【正文】 摘 要 當(dāng)今社會(huì)人們極大的享受著電 子設(shè)備帶來(lái)的便利，但是任何電子設(shè)備都有一個(gè)共同的電路 —— 電源電路?？梢哉f(shuō)電源電路是一切電子設(shè)備的基礎(chǔ)，沒(méi)有電源電路就不會(huì)有如此種 類(lèi)繁多的電子設(shè)備，我們的生活也就不會(huì)這么豐富多彩了。 關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電源；整流；濾波；穩(wěn)壓 1 1 引言 電力電子簡(jiǎn)介 電力電子技術(shù)分為： 電力電子器件制造技術(shù) 和變流技術(shù)（整流，逆變，斬波，變頻，變相等）兩個(gè)分支 。此前就已經(jīng)有用于電力變換的電子技術(shù)，所以晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱(chēng)為電力電子技術(shù)的史前或黎明時(shí)期。目前 PIC的功 率都還較小但這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。應(yīng)用電力電子技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。 2 電力電子的應(yīng)用 一般 電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛．它不僅應(yīng)用于一般工業(yè)．在交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等也有廣泛的應(yīng)用，在與我們生活息息相關(guān)的照明、家用電器領(lǐng)域中電力電子技術(shù)也有廣泛的應(yīng)用。電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用成功地解決了這些難題。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱 電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合。此外，有些洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。 電力電子器件發(fā)展 1902 年出現(xiàn)了第一個(gè)玻璃的汞弧整流器。 30 年代，這些整流器開(kāi)始大量用于電力整流裝置中。100 千伏直流輸電線(xiàn)路上應(yīng)用，傳輸 20 兆瓦的電力。 電力電子電路 隨著晶閘管應(yīng)用的推廣，開(kāi)發(fā)出許多電力電子電路，按其功能可分為： ① 將交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能的 整流電路 ； ② 將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的逆變電路； ③ 將一種形式的交流電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的交流電能的 交流變換電路 ； ④ 將一種形式的直流電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的直流電能的 直流變換電路 。第一代的控制電路主要由分立的電子元件（如晶體管、二極管）組成。它應(yīng)用到電力電子裝置的控制電路中 ,使其結(jié)構(gòu)緊湊 ,功能和可靠性得到提高。如大功率的電解電源、焊接電源、電鍍用的直流電源；直流和交流牽引、直流傳動(dòng)、交流串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等傳動(dòng)用電源；勵(lì)磁、無(wú)功靜止補(bǔ)償、諧波補(bǔ)償?shù)入娏ο到y(tǒng)用的電力電子裝置；低頻、中頻、高頻電源等各種非工頻電源，尤其是感應(yīng)加熱的中高頻電源；不停電電源、 交流穩(wěn)壓電源 等各種工業(yè)用電力電子電源；各種調(diào)壓器等等。但電力電子裝置大多為電子開(kāi)關(guān)式裝置，它往往對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載產(chǎn)生諧波干擾，有時(shí)還對(duì)周?chē)h(huán)境引起一定的高頻干擾，這是在設(shè)計(jì)這些裝置和系統(tǒng)時(shí)必須妥善解決的（見(jiàn)高次諧波抑制）。其二為微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等滲透到電力電子器件中，開(kāi)發(fā)出更多的新一代電力電子器件。同時(shí)，場(chǎng)控電力電子器件也得到發(fā)展，如 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (power MOSFET)和功率 靜電感應(yīng)晶體管 (SIT)已達(dá)千伏級(jí)和數(shù)十至數(shù)百安級(jí)的電壓、電流等級(jí)，中小容量的工作頻率可達(dá)兆赫級(jí)。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)是以高新技術(shù)知識(shí)為基礎(chǔ)的一種知識(shí)密集型技術(shù)綜合，是強(qiáng)弱電相結(jié)合的新學(xué)科，一方面它是電子學(xué)在高電壓、大電流等強(qiáng)電或電工領(lǐng)域的一個(gè)分支，另一方面它也是電工學(xué)在低電壓、大電流等電流弱電或電子領(lǐng)域的一個(gè)分支。 電力電子技術(shù)未來(lái)的發(fā)展 在未來(lái)，電力電子器件 已進(jìn)入高頻化，標(biāo)準(zhǔn)模塊化，集成化和智能時(shí)代。 1. 在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，以各種電力半導(dǎo)體器件為主功率器件的電力電子設(shè)備和系統(tǒng)將展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)且共同發(fā)展。 5. 諧振變流器技術(shù)將廣泛應(yīng)用，新的控制技術(shù)及手段將在電力電子設(shè)備和系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，并進(jìn)一步提高電力電子設(shè)備和系統(tǒng)的性能和檔次。 穩(wěn)壓電源是能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子裝置。由于晶體管直流變換器中的功率 晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。 70 年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開(kāi)關(guān)二極管、開(kāi)關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來(lái)，使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，從而使無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。比如，有的 電子設(shè)備消耗功率大些，就要求直流電源提供較大的功率；有的電子設(shè)備的工作性能對(duì)電壓波動(dòng)很敏感，就要求電源的輸出電壓要穩(wěn)定、紋波系數(shù)要??；也有的要求直流電源輸出的電壓可調(diào)。 常用的集成穩(wěn)壓器有下列幾種 多端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 這種穩(wěn)壓器取樣電阻和保護(hù)電路的元件需要外接，它的外接端比較多，便于適應(yīng)不同的用法。舉例來(lái)說(shuō)，7805表示正 5V輸出的線(xiàn)性穩(wěn)壓器額定電流是 1000mA。 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器 三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器是指輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓器， 它與三端固定式穩(wěn)壓器的外形和 變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件。本設(shè)計(jì)是為實(shí)驗(yàn)室提供低壓直流電源使用，是將市電變?yōu)榈碗妷旱难b置，并且該設(shè)計(jì)是正負(fù)電壓輸出。 如圖 圖 橋式整流電路 9 圖 橋式整流原理 在 v2的正半周，電流從變壓器副邊線(xiàn)圈的上端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管 D1流向 RL，再由二極管 D3流回變壓器，所以 D D3正向?qū)ǎ?D D4反偏截止。電流流過(guò) RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性 仍是上正下負(fù)，與正半周時(shí)相同?？衫秒娙莸摹巴ń涣?，隔直流”的特性，在電路中并入兩個(gè)電容作為電容濾波器，濾去其中的交流 成分。如果將兩個(gè)濾波電容相連接，且連接點(diǎn)接地，就可同時(shí)得到輸出電壓平滑的正負(fù)電源。電容放電時(shí)，回路電阻為 RL，放電時(shí)間常數(shù) RLC 通常遠(yuǎn)大于充電的時(shí)間常數(shù)。 穩(wěn)壓部分 集成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路有三個(gè)引腳，分別為輸入端，輸出端和公共端，因而稱(chēng)為三端穩(wěn)壓器。調(diào)整端是基準(zhǔn)電壓電路的公共端，其典型值為177。因此，為了維持輸出電壓穩(wěn)定不變，還需加一級(jí)穩(wěn)壓電路。 圖 三端可調(diào)式穩(wěn)壓器及其電路 圖 三端固定式穩(wěn)壓器 集成穩(wěn)壓器的種類(lèi)很多，在小功率穩(wěn)壓電源中，普遍使用的是三端穩(wěn)壓器。利用電容可以抵消輸入線(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)，以防止電路產(chǎn)生自激振蕩，因此可在集成穩(wěn)壓器的輸入端并接一個(gè)瓷片電容，其容量較小，一般小于1uF，故在此選擇 。 整流濾波電路 整流電路將交流電壓 ui 變換成脈動(dòng)的直流電壓。下面分別介紹其典型應(yīng)用。其差別只在輸出電流和外形， 78XX 輸出電流為 ， 78MXX 輸出電流為 ， 78LXX 輸出電流為 。其芯片內(nèi)也有過(guò)流、過(guò)熱和安全工作區(qū)保護(hù)。 負(fù)壓系列： W337 系列，與 W317 系列相比，除了輸出電壓極性、引腳定義不同外，其他特點(diǎn)都相同。用示波器觀測(cè)其峰 峰值， Uopp一般為毫 伏量級(jí)。 （ 3）輸出電阻及電流調(diào)整率 輸出電阻：放大器的輸出電阻相同，其值為當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比的絕對(duì)值，即 ooo IUr ??? 電流調(diào)整率：輸出電流從 0 變化到最大值 ILmax 時(shí)所產(chǎn)生的輸出電壓相對(duì)變化值，即 16 IoIoK ??i 輸出電阻 ro 和電流調(diào)整率 Ki 均說(shuō)明負(fù)載電流變化對(duì)輸出電壓的影響，因此也只需測(cè)試其中之一即可。 在實(shí)際應(yīng)用中，常以電網(wǎng)電壓變化177。當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)， ro 越大，在內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降也越 大，因此輸出電壓就變小。 17 設(shè)計(jì)目的作用 當(dāng)今社會(huì)人們極大的享受著電子設(shè)備帶來(lái)的便利，但是任何電子設(shè)備都有一個(gè)共同的電路 —— 電源電路?？梢哉f(shuō)電源電路是一切電子設(shè)備的基礎(chǔ)，沒(méi)有電源電路就不會(huì)有如此種類(lèi)繁多的電子設(shè)備，我們的生活也就不會(huì)這么豐富多彩了。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，又產(chǎn)生了智能化電池；在充電電池材料方面，美國(guó)研制員發(fā)現(xiàn)錳的一種碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放電時(shí)間，多次充電后仍保持性能良好的環(huán)保型充電電池。 （ 3）開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源：電路型式主要有單端反激式，單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。 穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)及對(duì)穩(wěn)壓電源的要求 （ 1）穩(wěn)定性好 當(dāng)輸入電壓 Usr（整流、濾波的輸出電壓）在規(guī)定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出電壓 Usc的變化應(yīng)該很小一般要求。穩(wěn)壓電源這方面的性能可用輸出電阻表征。 （ 3）輸出電壓紋波小 所謂紋波電壓，是指輸出電壓中 50Hz或 100Hz交流分量，通常用有效值或峰峰值表示。因輸出電壓要求 從 V起實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，因此要在基準(zhǔn)電壓處設(shè)計(jì)輔助電源，用于控制輸出電壓能夠從 V開(kāi)始調(diào)節(jié)。 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(chǔ)電路、單片機(jī)、鍵盤(pán)顯示等幾部分，硬件部分原理圖如圖 。 24V 范圍內(nèi)的可調(diào)直流電壓，且其性能于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，但是電路比較復(fù)雜，成本很高，使用于要求較高的場(chǎng)合。 317 系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如 LM317HVH、 W317L 等。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1和 R2 的阻值是不能隨意設(shè)定的。由于317 穩(wěn)壓塊的生產(chǎn)廠家不同、型號(hào)不同，其最小穩(wěn)定工作電流也不相同，但一般不大于 5mA。 在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接 二極管 作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把 317 燒壞。上式中的 為317 穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流。所以 R2 的最大取值為 R2≈ 。 22 可調(diào)穩(wěn)壓器的輸出電壓可調(diào)，穩(wěn)壓精度高，輸出波紋小。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。 保證 輸出電流。 輸出短路保護(hù)。 電壓范圍 輸入輸出最小壓差降為 LM317 至 37V 連續(xù)可調(diào)。 封裝形式 TO220 塑料封裝， TO3 鋁殼封裝， TO202 塑料封裝， TO39 金屬封裝 圖 TO202 塑料封裝圖 23 圖 鋁殼封裝圖 圖 TO39 金屬封裝圖 單元電路設(shè)計(jì)與分析 本電路采用三端集成穩(wěn)壓器電路方案，電路分為降壓電路、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四大部分組成。 nNNUU 11212 ?? 圖 變壓器工作原理電路示意框圖 仿真一：電源變壓器的基本特性 （ 1）要求：電源變壓器 (10： 1， 220V 50Hz)，負(fù)載電阻： 100? . （ 2）仿真電路： 圖 電源變壓器仿真電路圖 整流電路 整流電路的主要作用是把經(jīng)過(guò) 變壓器降壓后的交流電通過(guò)整流變成單個(gè)方向的直流電，但是這種直流電的幅值變化很大。 25 （ 2）工作原理：在 V2 的正半周 ,D D3 導(dǎo)通， D D4 截止，通過(guò) D D3給 RL 提供電流，方向由上向下（圖中虛線(xiàn) )； 圖 橋式整流電路電路圖 在 V2 的負(fù)半周， D D4 導(dǎo)通， D D3 截止，通過(guò) D D4給 RL 提供電流，方向仍然是由上向下（圖中虛線(xiàn)）由此得到圖示的整流波形。而且本電路后級(jí)是穩(wěn)壓電路，因此可以使用電容濾波電路進(jìn)行簡(jiǎn)單濾波。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。 Ⅱ、當(dāng) V2 升至 V2 Vc 時(shí)，二極管 D D3 在正向電壓作用下而導(dǎo)通，此時(shí) V2 經(jīng)D D3 一方面向 RL 提供電流，一方面向 C充電（接入 RL 后充電時(shí)間常數(shù)變?yōu)閠c =RL /RintC≈ RintC ）。 Ⅳ、為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取 td =RLC≥ (3~ 5)T/2 (T 為交流電周期 20ms)此時(shí)： Vo = (~ )V2 。 27 圖 輸出電壓調(diào)節(jié)原理圖 由于 LM317 的 3腳之間的電壓 U32 為一穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓 ()，故有：VRRU PO )1( 1 ??? 式中， 是集成穩(wěn)壓器輸出端與調(diào)整端之間的固定參考電壓 UREF ； R1 取值 120～ 240? （此值保證穩(wěn)壓器在空載時(shí)也能正常工作），調(diào)節(jié) Rp 可改變輸出電壓的大?。?Rp取值視 RL 和輸出電壓的大小而確定） 元件電路參數(shù)計(jì)算 根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的性能指標(biāo)，選擇集成三端穩(wěn)壓器 選可調(diào)式三端穩(wěn)壓器 LM317，其特性參數(shù) Vo=， Iomax=，最小輸入、輸出壓差 (Vi VO )min =3V，最大輸入、輸出壓差 (Vi VO )max =40V. 由計(jì)算得 VO ≈ (1+RP /R1 )，取 R1 =200? ，則 RPmax = ? ，故取 Rp為5K? 的精密線(xiàn)繞可調(diào)電位器。 保護(hù)管 V1 ,V2 集成穩(wěn)壓器如果離濾波電容 C1較遠(yuǎn) ,應(yīng)在靠近 LM317輸入端接 F? 旁路電容 C2，接在調(diào)整端和地之間的電容 C3用來(lái)旁路電位器兩端的紋波電壓。但當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí) ,C4中儲(chǔ)存的電荷將對(duì)穩(wěn)壓器輸出端放電 ,放電電流可能損壞穩(wěn)壓器，故在穩(wěn)壓器兩端并接保護(hù)二極管 VD2. VD1和 VD2 都選用 IN4007：額定電流 1A，最大反向電壓 100V 改進(jìn)方案 由于該電路的輸出電壓的調(diào)整完全依賴(lài)電電位器 R2的改變，因此 R2的改變范圍較大，這樣在輸出電壓的調(diào)整過(guò)