【文章內(nèi)容簡介】 7 8 1 21 2 V12V15V15V穩(wěn) 壓 輸 出 圖 直流穩(wěn)壓電源的工作原理 （基本框圖） 15 總述： 電源變壓器是將交流電網(wǎng) 220V 的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般 10%左右的波動）、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓 穩(wěn)定。 電源 變壓器 圖 15V 變壓器 變壓器是利用電磁感應(yīng)原理，從一個電路向另一個電路傳遞電能或傳輸信號的一種電器，是電能傳遞或作為信號傳輸?shù)闹匾Ｗ儔浩魇且环N靜止電機，根據(jù)電磁感應(yīng)的原理，能夠?qū)⒁环N電壓的電能轉(zhuǎn)換為另一種電壓的電能，以滿足不同負荷的需要。變壓器的主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。其中，與電源相連的線圈，接收交流電能，稱為一次繞組；與負載相連的線圈，送出交流電能，稱為二次繞組。 整流電路 整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要靠二級管的單 向?qū)щ娮饔?。因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流。 16 圖 單相橋式整流電路 圖 電源變壓器，它的作用事將交流電網(wǎng)電壓變成整流電路要求的交流電壓。單相橋式整流電路是由四個二極管接成電橋的形式構(gòu)成的。設(shè)電源變壓器二次側(cè)電壓U=Usinwt(v)，在 U 的正半周，極性為上正下負，此時二極管 D D3 承受正向電壓而導(dǎo)通， D D4 反向截止，電流 i 的通路是 a?D1?RL? D3? b。負載 RL 上又得到半波電壓。在 U的負半周，極性為上正下負，此時二極管 D D4導(dǎo)通， D D3反向截止，電流i的通路是 b?D2?RL?D4?a。負載 RL 上又得到半波電壓。 RL 上得到 的電壓 U是單方向全波脈動 (圖 3)。 Uw t 圖 單相橋式整流濾波電路波形圖 要使之接近于理想的直流電壓，在整流之后需加濾波電路，將單向脈動電壓中的交流分量盡量多地濾掉。 17 濾波電路 濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器 C，或與負載串聯(lián)電感器 L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。濾波電路的形式有很多，分為電容輸入式和電感輸入式。 采用一只容量較大的電解質(zhì)電容器，所以要注意其極性，其正極 要接電路高電位端，負端要接電路低電位端。若極性接反，過高的反向電壓可能擊穿電容器。 圖 橋式整流、電容濾波電路 UW tW tU 圖 直流 電壓 U的波形 如圖 ，由于電容 C1 并聯(lián)在負載電阻 R1上，所以電容 C1 兩端的電壓 CU 就是負載的電壓 OU ，交流電壓 U 的波形（如圖 5）；假設(shè)，電路接通時，恰恰在電壓 U由負到正過零的時刻，這時二極管開始導(dǎo)通，電壓 U 通過二極管向電容 C1充電，由于二極管的正向電阻很小，所以充電時間常數(shù)很小，電壓 CU 將隨著電壓 U 按正弦規(guī)律逐漸升高，當 U增大到最大值時， CU 也隨之上升到最大值。然后 U 開始下降， CU 也開始下降，但他 18 們按不同規(guī)律下降， U 按正弦規(guī)律下降，而電容 C1 則通過負載 R1 放電，電 容端電壓 CU按指數(shù)規(guī)律下降，由于放電時間常數(shù)較大， CU 下降緩慢。除了剛過最小值的一小段時間內(nèi)，仍有 CU =U 的關(guān)系外，之后就出現(xiàn) U CU 的情況，二極管承受反向電壓，處于截止狀態(tài)。電壓 CU 按指數(shù)規(guī)律緩慢下降到 wt=2? 以后，雖 然電壓 U 又為正值，但由于U CU ，二極管仍然不能導(dǎo)通。直到 U CU 以后，二極管才又導(dǎo)通，電容 C1由放電狀態(tài)重新變?yōu)槌潆姞顟B(tài)， CU 又隨著 U上升。如此繼續(xù)下去，電壓 CU 也就是負載電壓 LU 就變得平滑了，因而負載電壓的平均值也有所增大了。如果電容濾波電路接于橋式整流電路，則在交流 電壓的一個周期內(nèi)，電容 C1 有兩次充、放電，其放電時間比上述半波整流后所接電容濾波電路要短，故輸出電壓更為平滑。電容濾波使整流輸出電壓波形變得平直的原因，還可以從電容 C1 對脈動電流中的交流成分具有旁路作用來理解。由于電容 C1與負載電阻 R1并聯(lián)， C1的容量愈大，整流后所得的脈動電流交流分量的頻率愈高，則電容 C1的 容抗愈小，而電阻 R1 的阻值與頻率無關(guān)，因此，脈動電流中的交流成分主要通過電容 C1而被旁路， R1上的電流和電壓便較為平直了。 穩(wěn)壓電路 圖 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路采用 三端穩(wěn)壓集成 器 7805 和 7812。 三端 IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO 220 的標準封裝，也有 9013 樣子的 TO92 封裝。用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號中的 78 或 79 后面的數(shù)字代表該三端集成 19 穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 7805 表示輸出電壓為正 5V， 7812 表示輸出電壓 為 正 12V。 在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠 大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。 運放電路 電壓運放 圖 電壓放大 功率運放 圖 功率放大 20 保護電路： 圖 保護電路 21 第 3 章 直流穩(wěn)壓可調(diào)電源 硬件設(shè)計 硬件設(shè)計原理 和思路 系統(tǒng)硬件的基本組成部分 基本組成本直流電源由四個基本模塊組成：電源部分，控制部分，功率放大部分，數(shù)字顯示 ,輸出電壓電路。采用硬件電路和單片機的編程控制，實現(xiàn)了一端 5V 和 12V 穩(wěn)定電壓輸出， 一端 0~12V間可調(diào)電壓輸出的雙路直流穩(wěn)壓電源。最大輸出電流為 。在最大電流輸出時，電壓穩(wěn)定度小于 。實現(xiàn)傳統(tǒng)基本直流穩(wěn)壓電源的突破和創(chuàng)新。 電源變壓器：采用降壓變壓器將電網(wǎng)交流電壓 220V 變換成復(fù)合需要的交流電源。此交流電壓經(jīng)過整流后可獲得電子設(shè)備所需要的直流電壓。 整流電路：利用單相橋式整流電路把方向和大小都大小都變化的 50Hz 的交流電變換為方向不變但大小仍有脈動的直流電。其優(yōu)點是電壓較高，紋波電壓較小，整流二極管所承受的最大反向交流電流流過，變壓器的利用率高。 濾波電路：利用儲能元件 電容 C 兩端的電壓不能突變的性質(zhì)，采用 RC 濾波電路將整流電路輸出的脈動成分大部分濾除，得到比較平滑的直流電。 穩(wěn)壓電路：使整流濾波后的直流電壓不隨交流電網(wǎng)和負載的變化擾動而變化 控制電路：為適應(yīng)不同場合的需要而將電壓置為可調(diào)。 數(shù)字顯示部分：采用 四 位的 LED 數(shù)字顯示，挺高了精度和準確性，從而克服了模擬表頭的造成的讀數(shù)誤差。利用 51單片機控制，可以實現(xiàn)精度。 由于采用大量高性能的集成模塊，從而簡化了電路的結(jié)構(gòu)，突出了電源變換問題中的關(guān)鍵部分。通過努力的調(diào)試與檢測，電路整體性能良好，可以較好的實現(xiàn)設(shè)計目的。本 電源不僅可以單獨使用，還可以置于其它電子設(shè)備中作為變壓穩(wěn)壓或穩(wěn)流源使用。 電源 部分設(shè)計 該部分是電源的基礎(chǔ)，也是輸出電壓能否達到高精度和良好的穩(wěn)定性的保障。考慮到平時使用的電源大多在 0~12V 之間，而且 7812 的極限電壓 30V，所以選用電源電壓為 15V，經(jīng)過 7812 集成穩(wěn)壓管， 則每一路輸出為 12V。按照輸出電流 I=，則單路最大輸出功率： 22 P=UI=12 =3W 單路消耗的總功率為： Pi=UiI=15 = 兩路共消耗的功率為 P= 考慮其效率，設(shè)為 %80 則電源消耗的功率為 WPPal l %80 %80 ??? 所以 選用 220V 12W 的變壓器。 AI ? ， 則,150 VU ? ???? AVIUR a、電源變壓器：采用 12W 雙 15V，環(huán)形變壓器降壓變壓器將電網(wǎng)交流電壓 220V 變換成15V 左右的交流電源，主副線圈匝數(shù)比約 15 ： 1。此交流電壓經(jīng)過整流后可獲得電子設(shè)備所需要的直流電壓。 b、整流電路：利用單相橋式整流電路把方 向和大小都變化的 50Hz 的交流電變換為方向不變但大小仍有脈動的直流電。其優(yōu)點是電壓較高，紋波電壓較小，整流二極管所承受的最大反向交流電流流過，變壓器的利用率高。 c、濾波電路：利用儲能元件 電容 C 兩端的電壓不能突變的性質(zhì)，采用 RC 濾波電路將整流電路輸出的脈動成分大部分濾除，得到比較平滑的直流電。采用 2200uF,16V濾波電容達到較好的濾波效果。 穩(wěn)壓電路的設(shè)計 采用 7812 和 7805，因為本設(shè)計中需要用到 5V 和 12V 穩(wěn)壓電源， 7805 和 7812 最大允許輸入電壓是 30V所以選用 7812 和 7805 作 為穩(wěn)壓電路核心元件。 運放電路的設(shè)計 本設(shè)計需要四個集成運算放大器 ,LM324N 為四個運算放大器的集成，故用 LM324N 作為電壓放大元件 23 圖 電壓放大電路 將單片機的輸出端調(diào)為最大輸出，此時數(shù)碼管顯示為 ，經(jīng)過 DAC0832 數(shù)模裝換后在DAC0832 的 Vref 端有一個確定的電壓輸出，此電壓設(shè)為 Vin，由于 6 )65(U ou t R RRU in ?? 且設(shè)定 R6為 2K 所以 R5=Uout*R6/UinR6= 故將電位器的阻值調(diào)為 后，模擬端輸出電壓等 于數(shù)碼管顯示電壓實現(xiàn)同步，通過使用放大器， 從而實現(xiàn)電壓放大 。 過流保護電路的設(shè)計 圖 U1=R8*Imax U1=U2 ????? ]7)98/(9*8[)98/(9*8 23U RRRRRRRRR U 24 根據(jù) NPN 管 8050 的特性，當 Vbe, 集電極和發(fā)射機導(dǎo)通， 所以 U4=0，因為 npn 的集電極連接的使功率管的基極，所以就起到了過流保護的目的。 因此： Imax=253mA Pmax= 因變壓器選用 15V、 12W。所以此數(shù)值符合過流保護的條件。 所以電阻的選取為： R7=10K， R8=460? ， R9=2K 硬件設(shè)計 單片機部分 STC89C51 單片機 介紹 ： STC89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含 4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器 (EPROM)和 128 bytes 的隨機數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大 STC89C51 單片機可提供高性 價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。因此，在這里我選用 STC89C51 單片機來完成。 主要性能參數(shù)： ?與 MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ?4K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃存存儲器 ?1000 次擦寫周期 ?全靜態(tài)操作： 0hz24hz ?三級加密程序存儲器 ?128x8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ?32 個可編程 I/O 口線 ?2 個 16 位定時 /計數(shù)器 ?6 個中斷源 ?可編程串行 UART 通道 ?低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 內(nèi)存空間 25 內(nèi)部程序存儲器（ FLASH） 4K 字節(jié)。 外部程序存儲器（ ROM） 64K 字節(jié)。 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 256 字節(jié)。 外部數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） 64K 字節(jié)。 圖 單片機控制部分 控制部分是系統(tǒng)整機協(xié)調(diào)工作和智能化管理的核心部分，采用 STC89C51單片機實現(xiàn)控制功能是其關(guān)鍵，采用單片機不但方便監(jiān)控，并且大大減少硬件設(shè)計。 STC89C51 單片機 P1口作為數(shù)碼管的數(shù)據(jù)接口 。 ， ， 分別作文外部中斷接口 ~ 為數(shù)碼管的選擇接口 。 P2 口作為數(shù)據(jù)接口和 DAC0832 進行數(shù)據(jù)通訊 。 RESET 為外電路復(fù)位接口 。 XTAL1， XTAL2 為 12M 晶振接口 。 工作原理：單片機通過接受外部中斷向量，調(diào)用自身中斷程序，實現(xiàn)特定的數(shù)據(jù)輸出同時 通過 P0和 P1口，采用動態(tài)掃描的方法將數(shù)據(jù)進行顯示。 D/A 轉(zhuǎn)換部分 26 圖 D/A轉(zhuǎn)換部分 D/A 轉(zhuǎn)換部分采用 DAC0832：