直流电源及设计

直流电源的概念能使电路中形成恒定电流的装置，如干电池、蓄电池、直流发电机等，称为直流电源。直流电源有正负两个电极，正极的电势高，负极的电势低；当两个电极与电路连通后，直流电源能维持两个电极之间的恒定电势差，从而在外电路中形成由正极到负极的恒定电流。要使直流电源两极间的电势差保持恒定必须使在外电路中由正极流到负极的正电荷，在电源内部逆着电场力的方向，由负极返回到正极去。这个过程不能靠静电力，只能靠某种与静电力方向相反的“非静电力”来实现。因此，电源就是一种提供非静电力的装置，通过非静电力做功，把非电能转化为正负电极之间的电势能。表征电源特征的重要物理量有两个：一个是电源电动势E，另一个是电源的内电阻（简称内阻）r0。直流电源的类型很多，不同类型的直流电源，非静电力的性质不同，能量转换的过程也不同。例如，在化学电池中，非静电力来自与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用，化学电池放电时，化学能转化为电能和电路中的内能。在直流发电机中，非静电力来自电磁感应作用，直流发电机供电时，机械能转化为电能和电路中的内能。直流电源的分类：直流稳定电源按习惯可分为化学电源，线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：化学电源：我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类各有其优缺点。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池;在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物,用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。线性稳定电源：线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频（50Hz）上，所以重量较大。该类电源优点是稳定性高,纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等开关型直流稳压电源：与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态开关电源因此而得名。开关电源的优点是体积小,重量轻，稳定可靠;缺点相对于线性电源来说纹波较大(一般<1%VO(P-P)，好的可做到十几mV(P-P)或更小)。它的功率可自几瓦一几千瓦均有产品。价位为3元一十几万元/瓦,下面就一般习惯分类介绍几种开关电源：、AC/DC电源该类电源也称一次电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦一几千瓦均有产品，用于不同场合。属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而定通信电源中的一次电源(AC220输入,DC48V或24V输出)也属此类.、DC/DC电源在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。、通信电源通信电源其实质上就是DC/DC变换器式电源，只是它一般以直流一48V或一24V供电，并用后备电池作DC供电的备份，将DC的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。、电台电源电台电源输入AC220V/110V,输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定，几安几百安均有产品.为防止AC电网断电影响电台工作，而需要有电池组作为备份，所以此类电源除输出一个13.8V直流电压外，还具有对电池充电自动转换功能。、模块电源随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块电源越来越显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高,便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。目前,目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。DC/DC模块电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看,特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模块还是合算合算的，在此还值得一提的是罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构简单，效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。大小和方向都不随时间变化的电流。又称恒定电流。所通过的电路称直流电路，是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该电路中，形成恒定的电场，在电源外，正电荷经电阻从高电势处流向低电势处，在电源内，靠电源的非静电力的作用，克服静电力，再从低电势处到达高电势处，如此循环，构成闭合的电流线。所以，在直流电路中，电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势，为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。在比较简单的直流电路中，电源电动势、电阻、电流以及任意两点电压之间的关系可根据欧姆定律及电动势的定义得出。复杂的直流网络可根据G.R.基尔霍夫方程组求解。它包括节点电流方程和回路电压方程两部分，前者指出，对于任一节点（3个或3个以上支路的交点），流入和流出节点的各电流的代数和为零，这是恒定条件的要求，后者指出，对于任一闭合回路（网格），各部分电压降的代数和为零，这是静电场环路定理的结果，两者构成了完备的方程组。测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪表称为直流仪表。常用的有电流计，安培计，伏特计，电桥，电势差计等。直流电源有化学电池，燃料电池，温差电池，太阳能电池，直流发电机等。直流电主要应用于各种电子仪器，电解，电镀，直流电力拖动等方面。在电力传输上，19世纪80年代以后，由于不便于将直流电低电压升至高电压进行远距离传输，直流输电曾让位于交流输电。20世纪60年代以来，由于采用高电压、大功率变流器将直流电变为交流电，直流输电系统又重新受到重视并获得新的发展。直流电源的设计一、 设计目的学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。二、 设计任务及要求设计并制作一个连续可调直流稳压电源，主要技术指标要求：共有2路直流输出电源：+，-15v/A电压调整率：S小于或等于0.2%负载调整率小于或等于1%抑制比大于等于35dB设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量，交指导教师审核。批准后，进实验室进行组装、调试，并测试其主要性能参数。三、 设计步骤电路图设计确定目标：设计整个系统是由那些模块组成，各个模块之间的信号传输，并画出直流稳压电源方框图。系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。总电路图：连接各模块电路。将各模块电路连起来，整机调试，并测量该系统的各项指标。四、设计思路直流稳压电源设计思路电网供电电压交流220V(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。降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电。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。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。直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将220V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，见图1。图1直流稳压电源方框图其中：电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图3所示。图2整流电路图3输出波形图在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.1〜1.2)U2，直流输出电流：(I2是变压器副边电流的有效值。)，稳压电路可选集成三端稳压器电路。总体原理电路见图4。图4稳压电路原理图设计方法简介根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。LM317系列和IM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图4和图5.图4管脚图图5典型电路输出电压表达式为：式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值，一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10pF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。LM317其特性参数：输出电压可调范围：1.2V〜37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差AU=Ui-Uo：3〜40V能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。选择电源变压器确定副边电压U2:根据性能指标要求：Uomin=3VUomax=9V又•「Ui-Uomax>(Ui-Uo)minUi-Uoin<(Ui-Uo)max其中：(Ui-Uoin)min=3V，(Ui-Uo)max=40V・.・12V<Ui<43V此范围中可任选：Ui=14V=Uo1根据Uo1=(1.1〜1.2)U2可得变压的副边电压：确定变压器副边电流I2*.*Io1=Io又副边电流I2=(1.5〜2)IO1取IO=IOmax=800mA则I2=1.5大0.8A=1.2A选择变压器的功率变压器的输出功率：Po>I2U2=14.4W选择整流电路中的二极管变压器的副边电压U2=12V..・桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBR=50V>17V最大整流电流IF=1A>0.4A（4）滤波电路中滤波电容的选择滤波电容的大小可用式求得。1） 求心：根据稳压电路的的稳压系数的定义：设计要求△Uo<15mV，SV<0.003Uo=+3V〜+9VUi=14V代入上式，则可求得AUi2） 滤波电容C设定Io=Iomax=0.8A,t=0.01S则可求得C。电路中滤波电容承受的最高电压为，所以所选电容器的耐压应大于17V。注意：因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。五、 实验设备及元器件万用表2.示波器3.交流毫伏表4.三端可调的稳压器LM317一片六、 测试要求1.测试并记录电路中各环节的输出波形。测量稳压电源输出电压的调整范围及最大输出电流。测量输出电阻R