简易数控直流稳压电源设计讲课教案文档格式.docx
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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。
2.2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
2.3电路设计
2.3.1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)
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=1000µ
F。
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=1000µ
F,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0.01~0.1µ
F的高频瓷片电容。
2.3.2D/A变换器
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4D/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=12V,即:
12=RfUH/23R×
15
当UH=5V时,Rf=1.28R.取R=20KΩ,Rf由20KΩ电阻和电阻3.5KΩ电位器串联组成。
2.3.3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)×
3
所以,输出电压满足关系式
U0=UNI·
(R·
/R1+R2)+(R3/R3+R4)×
3
令R1=R4=0,R2=R3=1KΩ。
则U0=UIN+3。
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。
2.3.4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
2.3.5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
2.4调试要点
2.4.1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。
2.4.2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。
2.4.3D/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。
2.4.4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。
2.5总电路图
3元件清单
4心得体会
通过本次的课程设计,我们综合应用课本理论解决实际问题的能力得到了提高;
我觉得课程设计对我们的帮助很大,它需要我们将学过的理论知识与实际情况的联系起来,加强我们对学过的知识的实际应用能力。
在这次课程设计过程中,我遇到了几个自己不能解决的问题,通过老师和同学的帮助最终把问题解决,因此,我发现自己的电子知识还是有限的,而且我们所学的理论知识是很有用的,没有坚实的知识基础,是不可能完成设计的。
在设计的过程中还培养了我们的团队精神,同学们共同协作,解决了许多人无法解决的问题,在今后的学习过程中我们会更加团结和努力。