直流穩(wěn)壓源的設(shè)計(jì)

    在實(shí)踐中，有很多因素變化時(shí)，都將使直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓發(fā)生變化。如電網(wǎng)電壓變動(dòng)，負(fù)載變動(dòng)引起輸出電流變化、溫度變化、頻率變化等。 

 
    本設(shè)計(jì)采用串聯(lián)型直流穩(wěn)壓源的基本思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到0～20V的穩(wěn)定直流電壓輸出，電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率。以及輸出電壓紋波等參數(shù)都達(dá)到較高水平。并具有限流和顯示電壓值、電流值的功能。且操作方便。

一、 技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓：220V交流
輸出電壓：0～15V線性可調(diào)
最大輸出電流：1.5A
輸出紋波：<0.01％

二、電路工作原理

1．穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電路如圖1所示

(1)降壓、整流濾波電路

降壓：電網(wǎng)電壓為AC220V，欲得到低壓直流必須先進(jìn)行降壓處理。常用降壓方式有變壓器降壓和電容降壓。

電容降壓整流電路體積小、重量輕、成本低，是一些小功率和便攜式用電器降壓的首選方式。但也存在不足，如輸出功率小，不宜用在大功率用電器中；電路呈容性，無(wú)論負(fù)載是否工作都存在一定的功耗；電路安全性低。

變壓器降壓可提供較大的功率，在體積與重量要求不高時(shí)應(yīng)用極為廣泛。

該設(shè)計(jì)中要求輸出電流1.5A，最大輸出電壓15V，因而選擇交流15V／20W的變壓器進(jìn)行降壓。

整流濾波：變壓器降壓后，得到15V交流電，還必須進(jìn)行整流濾波，方能得到直流電壓。

全橋整流價(jià)格低廉、整流效果好。為了減小電壓脈動(dòng)．需通過(guò)低通濾波電路濾波。低通濾波可選擇有源濾波和無(wú)源濾波，這里選擇最常用的電容濾波，C1為104的獨(dú)石電容，用于高頻濾波；C2為2200μF的電解電容，用于低頻濾波。

通過(guò)穩(wěn)壓管DZ1產(chǎn)生－5V的電壓。為電路中的集成運(yùn)放提供負(fù)電壓。

(2)基準(zhǔn)電壓

理想的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)不受電源和溫度的影響，比一般電源具有更高的精度和穩(wěn)定性。高精度的基準(zhǔn)電壓是電源性能穩(wěn)定的前提。

一般情況下．可用電阻分壓作為基準(zhǔn)電壓，但這種方式只能作為放大器的偏置電壓或提供放大器的工作電流。由于其沒(méi)有穩(wěn)壓作用，故輸出電壓的穩(wěn)定性完全依賴于電源電壓的穩(wěn)定性。用二極管的正向壓降作基準(zhǔn)電壓可克服上述電路的缺點(diǎn)，得到不依賴于電源電壓的恒定基準(zhǔn)電壓，但其電壓的穩(wěn)定性不高，且溫度系數(shù)是負(fù)的，約為－2mV／℃。用硅穩(wěn)壓二極管（簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管或齊納管）的擊穿電壓作為基準(zhǔn)電壓，可克服正向二極管作為基準(zhǔn)電壓的一些缺點(diǎn)。但其溫度系數(shù)是正的，約為+2mV／℃。故以上三種均不適用于對(duì)基準(zhǔn)電壓要求高的場(chǎng)合。

本設(shè)計(jì)使用LM336－5V芯片提供+5V的基準(zhǔn)電壓。LM336穩(wěn)定性好，基本不隨溫度及電流擾動(dòng)而變化。

(3)誤差放大

通過(guò)負(fù)反饋電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行取樣，然后與基準(zhǔn)電壓相比較。通過(guò)放大器μA741進(jìn)行誤差放大，進(jìn)而控制Q2、調(diào)整管Ql(大功率晶體管BU406)使輸出電壓穩(wěn)定。由分析知，控制管應(yīng)該選用β足夠高、gm足夠高、rb－e足夠小的功率管．盡可能提高比較放大器的電壓增益Av．盡可能增大取樣系數(shù)，以提高輸出電壓調(diào)整率和降低輸出電阻。

調(diào)節(jié)電位器R5可改變輸出基準(zhǔn)輸出電壓，若運(yùn)放的放大倍數(shù)為3倍，則可輸出0～15V的電壓。

(4)過(guò)流保護(hù)

當(dāng)負(fù)載電流變大或電源短路時(shí)，可能會(huì)損壞穩(wěn)壓電源，所以，過(guò)流保護(hù)尤為重要。

通常用電器中都設(shè)有保險(xiǎn)管，這種保護(hù)裝置簡(jiǎn)單易行、價(jià)格低廉，但對(duì)電流的保護(hù)選擇性差，并且每次燒斷后都要更換，比較麻煩。

本電路設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)裝置，并可以調(diào)節(jié)保護(hù)電流值．比傳統(tǒng)保護(hù)方式更方便、可靠。在電源干路上串一只大功率電阻R1。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，R1兩端會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。

5v基準(zhǔn)電壓經(jīng)由R15和電位器R16分壓后，得到相對(duì)于GNDl點(diǎn)為0～1.67V的電壓，送至電壓比較器LM311的同相輸入端，其反相端接GND，即Rl的另一端。調(diào)節(jié)電位器R16，使輸出電流穩(wěn)定在設(shè)定值。當(dāng)負(fù)載變化使輸出電流大于該設(shè)定值時(shí)，R1兩端電壓降增大，使LM311輸出為負(fù)，通過(guò)二極管D7強(qiáng)制將U1的同相輸入端電壓拉低，從而限制電流的升高。同時(shí)，發(fā)光二極管L1點(diǎn)亮，指示電源工作在限流狀態(tài)。 

(5)斷電保護(hù)

在關(guān)閉電源的同時(shí)，經(jīng)常會(huì)由于電容放電或器件的影響而產(chǎn)生瞬時(shí)大電流，從而對(duì)負(fù)載產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞。為了避免這種情況，設(shè)計(jì)了由Q3及其相關(guān)元件構(gòu)成的斷電保護(hù)電路。交流電壓一消失，負(fù)電壓也馬上消失，從而使Q3導(dǎo)通，輸出電壓為零，有效地保護(hù)了電路和與之相連的負(fù)載。在正常工作期間，VCC和－VCC經(jīng)過(guò)R10與R11分壓后，電壓仍小于GNDl點(diǎn)的電壓，即Q3基極電壓仍小于發(fā)射極電壓。Q3截止。

2．液晶顯示

為方便操作。設(shè)計(jì)了液晶顯示單元。以直觀地閱讀電源的輸出電壓、輸出電流和限制電流的值。

由于要采集三路信號(hào)，并且對(duì)轉(zhuǎn)換精度和速度要求不高，所以選擇A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809進(jìn)行信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換。由單片機(jī)控制A，D轉(zhuǎn)換器，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示出來(lái)。

顯示部分的電路如圖2所示。

主函數(shù)流程如圖3A／D轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。