開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與制作

1、開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)與制作摘 要：本文主要介紹一種簡(jiǎn)易型單管自激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍、并結(jié)合實(shí)際按給定參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的原理和protel應(yīng)用的介紹，給出了開(kāi)關(guān)電源的使用方法。主要涉及電源、變壓器、濾波器以及整流電路的介紹。關(guān)鍵詞 開(kāi)關(guān)電源 、protel 99 se、整流電路、原理設(shè)計(jì)switching power supply design and productionabstract: this paper presents a simple single-tube self-excited switching power supply of the working

2、 principles, characteristics and applications, combined with the actual design of the given parameters. switching power supply through the application of the principle and the introduction protel given switching power supply is used. mainly related to power supply, transformer, filter and rectifier

3、circuit introduction. key words switching power supply, protel 99 se, rectifier circuits, principles of design目 錄第1章 緒 論41.1.課題的背景41.2開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展概述5第二章 開(kāi)關(guān)電源工作原理62.1 開(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)62.2單管自激式變換器開(kāi)關(guān)電源的工作原理62.2.1整流電路的工作原理分析72.2.2變壓器的工作原理分析102.2.3 濾波器的工作原理分析182.3 主要性能參數(shù)21第三章 利用multisim8仿真系統(tǒng)對(duì)電路進(jìn)行仿真22第四章 pcb板的設(shè)計(jì)244.1印

4、制電路板設(shè)計(jì)一般步驟24設(shè)計(jì)感言27致 謝28第一章 緒 論1.1.課題的背景在電子線路的相關(guān)應(yīng)用中，電源是其必不可少的部分，電源系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣和性能的可靠性直接決定著整個(gè)電子設(shè)備的質(zhì)量。直流穩(wěn)壓電源作為直流能量的提供者，在各種電子設(shè)備中有著極其重要的地位，它的性能良好與否直接影響到電子產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性。隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，電源技術(shù)也得到了很大的發(fā)展，它從過(guò)去一個(gè)不太復(fù)雜的電子線路發(fā)展到今天具有較強(qiáng)功能的模塊。人們對(duì)電源的質(zhì)量、功能和性能要求也隨之變的越來(lái)越高?，F(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源是指電壓調(diào)整功能的器件始終在線性放大區(qū)的直

5、流穩(wěn)壓電源。將220v、50hz的工頻電壓經(jīng)過(guò)線性變壓器降壓以后，經(jīng)過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓，輸出一個(gè)直流電壓。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源簡(jiǎn)稱開(kāi)關(guān)電源，它是指電壓調(diào)整作用的期間始終以開(kāi)關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓源的優(yōu)點(diǎn)是：電源穩(wěn)定度及負(fù)載穩(wěn)定度較高；輸出紋波電壓小；瞬態(tài)響應(yīng)速度快；線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修；沒(méi)有開(kāi)關(guān)干擾。缺點(diǎn)是：功耗大、效率低，其效率一般只有35%60%，體積大、質(zhì)量重、不能微小型化；必須有較大容量的濾波電容。其中，交換效率低下是線性穩(wěn)壓電源的重要缺點(diǎn)，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。在這種背景下，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)運(yùn)而生。任何電子設(shè)備均需直流電源來(lái)供給電路工作，特別是采用電網(wǎng)供電的電子產(chǎn)品，為了適應(yīng)

6、電網(wǎng)電壓波動(dòng)和電路的工作狀態(tài)變化，更需要具備適應(yīng)這種變化的直流穩(wěn)壓電源。但開(kāi)關(guān)電源的主要缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜。根據(jù)比較，我們選擇開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的最大優(yōu)點(diǎn)就是轉(zhuǎn)換效率高，特別是在高壓變低壓而且電壓差很大的時(shí)候，這種情況下線性電源效率極低發(fā)熱嚴(yán)重。開(kāi)關(guān)電源還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以把低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓，這是線性電源無(wú)法做到的。開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是紋波通常比線性電源大。1.2開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展概述隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，特別是微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的開(kāi)發(fā)利用，孕育了電子系統(tǒng)的新一代產(chǎn)品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源已經(jīng)過(guò)時(shí)。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開(kāi)關(guān)

7、電源。隔離式開(kāi)關(guān)電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產(chǎn)生一路或多路經(jīng)調(diào)整的穩(wěn)定直流電壓。早在70年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，集成化的開(kāi)關(guān)電源就已被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通信設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。這是由于開(kāi)關(guān)電源能夠滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)多種電壓和電流的需求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高度發(fā)展，高反壓快速開(kāi)關(guān)晶體管使無(wú)工頻變壓器的開(kāi)關(guān)電源迅速實(shí)用化。而半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展又為開(kāi)關(guān)電源控制電路的集成化奠定了基礎(chǔ)，適應(yīng)各類開(kāi)關(guān)電源控制要求的集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)運(yùn)而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接元件越來(lái)越少，使得開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和調(diào)整工作

8、日益簡(jiǎn)化，成本也不斷下降。目前己形成了各類功能完善的集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器系列。近年來(lái)高反壓mos大功率管的迅速發(fā)展，又將開(kāi)關(guān)電源的工作頻率從20khz提高到150一200khz，其結(jié)果是使整個(gè)開(kāi)關(guān)電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開(kāi)關(guān)電源的性能價(jià)格比達(dá)到了前所未有的水平，使它在與線性電源的競(jìng)爭(zhēng)中具有先導(dǎo)之勢(shì)。當(dāng)然開(kāi)關(guān)電源能被工業(yè)所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優(yōu)勢(shì)。在70年代后期，功率在100w以上的開(kāi)關(guān)電源是有競(jìng)爭(zhēng)力的。到1980年，功率在50w以上就具有競(jìng)爭(zhēng)力了。隨著開(kāi)關(guān)電源性能的改善，到80年代后期，電子設(shè)備的消耗功率在20w以上，就要考慮使用開(kāi)關(guān)電源了。過(guò)去，開(kāi)關(guān)電源在小功率范圍內(nèi)成

9、本較高，但進(jìn)入90年代后，其成本下降非常顯著當(dāng)然這包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促進(jìn)開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的因素之一。第二章 開(kāi)關(guān)電源工作原理2.1 開(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，整機(jī)電路可分為主電路和控制電路兩部分，主電路由交流eni防電磁干擾電源濾波器、二極管整流與電容濾波、dc/dc功率變換器三個(gè)環(huán)節(jié)組成，控制電路的作用是保證主電路正常工作，同時(shí)也起到了對(duì)主電路的保護(hù)作用。圖2-1 開(kāi)關(guān)電源基本結(jié)構(gòu)dc/dc變換器是開(kāi)關(guān)電源最主要電子功率變換環(huán)節(jié)，它有兩種基本類型即脈寬調(diào)制型和諧振型。脈寬調(diào)制型用控制脈沖占空比、間斷工作來(lái)產(chǎn)生所需的

10、脈沖電壓和電流。諧振型有零電流諧振式和零電壓諧振式，電流諧振式就是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電流波形呈正弦波狀，導(dǎo)通時(shí)間快結(jié)束時(shí)，電流減為零，因而可使通/斷時(shí)開(kāi)關(guān)損耗降為零。同時(shí)也會(huì)減少浪涌電流，這種方式叫做零電流開(kāi)關(guān)方式。電壓諧振式就是通過(guò)開(kāi)關(guān)在斷開(kāi)時(shí)間里使其上的電壓呈正弦波狀，在下一次斷開(kāi)時(shí)間之前使其電壓降為零，從而減少開(kāi)關(guān)損耗和降低浪涌電壓，這種方式叫做零電壓開(kāi)關(guān)方式。諧振技術(shù)以正弦形式處理功率開(kāi)關(guān)管，使開(kāi)關(guān)管在零電流下?lián)Q流或者在零電壓下?lián)Q向，降低了開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換損耗。2.2單管自激式變換器開(kāi)關(guān)電源的工作原理它由整流濾波電路、主開(kāi)關(guān)電路、浪涌電壓吸收電路、電壓檢測(cè)電路和次級(jí)整流濾波電路等組成。其工作原理是

11、:交流輸入電壓經(jīng)過(guò)整流濾波電路變成直流電壓 ,再被開(kāi)關(guān)功率管斬波和高頻變壓器降壓 ,經(jīng)過(guò)次級(jí)整流濾波電路整流濾波獲得所需直流輸出電壓?？刂齐娐分?,光電耦合器4n35 及q2、 q3、 q4 對(duì)輸出起反饋?zhàn)饔?,以調(diào)整占空比 ,達(dá)到穩(wěn)壓的目的。電源的設(shè)計(jì)原理圖圖2-2 電源設(shè)計(jì)原理圖2.2.1整流電路的工作原理分析把交流電轉(zhuǎn)換成直流電的過(guò)程稱為整流.利用晶體二極管的單向?qū)щ娦园褑蜗嘟涣麟娹D(zhuǎn)換成直流電的電路稱為二極管單相整流電路,它有單相半波整流、單相全波整流和倍壓整流等電路。（1）單相半波整流電路圖2-3 是單相半波整流電路圖，電路由電源變壓器t、整流二極管v和負(fù)載電阻rl組成。一、 工作原理

12、設(shè)電源變壓器t的初級(jí)接交流電壓1時(shí)，在次級(jí)就感應(yīng)出交流電壓1，它的瞬時(shí)表達(dá)式是2=1.41v2sint式中2為瞬時(shí)值，v2 是交流電壓有效值，為角頻率，t為相位角。當(dāng)2為正半周即為正值時(shí)(a端為正、b端為負(fù)，a端電位高于b端電位)，二極管v導(dǎo)通，電流iv自a端經(jīng)二極管v、自上而下的流過(guò)負(fù)載rl到b端，因?yàn)槎O管正向壓降很小，可認(rèn)為負(fù)載兩端電壓l與2幾乎相等，即l2。當(dāng)2為負(fù)半周即為負(fù)值時(shí)(b端為正、a端為負(fù)，b端電位高于a端電位)， 二極管v截止，通過(guò)負(fù)載rl上的電流iv=0, 上的電流iv=0,負(fù)載上的電壓l =0?？梢?jiàn)，在交流電2 工作的全周期內(nèi)，rl上只有自上而下的單方向電流,實(shí)現(xiàn)了整流

13、。2、l、il 相應(yīng)的波形如圖所示?？梢钥闯鏊麄兊拇笮∈遣▌?dòng)的，但方向不變.這種大小波動(dòng)方向不變的電壓和電流,稱為脈動(dòng)直流電(它的波形不平滑，通常稱為含有交流成分或紋波成分)。由l 的波形可見(jiàn)，這種電路僅利用了電源電壓2 的半個(gè)波,故稱為半波整流電路，它輸出的是半波脈動(dòng)直流電。顯然，它的缺點(diǎn)是電源利用率低且輸出電壓脈動(dòng)大。圖2-3單相半波整流電路 (a)電路 (b)波形 二、負(fù)載整流二極管上的電壓和電流半波整流輸出的電壓或電流是用半波脈動(dòng)直流電壓或電流的平均值表示的。理論和實(shí)驗(yàn)都證明，負(fù)載兩端電壓l與變壓器次級(jí)電壓有效值v2 的關(guān)系是vl=0.45v2流過(guò)負(fù)載的電流il是il=vl/rl=0.

14、45v2/rl由電路圖可知，流過(guò)整流二極管的正向工作電流 iv 和流過(guò)負(fù)載rl 的電流il相等，即iv=il=0.45v2/rl當(dāng)二極管截止時(shí)，它承受的反向峰值電壓vrm 是2 的最大值，即vrm1.41v2圖2-4 橋式單相全波整流電路圖選用半波整流二極管時(shí)應(yīng)滿足下列兩個(gè)條件：(1)二極管允許的最大反向電壓應(yīng)大于承受的反向峰值電壓；(2)二極管允許的最大整流電路應(yīng)大于流過(guò)二極管的實(shí)際工作電流。（2）橋式單相全波整流電路 圖2-4 是橋式單相全波整流電路圖，簡(jiǎn)稱橋式整流電路。它是由四只接成橋式的整流二極管v1v4源變壓器t組成，rl是負(fù)載電阻。工作原理：如圖2-5(a)設(shè)2為正半周時(shí)，a端電位

15、高于b端（即a端為正，b端為負(fù)），二極管v1和v3導(dǎo)通，v2和v4截止，電流i1自a端流過(guò)v1、rl、v3到b端，它是自上而下流過(guò)rl。如圖2-5(b)所示，當(dāng)2為負(fù)半周時(shí)，b端電壓高于a端（即b端為正，a端為負(fù)），二極管v2和v4導(dǎo)通，v1和v3截止，電流i2自b端流過(guò)v2，也是自上而下的通過(guò)rl，經(jīng)v4到a端。這樣，在2整個(gè)周期內(nèi)，都有方向不變的電流通過(guò)rl,且i1和i2 疊加形成i流電路屬于全波整流類型，稱為橋式單相全波整流電路。 圖 2-5 橋式整流電路工作過(guò)程 (a) u2為正半周時(shí)的電流方向 (b) u2為負(fù)半周時(shí)的電流方向順便指出：在很多場(chǎng)合，習(xí)慣上把變壓器中心抽頭式全波整流電路

16、簡(jiǎn)稱為全波整流電路：而把橋式單相全波整流電路簡(jiǎn)稱為橋式整流電路，實(shí)質(zhì)上它們是結(jié)構(gòu)形式不同但都屬于全波整流的電路。1、負(fù)載上和整流二極管上的電壓和電流 由以上的討論可知，橋式全波整流電路和變壓器中心抽頭式全波蒸餾電路在負(fù)載rl上得到的都是全波脈動(dòng)直流電，波形是一樣的，所以負(fù)載上電壓和電流計(jì)算公式是一樣的，即vl=0.9v2il=0.9v2/rl橋式整流電路中，每個(gè)二極管在電源電壓變化一周內(nèi)只有半個(gè)周期導(dǎo)通，因此，每個(gè)二極管的平均電流值是負(fù)載電流的一半，即iv=0.5il每個(gè)二極管在截止時(shí)承受的反向峰值是2的峰值。即vrm=1.41v2橋式全波整流電路與變壓器中心抽頭式全波整流電路相比，所使用的整

17、流二極管多了一倍、但二極管承受的反向峰值電壓低了一半，而且變壓器無(wú)需中心抽頭，因而獲得廣泛的應(yīng)用。整流元件的組合件稱為整流隊(duì)，常見(jiàn)的有半橋2cq型整流堆和全橋ql型整流堆，它們的內(nèi)部電路及外形，使用一個(gè)全橋整流堆或連接兩個(gè)半橋整流堆，就可以代替四只整流二極管與電源變壓器相連，組成橋式整流電路，既方便又可靠。選用時(shí)仍應(yīng)注意它們的額定工作電流值和允許的最高反向電壓值要符合整流電路的要求。2.2.2 變壓器的工作原理分析（1）變壓器的用途變壓器是將某一數(shù)值的交流電壓變換為統(tǒng)一頻率另一數(shù)值的交流電壓的電氣設(shè)備，在工程上有著廣泛地應(yīng)用。在電力輸送方面，為了減小輸電損失，采用升壓變壓器將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓升

18、高到35kv以上，在用電目的地又通過(guò)降壓變壓器將高壓降為供用戶使用的低電壓。在整個(gè)輸配電過(guò)程中變壓器是關(guān)鍵設(shè)備。在電子儀器中，采用電源變壓器將220v電壓變?yōu)楹线m的低電壓給電路供電，起到了電壓配合和隔離作用；在電路中采用耦合變壓器來(lái)進(jìn)行信號(hào)的傳遞等。在其他方面，有實(shí)驗(yàn)用調(diào)壓器；有用于交流測(cè)量的電壓和電流互感器；有用于電焊、電爐及整流用的專用變壓器等。電子變壓器在電源中的作用：電子變壓器和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，半導(dǎo)體整流器件，電容器一起，稱為電源裝置中的4大主要元器件。根據(jù)在電源裝置中的作用，電子變壓器可以分為： 1、電壓和功率變換作用的電源變壓器，功率變壓器，整流變壓器，逆變變壓器，開(kāi)關(guān)變壓器，脈沖

19、功率變壓器； 2、起傳遞寬帶、聲頻、中周功率和信號(hào)作用的寬帶變壓器，聲頻變壓器，中周變壓器； 3、起傳遞脈沖、驅(qū)動(dòng)和觸發(fā)信號(hào)作用的脈沖變壓器，驅(qū)動(dòng)變壓器，觸發(fā)變壓器； 4、起原邊和副邊絕緣隔離作用的隔離變壓器，起屏蔽作用的屏蔽變壓器； 5、起單相變?nèi)嗷蛉嘧儐蜗嘧饔玫南鄶?shù)變換變壓器，起改變輸出相位作用的相位變換變壓器(移相器)； 6、起改變輸出頻率作用的倍頻或分頻變壓器； 7、起改變輸出阻抗與負(fù)載阻抗相匹配作用的匹配變壓器； 8、起穩(wěn)定輸出電壓或電流作用的穩(wěn)壓變壓器(包括恒壓變壓器)或穩(wěn)流變壓器，起調(diào)節(jié)輸出電壓作用的調(diào)壓變壓器；9、起交流和直流濾波作用的濾波電感器； 10、起抑制電磁干擾作用

20、的電磁干擾濾波電感器，起抑制噪聲作用的噪聲濾波電感器； 11、起吸收浪涌電流作用的吸收電感器，起減緩電流變化速率的緩沖電感器； 12、起儲(chǔ)能作用的儲(chǔ)能電感器，起幫助半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)換向作用的換向電感器； 13、起開(kāi)關(guān)作用的磁性開(kāi)關(guān)電感器和變壓器； 14、起調(diào)節(jié)電感作用的可控電感器和飽和電感器； 15、起變換電壓、電流或脈沖檢測(cè)信號(hào)的電壓互感器、電流互感器、脈沖互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱電互感器、零序電流互感器、霍爾電流電壓檢測(cè)器。（2）變壓器的基本結(jié)構(gòu)變壓器雖然種類很多，用途各不相同，但其基本結(jié)構(gòu)都是由鐵心和套裝在鐵心上的繞組組成。為了減小渦流及磁滯損耗，變壓器的鐵心是用表面涂有絕緣層、厚

21、度為0.35-0.5mm的硅鋼片疊裝而成。根據(jù)鐵心的結(jié)構(gòu)不同，分為心式和殼式兩種，繞組繞在兩側(cè)的鐵心柱上,多用于容量較大的變壓器中。它的高壓、低壓繞組都繞在中間的鐵心柱上，常用于小容量的變壓器中。繞組構(gòu)成變壓器的電路部分，一般小容量變壓器的繞組是用高強(qiáng)度漆包線繞制，大容量變壓器可用扁銅線或扁鋁線繞制。（3）單相變壓器的工作原理圖2-6為單相變壓器原理圖。通常把與電源相連接的繞組稱為一次繞組，與負(fù)載相連接的繞組稱為二次繞組。為討論方便，一般規(guī)定：凡與一次繞組有關(guān)的各量都在其下角標(biāo)以“1”，而與二次繞組有關(guān)的各量都在下角標(biāo)以“2”，例如，一次、二次電壓、電流分別用u1、u2、i1、i2表示，匝數(shù)分

22、別用n1、n2表示。 + u1 - + z - + - 圖2-6 變壓器工作原理（4）變壓原理當(dāng)變壓器的一次繞組接入交流電壓u1時(shí)，在一次繞組中便有交流電流流過(guò)，并產(chǎn)生交流磁通。該磁通的絕大部分通過(guò)鐵心同時(shí)穿過(guò)一次、二次繞組，稱為主磁通；在一次繞組產(chǎn)生的交流磁通中，還有很少一部分通過(guò)周圍空氣閉合，稱為漏磁通。通常漏磁通很少，為討論問(wèn)題方便而把它忽略不計(jì)。當(dāng)主磁通同時(shí)穿過(guò)一次、二次繞組時(shí)，就在兩個(gè)繞組中分別產(chǎn)生與電源頻率相同的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2。設(shè)一次、二次繞組匝數(shù)分別為n1、n2，則由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，一次、二次繞組上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為e1= -n1(d/dt)e2= -n2(d

23、/dt)設(shè)=msinwt代入上式計(jì)算得 e1= wn1mcoswt =2fn1msin(wt-900) =e1msin(wt-90)式中, e1m=2fn1m是一次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值,其有效值為e1=(1/1.414)fn1m=4.44fn1m (2-1)同理,二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值為 e2=4.44fn2m (2-2)當(dāng)忽略一次、二次繞組的直流電阻和漏電磁通時(shí),有u1=e1,u2=e2,將式(2-1)和式(2-2)取比值 u1/u2=e1/e2=n1/n2=k (2-3)式中,k變壓器的變化,即變壓器一次、二次繞組的匝數(shù)之比。上式表明，變壓器一次、二次側(cè)的電壓之比等于匝數(shù)之比。當(dāng)k1

24、 時(shí),u1u2，為降壓變壓器；當(dāng) k1時(shí)，u1u2，為升壓變壓器。由于u1=e1=4.44fn1m，因此在使用變壓器時(shí)必須注意：u1過(guò)高，f過(guò)低，n1過(guò)少都會(huì)引起m過(guò)大，使變壓器中用來(lái)產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流大大增加而燒壞變壓器。1、變壓原理由以上分析可知，變壓器從電網(wǎng)上吸收能量并通過(guò)電磁感應(yīng)，以另一個(gè)電壓等級(jí)把電能輸送給負(fù)載。在這個(gè)過(guò)程中，變壓器只起到能量的傳遞作用。根據(jù)能量守恒定率，在忽略了損耗的情況下，變壓器輸入、輸出的視在功率相等,即 u1i1=u2i2 i1/i2=u2/u1=1/k (2-5)式(2-5)表明,變壓器在改變電壓的同時(shí)，電流也隨之成反比例地變化，且一次、二次電流之比等于匝數(shù)

25、之反比，即變壓器具有變流功能。變換阻抗原理變壓器除能變壓和變流，還能變換阻抗，這在電信工程中有著廣泛的應(yīng)用。阻抗變換原理如圖2-7所示,圖中zl為負(fù)載阻抗，其端電壓為u2，流過(guò)的電流為i2，變壓器變比為，則 zl=u2/i2變壓器一次繞組中的電壓和電流分別為 u1=ku2,i1=i2/k從變壓器輸入端看進(jìn)去,等效的輸入阻抗zl為 圖2-7阻抗變換原理 zl=u1/i1=k2（u2/i2）=k2zl式(2-6)表明,負(fù)載阻抗zl反映到一次側(cè)的等效輸入阻抗zl,其值為zl的k2倍,因此,只需改變變壓器的匝數(shù)比,就可把負(fù)載阻抗變換為所需的數(shù)值。變壓器的同名端及繞組的正確連接 圖2-8多繞組變壓器當(dāng)變

26、壓器有多個(gè)一次繞組或二次繞組，在使用時(shí)又需要將一次繞組或二次繞組串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，就需要知道變壓器的同名端（同極性端）。如果連接錯(cuò)誤，不但得不到所需的電壓值，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)將變壓器燒壞。變壓器的同名端變壓器的同名端是這樣定義的；當(dāng)給變壓器的一次繞組（或二次各繞組）通以電流時(shí)，它們?cè)诖怕分挟a(chǎn)生的磁通方向如果相同，則稱各繞組電流的流入端為同名端，用“”表示，如圖2-8所示。其中，a、b為變壓器的一次繞組，當(dāng)電流從和3端流進(jìn)時(shí)，兩繞組產(chǎn)生的磁通方向相同，即1和3端為兩繞組的同名端。同理，2、4端也是同名端。c、d為變壓器的二次繞組，當(dāng)電流從5和7端流進(jìn)時(shí)，兩繞組產(chǎn)生的磁通方向相同，即5和7端為二次繞組的同名

27、端。變壓器的正確連接當(dāng)繞組變壓器需要進(jìn)行繞組的串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)，則要依據(jù)它的同名端進(jìn)行連接例如，一變壓器的一次側(cè)有兩個(gè)繞組，每個(gè)繞組的工作額定電壓為110v，如將變壓器接入220v交流電源，則繞組需串聯(lián)連接，正確的連接方法，如圖2-9（a）所示。如將變壓器接入110v交流電源，則繞組需并聯(lián)連接，正確的連接方法，如圖2-9(b)所示。如果同名端接錯(cuò)，則兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁通方向相反，相互抵消，使穿過(guò)倆繞組的磁通為零，兩繞組產(chǎn)生的自感器電動(dòng)勢(shì)則為零，繞組中的電流將變得很大，將導(dǎo)致兩繞組燒毀。（b）兩個(gè)繞組相并聯(lián)圖2-9 變壓器繞組的正確連接變壓器的二次繞組在鏈接時(shí)，如果將兩個(gè)二次繞組的異名端6、7兩端相連

28、，由5、8兩端輸出電壓，則輸出電壓為cd兩個(gè)繞組的輸出電壓之和；如將兩繞組的同名端57兩端響亮，由8兩端輸出電壓，則輸出電壓為cd兩繞組的輸出電壓之差。即變壓器的二次繞組可以通過(guò)不同的組合方式得到不同的電壓值。變壓器在電子電路中應(yīng)用時(shí)，有時(shí)需要考慮繞組的同名端，以判別電路是正反饋還是負(fù)反饋。（5） 單相變壓器的運(yùn)行特 對(duì)于負(fù)載而言，變壓器相當(dāng)于一個(gè)電源，要求其供電電壓相對(duì)穩(wěn)定；而對(duì)于電網(wǎng)而言，變壓器起電能傳遞作用，要求在傳遞過(guò)程中本身?yè)p耗校，效率高。因此，一般用來(lái)表示變壓器運(yùn)行特性的指標(biāo)有兩個(gè)：一是變壓器的電壓變化率，二是變壓器的效率。一、變壓器的外特性及電壓變化率當(dāng)電源電壓和負(fù)載的功率因數(shù)為

29、定值時(shí)，變壓器二次側(cè)的端電壓u2與二次側(cè)的電流i2之間的關(guān)系稱為變壓器的外特性，即u2=f(i2)，如圖2-10所示。 圖2-10變壓器的外特性從圖2-10中可以看出，變壓器的外特性與負(fù)載的大小和性質(zhì)有關(guān)。隨著負(fù)載的增大，對(duì)于純電阻性負(fù)載，端電壓下降較少；對(duì)于感性負(fù)載，端電壓下降較大；對(duì)于溶性負(fù)載，則端電壓有所上升。變壓器二次側(cè)輸出電壓隨負(fù)載而變化的程度用電壓變化率來(lái)表示。所謂電壓變化率，是指負(fù)載的功率因數(shù)一定，依次側(cè)加額定電壓，二次側(cè)空載和負(fù)載時(shí)的電壓之差的相對(duì)值，即= (u20-u2)/u20100 式中，u20二次側(cè)空載時(shí)的電壓； u2二次側(cè)負(fù)載時(shí)的電壓電壓變化率電壓變化率表示了變壓器運(yùn)

30、行時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，是變壓器的主要性能指標(biāo)之一。電力變壓器在額定運(yùn)行時(shí)，一般要求5二、變壓器的損耗與效率變壓器從電源得到的有功率p1不會(huì)全部轉(zhuǎn)為輸出功率p2，因傳輸過(guò)程中有能量損耗。變壓器存在兩種損耗：一種是電流流過(guò)一次二次繞組上的電阻時(shí)產(chǎn)生的損耗，稱為銅損耗 pcu；另一種是交變磁通在鐵心中所產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗，合稱為鐵損耗pfe。這些損耗均變?yōu)闊崃渴棺儔浩鞯臏囟壬摺８鶕?jù)能量守恒定律有 p1=p2+pcu+pfe變壓器的效率為 = p2/p1100=p2/(p2+pcu+pfe)100隨低損耗材料的使用和變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的日趨合理，電力變壓器的效率逐漸提高，目前可達(dá)95以上。（6）

31、其他用途變壓器及變壓器的應(yīng)用1 自耦變壓器普通變壓器一般指雙繞組變壓器，其一次二次繞組在電路上是互相分開(kāi)的。而自耦變壓器是一種單繞組變壓器，其中一次繞組的部分線圈兼作二次繞組。因此，自耦變壓器的一次二次繞組之間不僅有磁的耦合，在電路上還互相連通，如圖2-11所示。圖2-11自耦變壓器與普通變壓器一樣，當(dāng)一次繞組接上交流電壓u1后，鐵心中產(chǎn)生交流磁通，在n1和n2上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別為 e1=4.44fn1me2=4.44fn2m因此變壓器的變比為 k=e1/e2=n1/n2=u1/u2=i2/i1可見(jiàn),適當(dāng)選擇匝數(shù)n2就可以在二次側(cè)電路中獲得所需要電壓u2。若將二次繞組接通電源，則自耦變壓器可作

32、為升壓變壓器使用。自耦變壓器的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省銅線，效率比普通變壓器高。其缺點(diǎn)是：由于高低壓繞組在電路上是相通的對(duì)使用者構(gòu)成潛在的危險(xiǎn)，因此自耦變壓器的變比一般不超過(guò)1.52。自耦調(diào)壓器常在實(shí)驗(yàn)室中使用。注意在使用前必須把手柄轉(zhuǎn)到零位，使輸出電壓為零，以后再慢慢順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使輸出電壓逐步上升。按照電器安全操作規(guī)程，自耦變壓器不能作為安全變壓器使用，因?yàn)榫€路萬(wàn)一按錯(cuò)將可能發(fā)生觸電事故，因此規(guī)定：安全變壓器一定要采用一次繞組和二次繞組互相分開(kāi)的雙繞組變壓器。2變壓器的正確使用變壓器在工作中如果使用不當(dāng)，往往會(huì)造成變壓器的損壞。正確使用變壓器的依據(jù)是工作時(shí)盡量使變壓器工作在額定狀態(tài)，由其不能

33、時(shí)間過(guò)載。變壓器的主要額定值有：1、一次額定電壓u1n是指在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)變壓器的絕緣強(qiáng)度和容許發(fā)熱而規(guī)定在一次繞組上應(yīng)加的電壓值，在三相變壓器中是指線電壓。2、二次側(cè)額定電壓u2n是指當(dāng)變壓器空載而一次繞組的電壓為額定值時(shí)的二次繞組兩端的電壓值，在三相變壓器中也是指線電壓。3、一次側(cè)額定電流i1n是指在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)變壓器的容許發(fā)熱而規(guī)定在一次繞組中長(zhǎng)期容許通過(guò)的最大電流值，在三相變壓器中是指線電流值。4、二次側(cè)額定電流i2n是指在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)變壓器的容許發(fā)熱而規(guī)定在二次繞組中長(zhǎng)期容許通過(guò)的最大電流值，在三相變壓器中是指線電流值。5、容量sn變壓器的容量用視在功率表示，單相變壓器的容量為二次側(cè)的額定電

34、壓與額定電流的乘積，常以kv.a為單位，即 sn=u2ni2n/1000三相變壓器的容量sn=1.72u2ni2n/102.2.3 濾波器的工作原理分析（1）濾波器的功能濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。濾波器中，把信號(hào)能夠通過(guò)的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過(guò)渡帶。 （2）濾波器的分類(1)按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)

35、字濾波器兩種。(2)按所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過(guò)，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò)。(3)按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種。無(wú)源濾波器： 僅由無(wú)源元件(r、l 和c)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能

36、量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感l(wèi)較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。有源濾波器：由無(wú)源元件(一般用r和c)和有源器件(如集成運(yùn)算放大器)組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件)；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器)的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如 無(wú)源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場(chǎng)合不適用。（3） 濾波器的主要參數(shù)(1)通帶增益a0：濾波器通帶內(nèi)的電壓放

37、大倍數(shù)。(2)特征角頻率 和特征頻率fn：它只與濾波用的電阻和電容元件的參數(shù)有關(guān)，通常對(duì)于帶通(帶阻)濾波器，稱為帶通(帶阻)濾波器的中心角頻率 或中心頻率f0，是 通帶(阻帶)內(nèi)電壓增益最大(最小)點(diǎn)的頻率。(3)截止角頻率 和截止頻率f0：它是電壓增益下降到 (即)時(shí)所對(duì)應(yīng)的角頻率。必須注意 不一定等于 。帶通和帶阻濾波器有兩個(gè)(4)通帶(阻帶)寬度bw：它是帶通(帶阻)濾波器的兩個(gè)之差值。(5)等效品質(zhì)因數(shù)q：對(duì)低通和高通濾波器而言,q值等于 時(shí)濾波器電路電壓增益的模與通帶增益之比，即 ；對(duì)帶通(帶阻)濾波器而言,q值等于中心角頻率與通帶(阻帶)寬度bw之比。（4） 有源濾波器的階數(shù)有源

38、濾波器傳遞函數(shù)分母中“s”的最高“方次”稱為濾波器的“階數(shù)”。階數(shù)越高，濾波器幅頻特性的過(guò)渡帶越陡，越接近理想特性。一般情況下，一階濾波器過(guò)渡帶按每十倍頻20db速率衰減；二階濾波器每十倍頻40db速率衰減。高階濾波器可由低階濾波器串接組成。低通和高通濾波器之間的對(duì)偶關(guān)系(1)幅頻特性的對(duì)偶關(guān)系當(dāng)?shù)屯V波器和高通濾波器的通帶增益 a0、 截止頻率或f0分別相等時(shí)，兩者的幅頻特性曲線相對(duì)于垂直線f=f0對(duì)稱。(2)傳遞函數(shù)的對(duì)偶關(guān)系將低通濾波器傳遞函數(shù)中的s換成1/s，則變成對(duì)應(yīng)的高通濾波器的傳遞函數(shù)。 (3)電路結(jié)構(gòu)上的對(duì)偶關(guān)系將低通濾波器中的 起濾波作用的電容c換成電阻r，并將起濾波作用的電

39、阻r換成電容c，則低通濾波器轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的高通濾波器。（5）極性轉(zhuǎn)換極性轉(zhuǎn)換（英文：umpolung），也稱極性翻轉(zhuǎn)、極性反轉(zhuǎn)、極性顛倒，指有機(jī)化學(xué)中官能團(tuán)極性的改變，是有機(jī)合成重要概念之一。1此概念首先由德國(guó)化學(xué)家dieter seebach（迪特爾澤巴赫）與美國(guó)化學(xué)家艾里亞斯詹姆斯科里提出，極性轉(zhuǎn)換的英文名稱umpolung也由德語(yǔ)的umpolung得來(lái)，意為極性倒轉(zhuǎn)。這里的極性，指的是官能團(tuán)不同原子的親電/親核反應(yīng)性；從逆合成分析來(lái)看，是指不同原子的供電子/受電子反應(yīng)性。雜原子（如金屬原子、氧、硫、硅等）的引入會(huì)改變化學(xué)鍵的極性，從而使某一基團(tuán)的極性發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這也是極性轉(zhuǎn)換的常用技巧。這樣

40、，這個(gè)基團(tuán)既可作為正離子，也可作為負(fù)離子；既可作為供電子基團(tuán)，也可作為受電子基團(tuán)，很多看似無(wú)法獲得的合成子都可以得到，官能團(tuán)可以作為不同的“身份”來(lái)參與化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)合成反應(yīng)的范圍因此大大擴(kuò)展。2.3 主要性能參數(shù)1) 電網(wǎng)允許的電壓波動(dòng)范圍單相交流輸入，有效值波動(dòng)范圍：220 v20%，即176264 v;頻率：50 hz。2) 直流輸出電壓，電流輸出dc 12v ,1a輸出dc5v ,3a兩組輸出功率12 1 2 + 5 3 = 39w第三章 利用multisim8仿真系統(tǒng)對(duì)電路進(jìn)行仿真 multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（ni）有限公司推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬

41、/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路進(jìn)行仿真。multisim提煉了spice仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)multisim和虛擬儀器技術(shù)，pcb設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 啟動(dòng)multisim8軟件，根據(jù)電源原理圖在元件庫(kù)里找元件并畫(huà)出相應(yīng)的仿真原理圖，如圖3-1圖3-1仿真原理圖 畫(huà)完之

42、后對(duì)其檢測(cè)及仿真使其達(dá)到預(yù)期要求，仿真結(jié)果如圖3-2圖3-2仿真所得到的波形第四章 pcb板的設(shè)計(jì)4.1印制電路板設(shè)計(jì)一般步驟 印制電路板設(shè)計(jì)步驟如圖4-1，具體步驟如下：第一步：電路板框架設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)印制電路板之前，用戶要對(duì)電路板有一個(gè)初步的規(guī)劃，如電路板的邊框尺寸，采用幾層電路板，是單面板還是雙面板，各元器件采用何種封裝形式及其安裝位置等。第二步：參數(shù)設(shè)置。主要設(shè)置元器件的布置參數(shù)、板層參數(shù)、布線參數(shù)等。一般某些參數(shù)可用其默認(rèn)值，而某些參數(shù)在使用過(guò)protel 99 se之后，即第一次設(shè)置后，以后幾乎無(wú)須修改。第三步：裝入網(wǎng)絡(luò)表及元件封裝。網(wǎng)絡(luò)表是電路板自動(dòng)布線的靈魂，也是電路原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)與印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接口。元器件的封裝是指元器件的實(shí)際外形、尺寸，對(duì)于每個(gè)裝入的元器件必須有相應(yīng)的外形封裝，才能保證電路板布線的順利進(jìn)行。只有將網(wǎng)絡(luò)表裝入之后，才可能完成對(duì)電路板的自動(dòng)布線。第四步：元器件布局。protel 99 se可以對(duì)元器件進(jìn)行