一款新型数控可调直流稳压电源的研究
2015年1月09日 14:25 作者:张昌玉 白亚梅 苑鹏涛张昌玉 白亚梅 苑鹏涛
哈尔滨华德学院 黑龙江科技大学 黑龙江哈尔滨 150025
【文章摘要】
本文针对数控直流稳压电源系统进行研究，主要通过硬件电路的设计和分析，在传统电源的基础上增加了数字控制部分和步进控制。从而实现可以步进控制输出的电压值，且体积小，精度高，功耗小、成本低等优点。在直流稳压电源轻型化、小型化、高效化的发展历程中，数控可调直流稳压电源技术起了重要作用。
【关键词】
直流稳压电源；步进控制；精度
0 引言
由于数控可调直流稳压电源在电子信息系统、电力设备、教学、科研中广泛应用。随着电子技术的发展，电子设备在人们的生活和生产中的地位也越来越重要， 许多的电子设备对所需的电源也提出了更高的要求。
针对许多电子设备不能直接运用市电直接提供的交流电源(AC)，有的要求输出电源稳定且要求有不同档位的电源为其供电等问题，因此数控可调直流稳压电源则成为近年来不断研究和发展的新方向。它在传统电源的基础上增加了数字控制部分本文主要对硬件电路进行设计，可以改变电压的输出范围和步进系数。使得新型的数控直流稳压电源具有性能高、尺寸小、质量轻，低功耗，稳定度高、可靠性好、成本低、输出电压可以步进控制。从而克服了普通电源只能输出恒定电压值的缺点，提高电源的通用性。
1 硬件总体方案设计
本设计采用中、小规模的集成电路来构成的数控可调直流稳压电源。
变压、整流、滤波电路：将电网中的交流电降压为所需要的电压范围内，在经过整流电路将交流电变换为脉动的直流；滤波电路是将脉动的直流滤除杂波变为比较光滑的直流。
时钟脉冲控制电路：时钟脉冲控制电路的作用就是为数字控制部分提供一个时基信号，它的核心芯片可以由4017 构成。
高低电压档转换控制开关：内部由电阻，选择开关及发光二极管组成，用于控制高低电压档的转换。
步进电压控制电路：由电阻、发光二极管、三极管、拨动开关组成。
可调三端稳压器：可调式三端稳压器LM317 是本电源的核心，其输出电压在1.25V ～ 37V 之间连续可调。稳压器把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出，并按技术指标实现输出电压可在3V ～ 30V 之间可调。
稳压输出及显示电路：当步进电压控制电路中的拨动开关拨动时，可调式三端稳压器LM317 通过稳压输出及显示电路稳压输出对应的电压，同时拨动开关对应的发光二极管点亮。
2 单元电路设计
2.1 变压整流滤波电路的设计
变压整流滤波电路由电源变压器、桥式整流电路、滤波电路组成。
220V 交流电压经过变压器分别降压至交流20V、12V，20V 交流电压经整流滤波后供给稳压电路核心芯片LM317 工作。12V 交流电压经整流滤波后经过一个由LM7805 稳压集成电路后变成的+5V 的直流电压供给电路中的芯片和时钟发生器等工作。
2.2 时钟脉冲控制电路和步进电压控制电路
时钟脉冲控制电路和步进电压控制电路由计数/ 分配器集成电路（CD4017）、CD4011、电阻器、电容器、晶体管和发光二极管等组成。其电路原理图如图1 所示。
图1 中，时钟发生器提供的计数脉冲， 经CLK 脚（14 脚）输入到4017 芯片。每计数一次Q0 ～ Q9 依次输出高电平，每次只有一个Q 端保持高电平，再经过步进电压控制电路中对应的发光二极管，使发光二极管像跑马灯一样轮流点亮，处于扫描状态（此时步进电压控制电路中的所有开关处于断开状态）。当闭合任意一个步进电压控制电路中的开关Sn 时，Qn 高电平经由开关加至（13 脚），端得到高电平后保持原状态，停止计数，其对应的Qn
图5 最短路径返回控制流程图
实验研究
Experimental Research
017
电子制作
端维持输出高电平，因此只有Sn 对应的发光二极管点亮，同时其对应的晶体管Qn 导通，通过步进电压控制电路中的R9 电阻接至LM317 的调整端输出相应电压。由此可见，随着不同开关Sn 闭合，步进电压控制电路接到LM317 调整端的电阻值依次变化，实现步进输出电压的目的。
2.3 输出电路
输出电路如图2 所示。主要由多谐振荡器、晶体管、12V 直流继电器、稳压二极管等元器件组成。当多谐振荡器发出时钟脉冲后，晶体管T1、T2 导通使继电器线圈的一端得电。电阻器R1 接滤波电路的输出端，得电后使继电器线圈的另一端得电。
2.4 高低电压档转换电路
高低电压档转换电路由两部分组成， 如图3 所示。一部分是高低电压档显示部分，由2 个电阻器(R39、R40)、微型动合开关及2 个发光二极管组成，当微型动合开关置于低电压档位时，发光二极管L11 点亮；当置于高电压档位时，发光二极管L12 点亮。
若取发光二极管的导通电流为5mA， 则有
（VCC － VDD）/R39=5mA
式中VDD 为R39 上的压降，在这里取Vdd=1V，所以有（5 － 1）/R39=5 mA，计算得R39 ≈ 1K。
图3 高低电压档转换电路原理图
另一部分是高低电压档控制部分， 当微型动合开关置于低电压档位时， R32 与LM317 的调整端ADJ 连接，此时Uout1=1.25（1+RP2/R32），电路输出电压范围为3V ～ 16.5V ；当置于高电压档位时， R31 与LM317 的调整端ADJ 连接，此时Uout2=1.25（1+RP2/R31），电路输出电压范围为16.5V ～ 30V。其中R31 阻值为100 ， R32 的阻值为1.2K，由于R31 的阻值小于R32，所以Uout2 ≥ Uout1，因此实现高低电压转换的功能。
3 结语
在数控可调直流稳压电源系统中，采用了数字控制的方法，在输出电压量值实现多档位输出，克服传统电源只能固定输出的不足，使得通用性得到提高。但在精度和稳定度方面需要进一步研究，使数控可调直流稳压电源性能更加完善。
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【作者简介】
张昌玉，出生于1982 年10 月, 硕士学位、讲师、主要研究方向电力电子与电力传动.
图1 步进电压控制电路原理图
图2 输出电路原理图
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