具有保护功能的数显串联可调式直流稳压电源.docx
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具有保护功能的数显串联可调式直流稳压电源
作品制作说明
课题
具有保护功能的数显串联可调式直流稳压电源
系科
电子信息工程学院
专业（方向）
应用电子技术专业（通信电子方向）
班级
电子000
学号
0000000
姓名
陈
完成日期
2011年12月11日
指导教师
薛
具有保护功能的数显串联可调式直流稳压电源
作品简介
本作品主要由稳压电源电路、保护电路、报警电路和显示模块四部分组成。
稳压电源电路输入220V的交流电压,输出5V～25V之间连续可调的稳定电压，且输出纹波小于10mV。
当电路过载或短路时，保护电路工作实现保护，同时报警电路中LED灯不停闪烁以示警告；当过载或短路故障排除后，只要按一下复位按钮，使可控硅“复位”，稳压电路便可正常工作。
正常状态下显示模块中数码管实时显示输出电压大小。
在该作品的完成过程中，陈磊同学负责用PROTEUS软件实现单片机部分的仿真，完成单片机部分的硬件制作与软件调试及整机联调工作；张莎莎同学负责用PROTEL软件绘制本课题的电路原理图，用MULTISIM软件进行电源部分仿真，完成降压、整流、滤波及稳压电路的制作与调试。
目录
引言4
1.电路组成与原理5
1.1稳压电源5
1.2显示电路5
1.3保护电路7
2.主要元器件介绍7
2.1TL431（三端可调分流基准源）7
2.2八数据锁存器8
3.电路仿真与调试9
3.1电路的仿真9
3.2单片机显示10
3.3调试与问题解决11
4.电路参数测量13
4.1纹波电压测量13
4.2测量输出电压14
总结16
附录一电路原理图16
附录二原件清单17
参考文献19
引言
众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求。
而且大多数电子设备都需要直流电源供电，除了少数直接利用干电池或直流发电机供电外，更多的场合是采用把交流电转变为直流电的直流稳压电源。
与开关电源相比，串联可调式直流稳压电源具有精度高，纹波小，无高频辐射干扰，适用范围广等优点。
所以本次设计应解决的主要问题是：
制作一个0～25V连续可调的直流稳压电源，带电压显示且能准确的输出稳定的电压大小，该电路实现过载和短路保护功能，即能够进一步保护电路稳定输出。
基本掌握仿真软件MULTISIM的使用方法。
设计要求是采用220V交流电作为电源输入，输出调整范围为2.5V到25V的直流电，最大输出电流为1A。
本次设计的意义是通过本设计加深对电子技术课程的理解，了解一般设计过程，掌握一种电子电路仿真软件的使用方法。
该作品除了可以作为电子产品的电源外，还可以应用于日常各种电子小制作过程中，是一款非常方便、实用的直流稳压电源。
1．电路组成与原理
1.1稳压电源：
串联型稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。
整体框图如图1.1。
各单元电路功能：
（1）电源降压器：
它将220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变化由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用集成电路整流桥，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。
（3）滤波电路：
采用电容滤波电路可以将整流电路输出的电压中大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电压和负载的变化而变化。
1.2显示电路：
单片机首先对稳压电源输出的模拟量进行数字化转换，然后通过给单片机编写动态扫面程序，把转换的数字量通过共阴数码管显示出来，显示的要与输出的一致且连续可调。
单片机采用STC12C5A60S2、四位共阴数码管组成。
其中STC12C5A60S2单片机内置A/D转换器的功能。
单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHZ（25万次/秒）。
8路电压输入型A/D,可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
单片机和数码管的工作电压为5V。
内部ADC工作流程如图1.2所示，
图1.2内部ADC工作流程
电路设计中，把单片机P1.0口作为模拟量采集端；P0口作为数字量输出端，经过锁存器74HD573分别与数码管8个段位相连，；P2.4—P2.7为数码管位选端，分别与数码管COM1-COM4相连。
显示电路如图1.3所示，
图1.3显示电路
1.3保护电路：
当过载时电阻R8上的压降增大，该压降达到0.6V时可控硅（SCR）导通，使Q1基极电位下降到1V左右，于是管Q1和调整管Q3均截止，保护调整管免遭烧坏。
Q3截止后输出电压为零，电子开关Q4截止，Q5导通，使Q6、Q7组成的多谐振荡器起振（几十赫兹），发光管LED2闪亮，以示警告。
当输出端短路时（最大过载），R8上压降远大于0.6V，可控硅立即导通，同样切断稳压输出。
当短路或过载故障排除后，只要按一下复位按钮K2，使可控硅“复位”，稳压电源立即照常工作。
这时Q4正常导通，Q5截止，Q6、Q7停振，LED2熄灭。
保护和报警电路如图1.4所示，
图1.4保护报警电路
2.主要元器件介绍
2.1TL431（三端可调分流基准源）
（1）TL431简介
TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值，也是一种并联稳压集成电路。
主要参数：
最大输入电压37V，最大工作电流150mA，内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.5--36V，。
其外形封装形式和符号如图2.1所示。
图2.1图2.2图2.3
（2）TL431工作原理
TL431具体功能可以用图2.2功能模块示意，在恒压电路中的应用如图2.3。
TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。
如图2.3所示的电路中，当R1和R2的阻值确定后，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL413的分流也就增加，从而又导致Vo下降。
选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。
需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流不要大于1mA。
2.2八数据锁存器74HC573
74HC573主要用于数码管、按键等控制。
器件的输入是和标准CMOS输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。
当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。
当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。
输出能直接接到CMOS，NMOS和TTL接口上。
74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲增强驱动的能力。
引脚说明，OE：
输出使能；LE：
数据锁存使能；Dn：
第n路输入数据；On：
第n路输出数据。
真值表如下：
Dn
H
L
X
X
LE
H
H
L
X
OE
L
L
L
H
On
H
L
Q0
Z
图2.474HC573引脚及内部原理图
3.电路仿真与调试
3.1电路部分
为了缩短硬件焊接周期并提高焊接的成功率，在硬件焊接前，利用Multisim和Protues软件仿真电路。
根据软件特性，硬件电路主要由Multisim负责仿真，显示模块由Protues负责仿真。
如下图所示，图3.1为电源电路最低输出电压仿真图；
图3.2为电源电路最高输出电压仿真图。
图3.1电源电路最低输出电压仿真图
如图显示，电压输出最小值为2.492V。
稳压电源电压的调节由电位器R18来调节。
当R18调至最大阻值，使R18与电阻R19之间电位最低，即TL431参考极电位最低，于是TL431阴极电位变低，导致三极管Q6导通变浅，最后引起Q3管导通变浅，致使电路输出电压变小。
图3.2电源电路最高输出电压仿真图
如图显示，电压输出最大值为21.837V。
当R18调至最小阻值，使R18与电阻R19之间电位最高，即TL431参考极电位最高，于是TL431阴极电位变高，导致三极管Q6导通变深，最后引起Q3管导通变深，致使电路输出电压变大。
3.2单片机显示部分
显示部分使用STC12C5A60S2单片机，此单片机自带AD转换模块。
在程序中加入了对单片机内部ADC调用对采集信号进行处理。
程序工作流程如下：
ADC调用程序如下：
uintgetadcresult（unsignedcharch）
{
ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ch|ADC_START;
_nop_（）;//Mustwaitbeforeinquiry
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
while（!
（ADC_CONTR&ADC_FLAG））;//Waitcompleteflag
ADC_CONTR&=~ADC_FLAG;
return（ADC_RES*256+ADC_RESL）;
}
3.3调试与问题解决
（1）电路调试（通电检测）
在稳压电源第一次通电时，手暂时不离开开关。
因为个别质量不好的电解电容可能在加上电压后被击穿，这样一旦电路中出现冒烟、打火等现象时可立即切断电源。
a.整流滤波部分检测
此时测第一级滤波电容上的直流电压可高达23～25V，然后将假负载并接在它两端，再测直流电压，可降到17～18V，表明整流电路带负载的能力基本正常。
若此电压过低，则可能是整流二极管或它并联的电容被击穿，或者是有一支整流二极管开路。
在接上假负载后，最好能连续通电10～15分钟，观察整流二极管是否发热、发热程度是否一致。
若发热程度不一致，则说明二极管内特性不一样，将来在工作中会使稳压电源的纹波系数增大。
b.电子稳压部分的检测
空载时的检测：
将万用表搭接在2A保险管座两端，先检测空载时的电流，约20～30mA。
此电流值是稳压电源自身的消耗，若太大表明稳压电源部分电路中有故障，太小表明有的电路可能未接好，有开路情况。
若检测值正常可插入2A保险管，暂不接分流电阻。
接上假负载后的检测：
若空载是基本正常，可接上假负载使其输出电流达到1.2A左右，在测三极管各脚电压值。
由空载和满载电压检测值的对比我们可以看到，主要变化在调整管的C极。
若负载进一步加重，C极的电压值还要减少。
（2）调试现象与解决方案
现象1：
负载无电压输出，电阻R2（470Ω）逐渐发热并烧毁。
可能原因：
后续电路短路，导致流过R2电流过大致使电阻发热烧毁；
解决过程：
首先换上大功率电阻，但是负载依旧没有电压输出。
在检查电路的过程中，依次测量三极管Q1、Q3、Q4、Q5的工作状态，发现Q1、Q2处于停工状态，依据电路工作原理确定为Q1管不工作致使负载无电压输出。
测量Q1管引脚电位发现Q1管基极被误接地使Q1、Q3管截止，负载无输出。
R2发热现象也迎刃而解。
现象2：
通电后保护电路在假设短路的情况下不工作，指示灯不闪。
可能原因：
（1）保护电路焊接错误，导致在假设环境下电路无保护作用；
（2）可控硅（SCR）的触发电压不够，导致保护电路无法启动。
解决过程：
剪断R11与Q4管之间连接线，将电路假设为短路状态。
通电后保护电路中LED正常闪烁，说明保护电路连接没有问题。
测量可控硅阴极电位为0.7V达到正常工作电压，再测量可控硅阴阳极电位，发现压降无法达到可控硅触发要求。
排查可控硅所在支路，发现与可控硅串接电阻过大导致上述现在，在更换为100Ω电阻后，保护电路正常工作。
现象3：
单片机显示无法超过20V。
可能原因：
衰减不够，衰减4倍后最高电压超过单片机工作电压。
解决过程：
电路最高电压经4倍衰减后超过单片机5V工作电压，调节衰减器将衰减倍数增加到5倍，使单片机可测范围增加到最高25V。
程序部分修改如下：
voiddianya（unsignedcharch）
{floatd;
d=getadcresult（ch）*0.488;
x=（unsignedint）d;
x=x*5;
bai=x/1000;
shi=（x%1000）/100;
ge=（x%100）/10;
xiao=（x%10）;
}
修改后，电压经5倍衰减而后经单片机采集再放大5倍由数码管显示。
4.电路参数测量
4.1纹波电压测量
（1）纹波电压定义
简单讲：
纹波就是一个直流电压中的交流成分。
直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即使是用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。
事实上，即便是最好的基准电压元器件，其输出电压也是有纹波的。
狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。
（2）纹波电压的危害及抑制方法
纹波的如下所示：
容易在用设备中产生不期望的谐波，而谐波会产生较多的危害；降低了电源的效率；较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用设备。
会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作；抑制方法：
抵制纹波电压的方法，常见的有以下几种：
在成本、体积允许的情况下，尽可能采用全波或三相全波整流电路；加大滤波电路中电容容量，条件许可时使用效果更好的LC滤波电路；使用效果好的稳压电路，对纹波抑制要求很高的地方使用模拟稳压电源而使用开关电源；合理布线。
（4）纹波电压的测量方法
以20M示波器带宽为限制标准，电压设为PK-PK（也有测有效值的），去除示波器控头上的夹子与地线（因为这个本身的夹子与地线会形成环路，像一个天线接收杂讯，引入一些不必要的杂讯），使用接地环（不使用接地环也可以，不过要考虑其产生的误差），在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容，用示波器的探针直接进行测试；如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。
本作品测量值为0.018×1mV=18uV，由此看出本作品的纹波电压优于任务书设定的纹波指标。
4.2测量输出电压
输出电压可调范围：
2.35～20.15V。
针对电源输出的电压与数码管显示的数据有一定的误差，因此，通过测量做出了以下表格4.1。
表4.1数显误差测量
实测（V）
20.15
19.3
18.3
17.6
16.3
数显（V）
20.0
19.0
18.1
17.2
16.1
实测（V）
15.6
14.3
13.6
12.2
11.7
数显（V）
15.2
14.0
13.1
12.0
11.3
实测（V）
10.2
9.1
8.3
7.4
6.2
数显（V）
10.0
9.0
8.0
7.2
6.1
总结
经过自主的学习电路，自己翻阅查找各种资料，我不仅学到了关于集成直流稳压电源相关知识，更增强了自己运用学习软件的能力和实践动手能力，使自己对模拟电路充满了兴趣，增加了我对模拟电路学习的热情。
在设计的时间上由于与复习考试的时间有些冲突，设计的时候有些地方很可能还不够完善，但是我们依旧坚持着不断的去创新去改进。
通过老师的指导，然后再结合自己参考的一些书籍上，经过修改和创新我们设计成了最终符合要求的电路原理图，并进一步了解和学习了电路各个部分的具体工作原理。
最后用Multisim软件对电路图进行了部分仿真。
经过对前面部分电路的仿真我掌握了仿真的具体方法。
这次的设计我不仅进一步学习了稳压电路的原理和设计，对电路的了解也更深了一步，特别是掌握了仿真的方法，学会了仿真软件的应用，获益匪浅。
同时也了解了稳压直流电源的组成部分和各部分的具体的作用，并且通过专研和实际的调试，掌握了各级输出的电压值的具体测量方法和误差分析。
学会了通过对实验参数指标的要求和各部分电路之间的关系来准确的确定具体的电路和元件的实际参数。
通过对电路的理论分析从而在一定程度上大致分析所得的试验结果进行分析和确定正确与否，也通过实际的操作和对各元件的实际参数与理论值之间的差别了解了各影响因素对电路和试验结果的影响。
以及采取怎样的措施来有效的减小以致消除外界不稳定因素对试验参数的影响，从而使测量的结果尽量与理论值之间的差别缩小到最小。
在本次的课程设计中，遇到了一些困难，但是，经过老师的细心指导我克服了设计过程中的各种困难，也学习到了很多与专业相关的知识，虽然自己的专业知识仍然有所欠缺，设计的电路图可能会有一些不确切的地方，但是通过这次设计我新学到了很多。
在此十分感谢老师对我们的指导。
附录一电路原理图
附录二元件清单
1．稳压电源电路的元器件列表
元器件类型
标号
规格
数量（只）
电阻
R1
820
1
电阻
R2
470
1
电阻
R3R9
100
2
电阻
R5
47K
1
电阻
R6
3K
1
电阻
R7
1K
1
电阻
R8
0.3/2W
1
电阻
R10
390
1
电阻
R11
100K
1
电阻
R12
10K
1
电阻
R13
5.1K
1
电容
C8C9C10C11
0.01UF
4
电容
C2
0.01UF
1
电容
C4
0.1UF
1
电解电容
C1
4700UF/50V
1
电解电容
C3
1000UF/25V
1
电解电容
C5
47/16V
1
三极管
Q3
3DD15
1
三极管
Q1Q4Q5
9013
3
滑动变阻器
W1
10K
1
可控硅
SCR
1A
1
芯片
TL431
1
保险丝
F1
0.5A
1
保险丝
F2
3A
1
变压器
T1
60VA
1
发光二极管
D1
LED
1
整流桥
D1-D4
BRIDGE
1
开关
K1
自锁
1
2．保护电路元器件列表
元器件类型
标号
规格
数量（只）
电阻
R14R17
1K
2
电阻
R15R16
30K
2
电阻
R12
10K
1
电阻
R13
5.1K
1
电阻
R11
100K
1
电解电容
C6C7
10UF/50V
2
三极管
Q4Q5Q6Q7
9013
4
发光二极管
D2
LED
1
3．显示模块的元件列表
元器件类型
标号
规格
数量（只）
单片机
U1
STC12C5A60S2
1
晶振
Y1
11.0592
1
数码管
DS1-DS4
LG5641AH
1
排阻
J1
3.3K
1
电解电容
C10
10UF/50V
1
瓷片电容
C8C9
30PF
2
开关
K2
按键
1
三极管
Q8Q9Q10Q11
9013
4
电阻
R20---R31
270
12
电阻
R18
10K
1
电阻
R19
1.8K
1
参考文献
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电子技术基础【M】。
北京：
高等教育出版社。
1998
[2]王顺祺。
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单片机原理及应用【M】。
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清华大学出版社
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机械工业出版社，2006.1
作者注：
1.报告为作者原著，各项数据皆为作品实测。
学习交流，仅作借鉴。
雷同报告，后果自负。
2.程序，请另询作者。
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