成基准电压源 VT2是比较放大器 R4 是它的集电极电阻 同时也是管的偏流电阻 晶体管 1 VT 把从取样电路送来的输出电压上升或下降的变化信号与基准电压相比较 并把比 2 VT 较结果产生的差值电压 或者叫做误差电压 加以放大 以此来控制调整管的管 1 VT 压降 从而使输出电压基本保持稳定 因为放大器的作用 很小的输出电压的 1ce U 变化 反应到调整管上就有比较大的变化 大大提高了调整管的灵敏度 提高 1ce U 的输出电压的稳定性 当输入电压下降或负载增大时 输出电压减小 取样电压相应的减 i U O U 2R U 小 管基极电位也随之减小 因为硅稳压管两端的电压基准不变所以管的基 2 VT 2 VT 射极之间的电压 减小 于是管的集电极电流减小 2be U 2R U W U 2 VT 2c I R4 两端的压降变小 迫使调整管的基 射极间的电压 4R U 1 VT 1be U i U 4R U 增大 增大 管的压降下降 结果使得输出电压 O U 1b I 1 VT 1ce U O U i U 上升 从而使输出电压基本恢复到原来的数值 同理 当输入电压上升或负 1ce U 载变小时 升高 当经过反馈调整作用又会使下降 从而使输出电压基本保 O U O U 持不变 为了提高串联反馈型晶体管稳压电源的技术性能 使用方便 在实用的稳压电 源中有许多改进电路 1 采用辅助电源提高稳压电源的稳定性 当输入电压发生跳变而反馈电压来 不及调整时 输出电压同样会发生跳变 为此 采用辅助电源 使得稳压电路的瞬 态稳定性得到了很大的改善 2 比较放大器采用恒流源负载提高稳压电源的稳定性 在串联反馈型晶体管稳 压电路中 比较放大器的增益越大 稳压性能就越好 在图 2 16 中 为了提高放大 器的增益 R4 的值尽可能选大些 但又不能选的太大 故可采用恒流源代替电阻 R4 在恒流源的情况下 对交变电压能产生很大的动态电阻 使得比较放大器有很 大的电压增益 从而提高了稳压性能 3 采用两级直流放大器提高电路的稳定性 提高比较放大器电压增益的另一个 方法是增大放大器的级数 在高稳定性电压电路中常采用这种方法 但多级直流放 大器的设计和制造比较困难 很容易产生自激振荡 而破坏了稳压器的工作 在实 际电路中 多用两级放大 总放大倍数可达几百倍 4 采用电阻补偿提高稳压电路的稳定性 当输入电压或负载电流发生变化时 一般的串连反馈型晶体管稳压电源不可能使输出电压十分稳定 只是因为它正是利 用输出电压的变化来调节的 但若采用电阻补偿 在调整合适的时候 可以使输出 电压稳定不变 用输入电压的变化来进行补偿 将输入电压通过一个电阻直接加到 取样电路上 这样 取样时能得到更大的变化量 加强了稳压性能 使输出电压更 加稳定 5 采用差动放大器比较放大减小稳压电源的温度漂移 前面介绍的稳压电路 电路简单 但温度稳定性差 利用差动放大器作比较放大级 可以克服这个缺点 6 基准电压源稳压管恒流供电 提高稳压电路稳定性和温度特性 稳压管的主 要特点是流过它的电流在很大范围内变化时 稳压管两端电压变化很小 如果能使 稳压管的工作电流保持不变 稳压管两端的电压会更加稳定 采用恒流源为稳压管 提供工作电流的基准电压源 稳压电路的稳定性及温度特性将会得到大大的提高 7 串联反馈型晶体管稳压电流输出电流扩大方法 在带有放大器的串联反馈型 晶体管稳压电路中 调整管与放大管电流分配情况是 放大管一般在小 1 VT 2 VT 2 VT 电流状态下工作 具体点说 1mA 量级 这样的集电极电阻 R4 才可以取 2c I 2 VT 较大的数值 以提高放大倍数 因此 调整管的基极电流必然很小 1 VT 1b I 1b I 因为稳压电路的输出电流就是调整管的集电极电流 即 2c I O I 最大只能达几百毫安 因此 大电流稳压电源必须采用复合调整 O I 1c I 1 1b I 管或并联调整管 8 扩大串联反馈型晶体管稳压电源输出电压调节范围 为了扩大稳压电源的使 用范围 常常要求稳压电源能够在很宽的范围内连续调节 有的甚至要求从零伏起 调 改变取样系数 即改变取样电阻的比值 可以调节电源的输出电压 在实际应 用中 在取样电路中多串联一只电位器 把它的中心抽头接在放大管的基极上 改 变电位器中心抽头的位置 就能很方便的调节稳压电源的输出电压 但这样也不 O U 能 图 2 17 核心电路图 在很宽的范围内调节 当输出电压较低时 差分放大管在输出电压较低时会因供 O U 电不足而无法正常工作 利用辅助电源做差分放大管的供电电源 可以使调节电压 范围变得很宽 目前流行技术是利用多刀多掷波段开关分段调节输出电压 10 以上是对直流稳压电源的核心技术进行的介绍 本次毕设题目是高精度程控稳 压电源 硬件核心就是以上介绍的三个部分 首先 利用变压器进行市电到所需电 压的转变 在设计中采用 220V 24V 的变压器 将市电电压降低 之后采用桥式整 流电路 对电压进行整流 一方面 桥式电路使用方便简单 另一方面 有现成的 集成元件可用 滤波方面采用简单的 型 RC 滤波电路即可 因为设计的电路比较 简单 且直流要求较强 所以选用 型 RC 滤波电路 稳压方面选用串联反馈型稳 压电路 在比较放大方面选用集成运方代替晶体管 使得电路更加方便 简单 而 且稳定可靠 核心电路如图 2 17 所示 2 4 本章小结 本章主要简单介绍了直流稳压电源的构成原理 对整流电路 滤波电路 稳压电 路都做了详细介绍 对于每一个模块 说明了几种可用电路 其优缺点 这一部分 是毕设的核心内容 并结合毕设内容 说明了毕设所选用的设计电路 第 3 章 硬件部分外围电路设计 外围电路包括程控部分 包括 D A 和 A D 数据转换部分 保护电路部分 数码 管显示部分 按键控制部分 其中 程控 D A 和 A D 是系统的调整核心部分 基 准电压的输出和反馈电压的接受与调整都是靠它们来完成 保护电路是保护硬件部 分安全的 确保硬件不会因电流过大而毁掉 显示部分是反馈给人信息的部分 通 过它可以用来调整所需电压 而且可以知道输出的是否是自己的所需 3 1 程控部分简介 本设计采用了 AT89C51 作为系统的核心 通过控制 D A 转换来输出基准电压 通过控制 A D 转换来读取反馈电压 并自动调整 D A 的输出来使输出电压稳定 达 到程控稳压的目的 3 1 1 8051 单片机简介 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read