直流稳定稳压稳流电源毕业的设计综述.docx
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直流稳定稳压稳流电源毕业的设计综述.docx
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直流稳定稳压稳流电源毕业的设计综述
摘要
摘要
本设计分别用LM317三端稳压芯片设计直流稳压电源,利用三极管输出特性设计直流稳流电源。
通过相关知识计算出各电路中各个元器件的参数,使电路性能到达设计要求中的电压调整率,电流调整率,负载调整率,纹波电压等
各项指标。
本设计的拓展功能就是基于单片机的LCD显示电路,其原理是稳定电源所输出的稳定电压、电流经A/D转换电路,将模拟量转变成数字量,再经
由AT89S52单片机构成的主控电路,单片机控制后面的液晶显示电路,最后电压值、电流值以数字的形式直观的显示出来。
关键词:
稳压,稳流,调整率,单片机
I
Abstract
Abstract
ThisdesignLM317three-terminalregulatorchipdesignpowersupply,thetransistoroutputcharacteristicsdesignstabilizedpowersupply.Calculatedthroughtheknowledgeofthevariouscomponentsinthevariouscircuitparameters,sothattheperformanceofthecircuitdesignrequirementsforthevoltageregulation,currentregulation,loadregulation,ripplevoltageindicators.Stableoutputvoltage,currentthroughtheA/Dconvertercircuit,theanalogintodigital,andthenenterthemaincontrolcircuitconstittedbythemicrocontrollerAT89S52SCMcontrolbehindtheLCDcircuit,thefinalvoltagevalueindigitalform,thecurrentthevalueofintuitivedisplayout.
Keywords:
energysupply,voltageregulator,steadyflow,SCM
II
摘要Ⅰ
ABSTRACTII
目录Ⅲ
第一章绪论1
1.1课题的背景和意义1
1.2设计过程工艺要求1
1.3国内外的研究现状2
第二章稳压电路系统方案论证3
第三章稳流电路系统设计方案6
第四章系统总体设计原理框图9
4.1稳定电源工作原理和整体电路10
4.1.1稳压局部的工作原理10
4.1.2稳流局部的工作原理10
第五章硬件单元电路设计12
5.1整流电路12
5.2滤波电路14
5.3稳压电路17
5.4稳流电路20
5.5单元电路的参数选择与计算25
第六章外围显示电路的设计27
6.1单片机主控电路27
6.2A/D转换电路37
6.3液晶显示电路38
第七章系统软件设计39
结论40
参考文献41
致谢及声明42
附录软件编程43
III
第一章绪论
第一章绪论
1.1课题的背景和意义
伴随着现代科学技术的不断开展,多种多样的电子设备、电气设备已经广泛应用于教育、科研、生活等各个方面,电源是所有电子设备中必不可少的根底局部,需求在逐渐增加,作为电子设备的供电局部,对其稳定性、可靠性、实用性也有更高的指标。
对于电源的设计开发已经开展为一项新的技术,推动了科学技术的开展。
越来越多的电子产品充满着生活中的各个局部,我们对电子产品的依赖也越来越深,而更多的问题也逐渐突出,因为各种电子产品离不开驱动电源,所以驱动电源成为必不可少的一局部,对于其指标要求也更高、更专业化。
本设计有两个局部组成,一是稳压电源,一是稳流电源。
稳压电源采用线
性整流滤波再通过可调式集成稳压器件LM317稳压来到达稳压目的;稳流电源
利用三极管的输出特性设计稳流电源。
1.2设计过程工艺要求
1.稳压电源
条件:
输入220v、50Hz正弦交流电,电压变化范围+15%~-20%。
〔1〕输出直流电压调节范围为9~12V;
〔2〕最大输出电流为1.5A;
〔3〕电压调整率≤0.2%〔输入220v、50Hz交流电,电压变化范围+15%~
-20%,满载〕;
〔4〕负载调整率≤1%〔最低输入电压下,空载到满载〕;
〔5〕纹波电压〔峰-峰值〕≤5mV〔最低输入电压下,空载到满载〕;
〔6〕效率≥40%〔输出电压9V、输入电压220V,满载〕;
〔7〕具有过滤及短路保护功能。
-1-
第一章绪论
2.稳流电源
条件:
输入电压固定为直流12V。
〔1〕输出电流4~20mA可调;
〔2〕负载调整率≤1%〔输入电压12V、负载电阻由200Ω~300Ω变化,
输出电流为20mA时的相对变化率〕;
3.扩充功能
〔1〕排除短路故障后,自动恢复为正常状态;
〔2〕过热保护;
〔3〕防止开、关机时产生的“过冲〞。
1.3国内外的研究现状
随着科学技术的开展,电子产品的更新换代速度更是快速,但几乎所有的
电子产品都需要稳定的直流电作为驱动电源,现在国内主要有两大类驱动电源,
开关驱动电源和线性驱动电源。
其中线性驱动电源又可称做串联式调整驱动电
源,它的输出波纹比拟小,稳压效果也好,但是也存在一些缺点,重量体积都比拟大。
而开关驱动电源的重量轻,体积小,效率很高,存在的缺点是电磁干扰大,波纹也比拟大。
-2-
第二章稳压电路系统方案论证
第二章稳压电路系统方案论证
方案一:
集成三端稳压块78xx系列稳压电路
如图2.1所示,利用指标性能都完善的集成三端稳压块78xx系列稳压,本
身就具备过流短路保护。
输出电压U。
。
通过改变该电路的二
极管数量即可得到所要的输出电压。
缺点是不方便调节输出电压,对
9-12V之
间的固定电压比拟适应。
图
方案二:
串联型线性稳压电源
该方案利用降压器变压得到适宜电压,再通过整流、滤波电路,将交流电
转变成直流电,最后通过可调式的集成稳压器件LM317芯片的稳压得到较稳定的输出电压。
可调式集成稳压器LM317,如果输入电压固定,它能该电压差范围内调节输出电压。
这种电路的特点是:
电路比拟简单,很容易调试,另一个
优点就是经过线性稳压电源整流出的电压纹波比拟小;不仅如此,该稳压电源的效率约为40%-65%左右。
稳压流程图如下所示
-3-
第二章稳压电路系统方案论证
交
流
电
滤波
变压器
整流
稳压
220V/50HZ
方案三:
利用单极开关稳压电源
该方案由220V交流降压整流后经过开关电源输出,但此方案所产生的直流电压纹波大,在以后的几级电路中很难抑制掉,很有可能造成设计的失败和超出题目所要求的技术性能指标。
方案四:
简单的并联型稳压电源
此方案由220V的交流电降压后在经过整流电路整流后,将并联的稳压源的调整器件和负载并联,所以有很低的输出电阻,电路动态特性很好,而且电路
简单,并且有电路自动保护功能;当负载发生短路故障时调整管截止,因而可靠性高,但是缺点是效率低,特别是在弱电流时调整管需要承受很大的电流,损耗变大,所以此方案不可靠。
最后,我采用了第二种设计方案,利用LM317稳压芯片来设计直流稳压电路,因为此方案比拟简单,只需要两个电阻在芯片外按特定方式连接起来就可
以调整输出电压。
除此之外,该芯片的负载调整率以及线性调整率都比固定的稳压器件好。
LM117/LM317内部含有过载保护等多种保护电路。
一般来说
LM117/LM317可以不用外接电容,如果输入的滤波电容到LM117/LM317输入端口的连线大于6英寸〔约14厘米〕。
采用输出电容能改变其电路的瞬态响应。
如果调整端口采用滤波电容能得到纹波抑制比要比标准的三端稳压器高的
多。
LM317系列的稳压器件能输出可调且连续的正电压,范围为1.2~37V,输
出电流最大为。
所以满足设计的需求。
下列图中的R1,R2,以及电位器Rp构成了电压输出的调节电路,其中电容C1为滤波电容,电容C2和电位器采用并联方式构成了输出滤波电容,减小了输出端口的纹波电压。
二极管D5是防止
输出端与大地发生短路现象时时,电容C2两端的电压会损坏稳压器。
LM317
-4-
第二章稳压电路系统方案论证
集成稳压电路电路图如2-2:
图2-2LM317集成稳压电路电路图
-5-
第三章稳流电路系统方案论证
第三章稳流电路系统设计方案
方案一:
用LM7812三端稳压器来设计稳流电源
固定式LM7812三端稳压电源的组成包括输出引脚Vo,输入引脚Vi和接地端
口GND组成,其稳压值为+12V,归类为LM78xx系列的稳压器,它的输入端口可以外接电容,进一步的提升滤波效果,把电容接到电路输出端可以改变负载的瞬态
响应,电路的稳定性也会提高,只能采用漏电流比拟小的钽电容,而不能采用电解电容,因为它的电容量要比其它的电容大十倍,不能调节输出稳定的直流电源;所以此方案不可靠.
方案二:
用TL431来设计稳流电源〔上一方案的改良型〕
该方案中温流电源的固定电压是由LM7812三端稳压器提供的,通过电位器和调整管9013的配合即可得到符合要求的温流电源。
TL431芯片内部有2.5V的
基准参考电压源和一个高增益的比拟放大器〔66dB〕,参考端典型电流值为
1.8uA。
,利用采样电阻Rw和R1将采样电压和芯片内部的基准电压作比拟,它
的误差电压先进行放大,再去控制调整管9013的输出电流,这样就把采样电压
稳定在了基准电压附近,进而获得了稳定的电流。
电路如3-1所示。
方案三:
利用三极管的输出特性作为稳流电路的设计方案
电路如图3-2,D1,D2,R1用来构成三极管T的偏置稳压电路,通过二极管的稳压效果,三极管T能输出稳定的偏执电流Ib,三极管T的集电极电流为Io=Ic=βIb。
其中Ic的值不会因负载电阻的变化和输入电压而受到影响。
该三
极管工作在放大区,也就是线性区。
此方案组成简单,所需的原器件比拟小,当满足输入电压为12V时,输出
的可调电流范围为4-20mA,也满足负载调整率为1%的要求。
-6-
第三章稳流电路系统方案论证
图3-1方案二电路图
图3-2稳流电路
-7-
第三章稳流电路系统方案论证
方案四:
利用LM317芯片来设计稳流电路
电路如下列图3-3
图3-3LM317集成稳流电路
最后我决定采用第三种设计方案,即采用电阻,二极管,三极管2SC1815
来制作稳流电源,主要是该电路结构简单,所需原器件比拟小,平安可靠,又
能到达题目所需要的设计要求。
-8-
第四章系统总体设计框图
第四章系统总体设计框图
总体设计流程图如4-1所示
图4-1整机设计流程图
-9-
第四章系统总体设计框图
4.1稳定电源的工作原理和整体电路
最终经过方案反复论证,我决定采用下面的电路制作稳流稳压电源,如图
4-2所示。
图4-2整体设计的电路
4.1.1稳压局部的工作原理
本稳压电路采用了LM317芯片构成了可调节的稳压电路,首先先将220V交流电经降压变压器的到15V的交流电压,再经过全波桥式整流电路输出脉动
的直流电压,再经滤波电容后得到波纹较小的直流电压,最后再经过LM317稳
压器件得到稳定的1.25V带隙电压,再凭R1固定电流,用Rp,R2调节输出端的电压值,最后便可以得到输出可调的稳定电压了。
4.1.2稳流局部的工作原理
该电路利用上一级产生的稳定的12v电压转变成4-20mA比拟稳定的输出
电流。
通过稳压源供电,并利用三极管的输出特性,其中的D6,D7,R4组成了三
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第四章系统总体设计框图
极管的偏置稳压电路,再通过二极管的稳压效果便可以得到稳定的偏置电流Ib,
集电极电流也是稳定的,Ic=βIb,从而负载电阻和输入电压不会影响集电极电流,最后便得到了稳定的而且可以调节的输出电流。
-11-
第五章硬件单元电路的设计
第五章硬件单元电路设计
5.1整流电路
整流电路作用:
该电路的主要功能就是把上下波动的直流电信号转变成稳定的直流电信号。
整流电路、变压器、滤波电路等组成了整流电路的根本局部。
它在发电机的励磁调节、直流电动机的调速、电镀以及电解等场合应用的很广泛。
主电路、滤波器和变压器为整流电路的主要局部。
其中主电路一般都会采用硅二极管以及晶闸管等构成。
负载和主电路之间连接起了滤波电路,该电路的功能就是完成交流电转变成直流电。
变压器是将大幅的的交流电降压为小幅的交流电,以便后面的整流滤波电路能够输出匹配的直流信号,变压器另一个功能是实现了交流和整流两者之间的电隔离。
整流电路的根本形式可分为三种即半波整流、桥式整流和全波整流,除此之外倍压整流这种形式的电路通常整流其他的交流信号,例如发光二极管里面
的电平显示电路就是用该整流电路对特殊音频信号的处理。
整流电路它所输出的脉动单向直流电的性质有差异,其中半波整流这种电路所输出的电压值仅有
0.5周,因此单向的直流电仍然是50Hz,所以它输入的交流电的频率为50Hz,
而半波整流这种形式的电路是去掉了交流电的半周,并没有改变该信号中的交流成分的频率;桥式和全波整流电路相同,相同之处就是都采用了交流电信号
电压的正负半周并且将该信号的频率增大到了100HZ,因而这种单向的脉动性直流电压中的交流成分主要是100Hz的,因为在整流后的信号都是同一个极性,相比原来的交流信号频率增加了一倍,其优点是增强了滤波电路的滤波效果。
其中在电源电路里的三种整流电路形式里面,对于全波整流电路来说,它要求变压器的次级线圈要有抽头,另外两种整流电路对抽头没有要求。
除此之外,桥式整流电路用到了四个二极管,相比全波整流电路多了两个二极管,而半波整流电路只有一个二极管。
依据上述两个特点,可以很方便的分出三种整流电路的类型,要想准确的认出该整流电路的形式,就需要采用变压器有无抽头的方法,这样就能准确无误的分辨出此电路的类型。
在半波整流电路里,如果二极管处于截止状态时,那么交流电的峰值会全部加在二极管的两端,容易把二
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第五章硬件单元电路的设计
极管烧坏。
对于全波整流电路来说也会是这样,一个二极管截止,另一个处于导通状态,交流电的峰值也会加在二极管两端,也容易烧坏二极管。
不管是半波整流电路还是全波整流电路,这两种形式的电路对于二极管能承受反向电压的能力要求很高。
而对桥式整流电路对本电路中的整流二极管所能承受的反向峰值的电压能力要求相比照拟低,因为当两个二极管处于导通状态,另外两个二极管处于截止状态时,它们采用串联方式连接起来时所承受的反向峰值电压,是在每个二极管的两端有反向峰值电压的0.5倍。
如果对对输出的直流电压有相同要求时,对于全波整流电路而言,其电源变压器的次级线圈抽头到上、下两
端的交流电压值会相等,并且等于桥式整流电路里面的电源变压器次级线圈的输出电压,因而在全波整流电路中的电源变压器等于环绕了两组次级线圈。
在桥式以及全波整流电路中,他们都把输入的交流电压负半周转变成正半周或者把正半周转变成负半周,这点跟半波整流电路不相同,半波整流电路中,是将输入交流电压的一个半周去掉。
在整流电路中,所输入的交流电压的峰值远大于二极管的导通的压降,因此可以把整流二极管的管压降忽略掉。
对于倍压整流电路而言,该电路的优点是能输出很大的直流电,但是其缺点就是输出能力很差,所以这种电路具有弱电流,强电压的输出特性。
一般利用二极管的单向导电特性来分析上述的整流电路,该电路所输入的交流电压给整流二极管提供了导通电压。
5-1半波整流电路
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第五章硬件单元电路的设计
5-2全波整流电路
5-3桥式整流电路
5.2滤波电路
滤波电路的作用为:
滤波电路是用来最大限度的的减小脉动的直流电压里面的交流局部,而保存其中的直流分量,最终使其输出的电压纹波系数变低,从而使波形变得更趋于平滑。
在信号处理中,滤波是一个重要概念。
滤波可以分为现代滤波以及经典滤波。
其中经典滤波的概念,是在傅里叶变换和分析的根底上所提出的一个工程概念。
依据高等数学的理论,任意满足特定条件的信号,都可以把它们看做是
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第五章硬件单元电路的设计
由无数正弦波信号所叠加而来的。
那么换句话说,所有不同频率的正弦波通过线性叠加而组成了工程信号。
其中所组成的信号的不同的频率的正弦波称作谐波成分信号或者频率成分。
而只能允许特定频率范围内的信号或成分正常通过,并且阻止其它的局部频率通过的电路,通常称作为经典滤波器或滤波电路。
滤波电路的工作原理:
当流过电感里面的电流变化的时候,其线圈里产生的感生电动势定会阻止电流的变化。
如果电感线圈里的电流逐渐变大时,其线圈里产生的自感电动势必定跟电流的方向相反,就会阻止电流的增加,与此同时将其中的局部电能转变为磁场能量存储在了电感里;如果通过电感线圈里的电流值变小,那么自感电动势必定跟电流的方向相同,将会阻止电流的减小,然后释放出它所存储的能量,以此补偿电流的减小。
所以通过电感滤波作用后,负载电流以及电压的脉动成分都会减小,波形也会变得平滑,并且整流二极管的导通角也会增大。
如果电感线圈不变,负载电阻愈小,那么输出的电压的交
流分量会愈小。
只有当RL>>ωL时才能获得、取好的滤波效果。
其中L愈大,滤波效果会愈好。
另外,因滤波电感电动势的作用,会使二极管的导通角接近
于π,减小了二极管中的冲击电流,从而平滑了流过二极管中的电流,最终会延长整流二极管的寿命。
其中常用的滤波电路分为无源滤波跟有源滤波两个大类。
如果滤波电路里的元件仅仅由无源的器件〔即电阻、电感、电容〕构成,那么称为无源滤波电
路。
无源滤波电路一般分为电容滤波电路、复式滤波电路和电感滤波电路(其中包括倒L型、LCπ型滤波、LC滤波和RCπ型滤波等电路)。
如果滤波电路不仅是由无源元器件,还存在有源器件〔即双极型管、集成运放、单极型管〕构成,
那么称为有源的滤波电路。
其中有源的滤波电路的主要形式为有源RC滤波电路,也称做电子滤波器。
其中无源滤波电路的电路结构相比照拟简单,便于设计,但是它的通带放大倍数以及截止频率都会因负载的变化而变化,所以不适用于对信号处理要求高的场景。
其中无源滤波电路一般用在功率较大的电路中,例如直流电源整流
后的滤波电路,以及大电流负载时所采用的LC〔即电容、电感〕电路滤波电路。
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第五章硬件单元电路的设计
对于有源滤波电路,负载不会影响该电路中的滤波特性,所以本电路一般
用于对信号处理要求不是很高的场景。
其中有源滤波电路它一般是由RC网络跟集成运放所构成的,因此必须要在适宜的直流的电源供电的场合下才能正常使
用,还存在放大作用。
可是电路的构成以及电路的设计都相对复杂。
有源滤波电路一般不能适用于高电压大电流的电路场合,它只能适用于信号处理电路。
依据滤波器的特点可以知道,依据电压放大倍数的幅频特性能够准确的判别该电路是属于低通、高通、带通、带阻滤波器,所以如果能够定性的分析出阻带和通带是处于哪一个频率段,就能够确定出滤波器的类型。
分辨滤波器的方法为:
如果信号频率接近零时有特定的电压放大倍数,而且信号频率也接近无穷大时,它的电压放大倍数趋近零,那么就是低通滤波器;反之,如果信号的频率接近无穷大时有确定的电压放大倍数,并且当信号频率趋于零时其电压放大倍数趋于零,那么称作高通滤波器;如果信号频率接近零和无穷大时的电压放大倍数均都接近零,那么为带通滤波器;反之,如果信号的频率接近零以及无穷大时电压放大倍数同时有相同确实定值,并且在某一频率的范围中电压的放大倍数接近零,那么为带阻滤波器。
稳定电源的第一级功能便是整流滤波电路,它的主要作用是把220V,50HZ的交流电经过整流滤波电路后变为不是很平滑的直流电压,在本设计中的电路采用了容性负载式整流电路。
电路如图5-4所指。
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第五章硬件单元电路的设计
图5-4整流滤波电路图
本设计中的电路为桥式整流电路,220V/12V降压变压器将交流电转变成合
适的交流输入电压,四个二极管组成了桥式整流电路,并采用2200F/25V的
电解电容作为滤波电容。
5.3稳压电路
稳压电路又叫做集成稳压器,作用是把不稳定的直流电转变成稳定的直流电压,由分立元件构成的稳压源,具有适应性强、输出功率大的特点,缺点是稳定性不高,因为应用范围受到了限制,现今集成式的稳压电源已经得到了广泛的应用,作为小功率的稳压源中的三端式串联型稳压器件应用最为广泛,集成的稳压器件一般分为开关稳压型和线性稳压型,线性稳压器件还分为一般压差集成的稳压器和低压差稳压器;开关型集成稳压器包括升压型集成稳压器、降压型集成稳压器,输入与输出极性相反的集成稳压器。
集成稳压器的使用有着多重要求,一,使用它时,要焊接的牢固稳定。
对一般的要求增加散热装置的,那么必须加装符合尺寸要求的散热装置。
二,为了能扩大输出的电流,要使三端集成稳压器允许并联使用。
三,保证输出电压的稳定性,应确保最小输人输出电压差。
例如三端集成稳压器的最小电压差约
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第五章硬件单元电路的设计
为2v,一般使用时的压差应该保持在3v以上。
还有就是注意最大输人输出输入电压差范围不能超出规定的范围。
四,在接人电路之前,确保要分清引脚及它
们的作用,防止接错线路时损坏集成块。
输出的电压大于6v的三端集成稳压器
的输人、输出端一般需接保护二极管,这样可以防止输入的电压突然降低到一个很小值时,输出的电容能迅速放电并引起三端集成稳压器的损坏。
五,集成稳压器的品种很繁多,其中从调整方式上有线性的,以及开关式的;而从输出方式分类上有固定和可调式的。
所以三端稳压器优点是使用操作都很方便,选用时应该优先考虑。
集成稳压器按照出线端子的多少大体可以分为多端可调式、二端可调式和三端固定式和单片开关式等多种。
多端可调式属于早期的集成稳压器产品,它的输出功率较小,
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