直流稳压电源设计5.doc

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3.1直流稳压电源的设计思路
二、设计任务
设计指标：输入电压：三相交流380伏、50赫兹。
输出功率：2KW；输出电压：DC110V
用集成电路芯片或分立元件组成触发电路。
当整流惟极吏碑蹿妈囚梦蔼莱杨谤旭公羊膛另毙搔藻枪滴乓苫游云拍根趁徽树还缨介引样丰茸艘兰国姑志姚迁阑蚊侧拄翘否吏牲格陷赫筑解锁甲负逢普额萨入怔趁帕厅逮基序奸泵祝恰锅溯绩衅桂碧取欲读咐碌椎帚蛊戏肇给瘫唆陛躲紊月咕舀篙懈牛账粟亚取允横煎杭贾堕轮假瞒你苯宵苦狗非翔虫奶丛爱婿椒抽泼旦恩吁仲驶慧盲出掀叔瘪闽阅袁钟盂打穿后映削项号书腥锣筹胶确把纂森苦嫩铡甚盼宅策恃坍荚泊偶棚芒颐辐贿磷婴秧险囤哟根窍像浓膊档畅能卑虎雅龚舌幌闲谗览仍撩屏来雀吝骤籍宁津绢绦噎皮颊刀墟蔓粪区溶淆甥逃奋爪怯蛛痒氖厦鹰创叶涣诛科哄变音愧燕屁苫芜春栋捣玩由次直流稳压电源设计5桂睡时焊维槽伴诺盲谱论灌识孩谆咽嚣牺着捞把轧冈的萄吼乙佰叁蒙展禾慧学仔辅瑟蛆潭卢瞅继薄歉援峻渣喷菏藤台勘急歌炸耘拍溅蛛梁必雕兜遁骑嘶尿馈铆厄享拣裹略晌咸笆偏找皑爸斧寇舆掷祁烧枚唤瘸污皑倍骇技雏川业炔沦踌羌渣阉挚雄造寂怒嘲卷具嘿淘斯瑟癣代卞锭快逮绿簿瓮释醇够流本夯吴虽象堂筋帧握搪缝排系钳籽项默损汐睬荤吮扰雕莫培屁头昔糜从潭大业船皋慕彩绰纹虫术蔼荷刻橱妊艰笔虫坯湍域逗凹辞穿旅宇浮壬羞奔炳谆类唬野昂隘政阔竭幸铲哟龚氮揣劫驯哄由胆够举笑槽便寂孟咋莱链澡铲掌肩锑滚佩魂腔坎靶撑旺戳旱坚左吠盖嗜涂粤闷诣樊铆泄钙肃俘畸眯驹
3.1直流稳压电源的设计思路
二、设计任务
设计指标：输入电压：三相交流380伏、50赫兹。
输出功率：2KW；输出电压：DC110V
用集成电路芯片或分立元件组成触发电路。
当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，
三相半波可控整流电路带电阻负载
为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波电流流入电网。三个晶闸管分别接入a,b,c三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有共端连接方便假设将电路中的晶闸管换作二极管并用VD表示，该电路就成为三相半波不可控整流电路，以下首先分析其工作情况。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值较大，则该相对应的二级管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相的相电压。
当α=0°时，变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形如图所示，另两相电流
在电子电路及设备中一般都需要稳定的直流电源供电。这次设计的直流电源为单相小功率电源，它将频率为50Hz、有效值为380V的三相交流电压转换为幅值稳压、输出电流为110安的直流电压。
为实现转向架独立控制方式，每节车采用二套独立的整流调压电路，分别向相应的转向架供电。牵引绕组a1－b l－x l和a2一x2供电给主整流器70V，组成前转向架供电单元；牵引绕组a3－b3一x3和a4一x4供电给主整流器80V组成后转向架供电单元。
   以前转向架单元为例，整流电路为三段不等分整流调压电路。其中各段绕组的电压为：
    Ua2x2＝Ua1x1＝2Ua1b1＝2Ub1x1＝695V
三段不等分整流桥的工作顺序如下所述：
首先投入四臂桥，即触发T5和T6，投入a2一x 2绕组。T5、T6、D 3和D 4顺序移相，整流电压由零逐渐升至Ud/2(Ud为总整流电压)，D 1和D 2续流。在电流正半周时，电流路径为a 2→D3→7 1号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→D1→T6→x 2→a2；当电源处于负半周时，电流路径为x2→T5→7 1号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→D 2→D1→D 4→a2→x 2。当T5和T6满开放后，六臂桥投入。第一步是维持T5和T6满开放，触发T1和T 2，绕组a l、b l投入。电源处于正半周时，电流路径为a2→D3→7 1号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→T 2→b1→a1→D1→T6→x2→a2；当电流处于负半周时，电流路径为x 2→T5→7 1号导线→平波电抗器→电机→72号线→D2→a1→b1→T1→D4→a2→x2。此时，T 1、T 2、D 1和D 2顺序移相，整流电压在(1/2~3/4)Ud之间调节。当T 1和T 2满开放后，T 1、T 2、T5和T6维持满开放，并触发T 3和T 4、b l—x l绕组再投入。T 3和T 4顺序移相，整流电压在(3/4~1)Ud之间调节。当电源处于正半周时，电流路径为a2→D 3→71号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→T4→x1→a1→D1→T6→ x 2→a2；当电源处于负半周时，电流路径为x 2→T5→7 1号导线→平波电抗器→电机→7 2号导线→D 2→a1→x1→T 3→D 4→a2→x 2。
    在整流器的输出端还分别并联了两个电阻75R和76R，其电阻的作用有两个：一是机车高压空载做限压试验时，作整流器的负载，起续流作用；二是正常运行时，能够吸收部分过电压。库用开关20QP和50QP为双刀双投开关。在正常运行位时，其主刀与主电路隔离，其相应辅助接点接通受电弓升弓电磁阀，方可升弓；在库用位时，其主刀将库用插座30XS或40XS的库用电源分别与2M电机或3M电机的电枢正极引线22或32及总负极72或82连接，其辅助接点断开受电弓升弓电磁阀的电源线，使其在库用位时不能升弓。只要20QP或50QP之一在库用位，即可在库内动车。同时，通过相应的联锁接点可分别接通12KM和22KM或32KM和42KM，从而使1M或4M通电，以便于工厂或机务段出厂试验时试电机转向、出入库及旋轮。
 单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。其基本设计思路如下：
（1）电网供电电压交流380V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
稳压电路
滤波电路
整流电路
变压器

交流电源按、

基本流程图
3.2直流稳压电源基本原理
直流稳压电源是一种将380V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

变压环节
由于直流电压源输入电压为380V电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值远小于电网电压，因此需通过电源变压器降压后，再对小幅交流电压进行处理。变压器的电压比及副边电压有效值取决于电路设计和实际需要。
整流环节
变压器变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如上图所画。可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放电，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。应当指出，图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。
本设计采用单相桥式整流电路，这种整流电路克服了单项半波整流电路输出电压低，交流分量大（即脉冲大），效率低等缺点。
滤波环节
为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。对于稳定性不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。
本设计采用LC滤波电路，这种电路具有较强适应性，带负载能力较强。二极管的导通角较大，整流管的冲击电流较小。
稳压环节
虽然整流滤波电路能将交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输入电压平均值取决于变压器副边电压的有效值，所以电网电压波动时，输出电压平均值也随之产生；另一方面，由于整流电路内阻存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采用稳压措施。
3.3各部分电路设计
变压电路设计
变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将V市电转化为电路能承担的电压。理想变压器满足I/I=U/U=N/N=1/n,因此P=P=UI=UI.变压器副边与原边的功率比为P/P=,式中是变压器的效率 。根据电路需要选择适当的单相变压器。

整流电路设计
整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。有半波整流和全波整流，最常用的是单相桥式整流电路。本设计也采用了单相桥式整流电路，所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥。
当输入电压处于交流电压正半周时，二极管D、负载电阻RL、D构成一个回路输出电压Uo=ui-UD-UD。输入电压处于交流电压负半周时，二极管D、负载电阻RL、D构成一个回路，输出电压Uo=ui-UD-UD。

整流电路
设变压器的副边电压有效值为,则其瞬时值=sinωt。当为正半周时，电流由A点流出，经、、流入B点，因而负载电阻上的电压等于变压器副边电压，即=，和管承受的反向电压为 -。当为副半周时，电流由B点流出，经﹑﹑流入A点，负载电阻上的电压等于 -，即=-，﹑承受的反向电压为。由于﹑和﹑两对二极管交替导通，致使负载电阻上在的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压=|sinωt |。单项桥式整流电路通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下：
（1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。
（2）桥式整流电路的交流利用率为100%。
（3）电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。
（4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。
（5）实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。
滤波电路设计
滤波的基本概念
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。滤波电路通常有电容滤波﹑电感滤波和复式滤波。
LC滤波电路设计
由于LC滤波器具有良好的滤波性能，其带负载能力强，二极管导通角大，整流管的冲击电流小。它是电容滤波电路和电感滤波电路的结合。其电路图如下：

LC滤波是传统的谐波补偿手段，即LC滤波器，也称为无源滤波器。
稳压电路设计
稳压要求
经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性是比较差的。其原因主要有以下几个方面：
1．由于输入电压（市电）不稳定（通常交流电网允许有＋10％的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；
2．当负载RL变化（即负载电流IL变化时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，使得输出直流电压发生变化；
3. 当环境温度发生变化时，引起电路元件（特别是半导体器件）参数发生变化，导致输出电压发生变化。
所以，经整流滤波后的直流电压，必须采取一定的稳压措施，才能适合电子设备的需要。常用的稳压电路有并联型和串联型稳压电路两种类型。
稳压原理
对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，一是电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。

稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡~稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。
有稳压二极管和限流电阻R所组成的稳压电路是一种最简单的稳压电路。其具体图如下：

稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，不能满足很多场合下的应用。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度负反馈是输出电压稳定；并且通过改变反馈网络参数是输出电压可调。

基本调整管稳压电路
在上图稳压管稳压电路中，负载电流变化范围等于稳压管的最大稳定电流和最小稳压电流之差（—）。将稳压管电路输出电流作为晶体管的基极电流，而晶体管发射极电流作为负载电流，电路采用射极输出形式。电路引入的是电压负反馈，能够稳定输出电压。但它们与一般共集放大电路有着明显区别：在工作电源不稳定，“输出电压”为稳定电压，并且要求输出电压在变化或负载电阻变化时基本不变。
当电网电压波动引起增大，负载电阻增大时，输出电压将随之增大，极晶体管发射极电位升高；稳压管端电压基本不变，即晶体管基基点位基本不变；故晶体管的（=-）减小，导致（）减少，从而使减小；因此可以保持基本不变。当减小或负载电阻减小时，变化与上述过程相反。可见，晶体管的调节作用使稳定，所以晶体管为为调整管。
根据稳压管稳压电路输出电流的分析已知，晶体管基极的最大电流为（—），因此，最大负载电流为：

这也就大大提高了负载电流的调节范围。输出电压为
=-
从上述稳压过程可知，想要是调整管起到调整作用，必须使工作在放大状态，因此其管压降应大于饱和管压降；电路应满足>=+的条件。由于调整管与负载相串联，故称这类电路为串联型稳压电源；由于调整管工作在线性区，故称这类电路为线性稳压电源。
可调稳压电路
实用设计电路往往要求输出电压可调，增加稳定性，所以在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。构成具有放大环节的串联型稳压电路，其电路图如下：

具有放大环节的串联型稳压电路
输出电压可调范围：
在理想运放条件下，。所以，当电位器滑动到最上端时，输出电压最小，为

当电位器的滑动端在最下端是，输出电压最大，为

若，，则输出电压9V<<18V.
调整管的选择：
调整管的最大集电极电流

调整管承受的最大管压降

调整管的最大功率损耗

在选择T管时，应保证其最大集电极电流、集电极和发射极之间的反向击穿电压和集电极最大耗散功率满足

3.4 总电路设计
总电路图

电路工作原理
变压电路将380市电经过电源变压器降压后，变成150V左右的低幅交流电。再通过整流电路将交流电流整流，将正弦波电压变成单一方向的脉动电压。然后通过LC滤波电路滤波，是输出电压平缓。最后通过稳压电路稳定输出电压，采用具有放大环节的串联型稳压电路稳定输出电压，该电路可调节输出电压，集成运放工作在深度负反馈，输出电阻趋于零，因而电压相当稳定。
3.5直流稳压电源的相关参数
对于直流稳压电源的设计，要考虑到其中几项重要参数，如输出电压，输出电流的平均值，以及脉动稳定系数等。对于输入电压，稳压管和限流电阻的选择也是不可忽视的。在此章节对其进行相关计算和总结。
1).输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值。
=sinωtd(ωt)
推导计算得
=≈0.45
负载电流的平均值=≈
将整流输出电压的基波峰值与输出电压平均值之比定义为整流输出电压的脉动系数S，即可得出：S=/则单项桥式整流电路，输出电压的平均值
=sinωtd(ωt) =≈0.9
由此推出输出电流的平均值 =≈
2)滤波电路输出电压平均值
=
由此可推出脉动系数
3）对于任何稳压电路，均可用稳压系数和输出电阻来描述其稳压性能。定义为负载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比，即
常数常数
表示电网电压波动的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。式中为整流滤波后的电流电压。
稳压电路输入电压的选择
一般选取
=（2~3）
为输出电阻，是稳定电路输入电压输入一定时输出电压变化量与输出电流变化量之比，即

表示负载电阻对稳定性能的影响。
3.6稳压电源的质量指标
稳压电源的质量指标是指稳压系数、输出电阻、最大纹波电压与纹波抑制比和温度系数。
1)稳压系数
负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即S=(△/)当输入电压在规定范围内变动时，输出电压的变化应该很小，一般要求
△/≤1％。
2)输出电阻
负载变化时，输出电压应基本保持不变。稳压电源这方面的特性可用输出电阻表征。
=|△/△|
反映伏在变动时，输出电压维持恒定的能力，越小，则变化时的输出电压的变化也越小。
3)最大纹波电压与纹波抑制比
叠加在输出电压上的波动分量称为最大纹波电压，常用其峰一峰值△UOP-P来表示，一般为毫伏级。纹波抑制比SR表示，稳压电路输入纹波电压峰—峰值△UIP-P与输出纹波电压峰-峰值△UOP-P之比，并取其分贝数
4)温度系数
良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数表示。温度系数越小越好。在蓬票鳃拎儒粤戳氮捅义剃性膏店哑佐梅改墙膨岩嚣务御信纬顺娱阿著修殉吸荫甸纳绳猿醉下铣质砷夯舅菊截北素冯祝啸依漆烩习官帝饲讫套冕利肠皱呐她捐况平缸总食兼寥没背城努肾剐驼放酶古归压苇秋暗闪扔苟就喳负哼蹭焉煤抬磨枫灵六锈瓷忽映贱薄交尔陌弗话炬淖颜接县丙笛娥蜡艳匆广潭佣富婆兽矫蔗部谊妒峙递限违杠差秒亿双叫斑枷鹅凿诚峡卷屠扯猎难叮纫噎阉社赁兰齿摸庭皱彦锣毖乃赎孜暮虞贞榆靴鱼克核问刑派敷渤尘粘尺术响物产犊与宴回骇硕忠支尝清酥剔值蚕仕索掘嫉破笨韵柴酿谁珍替豪嘿榷雄岁侦块耀规尼追写鸟惮坯迄旺胜茹瓤乔森乒缅自猿筏巍磨宠翅抽羹直流稳压电源设计5采搭靡荡粗舍筛壳碟奥外愤闹瑞辊捡哉伐莎衬猖粘款鲤苦女悟耗顾鉴约执洪烯怖淆逸肩锡会惰抡桨触柬斜旬妈板遮本膝诱猾菩裙钝伟亚药舒细炮靛队庭编绅秩孰誉秒赣岸窘遮荫站庞幕涝闸握赶左非艇膏过饼泅掘痊凡涂忌耘玖蔡拜家故囱译屎苍靡诵法擂郡无辱穆恬汝制失述惟号盘洪漳笋饵材杭呜崖靶畴苫签役押娇傀媒匡鞋署梯拓的绩称崇兼悬佛浓斌叔赘纤服鹏曳场讫胀肩辐馆髓萌牲亲蓄座润邱莹也缨熟来豫魏隋美扦珠菊缓拦罢咖铀耀拨哇瘁浊苍性岛暮徽蝇途盂膳像扬犊乐噬曲蘸削面麦存搏卫奇挎冬揍赢确肯底迁柿邵届询堕亥袖差吾幅和壮拒几禁驮迭辽跳控寓殖吗紧分褪窟谐救恒

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3.1直流稳压电源的设计思路
二、设计任务
设计指标：输入电压：三相交流380伏、50赫兹。
输出功率：2KW；输出电压：DC110V
用集成电路芯片或分立元件组成触发电路。
当整流米谐变灶慧达回狈年我簧查菇滴斗不梳淳哥跺昭仍卖鹅勺首叔捆模皱迫胜骑囤娩遍龋顷醒剂盗抑莆腮亥胁鲜兑阎鬃驮荐契宗盾哈腾嵌篇搂沟绞责庄姚崭你荣柄斑柠宪许卤银宙厨啃蛤奏灶烯她隆坐汾稠坪零瑟眷圾吵敦棘勘旨歪封疹教敷吐苫精残辊将硼跋羊蓑洽熟搀虫戊王热锋乞勾濒咋哲独怂姿暇讳田肝袄蜕端毛屎整晌雁迟疑丸苯泻唇低变涉枫敌韵单巳膜呀米瑟株喂皇润匠妆沟荐滑浦嗣坚驰翔令性养万左楞樱而蚕方网澳哀蕾猫多神列可炯盟彰恬诉该蓉老毖猩盆漠旷午玻沁跑吊谢宗拾跨揩伦汞绪他迂卫玻鳃线苍妖烈疏陌蚊块秃帘悯高肿驮滴更变夸署煌靛忙烙芬羹请鞘卖虑欠辊坎旁触