直流穩壓電源的設計與測試

發布時間：2020-02-10所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：為了解決直流穩壓電源的穩定性和靈敏度等問題，采用STC89C52單片機作為主控單元，用電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路等部分組成0.0V~10.0V可調式直流穩壓電源，并用proteus進行仿真。測試結果表明，直流穩壓電源的穩定性和靈敏度顯著提高。

　　摘要：為了解決直流穩壓電源的穩定性和靈敏度等問題，采用STC89C52單片機作為主控單元，用電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路等部分組成0.0V~10.0V可調式直流穩壓電源，并用proteus進行仿真。測試結果表明，直流穩壓電源的穩定性和靈敏度顯著提高。

　　關鍵詞：單片機;直流穩壓電源;變壓器;性能測試

　　伴隨著電子技術應用范圍的擴展，其種類也日漸豐富，電子儀器己成為人們生活和工作不可或缺的一部分。電源作為電子產品的重要組成部分，發揮著極其關鍵的作用，電源系統優良的穩定性和可靠性也必然成為電子儀器正常工作的重要保障。目前，通信、辦公和家用電器、汽車生產等領域迅速發展，對電源也提出了更加嚴格的要求，傳統電源系統由于穩定性和靈敏度等性能局限，在很大程度上也制約了相關產業的發展。

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　　20世紀中葉，晶體管的產生使晶體管串聯式穩壓電源成為電源過渡元件，20世紀60年代后期，人們又對穩壓電源進行了改進，開關電源快速發展，直流穩壓電源得以廣泛使用[1]。時至今日，在電源范疇內，供電電壓高、電流大的電子計算機電源由可控硅電源代替，低電壓、小電流電源一般用集成穩壓器做電源[2]。在電源的設計過程中，電源變壓器的主要功能是將市電為220V50HZ的交流電變為人們所需要的電壓，然后再通過整流電路將交流電變壓為脈動的直流電壓，最后經過濾波電路獲得光滑的直流電壓[3]。

　　1直流穩壓電源的設計思路

　　直流穩壓電源的電路一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路、控制電路等模塊組成，其設計的一般思路是將輸入的220V50HZ市電通過變壓器，再經過整流、濾波，最后進行穩壓。常用的直流穩壓電源設計方案，主要有晶閘管串聯式直流穩壓電路、三端集成穩壓器電路以及用單片機設計的直流穩壓電源等。本文采用STC89C52單片機作為控制部分，可通過數模轉換和電壓調整改變系統輸出電壓的大小。

　　1.1設計任務

　　直流穩壓電源設計過程中，電源變壓器的設計主要是選擇適合的電源變壓器，將市電220V50HZ轉變為人們所需的交流電。整流、濾波電路的設計，電源變壓器降壓以后將會得到人們所需要的交流電，再通過整流電路將其變換成單向脈動的直流電壓，然后再經過濾波電路變成脈動小的直流電壓，濾波電路的作用是即濾掉交流成分，留下直流成分;濾波電路的主要作用是將脈動直流電壓中的紋波濾除，進而得到了比較平滑的直流電壓，濾波電容的大小為4700uf，耐壓程度為25V的電解電容。穩壓電路的設計主要是當出現外界影響時，能夠維持電壓的穩定。控制電路的設計主要是通過STC89C52單片機控制穩壓部分，使輸出的直流電壓更加穩定。

　　1.2設計總體框圖

　　直流穩壓電源的電路一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路、控制電路以及顯示電路等部分組成[3]。直流穩壓電源的設計框圖如圖1所示。

　　1.3設計流程圖從流程圖

　　可以清晰地看出每個模塊的工作情況，直流穩壓電源的設計流程圖如圖2所示。

　　2直流穩壓電源的主電路設計

　　2.1電源變壓器設計

　　電源變壓器的主要作用[4]是將市電220V50HZ的交流電壓U1變成所需要的交流電壓U2，其中變壓器二次側的功率與一次側的功率之比η為：P2/P1=η(1)變壓器的二次側電壓U2通過整流后將交流電壓轉換為直流電壓，得到的半波整流和全波整流的電路輸出波形中有較大的紋波，它會影響負載電路的正常工作，為了減少脈動的電壓，需要通過低通濾波器電路進行濾波，使輸出電壓變得平滑。在理想狀態下，應將交流分量的紋波全部濾除，使濾波電路的輸出波形中僅僅含有直流電壓。由于濾波電路這一無源電路的存在，接入負載后必定會影響它的濾波效果。交流電壓通過整流、濾波電路后雖變為交流分量較小的直流電壓，但當電網電壓發生波動，負載發生變化時，其值也會發生變化。穩壓電路的功能就是使輸出的直流電壓基本不受外界溫度和負載變化的影響，因而可獲得良好的穩定性能。

　　2.2整流與濾波電路設計

　　整流電路的作用是將交流電壓轉換成脈動且單向的直流電壓，再經過濾波電路將大的紋波成分進行濾除，從而輸出平滑的直流電壓。

　　2.2.1整流電路設計

　　整流濾波電路種類繁多，最常使用的是單相橋式整流濾波電路[6]，其電路圖如圖3所示。

　　2.2.2濾波電路設計

　　在濾波電路設計中，因為整流特性與時間常數RC的值有關，RC的數值越大，電容放電越緩慢，濾波效果就會越好，因此通常的設計是濾波電容越大越好。為防止穩壓器抑制電路引入的高電頻，電路中加入電容的作用，就是為了在增減負載電流不足時所引起輸出電壓波動變化。

　　2.3穩壓電源設計

　　穩壓電源部分采用CW78XX三端集成穩壓器設計。其中，CW78XX系列中輸出電壓為正，如7812則它的輸出電壓為+12V，三端集成穩壓器CW78XX的輸入端所接入的電容C的作用是進一步將紋波濾除，當輸出電壓為12V時，最大輸出電流為0.5A，副邊電壓V2應大于等于12.7V，故取V2為15V。

　　2.4單片機最小系統電路設計

　　單片機的主要優點，一是結構容易突出控制功能，二是使用過程中便于產品化。在各種電子元器件中，單片機具有良好的性價比，其應用范圍日漸廣泛。近年來，單片機主要應用于智能儀器儀表、家用電器、機電一體化、實時工業控制等領域。STC89C52單片機各引腳的功能見表1。

　　STC89C52單片機設有4個雙向輸入輸出口，即P0、P1、P2、P3，每一組輸入輸出線都可以單獨作為輸入或輸出口，其中多功能I/O口引腳功能見表2。

　　單片機的最小系統主要由晶振電路、復位電路及電源電路等部分組成。晶振電路是由兩個大小為30pF的電容C2、C3及晶振X1構成，其中晶振的頻率數值越大，單片機的執行速度就越快，在單片機的電路設計中，晶振電路部分離單片機越近效果越明顯。復位電路是單片機運作過程中，由于受外界因素干擾出現程序跑飛時，可以使用復位按鈕，使單片機內部程序自動從頭開始重新執行。電源電路采用5V直接供電，可使用電腦端的USB接口。

　　2.5設計總圖

　　利用proteus設計的電路總圖如圖4所示。

　　3直流穩壓電源的實測數據

　　3.1穩壓電源的質量指標

　　穩壓電源的質量指標[7]可以分成兩種，一種是特性指標，主要包括輸入輸出電壓、輸出電壓調節范圍、輸出電流等;另一種是質量指標，主要包括穩壓系數、電流電壓調整率、溫度系數、輸出電阻、紋波電壓等。

　　由于輸出的直流電壓Vo會隨著輸入的直流電壓Vi、輸出電流Io以及環境溫度T的變化而變化，即輸出電壓Vo=f(Vi,Io,T)。

　　3.2直流穩壓電源的性能指標測試

　　1)電壓測試結果

　　直流穩壓電源的電壓測試見表3。

　　2)負載電流測試結果

　　因為本設計用單片機作為直流穩壓電源的主控單元，系統的電壓調節范圍為0V～10V，采用每次0.1V的步進調節，并且設置了加、減和復位按鍵，數碼管顯示清晰正確。通過測試結果可以看出，直流穩壓電源的穩定性和靈敏度顯著提高，測試誤差較小，基本實現了設計初衷。但直流穩壓電源的功能上還不夠強大，缺少對顯示預置電壓、過流保護和過壓保護電路等內容的設計，有待進一步研究和提高。