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直流可调稳压电源的设计与Proteus仿真应用

时间:2012-05-08 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:
本文研究了直流可调稳压电源的设计及基于Protues 的仿真。主要介绍了稳压电源的硬件电路、参数设定、Proteus软件仿真等方面内容。

  直流稳压电源的作用是通过把50Hz 的交流电变压、整流、滤波和稳压从而使电路变成恒定的直流电压,供给负载。设计出的直流稳压电源应不以电网电压的波动和负载的变换而改变。

  直流稳压电源的种类有很多,常用的是串联型直流稳压电源,而由于集成技术的发展,集成稳压器件方便而可靠,逐渐代替了串联型直流稳压电源中的调整管及相关电路。

  主要的集成稳压器件有: 固定式稳压器件W78XX 和W79XX; 可调式稳压器件W117、W217和W317。

  W78XX 稳压器件用来稳定正电压,而W79XX稳压器件用来稳定负电压。它们的输出电压各有7个等级,W78XX 输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V 和24V.如W7805 输出+ 5V 直流电压,W7809输出+ 9V 直流电压。输出电流有三个等级,分别为1. 5A、0. 5A( M) 和0. 1A( L) .如W7805 最大输出电流为1. 5A,W78M05 最大输出电流为0. 5A,W78L05最大输出电流为0. 1A。

  可调式稳压器件LM117 /LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM117 /LM317 的输出电压范围是1. 25 - 37V,负载电流最大为1. 5A.它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外,它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM117 /LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高得多的纹波抑制比。

  1 Proteus 软件。

  Proteus 软件是由英国Labcenter Electronics 公司开发的EDA 工具软件,已有近20 年的历史,在全球得到了广泛应用。Proteus 软件的功能强大,它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身,不仅能够对电工电子技术学科涉及的电路进行设计与分析,还能够对微处理器进行设计和仿真,它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美。它的电路仿真功能可以和Multisim 相媲美,且独特的单片机仿真功能是Multisim 及其他任何仿真软件都不具备的; 它的PCB 电路制版功能可以和Protel 相媲美。

  Proteus 是一个基于ProSPICE 混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台。它包含ISIS 和ARES 应用软件。

  Proteus ISIS 实现了单片机仿真和SPICE 电路仿真的结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统仿真、RS232 动态仿真、I2C 调试器、SPI 调试器、键盘和LCD 系统仿真等功能; 有各种虚拟仪器,如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能,同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态,因此在该软件仿真系统中,也必须具有这些功能; 同时支持第三方的软件编译和调试环境,如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。

  ARES ---高级PCB 布线编辑软件。

  ARES PCB 设计系统的主要特性表现在:

  有16 个铜箔层,2 个丝印层和4 个机械层; 能够将元件进行任意角的布置; 在放置元件时能够自动生成飞线( Ratsnest) 和力向量; 具有理想的基于网表的手工布线系统; 物理设计规则检测功能可以保证设计的完整性; 具有超过1000 种标准封装的元件库; 具有完整的CADCAM 输出以及嵌板工具; 当用户修改了原理图并重新加载网表,ARES 将更新相关联的元件和连线。同理,ARES 中的变化也将自动地反馈到原理图中。

  在Proteus 中,从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB 设计一气呵成,真正实现了从概念到产品的完整设计。Proteus 从原理图设计到PCB 设计,再到电路板完成的流程。

  基于单片机的应用电路原理图,显示的画面处于仿真运行状态。设计者可以从Proteus 原理图库中调用所需库元件,然后通过合适连线即可。单片机内可通过单击单片机芯片加入已编译好的十六进制程序文件,然后运行仿真即可。运用Proteus 的PCB 制版功能设计出的电路板,可通过原理图生成网络表后设计布局而成。根据设计的PCB 加工而成的电路板和安装焊接完成后的实际电路。可见,整个电路从设计到实际电路制作完成,通过Proteus 一个软件即可完美实现。并且,它的仿真结果与实际误差很小,非常适合电子设计爱好者和高校学生自学使用,缩短了设计周期,降低了生产成本,提高了设计成功率。

  2 直流可调稳压电源的硬件电路设计与仿真

  设计一个由集成稳压器件构成的直流可调稳压电源。按照直流稳压电源的组成,可分为变压、整流、滤波和稳压几部分电路。

  2. 1 变压电路

  直流电源通常从市电取电,把220V、50Hz 的单相交流电先降压,变成所需的交流电,然后再整流。

  根据桥式整流电路和电容滤波电路的输出与输入电压的比例关系,从输出电压的最大值37V 倒推,可以算出所使用的降压变压器的副边电压有效值应为29V 左右。

  变压电路的仿真图如图1 所示。

变压电路仿真图

图1 变压电路仿真图

  2. 2 整流及滤波电路

  整流采用常用的二极管桥式整流电路。整流采用常用的二极管桥式整流电路。在Proteus 的元件库中寻找"BRIDGE",取出此通用二极管整流桥,放置在电路中,注意接法。根据经验,一般滤波电路常用的滤波电容有2200μF 和1100μF 两种,但要注意它的耐压值要大于电路中所承受的电压,并注意电压的极性的接法是上正下负,仿真图如图2 所示。

仿真图

图2 仿真图

  计算滤波所需的电容值,可采用以下公式:

  式中,VM 为滤波之后的最大电压,Vγ 为滤波之后的波纹电压,即最大电压与最小电压的差值,R 为负载电阻,f 为工频50Hz.全波整流之后的电压平均值为前面变压器副边电压有效值的1. 35 倍; 滤波之后的电压平均值为全波整流电压平均值的1. 2 倍。还要在滤波电容两端并联一电源指示电路,即一个电阻串联一个发光二极管。电路调试时,如果发光二极管亮,则说明滤波之前的电路无故障; 否则可判断出前面电路有问题。

  计算与发光二极管串联的电阻值。发光二极管要想点亮都有一个最小电流,一般为几mA,这里取6mA.发光二极管导通时两端的管压降在2V 左右。而滤波之后的电压为:

  电阻就等于其两端的电压除以流过它的电流,即:

  2. 3 集成稳压电路

  集成稳压电路的核心器件是LM317,在实际应用中要注意加装散热片。为了保护集成器件在接反的状态下不被烧毁,在输入、输出端之间以及输出与调节端之间分别接反向保护二极管1N4003,仿真图如图3 所示。

仿真图

图3 仿真图

  关键是对输出端和调节端和地之间的两个外接电阻的计算,由于调节端的输出电流仅为100mA,可以忽略不计。即认为图3 中的电阻R2 和RV4 是串联关系。而LM317 的输出端2 和调节端1 之间的输出电压已知为1. 25V,电路的最大输出电压为37V,所以滑动变阻器的最大值可以算出。

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