直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與Proteus仿真應(yīng)用

0 引言

直流穩(wěn)壓電源的作用是通過(guò)把50Hz 的交流電變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓從而使電路變成恒定的直流電壓，供給負(fù)載。設(shè)計(jì)出的直流穩(wěn)壓電源應(yīng)不以電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變換而改變。

直流穩(wěn)壓電源的種類有很多，常用的是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，而由于集成技術(shù)的發(fā)展，集成穩(wěn)壓器件方便而可靠，逐漸代替了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源中的調(diào)整管及相關(guān)電路。

主要的集成穩(wěn)壓器件有： 固定式穩(wěn)壓器件W78XX 和W79XX; 可調(diào)式穩(wěn)壓器件W117、W217和W317。

W78XX 穩(wěn)壓器件用來(lái)穩(wěn)定正電壓，而W79XX穩(wěn)壓器件用來(lái)穩(wěn)定負(fù)電壓。它們的輸出電壓各有7個(gè)等級(jí)，W78XX 輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V 和24V.如W7805 輸出+ 5V 直流電壓，W7809輸出+ 9V 直流電壓。輸出電流有三個(gè)等級(jí)，分別為1. 5A、0. 5A( M) 和0. 1A( L) .如W7805 最大輸出電流為1. 5A,W78M05 最大輸出電流為0. 5A,W78L05最大輸出電流為0. 1A。

可調(diào)式穩(wěn)壓器件LM117 /LM317 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。LM117 /LM317 的輸出電壓范圍是1. 25 - 37V,負(fù)載電流最大為1. 5A.它的使用非常簡(jiǎn)單，僅需兩個(gè)外接電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓。此外，它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM117 /LM317 內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高得多的紋波抑制比。

1 Proteus 軟件。

Proteus 軟件是由英國(guó)Labcenter Electronics 公司開發(fā)的EDA 工具軟件，已有近20 年的歷史，在全球得到了廣泛應(yīng)用。Proteus 軟件的功能強(qiáng)大，它集電路設(shè)計(jì)、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，它的強(qiáng)大的元件庫(kù)可以和任何電路設(shè)計(jì)軟件相媲美。它的電路仿真功能可以和Multisim 相媲美，且獨(dú)特的單片機(jī)仿真功能是Multisim 及其他任何仿真軟件都不具備的; 它的PCB 電路制版功能可以和Protel 相媲美。

Proteus 是一個(gè)基于ProSPICE 混合模型仿真器的、完整的嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)。它包含ISIS 和ARES 應(yīng)用軟件。

Proteus ISIS 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和SPICE 電路仿真的結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)仿真、RS232 動(dòng)態(tài)仿真、I2C 調(diào)試器、SPI 調(diào)試器、鍵盤和LCD 系統(tǒng)仿真等功能; 有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有68000 系列、8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、PIC18 系列、Z80 系列、HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能; 同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。

ARES ---高級(jí)PCB 布線編輯軟件。

ARES PCB 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要特性表現(xiàn)在：

有16 個(gè)銅箔層，2 個(gè)絲印層和4 個(gè)機(jī)械層; 能夠?qū)⒃M(jìn)行任意角的布置; 在放置元件時(shí)能夠自動(dòng)生成飛線( Ratsnest) 和力向量; 具有理想的基于網(wǎng)表的手工布線系統(tǒng); 物理設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)功能可以保證設(shè)計(jì)的完整性; 具有超過(guò)1000 種標(biāo)準(zhǔn)封裝的元件庫(kù); 具有完整的CADCAM 輸出以及嵌板工具; 當(dāng)用戶修改了原理圖并重新加載網(wǎng)表，ARES 將更新相關(guān)聯(lián)的元件和連線。同理，ARES 中的變化也將自動(dòng)地反饋到原理圖中。

在Proteus 中，從原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)編程、系統(tǒng)仿真到PCB 設(shè)計(jì)一氣呵成，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。Proteus 從原理圖設(shè)計(jì)到PCB 設(shè)計(jì)，再到電路板完成的流程。

基于單片機(jī)的應(yīng)用電路原理圖，顯示的畫面處于仿真運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)者可以從Proteus 原理圖庫(kù)中調(diào)用所需庫(kù)元件，然后通過(guò)合適連線即可。單片機(jī)內(nèi)可通過(guò)單擊單片機(jī)芯片加入已編譯好的十六進(jìn)制程序文件，然后運(yùn)行仿真即可。運(yùn)用Proteus 的PCB 制版功能設(shè)計(jì)出的電路板，可通過(guò)原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表后設(shè)計(jì)布局而成。根據(jù)設(shè)計(jì)的PCB 加工而成的電路板和安裝焊接完成后的實(shí)際電路。可見(jiàn)，整個(gè)電路從設(shè)計(jì)到實(shí)際電路制作完成，通過(guò)Proteus 一個(gè)軟件即可完美實(shí)現(xiàn)。并且，它的仿真結(jié)果與實(shí)際誤差很小，非常適合電子設(shè)計(jì)愛(ài)好者和高校學(xué)生自學(xué)使用，縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)成本，提高了設(shè)計(jì)成功率。

2 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的硬件電路設(shè)計(jì)與仿真

設(shè)計(jì)一個(gè)由集成穩(wěn)壓器件構(gòu)成的直流可調(diào)穩(wěn)壓電源。按照直流穩(wěn)壓電源的組成，可分為變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓幾部分電路。

2. 1 變壓電路

直流電源通常從市電取電，把220V、50Hz 的單相交流電先降壓，變成所需的交流電，然后再整流。

根據(jù)橋式整流電路和電容濾波電路的輸出與輸入電壓的比例關(guān)系，從輸出電壓的最大值37V 倒推，可以算出所使用的降壓變壓器的副邊電壓有效值應(yīng)為29V 左右。

變壓電路的仿真圖如圖1 所示。

圖1 變壓電路仿真圖

2. 2 整流及濾波電路

整流采用常用的二極管橋式整流電路。整流采用常用的二極管橋式整流電路。在Proteus 的元件庫(kù)中尋找"BRIDGE",取出此通用二極管整流橋，放置在電路中，注意接法。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般濾波電路常用的濾波電容有2200μF 和1100μF 兩種，但要注意它的耐壓值要大于電路中所承受的電壓，并注意電壓的極性的接法是上正下負(fù)，仿真圖如圖2 所示。

圖2 仿真圖[!--empirenews.page--]

計(jì)算濾波所需的電容值，可采用以下公式：

式中，VM 為濾波之后的最大電壓，Vγ 為濾波之后的波紋電壓，即最大電壓與最小電壓的差值，R 為負(fù)載電阻，f 為工頻50Hz.全波整流之后的電壓平均值為前面變壓器副邊電壓有效值的1. 35 倍; 濾波之后的電壓平均值為全波整流電壓平均值的1. 2 倍。還要在濾波電容兩端并聯(lián)一電源指示電路，即一個(gè)電阻串聯(lián)一個(gè)發(fā)光二極管。電路調(diào)試時(shí)，如果發(fā)光二極管亮，則說(shuō)明濾波之前的電路無(wú)故障; 否則可判斷出前面電路有問(wèn)題。

計(jì)算與發(fā)光二極管串聯(lián)的電阻值。發(fā)光二極管要想點(diǎn)亮都有一個(gè)最小電流，一般為幾mA,這里取6mA.發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)兩端的管壓降在2V 左右。而濾波之后的電壓為：

電阻就等于其兩端的電壓除以流過(guò)它的電流，即：

2. 3 集成穩(wěn)壓電路

集成穩(wěn)壓電路的核心器件是LM317,在實(shí)際應(yīng)用中要注意加裝散熱片。為了保護(hù)集成器件在接反的狀態(tài)下不被燒毀，在輸入、輸出端之間以及輸出與調(diào)節(jié)端之間分別接反向保護(hù)二極管1N4003,仿真圖如圖3 所示。

圖3 仿真圖

關(guān)鍵是對(duì)輸出端和調(diào)節(jié)端和地之間的兩個(gè)外接電阻的計(jì)算，由于調(diào)節(jié)端的輸出電流僅為100mA,可以忽略不計(jì)。即認(rèn)為圖3 中的電阻R2 和RV4 是串聯(lián)關(guān)系。而LM317 的輸出端2 和調(diào)節(jié)端1 之間的輸出電壓已知為1. 25V,電路的最大輸出電壓為37V,所以滑動(dòng)變阻器的最大值可以算出。

一般設(shè)R2 為100 ~ 200Ω，典型值為120Ω，這里我們?cè)O(shè)為200Ω。在實(shí)際接線時(shí)，這個(gè)電阻應(yīng)盡可能地靠近LM317 元件來(lái)接，因?yàn)樗緫?yīng)是LM317 內(nèi)部電阻。

由上面的公式算出滑動(dòng)變阻器的最大值為4. 92kΩ，取典型值4. 1kΩ，這樣最大值達(dá)不到37V,理論上只有32V 左右，仿真時(shí)顯示為33. 5V,有些誤差，并且最小值也比1. 25V 小。

另外，在圖3 中，電容C2 和C3 分別為去抖和濾波作用。C2 并聯(lián)在滑動(dòng)變阻器兩端，可防止滑動(dòng)變阻器在調(diào)節(jié)過(guò)程中由于抖動(dòng)而產(chǎn)生的諧波，一般經(jīng)驗(yàn)值為10μF.C3 為輸出側(cè)二次濾波，其目的是去掉輸出電壓波形中細(xì)小的波紋。C1 與C3 的關(guān)系一般為22 倍。

可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的完整電路仿真圖如圖4所示。

圖4 完整電路

3 結(jié)論

本文的直流穩(wěn)壓電源輸出電壓在1. 25V ~ 37V可調(diào); 最大輸出電流為1. 5A; 電壓調(diào)整精度達(dá)0. 1%.通過(guò)Proteus 軟件的仿真完全達(dá)到預(yù)期效果，不僅提高了運(yùn)用軟件的能力還為后續(xù)PCB 的設(shè)計(jì)奠定了良好基礎(chǔ)。