数控直流稳压电源.docx
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数控直流稳压电源
基于MCU的数控直流稳压电源设计
摘要：
本项目设计制作一个输出电压范围（6~12V）可调节和输出电流范围（0~500mA）可调节的数控直流稳压电源。
直流稳压电源通常是由四部分组成：
电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。
其中难点在第四部分，本项目设计制作的是一个串联型线性稳压电路，主要包括基准电压电路，调整管，比较放大，取样电路四个单元模块。
本项目将基准电压设计成一个数控基准电压，则稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。
此基准电压通过单片机的A/D转换实现，通过差动放大电路与取样电压进行比较放大，输出电压通过调整管得到稳定，并通过单片机的D/A转换将采样电压，采样电流转换成输出电压电流并用数码管显示出来。
本项目制作的数控直流稳压电源具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点。
关键字：
数控直流稳压电源；基准电压；取样电路；单片机
一、设计任务与要求
1、设计任务
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，其原理框图如
图1所示。
图1数控电源原理框图
2、基本要求
（1）输出直流电压调节范围+6V～+12V。
（2）最大输出电流为500mA。
（3）按键设定输出电压值，分辨率为0.1V。
（4）显示稳压电源实际输出电压值，要求精度为±（0.5％读数＋2个字）。
（5）实时采样并显示输出电流，显示分辨率为1mA，要求精度为±（2%读数+2个字）。
（6）电压调整率≤0.2%（输入电压变化范围－10%～＋10%下，空载到满载）。
（7）电流调整率≤1%（最低输入电压下，满载）。
（8）纹波电压（峰-峰值）≤10mV（最低输入电压下，满载）。
（9）具有过流保护功能；动作电流不大于600mA。
（动作电流为输出电压下降5%时，对应的输出电流值）
（10）要求一路单电源供电。
二、基本工作原理
一个直流稳压电源通常是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分构成，前三部分电路的作用及工作原理较为简单。
稳压电路较常用的串联型线性稳压电路具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点，其原理图如图2所示。
输入电压为整流滤波电路的输出电压。
稳压电路的输出电压为：
Uz
图3采用差动放大电路的稳压电路
由上式可知输出电压与基准电压为线性关系，当改变Uz的大小，则输出电压也将发生变化。
如果此基准电压是一个数控基准电压，则此稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。
数控基准电压源的原理框图如图3所示。
图4数控基准电压源原
三、单元电路设计参考
（1）稳压电路
串联型稳压电路参见图2，其中调整管是核心元件，它的安全工作是电路正常工作的保证，它的选用主要考虑其极限参数ICM，U（BR）CEO和PCM。
调整管极限参数的确定，必须考虑到输入电压UI由于电网电压波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。
由图可知，调整管的发射极电流IE等于采样电阻R1中电流和负载电流IL之和，即IE=IR1+IL，调整管的管压降UCE等于输入电压UI与输出电压UO之差，即UCE=UI-UO。
显然，当负载电流最大时，流过调整管发射极的电流最大，即IEmax=IR1+Ilmax。
通常，R1电阻上电流可以忽略，且IEmax≈ICmax，所以调整管集电极最大电流为：
ICmax≈IEmax
（2）当电网电压最高，即输入电压最高同时输出电压最低时，调整管承受的管压降最大，即UCEmax=UImax-UOmin
（3）当晶体管的集电极电流最大，且调整管承受的管压降最大时，调整管的功率最大，即Pcmax=ICmaxUCEmax
（4）由以上几式即可确定调整管的极限参数。
实际选用时，还要考虑留一定的余量。
（5）电路设计的参数计算：
图中输出电压关系为：
=12+1.5+1=14.5V
取
取1.2
取43
取560
放大倍数为6倍，取
采样电阻取值：
要满足最大采样电压不超过2.4V避免烧坏单片机ADC0口
所以取值：
额定电流下（500mA）负载是R=
C=133取100
具体电阻视实验室提供的大小进行调整！
四、稳压电源主要性能指标
直流电源的技术指标分为两种：
一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压及温度系数等。
稳压电源主要性能指标测试。
1、输出电压范围
在额定负载情况下，稳压电源输出电压可调范围。
2、输出最大电流
最大输出电流是指稳压电源正常工作的情况下能输出的最大电流，用Iomax表示。
一般情况下的工作电流Io＜Iomax，稳压电路内部应有保护电路，以防止Io＞Iomax或者输出端与地短路时损坏稳压器。
图5稳压电源性能指标测试电路
3、纹波电压
叠加在输出电压上的交流电压分量。
用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。
也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差，一般直流电源的纹波电压VP-P≤10mV。
4、电压调整率
当输出电流和环境温度保持不变时，只考虑由于输入电压改变Ui所引起输出电压的变化量Uo与输出电压Uo的百分比，即
（5）
5、电流调整率
当输入电压和环境温度保持不变时，改变输出电流所引起输出电压的变化量Uo与输出电压Uo的百分比，即
（6）
该参数用于考核器件对应于负载变化而维持输出电压不变的能力。
6、输出最大电流
最大输出电流是指稳压电源正常工作的情况下能输出的最大电流，用Iomax表示。
一般情况下的工作电流Io＜Iomax，稳压电路内部应有保护电路，以防止Io＞Iomax或者输出端与地短路时损坏稳压器。
图15稳压电源性能指标测试电路
测试数据：
输入9V下降5%，即8.55V时，最大输出电流为594mA；
输入12V下降5%，即11.4V时，最大输出电流为598mA；
所以有上述数据得到：
最大输出电流小于600mA。
7、纹波电压
叠加在输出电压上的交流电压分量。
用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。
也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差，一般直流电源的纹波电压。
测试数据：
输入6.0V，输出电流501mA时，示波器的波动电压为Vp-p=8mV
小于实验要求（10mV），所以达到实验要求。
五过流保护电路（硬件保护）
为了使电路安全工作，一般需要加入过流保护电路。
当调整管输出电压不变时，负载电阻RL变小输出电流就变大，极限情形负载电阻短路。
输出电流变大，图6中的电阻R上压降增大，使得Q2的ICE电流增大，从而流向调整管基极电流变少，从而限制了输出电流的增大。
极限情形当UR超过VBE时，三极管Q2饱和导通，调整管无电流输出。
图6过流保护电路图
相关计算如下：
（14）
根据实验室已有电阻，取R=1.2Ω
六、实验数据测量与记录
相对误差=|设定电压-实测电压|/实测电压
当输入电压为17V时的测量数据：
最大输出电流（mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
504
6.00
6.07
5.91
1.52%
502
6.10
6.15
6.06
0.66%
507
6.20
6.22
6.15
0.81%
497
6.30
6.28
6.26
0.64%
503
6.40
6.45
6.41
0.16%
506
6.50
6.53
6.49
0.15%
502
7.00
6.97
6.98
0.28%
499
8.50
8.44
8.59
1.05%
501
9.00
8.98
9.09
0.99%
504
10.50
10.56
10.68
1.69%
503
11.00
11.05
11.08
0.72%
501
12.00
12.02
11.88
1.01%
小结：
由表中数据可知在误差允许范围内系统基本达到设计要求。
而且单片机测量值与使用高精度电压表的实测值很逼近。
系统设计达标。
当输入电压为15.3V时的测量数据
最大输出电流（mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
495
6.00
6.14
6.01
0.17%
505
9.00
8.96
9.27
2.91%
500
12.00
11.90
12.80
6.25%
当输入电压为18.7V时的测量数据
最大输出电流（mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
504
6.00
6.27
6.13
2.12%
503
9.00
9.06
9.45
4.76%
497
12.00
12.36
13.20
9.09%
空载时测量数据：
负载断开时（即输出电流0mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
0mA
6.00
5.29
6.41
6.39%
0mA
9.00
7.87
9.37
3.95%
0mA
12.00
11.60
13.70
12.4%
满载时测量数据：
输出电流为额定电流时（500mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
504
6.00
6.07
5.91
1.52%
499
9.00
8.98
9.09
0.99%
503
12.00
12.02
11.88
1.01%
过流保护时测量数据：
设定电压（V）
额定电流（mA）
额定电流500mA下测得的电压（V）
过流时电压（V）
过流电流（mA）
6.00
503
6.06
6.06（1-5%）=5.75
590
9.00
497
8.87
8.87（1-5%）=8.43
594
12.00
502
11.97
11.97（1-5%）=11.37
598
小结：
由以上几个表格的数据可看出，本实验设计基本合理能够达到设计要求。
七、元器件（设计过程用分立元件实现）
三极管：
90133个，BD6811个，导线、电阻若干。
八、实验总结：
由上述原理分析知本项目设计制作一个输出电压范围（6~12V）可调节和输出电流范围（0~500mA）可调节的数控直流稳压电源。
由信号源提供一个直流电源设计制作一个串联型线性数控稳压电路，主要包括基准电压电路，调整管，比较放大，取样电路四个单元模块组成。
基准电压由单片机键盘数控输入提供，此基准电压通过单片机的A/D转换实现。
调整管采用9013三级管进行过流保护，比较放大器采用了由两个9013三极管构成的差动放大电路，与取样电压进行比较放大，输出电压通过调整管得到稳定，并通过单片机的D/A转换将采样电压，采样电流转换成输出电压电流并用数码管显示出来。
本项目制作的数控直流稳压电源达到了本实验的要求，具有结构简单、调节方便（采用单片机键盘数字输入控制）、输出电压稳定性强（电压调整率与电流调整率<1%）、纹波电压小（Vp-p=8mV）、有过流保护（IOmax<600mA）等优点。
附录：
单片机代码
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