《电源技术》课 程 设 计
题 目： ±5V简易直流稳压电源的设计
学习中心：内蒙古巴彦淖尔盟奥鹏学习中心
层 次： 高起专
专 业： 电力系统自动化技术
年 级： 2013 年 春 季
学 号： ************
学 生： 贺礼春
完成日期： 2014 年 8 月 23日
内容摘要
根据课设规定，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。可用于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。
该简易直流稳压电源主要包括三大部分：
1.数控部分，即通过数字电路调节控制稳压电源、
2.D/A变换器
3.可调稳压电源。
具体工作原理为：通过数字控制部分控制可逆二进制计数器，再由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。
引 言
在电子电路和电气设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流电源。
当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。
稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。如此繁多的分类方式往往让初学者摸不着头脑，不知道从哪里入手。其实应该说这些看似繁多的分类方法之间有着一定的层次关系，只要理清了这个层次自然可以分清楚电源的种类了。
既然我们谈的是稳压电源的分类，那么首先就应该清楚电源的输出是什么，是输出直流电还是输出交流电。这样第一个层次就出来了，首先应该根据电源的输出类型来分类。接下来的分类就要麻烦一些，是按稳压电路与负载的连接方式分类还是按调整管的工作状态分类呢？其实了解一下我们身边的电子设备会发现实际应用中稳压电源有两个区别很大的种类，一种是各种比较简单的电子设备中广泛使用的线性稳压电源，比如收音机、小型音响等；一种是各种复杂电子设备中广泛使用的开关稳压电源，比如大屏幕彩电、微型计算机等。这样看来第二个层次的分类我们可以根据调整管的工作状态来分类。接下来的第三个层次的分类就是根据稳压电路与负载的连接方式来分类。再往下面细分由于各种不同的电路特性相差太大，就不好一概而论，应该根据每一个具体类别的特性进行分类区分了。当然这里所谈的分类只是根据直流稳压电源的特点给出一个大致的分类思路
一、简易直流稳压电源相关参数
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-5V-5V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、简易直流稳压电源工作原理
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、简易直流稳压电源电路设计
3.1．整流、滤波电路
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。理论上来说，整流电路中的电容越大越好，可以减小电路中的脉动。但并不是电容越大电流就越大，要是需要大电流的话，可以在稳压电路的基础上加扩流电路
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%）。
图2 整流滤波电路
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)
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。
3.2．可调稳压电路
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。
3.3．D/A转换器电路
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。
3.4．数字控制电路
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。特点是有两个时钟脉冲（计数脉冲）输入端CPU和CPD。在RD=0、LD＝1的条件下，作加计数时,令CPD＝1,计数脉冲从CPU输入；作减计数时，令CPU＝1，计数脉冲从CPD输入。此外，74LS193还具有异步清零和异步预置数的功能。当清零信号RD＝1时，不管时钟脉冲的状态如何,计数器的输出将被直接置零；当RD＝0,LD＝0时，不管时钟脉冲的状态如何，将立即把预置数数据输入端A、B、C、D的状态置入计数器的QA、QB、QC、QD端，称为异步预置数。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
3.5．辅助电源电路
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、简易直流稳压电源的相关调试
4.1．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。
4.2．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。
4.3．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。
4.4．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。
参考文献
[1] 大冢严（日）﹒直流稳压电源﹒北京﹒科学出版社﹒1979
[2] 王增福﹒新编线性稳压电源﹒电子工业出版社﹒1999
[3] 彭日知﹒直流稳压电源和稳流源﹒天津﹒天津科学技术出版社，1980
[4] 王鸿麟﹒直流稳压电源的原理和设计﹒人民邮电出版社﹒1981
[5] 朱康中﹒交直流稳压电源﹒水利电力出版社﹒1987下载本文
