程控稳压电源的设计

研究生课程（论文类）试卷
2 0 10 /2 0 11 学年第1 学期
课程名称：单片机应用系统设计
课程代码：
论文题目：程控稳压电源设计方法研究
学生姓名：
专业﹑学号：控制工程
学院：光电信息与计算机工程学院
课程（论文）成绩：
课程（论文）评分依据（必填）：
任课教师签字：
日期：年月日
器。

(2) 桥式整流电路
桥式整流电路及其输出波形如图2所示。

图2 桥式整流电路 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的负半周，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，正负半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。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即1/2 I 2 ,电路中的每只二极管承受的最大反向电压为22U (U 2是变压器副边电压有效值)。

由于U RM 〉2U 2=2X32=48V,
IN4001的反向击穿电压V U RM 50≥，额定工作电流A I D 1=，故整流二极管选用IN4001。

(3) 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。

选择电容滤波电路后，直流输出电压：U o1=～U 2，直流输出电流： （I 2是变压器副边电流的有效值）。

t ϖ0ππ2π3π422U t ϖ0ππ2π3π4o u 22U
()2~5.121
I I o =
RC 滤波电路如图3所示：
图3 RC 型滤波电路
电容的耐压要大于V U 5832222=⨯=，故滤波电容C 取容量为F μ4700，耐压为V 65的电解电容。

(4) 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。

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ce U 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，可以弥补这些不足。

图4是一个带有放大器的典型电路，图中VT 1是调整管，接成射极输出器的形式，负载电阻L R 是它的射极电阻。

R1、R2与L R 并联组成分压器，起到取出输出电压的作用，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。

VT 2是比较放大器，R4是它的集电极电阻，同时也是1VT 管的偏流电阻。

晶体管2VT 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1VT 的管压降1ce U ，从而使输出电压基本保持稳定。

因为放大器的作用，很小的输出电压的变化，反应到调整管1ce U 上就有比较大的变化，大大提高了调整管的灵敏度，提高的输出电压的稳定性。

图4 串联反馈型晶体管稳压电路
当输入电压i U 下降或负载增大时，输出电压O U 减小，取样电压2R U 相应的减小，2VT 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2VT 管的基—射极之间的电压2be U ＝（2R U -W U ）减小，于是2VT 管的集电极电流2c I 减小，R4两端的压降4R U 变小，迫使调整管1VT 的基—射极间的电压1be U ＝（i U -4R U -O U ）增大，1b I 增大，1VT 管的压降1ce U 下降，结果使得输出电压O U ＝（i U -1ce 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载变小时，O U 升高，当经过反馈调整作用又会使O U 下降，从而使输出电压基本保持不变。

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 ～32V 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π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π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。

图5 整体电路图
3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。

(1) 程控部分
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。

(2) 保护电路部分
保护功能的作用是：在稳压电路正常工作的情况下，保护电路对稳压电路基本上没有影响。

当电路发生异常时，保护电路起作用。

稳压电源的保护功能基本上有两种，其一，过流或短路保护，这是为防止稳压电源输出过载或短路时流过调整管的电流过大而造成调整管损坏。

其二，过电压保护，这是为了防止稳压电源出现异常时输出过大电压而损坏伏在。

另外，还有过热保护。

图6 稳压管保护电路
电路中的R 为检测电阻，用以检测输出电流的大小，D 为低压硅稳压管，可以在必要的时候对调整管基极电流起到分流的和限制的作用。

当输出电流O I 小于一定值时，be U ＋O I *R<O U ,稳压管D 的外加电压小于其反向击穿电流，D 截至，对整个电路不起无影响；当输出电流O I 大于设定值时，be U ＋O I *R ＝O U ，该稳压管被击穿，起到稳压作用，使得 be U ＋O I *R ＝稳定值，并不再起变化。

此时，限制稳压管得最大输出电流为O I ＝（D U -be U ）/R.。

式中D U 为保护稳压管得稳定值，be U 为调整管发射结正电压，R 为检测电阻。

对于硅管，be U 约等于伏左右，为使R 不致损耗太大得输出功率，其值不应过大，可见D U 也不应过大，通常为1～2伏左右。

4结论
本文给出了一个程控稳压电源的解决方案，初步设计了能够人为控制输出，输出范围在0～32V 之间的程控稳压电源。

该系统硬件部分由220V 输入，32V 输出变压器、桥式整流电路、π型RC 滤波电路、三端可调式集成稳压电路组出核心模拟电路部分，由单片机、D/A 芯片A/D 芯片组成数控电路，外围电路包括数码管显示部分、按键部分、保护电路部分。