直流穩(wěn)壓電源設計(2).doc

1、寸光陰不可輕指導教師評定成績：審定成績：重慶郵電大學自動化學院電力電子課程設計報告學院：自動化學生姓名： 魏波專業(yè)：電氣工程與自動化班級：0830903學號：XXXX212715指導教師：程安宇設計時間：XXXX年5月重慶郵電大學自動化學院制-5 -目錄第一章：引言3第二章：設計指標、內(nèi)容及要求 3第三章：電路設計及原理 3第四章：電路主要參數(shù)測試 11總結： 15參考文獻： 15附錄： 16第一章引言一、簡述電力電子技術是研究采用電力電子器件實現(xiàn)對電能的換和控制的科學，是20世紀50年代誕生，70年代迅速發(fā)展起來的一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。這些技術包括 以節(jié)約能源、提高照明質(zhì)量為目

2、的的綠色照明技術；以節(jié)約能源、提高運行可靠性并更好地滿足產(chǎn)要求為目的的交流變頻調(diào)速技術，以提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可控制性為目的， 并可有效節(jié)能的靈括(柔性)交流輸電技術等等。隨著電力半導體制造技求、徽電子技術、 汁算機技術，以及控制理論的不斷進步.電力電子技求向著大功率、高頻化及智能化方向發(fā) 展，應用的領域?qū)⒏訌V闊。電子電路要正常工作，電源必不可少，并且電源性能對電路、電子儀器和 電子設備的使用壽命、使用性能等影響很大，尤其在帶有感性負載的電路和設備 (如電機)中，對電源的性能要求更高。在很多應用直流電機的場合中，要求為電 機驅(qū)動電路提供1個其輸出能連續(xù)可調(diào)的直流電源，并且要求電源有保護

3、功能。 實際上就是要求設計一個具有足夠調(diào)壓范圍和帶負載能力的直流穩(wěn)壓電源電路。 該電路的設計關鍵在于穩(wěn)壓電路的設計， 其要求是輸出電壓連續(xù)可調(diào)；所選器件 和電路必須達到在較寬范圍內(nèi)輸出電壓可調(diào)； 輸出電壓應能夠適應所帶負載的啟 動性能。此外，電路還必須簡單可靠，能夠輸出足夠大的電流。第二章二、指標、內(nèi)容及要求(1) 輸出電壓0-25V連續(xù)可調(diào)；(2) 最大電流2A;(3) 所選器件和電路必須達到在較寬范圍內(nèi)輸出電壓可調(diào)；(4) 輸出電壓應能夠適應所帶負載的啟動性能；(5) 電路還必須簡單可靠，有過流保護電路，能夠輸出足夠大的電流。第三章三、主電路設計及原理3.1符合上述要求的電源電路的設計方法

4、有很多種，比較簡單的有3種：(1) 晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路電路框圖如圖1所示，該電路中輸出電壓Uo經(jīng)取樣電路取樣后得到取樣電壓， 取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓， 該誤差電壓對調(diào)整管的工作狀態(tài)進 行調(diào)整，從而使輸出電壓發(fā)生變化，該變化與由于供電電壓Ui發(fā)生變化引起的輸圖1串聯(lián)式穩(wěn)壓電源電路(2) 采用三端集成穩(wěn)壓器電路電路框圖如圖2所示，采用輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護的三端集成穩(wěn)壓 器，輸出電壓調(diào)整范圍較寬，可實現(xiàn)輸出電壓從0V起連續(xù)可調(diào)，因要求電路具有 很強的帶負載能力，需設計一軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。 該電路所 用器件較少，成本低且組裝方便、可靠性高。圖2電路結構圖

5、(3) 用單片機制作的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源該電路采用可控硅作為第一級調(diào)壓元件， 用穩(wěn)壓電源芯片LM317 LM337乍為 第二級調(diào)壓元件，通過AT89CS5單片機控制繼電器改變電阻網(wǎng)絡的阻值， 從而改 變調(diào)壓元件的外圍參數(shù)，并加上軟啟動電路，獲得 1.2524V, 0.1 V步長，驅(qū)動 能力可達1A，同時可以顯示電源電壓值和輸出電流值的大小。其硬件電路主要包括變壓器、 整流濾波電路、壓差控制電路、穩(wěn)壓及輸出電 壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數(shù)據(jù)存儲電路、單片機、鍵盤顯示 等幾部分，硬件部分原理圖如圖3所示。-6 -寸光陰不可輕圖3用單片機制作的直流穩(wěn)壓可調(diào)電源方案一結構簡單，成本低，可用

6、常用分離元器件，制作工序也較為簡便，而 且能夠完全實現(xiàn)參數(shù)要求，綜合各方面因素我們決定采用方案一。3.2電路的設計與分析3.2.1 降壓電路本電路使用的降壓電路是單相交流變壓器， 選用電壓和功率依照后級電路的 設計需求而定。變壓器的功能是交流電壓變換部分， 作用將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗璧?交流電壓，即將直流電源和交流電網(wǎng)隔離。變壓器工作原理電路示意框圖如圖4所示。圖4變壓器工作原理電路示意框圖土 Nz 丄U1 N1 n322整流電路整流電路的主要作用是把經(jīng)過變壓器降壓后的交流電通過整流變成單個方向的直流電，但是這種直流電的幅值變化很大。它主要是通過二極管的截止和導通來實現(xiàn)的，其電路原理圖及其波形變換

7、如圖 8所示。常見的整流電路主要有全波整流電路、橋式整流電路、倍壓整流電路，而本設計選取單相橋式整流電路實-12 -現(xiàn)設計中的整流功能(1) 橋的形式,(2) 提供電流,整流橋電路圖：如圖6所示，二極管D1、 名稱由此而來。工作原理：在V2的正半周，D1、D3導通， 方向由上向下(圖中虛線)；D2D2、D3 D4四只二極管接成電D4截止，通過D1、D3合Rl圖6橋式整流電路電路圖在V2的負半周，D2 D4導通，D1、D3截止，通過D2、D4合Rl提供電流, 方向仍然是由上向下(圖中虛線)由此得到圖示的整流波形。圖7橋式整流電路波形圖本例中的整流電路如下圖18所示:圖8本例中的整流電路(4) 參

8、數(shù)計算:輸出的直流電壓值為:Vo1 2 2 V2v2 sin( t)d( t) V20.9V2 ； 流過負載平均電流：Ido Vo/Rl OWq/Rl； 流過整流二極管的平均電流：If Ido 0.45V2 / Rl ；整流二極管的最大反向電壓：Vdr SQR(2)V2 .3.2.3整流電路盡管整流后的電壓為直流電壓，但波動較大，仍然不能直接作為電源使用， 還需進一步濾波，將其中的交流成份濾掉。在小功率整流濾波電路中，電容濾波 是最常用的一種。電容在電路中有儲能的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓 升高時，能把部分能量存儲起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，效果較好

9、。而且本電路后級是穩(wěn)壓電路，因此可以使用電容 濾波電路進行簡單濾波。(1)電路組成：電容濾波原理圖如圖9所示圖9電容濾波原理圖(2)工作原理：負載未接入(開關S斷開)時：設電容兩端初始電壓為零，接入交流電源 后，當V2為正半周時，V2通過D1、D3向電容C充電；V2為負半周時，經(jīng)D2 D4 向電容C充電。充電時間常數(shù)為：t c=RintC。其中Rint包括變壓器副繞組的直流 電阻和二極管的正向電阻。由于Rint 般很小，電容器很快就充電到交流電壓 V2 的最大值V2m，由于電容無放電回路，故輸出電壓（電容C兩端的電壓）保持在V2m 不變。I、接入負載Rl （開關S合上）時：設變壓器副邊電壓 V

10、從0開始上升時 接入Rl，由于電容已到V2，故剛接入負載時，V2 v V，二極管在反向電壓作用 下而截止，電容C經(jīng)Rl放電，放電時間常數(shù)為：t d =RLC因t d 一般較大，故電 容兩端電壓Vc（即V。）按指數(shù)規(guī)律慢下降（圖中a,b段）。U、當V2升至V2Vc時，二極管D1、D3在正向電壓作用下而導通，此時V2經(jīng) D1、D3 一方面向Rl提供電流，一方面向C充電（接入Rl后充電時間常數(shù)變?yōu)?t c=RL/RintCRintC ）。Vc將如圖中b、c段所示。川、當V2又降至V2 vVc時，二極管又截止，電容C又向Rl放電，如圖中c、d 段所示。電容如此周而復始充放電，就得到了一個如圖所示的鋸齒

11、波電壓 Vo= Vc， 由此可見輸出電壓的波動大大減小。W、為了得到平滑的負載電壓，一般取t d =RLO （3 5）T/2 （T為交流電周期 20ms）此時：Vo = （1.1 1.2）V2.圖10電容濾波電路波形圖二X b在本例電路中濾波電路有濾波電容 C1和 C2組成，如下圖11示圖11本例中濾波電路3.2.4穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓輸出電路由晶體管VI-V3、精密可調(diào)穩(wěn)壓集成電路IC、電阻器R2-R8電TT777位器RP電容器C3 C4電壓表PV電流表PA組成，如下圖12示:圖12本例中穩(wěn)壓電路3.2.5超載/輸出短路保護電路超載/輸出短路保護電路由電阻器 R8-R1O晶閘管VT電容器C5復位按鈕

12、S2組成。如下圖13示： 圖13本例中輸出短路保護電路3.2.6報警電路閃光報警電路由電子開關電路和多諧振蕩器兩部分組成。其中，電子開關電路由晶體管V4 V5和電阻器RII-R13組成；多諧振蕩器由V6 V7電阻器R14-R17電容器C6 C7和發(fā)光二極管VL2組成。如下圖14示：寸光陰不可輕CNE圖14本例中閃光報警電路3.3.1完整電路原理圖將上述各版塊電路圖整合到一起過后得到完整的電路原理圖。如圖15所示圖15輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源電路原理圖332電路整天工作原理接通電源開關SI，交流220V電壓經(jīng)T降壓為交流24V后分為3路:一路經(jīng)RI加至VLI上，將VLI點亮；一路經(jīng)VDI-VD

13、4整流、CI和C2濾波后，為閃光報警電路提供工作電源；另一路經(jīng)VI-V3、RP和IC等穩(wěn)壓調(diào)整后輸出。調(diào)節(jié) RP的 阻值，可改變IC控制端電壓，從而改變輸出電壓的高低；在負載電路工作正常 時，R8兩端的電壓降低于0.6V，VT處于截止狀態(tài)，V4導通、V5截止，多諧振 蕩器不工作，VL2不發(fā)光；當電源負載過重、引起工作電流增大時，R8上的電壓降也會隨之增大，當該電壓降達到 0.6V時，VT受觸發(fā)而導通，使VI-V3截止， 輸出電壓消失；同時V4截止，V5導通，多諧振蕩器振蕩工作，VL2閃爍發(fā)光，發(fā) 出超載保護報警信號；當負載短路時，R8上的電壓降遠大于0.6V，VT將迅速導 通，使輸出電壓為零；

14、當短路故障排除后，只要按一下復位按鈕S2,使VT截止, 穩(wěn)壓輸出電路即可恢復工作，同時 V4導通、V5截止，多諧振蕩器停振，VL2熄 滅。第四章4.1電路主要參數(shù)測試4.1.1輸出電壓調(diào)整率Su輸出電壓調(diào)整率Su是指被測電源負載不變（及負載電流Io不變）的條件下，交流電源電壓Us變化10%，其輸出直流電壓變化的相對值，即SuUoUo(1)18其中U Uo U1，Uo為Us 220V時的輸出直流電壓值,Uo1指Us變化10%時的輸出電壓值（Io為額定值和零值兩點必測），調(diào)節(jié)Us分別測出Uo,Uo1算出Uo取其最大值，由式（1）得出。Su的大小反映了待測電源輸入電壓發(fā)生變化時，輸出電壓維持穩(wěn)定的能

15、力，Su越小電源的穩(wěn)定性越好。常用的測試方法采用電壓表、電流表、滑線變阻器等儀 器設備來進行，測試圖如圖（16）所示。調(diào)壓器交流電壓表圖（16）該測試項目由于實驗條件有限考慮到安全問題且無法得到調(diào)壓器所以我們 在課程設計的過程中沒有進行該項測試。4.1.2輸出電阻&輸出電阻Ro是指輸入電壓Us不變時，由負載電流I。變化而引起U。的變化，它等于輸出電壓變化量和對應的輸出電流變化量之比。即UoUo1Uo2Io1 o1 1 o2(2)測試時通過調(diào)節(jié)負載電阻Rl ,使負載電流在額定值和零值之間變化，分別測出1。1、1。2、U1、U 02由式（2）計算得R,，通常取I 01等于額定電流值，1。2為零即空

16、載，然后分別讀出Uo1、Uo2再由式（2）計算得R。Uo1Io1Uo2I o215.92.016.10輸出電阻Ro為15.9 16.12.0 0=0.14.2.3負載調(diào)整率負載調(diào)整率（Si）是指輸出電壓Us （常為220V）不變時，負載電流Io變化引起的Uo變化。計算公式為SiUo(3)其中U Uo Uo1 , Uo為Io等于額定值時的輸出直流電壓值，Uo1為空載時的輸出電流電壓值。輸出電阻Ro、負載調(diào)整率Si都反映了電源電路在負載變動時, 輸出電壓維持穩(wěn)定的能力，他們的值越小電源穩(wěn)定性越好。UoUo1Si （負載調(diào)整率）15.916.10.01269.39.380.00607.017.050

17、.00574.074.180.02702.642.720.0303424直流穩(wěn)壓電源在空載和帶感性負載時相關參數(shù)的測試 測試工具為示波器檔位為5.0VVmax VVmin VVavg VVpp (mV)是否帶負載壓降mV3.202.803.00400否103.202.802.99400是4.403.804.00600否604.203.803.94400是5.204.805.00400否905.204.804.91400是6.205.806.00400:否506.205.605.95600是7.206.807.00400否307.206.806.97400是8.407.808.00600否408

18、.207.807.96400是9.208.809.00400否209.208.608.88600是RP KVo VRp理論誤差3.09.752.92.8%5.014.84.950.9%7.019.756.91.3%9.024.228.72.7%4.2參數(shù)測試方法中存在的弊端（1）在測輸出電壓調(diào)整率時若負載電阻用固定值，輸出電壓變化時負載電流必 然作相應的變化，若要保持I。不變就需要不斷的調(diào)節(jié)負載電阻（即不斷調(diào)節(jié)滑線 變阻器），這樣做既增加了測量難度由難保證測量精度。（2）在測量輸出電阻Ro、負載調(diào)整率Si時，滑線變阻器溫度系數(shù)較大，隨著通電時間的增長，溫度不斷上升，其阻值也會不斷發(fā)生變化，讀出

19、的I。和U。難保證一一對應，若要按預先I o的取值要求進行測試就同樣需要不斷調(diào)節(jié)滑線變阻器，但是這樣就容易形成系統(tǒng)誤差。(3) 對于輸出端無過載保護的穩(wěn)壓電源來說，在調(diào)節(jié)滑線變阻器時可能會造成 短路，引起待測元件的損壞。(4) 針對上述問題比較好的解決辦法是將滑線變阻器換為電子負載器，但是由 于實驗條件有限，我們在測試過程中還是采用了前面的辦法， 在測試過程中盡可 能的注意以上問題，以求將測試過程中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差降到最小?？偨Y在電路設計過程中，我了解了穩(wěn)壓直流電源的組成部分和各部分的具體的作 用，并且通過專研和實際的調(diào)試、測試，掌握了各級輸出級的電壓值的具體測量 方法和誤差分析。學會了電路各部分元件參數(shù)的計算和確定，