單相ACDC變換電路電子設計競賽A題

1、2013年全國大學生電子設計競賽單相ac-dc變換電路（a題）【本科組】2013年9月7日制作人：michaelbeechan and pan and wang摘要：在電子產(chǎn)品盛行的時代，電源是很重要的一個部分，變換電路的用途越來越廣泛。單相ac-dc變換電路是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的電路，即通常所說的整流電路。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。本設計通過變壓器產(chǎn)生24v交流電，經(jīng)過整流、濾波、ac-dc變換等，最后輸出實驗所要求的電壓，由單片機控制將檢測得到的數(shù)據(jù)在液晶屏上顯示出來。在實驗過程中，還需設計功率因數(shù)測量電路，實現(xiàn)ac-dc變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測量，設計的電路還應該有過

2、流保護功能，最終實現(xiàn)實驗要求。關鍵詞： ac-dc變換電路、功率因素校正、穩(wěn)壓電路、輸出過流保護電路、lcd液晶顯示目錄1.設計任務與要求21.1 設計任務（見附錄1）21.2 設計要求（見附錄1）21.3 題目分析22.系統(tǒng)方案選擇22.1 整流濾波電路論證與比較22.2 穩(wěn)壓電路的論證與比較42.3 系統(tǒng)方案的論證53.系統(tǒng)硬件電路設計63.1單元電路設計及參數(shù)計算63.1.1 整流濾波電路63.1.2穩(wěn)壓電路73.1.3輸出過流保護電路93.1.4功率因數(shù)檢測電路103.1.5顯示電路103.2 主電路設計103.3 主電路板電路原理圖（見附錄3）114.系統(tǒng)軟件設計114.1總體的程序

3、設計流程114.2程序清單（見附錄4）125.運行調(diào)試125.1電路的測試方法125.2 測試儀器125.3 測試結(jié)果126.結(jié)論137.參考文獻13附錄1：13附錄2：元器件清單：14附錄3：完整的電路原理圖16附錄4:程序代碼：17單相ac-dc變換電路（a題）【本科組】1.設計任務與要求1.1 設計任務（見附錄1）1.2 設計要求（見附錄1）1.3 題目分析電源轉(zhuǎn)換電路被廣泛的應用在各種電子領域，單相ac-dc變換電路是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的電路，即通常所說的整流電路。整流電路通常由主電路、濾波器和變壓器組成。在這道題目中，基本要求是在輸入交流電壓、輸出直流電流條件下，輸出直流電壓；并且

4、同時完成功率因數(shù)測量電路，實現(xiàn)輸入側(cè)功率因數(shù)的測量。這類ac-dc變換器的優(yōu)點是控制簡單、效率高、功率容量大；主要問題在輸入電流中存在大量的低次諧波、功率因數(shù)也較低、影響速度也慢，為了能達到實驗要求，設計過程中同時采用了穩(wěn)壓電路、輸出電流保護電路等。2.系統(tǒng)方案選擇2.1 整流濾波電路論證與比較題目要求經(jīng)過ac-dc轉(zhuǎn)換電路，將輸入電壓24v轉(zhuǎn)變?yōu)?6v，應該考慮升壓方案。整流電路按交流輸入相數(shù)大致可分為單相和多相整流，按電路形式可分為半波、全波與橋式整流等。方案一：采用單相半波整流電路是最簡單的整流電路。整流電路如圖2-1所示。利用整流管的單向?qū)щ娞匦裕诮涣麟娫吹淖饔孟?，周期性導通和截止?/p>

5、實現(xiàn)變換，將交流轉(zhuǎn)換成脈動直流。由于半波整流引起電流的畸變，電流中包含直流成分，會引起輸入電源變壓器飽和，因此在實際中采用較少。圖2-1 單相半波不控整流電路（阻性負載）方案二：采用全波整流電路。二極管全波整流電路輸出的仍然是一個方向不變的脈動電壓，但脈動頻率是半波整流的一倍。通過與半波整流相類似的計算，可以得到全波整流輸出電壓有效值vo=0.9vi。全波整流輸出的直流脈動電壓仍然不能滿足電子電路對直流電源的要求，必須經(jīng)過平滑（濾波）處理，如圖2-2。與半波整流相同，平滑處理電路是在全波整流的輸出端接一個電容。電容在脈動電壓的兩個峰值之間向負載放電，使輸出電壓得到相應的平滑。實際電路中，全波整

6、流電路中二極管和電容的選擇必須滿足負載對電流的要求。圖2-2 單相全波不控整流電路方案三：采用單相全橋整流電路。單相全橋整流電路中，整流二極管分兩組輪流導通，對角二極管同時導通，同時截止；帶中心抽頭的全波整流電路中，兩個二極管輪流導通。 如圖2-3所示。圖2-3 單相全波橋式整流電路二極管橋式整流電路輸出的也是一個方向不變的脈動電壓，但脈動頻率是半波整流的一倍。 與半波整流輸出電壓有效值計算相類似，可以得到橋式整流輸出電壓有效值vomrs=0.9umrs。橋式整流電路的基本特點如下： （1）橋式整流輸出的是一個直流脈動電壓。 （2）橋式整流電路的交流利用率為100%。 （3）電容輸出橋式整流電

7、路，二極管承擔的最大反向電壓為2倍的交流峰值電壓（電容輸出時電壓疊加）。 （4）橋式整流電路二極管的負載電流僅為半波整流的一半。 （5）實際電路中，橋式整流電路中二極管和電容的選擇必須滿足負載對電流的要求。方案選擇：按照題目所給要求來選擇，,ac電源經(jīng)橋式整流后，再接一個電容器濾波，得到直流電壓。由上述分析可以得出，第三方案是最優(yōu)選擇。2.2 穩(wěn)壓電路的論證與比較方案一：boost升壓電路，如圖2-4。boost 型變換器也叫并聯(lián)開關變換器或者升壓式開關變換器。當要求較高輸出電壓的場合就經(jīng)常使用升壓式變換器電路。開關閉合時，能量從電源注入并存儲于電感之中。由于二極管被反偏，負載電流完全由濾波電

8、容通過釋放電荷的形式提供。當開關斷開后，由于電感中的電流不能突變，將產(chǎn)生左負右正極性的電勢，這個電勢與輸入電源疊加并迫使二極管導通將電感儲能饋送至輸出端。開關閉合的時間越長，電感中的電流也就越大，磁儲能也就越多，開關斷開期間向輸出端饋送的能量越多，因此輸出端的電壓也就越高。這樣，調(diào)節(jié)占空比d就可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓。同樣，當輸入電壓發(fā)生變化時(變高或變低)也可以通過改變占空比達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。輸入電壓vin與輸出電壓vo的關系：vo/vin=1/(1-d)。圖2-4 boost升壓電路方案二： lm2577-adj是單片開關電源控制器，用于dc轉(zhuǎn)換，輸入電壓范圍是3.5v40v，內(nèi)有52k

9、hz固定頻率的振蕩器，具有過流保護、低電壓鎖定和過濾保護功能。利用lm2577可以構成一種升壓型穩(wěn)壓電源，電路如圖2-5所示。它調(diào)整功率管工作于開關狀態(tài)，通過改變調(diào)整功率管導通和截止時間比例來穩(wěn)定輸出電壓。圖2-5 升壓型穩(wěn)壓電路方案選擇：boost升壓電路缺點:負載側(cè)電流波動大、只能升壓、不能降壓；從設計要求分析可知，需要的是高效率的穩(wěn)壓電路，lm2577模塊正好符合這一要求，所以選擇方案二。 2.3 系統(tǒng)方案的論證 由以上各模塊方案論證，得出總體框架設計如圖2-6所示。該系統(tǒng)主要由整流濾波模塊、穩(wěn)壓電路模塊、輸出電流保護電路模塊、功率因數(shù)檢測電路模塊組成，由上面各模塊的分析討論可以確定最終

10、選擇方案。由選定的變壓器將220v電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?4v交流電壓，經(jīng)過橋式整流、濾波，由穩(wěn)壓電路最終產(chǎn)生36v直流電壓，將電壓、電流通過液晶屏lcd顯示出來。在穩(wěn)壓電路的lm2577控制端外接輸出過流保護電路，ams1117穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3.3v基準電壓，在lm311p的2腳與采樣電壓進行比較，從而實現(xiàn)電路保護。圖2-6 原理框圖3.系統(tǒng)硬件電路設計3.1單元電路設計及參數(shù)計算3.1.1 整流濾波電路圖3-1整流濾波模塊原理圖1和3組成共陰極組，加觸發(fā)脈沖后，陽極電位高者導通。2和4組成共陽極組，加觸發(fā)脈沖后，陰極電位低者導通。觸發(fā)脈沖每隔180發(fā)一次，分別觸發(fā)1、4、2、3。以單相橋式整流電路為例,

11、ac電源經(jīng)全波整流后，再接一個電容器濾波，得到直流電壓。輸入電壓vi是正弦，但輸入整流脈動電壓僅在高于電容電壓的瞬間對電容充電，所以輸入交流電流i 波形嚴重畸變，呈脈沖狀（在濾波電容c=1000uf，負載電阻r=100時，脈寬為4ms）。脈沖狀的輸入電流，含有大量諧波，一方面使諧波噪聲水平提高，同時acdc整流電路輸入端必需增加濾波器，成本高，體積、重量大。如果把基波分量定為100%，則電流的三次諧波分量達77.5%,而五次諧波分量也達到50.3%，；總的諧波電流分量有效值（或稱總諧波畸變total harmonic distortion，用thd表示，其表達式為 ）為95.6%，輸入端功率因

12、數(shù)只有68.3%。3.1.2穩(wěn)壓電路圖3-2穩(wěn)壓電路模塊原理圖lm2577是national semicnductor公司生產(chǎn)的一種典型的升壓式集成開關電源調(diào)整器，廣泛應用在許多電子產(chǎn)品的電源電路中。它具有外接元器件少、輸入直流電源電壓范圍寬(3.540v)、輸出開關電流達到3a、內(nèi)部有固定頻率(52khz)振蕩器、電流反饋型工作方式、有軟啟動、電流限制、欠壓鎖定和熱關閉保護等功能?？梢越映珊唵紊龎?、隔離和多輸出電壓的開關電源電路。它的封裝有5引腳的to-220形式與4引腳的to-3p形式等,輸出直流電壓有12v、15v和可調(diào)(adj)。參數(shù)計算：設計實例的輸入指標是：輸入電壓范圍是20v30

13、v，額定輸入電壓為24v，輸出穩(wěn)定電壓，最大輸出電流iomax=2.0a。線圈電感量l：，使用的快恢復二極管mur420正向?qū)▔航禐?.8v，開關管的最大占空比可得知。 （1） （2）線圈中儲蓄能量（3）滿負載時線圈中平均電流（4）如果0.85,由上述計算的和在下圖求得交點即為電感值，如果0.85，這時用公式計算電感值。（5）由圖可以得到l的值在330 uh220 uh之間，我們選擇l=250uh。補償網(wǎng)絡、和輸出電容的確定：（6）同時器件要求3k,所以2.84k符合。 （7） （8）因要取較大些，選擇。（9）實際取，采用0.1uf的瓷片電容和220uf的電解電容組成。輸出電壓調(diào)節(jié)電阻、選擇

14、：與的關系為（10）一般取2，則（11）3.1.3輸出過流保護電路圖3-3過流保護電路原理圖圖3-3所示為單相電壓變換電路的過流保護電路，在因某種原因（如輸出短路）使電路輸出過流時，保護電路即成恒流源，使電路不至因輸出過流而損壞。ams1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設計用于提供1a輸出電流且工作壓差可低至1v。在最大輸出電流時，ams1117器件的壓差保證最大不超過1.3v，并隨負載電流的減小而逐漸降低。ams1117的片上微調(diào)把基準電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。lm311p是高靈活性的電壓比較器，能工作于5

15、.0到30伏單個電源，該設備的輸入可以是與系統(tǒng)地隔離的，而輸出則可以驅(qū)動以地為參考或以vcc為參考，或以vee電源為參考的負載。微調(diào)管腳（管腳5和6）用作不需要的輔助輸入，如果沒有連接到微調(diào)電位計上，應該短接。3.1.4功率因數(shù)檢測電路電壓過零檢測電流過零檢測比較器stc-51單片機最小系統(tǒng)lcd顯示圖3-4功率因數(shù)檢測電路原理框圖功率因數(shù)是供用點網(wǎng)絡的一個重要參數(shù)，它是衡量電力系統(tǒng)是否經(jīng)濟運行的一個重要指標，所以準確測量功率因數(shù)在電力系統(tǒng)中具有重要的意義。在正弦電路中，可以通過測量電壓、電流間的相位差，計算出功率因數(shù)，并根據(jù)電流滯后或者超前電壓，判斷出負載是感性還是電容性的。對于某一正弦信號

16、，周期性地出現(xiàn)過零點，測出過零點的時間即可以測出該信號的相角。通過電壓互感器和電流互感器得到低壓交流信號，然后通過整形電路將交流信號轉(zhuǎn)換為ttl方波脈沖。相位差的計算原理是利用輸入兩路信號過零點的時間差，以及信號的頻率來計算2路信號的相位差。兩路信號的相位差：（12）其中，n為兩路信號的上升沿分別觸發(fā)計數(shù)器的差值，fk為單片機時鐘頻率，t為輸入信號的周期。單片機對模擬信號的讀取時通過a/d轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的，并有效的進行輸出，它具有全集成化、高精度化、高性能、高可靠性等優(yōu)點。3.1.5顯示電路 顯示電路采用的是單片機控制液晶顯示，從功率因數(shù)檢測電路輸出的電壓、電流進入單片機控制的中斷系統(tǒng)，利用單片

17、機的計數(shù)功能測量出電壓和電流的相位差，進而計算出功率因數(shù)并顯示出來。3.2 主電路設計 本系統(tǒng)采用lm2577作為主控器件，利用ams1117和lm311p組成輸出電流保護電路，通過單片機采樣，按照程序中計算公式進行計算，計算結(jié)果用來判斷電路中此時的電流，并根據(jù)要求的條件來控制顯示。3.3 主電路板電路原理圖（見附錄3）4.系統(tǒng)軟件設計4.1總體的程序設計流程在本設計中，電網(wǎng)輸出的功率因數(shù)檢測程序是通過at89c51的外部中斷0、外部中斷1和定時器來完成，通過設置tmod寄存器，使定時器t0在工作方式1模式下工作?；疽笙碌某绦蛄鞒虉D如下所示。主要功能有，系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制及顯示，在軟件上充

18、分利用了單片機的強大功能，實現(xiàn)了信息的快速處理和控制、顯示功能、能精確檢測。圖4-1 總體程序流程圖 4.2程序清單（見附錄4）5.運行調(diào)試5.1電路的測試方法 在系統(tǒng)電壓輸出端子外接并聯(lián)數(shù)字萬用表，用滑動變滑動到最佳阻值條件下，在輸入端接yb1713a直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生的24v交流電，接在輸出端的兩個萬用表分別檢測輸出端的電壓值和電流值。利用滑動變阻器，使負載在一定的范圍變化，輸出端并聯(lián)數(shù)字萬用表測量直流電壓相對于原來的變化率，測得負載調(diào)整率。利用自耦變壓器，使輸入交流變化，調(diào)節(jié)滑動變阻器使io為一個固定值，輸出端并聯(lián)數(shù)字萬用表測量直流電壓的變化率，測得電壓調(diào)整率。通過觀察液晶顯示器上的數(shù)據(jù)顯

19、示，并結(jié)合萬用表的測量結(jié)果，判斷液晶顯示能否正常工作。5.2 測試儀器電路測試中使用的儀器設備及其用途如表所示。序號儀器名稱及型號用途1自耦變壓器用于電壓調(diào)整率測試2滑線變阻器作可變負載3yb1713a直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部采用igbt模塊調(diào)整模式，具體高效能、高精度、高穩(wěn)定性等特性4vc890d萬用表金屬屏蔽板，防磁，抗干擾, 自動恢復保險管保護5ds-5120m 100mhz示波器測量電源電壓波形5.3 測試結(jié)果輸出電壓uo可調(diào)范圍：30v36v，最大輸出電流iomax為2a；負載調(diào)整率（us=24v）：在規(guī)定范圍內(nèi)，io在0.2a2.0a范圍變化，即在規(guī)定范圍內(nèi)改變負載值，測的輸出電壓數(shù)據(jù)如下

20、：電流（a）0.51.01.52.0輸出電壓（v）36.1536.1036.0836.05根據(jù)公式,計算負載調(diào)整率為：0.41%。電壓調(diào)整率（io=2a）：在規(guī)定范圍內(nèi)，us在20v30v范圍變化，即在規(guī)定范圍內(nèi)改變電壓值，測的輸出電壓數(shù)據(jù)如下：電壓（v）20222630輸出電壓（v）36.0536.0636.0836.09根據(jù)公式，計算電壓調(diào)整率為：0.22%。6.結(jié)論經(jīng)過四天三夜的奮斗，我們有得有失，遇到了許多沒有接觸過的困難，我們不斷的嘗試，努力，認真分析，從細節(jié)入手，從小模塊電路入手，一個一個的取得了突破。通過這次比賽我們終身難忘，同時也學到的不少。 本設計是采用一個單片機系統(tǒng)來進行對

21、電路檢測控制系統(tǒng)的設計與制作，并有效的進行控制輸出，它具有全集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低價格等優(yōu)點。在設計本作品時，通過查閱網(wǎng)絡與圖書館搜集到的資料，再加上指導老師的指導與資料提供，與生活中對于單片機的工作原理的觀察和同單相電源的轉(zhuǎn)換研究相結(jié)合，設計出了這一套單相ac-dc變換電路的主要硬件結(jié)構和軟件結(jié)構，基本上達到了題目的各項要求，特別是在效率方面表現(xiàn)突出。但是由于手工制作的原因，以及開關電源電路本身的限制，導致電路的測量不夠準確，使系統(tǒng)的一些參數(shù)不是很理想，但本設計通過穩(wěn)壓電路以及濾波整流電路，也得到了比較理想的結(jié)果。測試的時間不能太長，時間太長lm2577會發(fā)燙更有可能燒

22、壞器件，可以通過加散熱片來稍微緩解這一問題。7.參考文獻： 1 高吉祥主編，劉希順 劉菊榮 編著全國大學生電子設計競賽培訓系列教程 北京：電子工業(yè)出版 社 2007.52余永權.單片機在控制系統(tǒng)中的應用.北京：電子工業(yè)出版社， 2003.103陳永真 陳之勃 全國大學生電子設計競賽 硬件電路設計精解北京：電子工業(yè)出版社 2011.54肖看 李群芳 單片機原理、接口及應用北京：清華大學出版社 2010.9附錄1：設計任務：設計并制作如圖所示的單相ac-dc變換電路。輸出直流電壓穩(wěn)定在36v，輸出電流額定值為2a。技術指標：在輸入交流電壓us=24v、輸出直流電流io=2a條件下，使輸出直流電壓u

23、o=36v0.1v。當us=24v，io在0.2a2.0a范圍內(nèi)變化時，負載調(diào)整率si0.5%。當io=2a，us在20v30v范圍內(nèi)變化時，電壓調(diào)整率su0.5%。設計并制作功率因數(shù)測量電路，實現(xiàn)ac-dc變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測量，測量誤差絕對值不大于0.03。具有輸出過流保護功能，動作電流為2.5a0.2a。附錄2：元器件清單：型號位號數(shù)量備注0.1ufc1, c2, c4, c540.1ufc31mur420d11肖特基二極管60v/2.5ad21全橋，電流大于2.5v，耐壓大于50v即可1n4007d3, d4, d53100u/50ve1, e2, e8, e94直插電解電容，最

24、好是鋁電解1000u/50ve3, e4, e5, e6, e7510u/10ve10,e11, e12, e134100u/16ve14, e152250uh/3al11100uh/3al21功率電感，電流一定大于3a，要選擇質(zhì)量好的，如果不好電流會上不去56.3kr112.8kr212kr313a/0.05歐姆r41功率取樣水泥電阻，電流要大于3a，阻值要準確，也可以用一截導線代替，但是阻值要測量準確30kr512k電位器r613296電位器2a/3歐姆r71功率取樣電阻1kr8, r9, r11, r13,r14,r15, r17, r1984k7r10,r12, r16, r184lm2577sx-adju11最好選直插的lm311pu21最好選直插的ams1117-s33u31穩(wěn)壓芯片，獲取也可以選擇其他廠家lm393nu41p521-1u5, u6, u7, u84直插光耦其他物料