0~30V可调数控直流稳压电源设计
2023-08-27常虎,庞帅
常 虎,庞 帅
(国网淮南市潘集区供电公司,安徽淮南 232082)
0 引言
直流稳压调节电源,也称为直流稳压器,其功能是为负荷供给平稳的直流电压。稳压器的作用明显,能在输入或负载侧发生扰动时保证输出电压的相对稳定。稳压电源有纹波小,高调整率的特点,在工业控制、仪器仪表等领域发挥着重要作用。本文设计的稳压电源输出电压范围为0~30 V,可以实现“+”“-”按钮步进电压调节功能,纹波在10 mV 左右,输出电压和输出电流可以通过液晶屏显示。
1 系统设计
可调数控电压源的硬件部分包括C8051F020 单片机、直流稳压电路、液晶显示电路和BCD 码键盘电路,能够在液晶屏上显示经电流电压采集电路采集,由单片机进行模数转换得出的电流、电压值。系统的数控调节过程如图1 所示,其硬件结构具有以下特点:①输出纹波电压较小;②高频干扰极低;③电压稳定度及负载稳定度高;④瞬时响应速度快。
图1 系统硬件结构
2 硬件设计
2.1 降压电路
降压电路首先通过电源变压器将220 V 交流电降为低压交流电,为了防止稳压器件两端的压差过大,将低压端设计成两个触点。当输出电压为15~30 V 时,输出的电压经过比例电路转变成单片机可接受的电压,经过单片机处理后给出一个高电平的动作,D2 就会由闭合转到通态,此时继电器K1 的触点和D2 连接。当输出电压为0~15 V 时,送入到单片机后进行处理,再给出一个低电平的动作,使三极管转为截止状态,继电器停止动作,始终与变压器触点闭合导通(图2)。
图2 降压电路
由于降压稳压器LM2575 的输入电压为7~40 V,对于电容性负载,变压器副边的输出电压U2与LM2575 的输出电压关系为Umin/(1.1~1.2)≤U2≤Umax/(1.1~1.2)。计算得U2的取值范围为6.4~36 V。所以副边两个触点的电压分别是18 V 和36 V。此外,在变压器的原边连接了熔断器,当通过的电流过大时熔断器熔断、切断电源输入,以达到保护电路的目的。
2.2 整流电路
(1)在正半周运行,当e2>Uc时,二极管D1 和D3管导通,D2 和D4管截止,电流通过电阻RL,同时给电容C 充电。当Uc>e2时,二极管D1和D3 管截止,D2 和D4 导通,此时电容C 开始放电,电流反向流过电阻RL,Uc会逐渐下降。
(2)在负半周运行,运行结果与正半周相反。当e2>Uc,二极管D1 和D3 截止,D2 和D4 导通,电流会再次流经电容C,并给它充电;此时Uc还在上升,直至到达容量最大值,然后开始逐渐下降,到达某一个阶段之后,二极管D1 和D3 管导通,D2 和D4管截止,此时电容C 放电,电流反向流过电阻RL,Uc会逐渐下降;放电放到一定程度时,D1 和D3 又会变成正半周导通时的状态,然后循环往复。
2.3 稳压电路
稳压电路部分采用了LM2575 降压稳压器,其主要作用是将整流后的电压转化为稳定的直流电压(图3)。LM2575 的参数为:Uo=1.23~37 V,Imax=1 A,输入电压的范围为7~40 V。R 取240 Ω,则输出电压:Uout=1.23(1+R1/RP)。当比例放大器的输出电压为0时,RP与R1相比值很大,可近似为R1/RP=0,所以Uout=1.23 V。
图3 稳压电路
2.4 电压采集电路
电压采集电路如图4 所示。因为输入单片机的电压只能是0~5 V,所以要将0~30 V 的输出电压通过电阻分压成比例地降至0~5 V。取R18=5 kΩ,R19=1 kΩ,将输出的0~5 V 电压送到单片机处理。
图4 电压采集电路
2.5 电流采集电路
电流采集电路如图5 所示。
图5 电流采集电路
电路中有以下关系:
Un=Up
Up/Uo=R22/(R22+R20)=1/(1+39)=0.025
Un=Io×(R23×R24)/(R23+R24)=0.075Io
Uo=3Io
放大器会将电压值送到单片机进行处理,再经过软件程序的编程处理,将其对应的电流值显示在液晶显示屏上。
2.6 过流、过压保护电路
过流、过压保护电路如图6 所示。继电器动作由单片机C8051F020 的P3.3 端控制,当电路电压、电流处于正常状态时,P3.3端输出高电平,继电器吸合,电路正常运行。当单片机采集的电流信号大于预设值时,P3.3 端输出低电平,继电器释放,电路开路。检测的电流低于预设值时,P3.3 端输出高电平,继电器吸合,电路通路。
图6 过流、过压保护电路
2.7 报警接口电路
蜂鸣器的工作机理是,当电磁线圈内有电流通过时蜂鸣器发出报警声。由于电磁线圈在线圈通过电流时内部磁场发生变化,可以以此驱动振动膜。由于单片机自身的带负载能力相当小,仅以单片机的输出电流无法驱动蜂鸣器,因此需要设计电流放大电路,通过单片机输出电平控制三极管8050 的关断和导通,进而控制蜂鸣器鸣响。
2.8 功率器件的散热设计
由于电源电路中电流较大,产生的热量也比较多,如果不能及时散热,会使芯片过热,导致其稳定性下降,甚至会烧坏芯片。为了将产生的热量及时散热处理,在芯片上添加散热片,使其处于正常的工作温度。由于芯片和散热片之间存在间隙,导致散热性能不佳,需要在导热接触面涂抹导热硅脂,提高导热性能。
3 软件设计
系统的软件组成部分主要包括主程序、读取设定值子程序、调节输出子程序等,数据收集任务由中断子程序执行。
(1)主程序。主程序主要实现实时检测电流、电压数据,并把采集的数据与设定值进行比较,通过PID 运算得到PWM 波形占空比所对应的定时器计数值,从而完成定时器的设定,达到调节PWM 占空比的目的(图7)。
图7 主程序流程
(2)调节输出子程序。调节输出子程序如图8 所示,该子程序主要判断是否存在过压、过流的情况,若超过限定值则进行报警。在正常工作情况下,调节输出子程序用于判断电源的工作状态是在恒压模式,还是恒流模式,进而调用对应的电压、电流调节子程序,实现恒压或恒流控制。
图8 调节输出子程序
4 结束语
实验表明,基于C8051F020 单片机的数控直流稳压电源实现了设计要求的目标,纹波小、抗干扰能力强、调整率好。但也存在缺点,主要有:体积大、损耗大、效率低,且过载能力较差。