直流穩(wěn)壓電源設(shè)計5

1、3.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計思路二、設(shè)計任務(wù)設(shè)計指標(biāo)：輸入電壓：三相交流380伏、50赫茲。輸出功率：2KW；輸出電壓：DC110V用集成電路芯片或分立元件組成觸發(fā)電路。當(dāng)整流負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動較小時，應(yīng)采用三相整流電路，其交流側(cè)由三相電源供電。三相可控整流電路中，最基本的是三相半波可控整流電路，三相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載為得到零線，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波電流流入電網(wǎng)。三個晶閘管分別接入a,b,c三相電源，它們的陰極連接在一起，稱為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路有共端連接方便假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管并用VD表示，該電路就成為三相半波不可控整

2、流電路，以下首先分析其工作情況。此時，三個二極管對應(yīng)的相電壓中哪一個的值較大，則該相對應(yīng)的二級管導(dǎo)通，并使另兩相的二極管承受反壓關(guān)斷，輸出整流電壓即為該相的相的相電壓。當(dāng)=0°時，變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形如圖所示，另兩相電流在電子電路及設(shè)備中一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。這次設(shè)計的直流電源為單相小功率電源，它將頻率為50Hz、有效值為380V的三相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)壓、輸出電流為110安的直流電壓。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架獨立控制方式，每節(jié)車采用二套獨立的整流調(diào)壓電路，分別向相應(yīng)的轉(zhuǎn)向架供電。牽引繞組a1b lx l和a2一x2供電給主整流器70V，組成前轉(zhuǎn)向架供電單元；牽

3、引繞組a3b3一x3和a4一x4供電給主整流器80V組成后轉(zhuǎn)向架供電單元。   以前轉(zhuǎn)向架單元為例，整流電路為三段不等分整流調(diào)壓電路。其中各段繞組的電壓為：    Ua2x2Ua1x12Ua1b12Ub1x1695V三段不等分整流橋的工作順序如下所述：首先投入四臂橋，即觸發(fā)T5和T6，投入a2一x 2繞組。T5、T6、D 3和D 4順序移相，整流電壓由零逐漸升至Ud/2(Ud為總整流電壓)，D 1和D 2續(xù)流。在電流正半周時，電流路徑為a 2D37 1號導(dǎo)線平波電抗器電機7 2號導(dǎo)線D1T6x 2a2；當(dāng)電源處于負(fù)半周時，電流路徑為x2T57

4、1號導(dǎo)線平波電抗器電機7 2號導(dǎo)線D 2D1D 4a2x 2。當(dāng)T5和T6滿開放后，六臂橋投入。第一步是維持T5和T6滿開放，觸發(fā)T1和T 2，繞組a l、b l投入。電源處于正半周時，電流路徑為a2D37 1號導(dǎo)線平波電抗器電機7 2號導(dǎo)線T 2b1a1D1T6x2a2；當(dāng)電流處于負(fù)半周時，電流路徑為x 2T57 1號導(dǎo)線平波電抗器電機72號線D2a1b1T1D4a2x2。此時，T 1、T 2、D 1和D 2順序移相，整流電壓在(1/23/4)Ud之間調(diào)節(jié)。當(dāng)T 1和T 2滿開放后，T 1、T 2、T5和T6維持滿開放，并觸發(fā)T 3和T 4、b lx l繞組再投入。T 3和T 4順序移相，整

5、流電壓在(3/41)Ud之間調(diào)節(jié)。當(dāng)電源處于正半周時，電流路徑為a2D 371號導(dǎo)線平波電抗器電機7 2號導(dǎo)線T4x1a1D1T6 x 2a2；當(dāng)電源處于負(fù)半周時，電流路徑為x 2T57 1號導(dǎo)線平波電抗器電機7 2號導(dǎo)線D 2a1x1T 3D 4a2x 2。    在整流器的輸出端還分別并聯(lián)了兩個電阻75R和76R，其電阻的作用有兩個：一是機車高壓空載做限壓試驗時，作整流器的負(fù)載，起續(xù)流作用；二是正常運行時，能夠吸收部分過電壓。庫用開關(guān)20QP和50QP為雙刀雙投開關(guān)。在正常運行位時，其主刀與主電路隔離，其相應(yīng)輔助接點接通受電弓升弓電磁閥，方可升弓；在庫用位時，

6、其主刀將庫用插座30XS或40XS的庫用電源分別與2M電機或3M電機的電樞正極引線22或32及總負(fù)極72或82連接，其輔助接點斷開受電弓升弓電磁閥的電源線，使其在庫用位時不能升弓。只要20QP或50QP之一在庫用位，即可在庫內(nèi)動車。同時，通過相應(yīng)的聯(lián)鎖接點可分別接通12KM和22KM或32KM和42KM，從而使1M或4M通電，以便于工廠或機務(wù)段出廠試驗時試電機轉(zhuǎn)向、出入庫及旋輪。 單相交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。其基本設(shè)計思路如下：（1）電網(wǎng)供電電壓交流380V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得

7、所需要交流電壓。（2）降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動大）。（3）脈動大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。（4）濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載RL。穩(wěn)壓電路濾波電路整流電路變壓器交流電源按、基本流程圖3.2直流穩(wěn)壓電源基本原理 直流穩(wěn)壓電源是一種將380V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成。變壓環(huán)節(jié)由于直流電壓源輸入電壓為380V電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值遠(yuǎn)小于電網(wǎng)電壓，因此需通過電源

8、變壓器降壓后，再對小幅交流電壓進(jìn)行處理。變壓器的電壓比及副邊電壓有效值取決于電路設(shè)計和實際需要。 整流環(huán)節(jié)變壓器變壓器副邊電壓通過整流電路從交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動電壓，半波整流電路和全波整流電路的輸出波形如上圖所畫。可以看出，他們均含有較大的交流分量，會影響負(fù)載電路的正常工作；例如，交流分量將混入輸入信號被放大電路放電，甚至在放大電路的輸出端所混入的電源交流分量大于有用信號；因而不能直接作為電子電路的供電電源。應(yīng)當(dāng)指出，圖中整流電路輸出端所畫波形是未接濾波電路時的波形，接入濾波電路后波形將有所變化。本設(shè)計采用單相橋式整流電路，這種整流電路克服了單項半波整流電

9、路輸出電壓低，交流分量大（即脈沖大），效率低等缺點。濾波環(huán)節(jié)為了減小電壓的脈動，需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑理想情況下，應(yīng)將交流分量全部濾掉，使濾波電路的輸出電壓僅為直流電壓。對于穩(wěn)定性不高的電子電路，整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源。本設(shè)計采用LC濾波電路，這種電路具有較強適應(yīng)性，帶負(fù)載能力較強。二極管的導(dǎo)通角較大，整流管的沖擊電流較小。穩(wěn)壓環(huán)節(jié) 雖然整流濾波電路能將交流電壓變換成較為平滑的直流電壓，但是，一方面，由于輸入電壓平均值取決于變壓器副邊電壓的有效值，所以電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓平均值也隨之產(chǎn)生；另一方面，由于整流電路內(nèi)阻存在，當(dāng)負(fù)載變化時，內(nèi)阻上的電壓將產(chǎn)生變化。

10、因此，整流濾波電路輸出電壓會隨著電網(wǎng)電壓的波動而波動，隨著負(fù)載電阻的變化而變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，必須采用穩(wěn)壓措施。 3.3各部分電路設(shè)計變壓電路設(shè)計變壓電路相對簡單，僅有一個單相變壓器，變壓器將V市電轉(zhuǎn)化為電路能承擔(dān)的電壓。理想變壓器滿足I/I=U/U=N/N=1/n,因此P=P=UI=UI.變壓器副邊與原邊的功率比為P/P=,式中是變壓器的效率 。根據(jù)電路需要選擇適當(dāng)?shù)膯蜗嘧儔浩?。整流電路設(shè)計整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。有半波整流和全波整流，最常用的是單相橋式整流電路。本設(shè)計也采用了單相橋式整流電路，所謂橋式整流電路，就是用二極管組成一個整流電橋。當(dāng)輸入電壓處于交流

11、電壓正半周時，二極管D、負(fù)載電阻RL、D構(gòu)成一個回路輸出電壓Uo=ui-UD-UD。輸入電壓處于交流電壓負(fù)半周時，二極管D、負(fù)載電阻RL、D構(gòu)成一個回路，輸出電壓Uo=ui-UD-UD。整流電路設(shè)變壓器的副邊電壓有效值為,則其瞬時值=sint。當(dāng)為正半周時，電流由A點流出，經(jīng)、流入B點，因而負(fù)載電阻上的電壓等于變壓器副邊電壓，即=，和管承受的反向電壓為 -。當(dāng)為副半周時，電流由B點流出，經(jīng)流入A點，負(fù)載電阻上的電壓等于 -，即=-，承受的反向電壓為。由于和兩對二極管交替導(dǎo)通，致使負(fù)載電阻上在的整個周期內(nèi)都有電流通過，而且方向不變，輸出電壓=|sint |。單項橋式整流電路通過上述分析，可以得到

12、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路，二極管承擔(dān)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(fù)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(fù)載對電流的要求。濾波電路設(shè)計濾波的基本概念濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L 應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交

13、直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。濾波電路通常有電容濾波電感濾波和復(fù)式濾波。LC濾波電路設(shè)計由于LC濾波器具有良好的濾波性能，其帶負(fù)載能力強，二極管導(dǎo)通角大，整流管的沖擊電流小。它是電容濾波電路和電感濾波電路的結(jié)合。其電路圖如下： LC濾波是傳統(tǒng)的諧波補償手段，即LC濾波器，也稱為無源濾波器。穩(wěn)壓電路設(shè)計穩(wěn)壓要求經(jīng)整流濾波后輸出的直流電壓，雖然平滑程度較好，但其穩(wěn)定性是比較差的。其原因主要有以下幾個方面： 1由于輸入電壓（市電）不穩(wěn)定（通常交流電網(wǎng)允許有10的波動），而導(dǎo)致整流濾波電路輸出直流電壓不穩(wěn)定； 2當(dāng)負(fù)載RL變化（即負(fù)載電流IL變化時，由于整流濾波電路存在一

14、定的內(nèi)阻，使得輸出直流電壓發(fā)生變化； 3. 當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，引起電路元件（特別是半導(dǎo)體器件）參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生變化。 所以，經(jīng)整流濾波后的直流電壓，必須采取一定的穩(wěn)壓措施，才能適合電子設(shè)備的需要。常用的穩(wěn)壓電路有并聯(lián)型和串聯(lián)型穩(wěn)壓電路兩種類型。 穩(wěn)壓原理 對任何穩(wěn)壓電路都應(yīng)從兩個方面考察其穩(wěn)壓特性，一是電網(wǎng)電壓波動，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定；二是設(shè)負(fù)載變化，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定。 穩(wěn)壓二極管是一個特殊的面接觸型的半導(dǎo)體硅二極管，其V-A特性曲線與普通二極管相似，但反向擊穿曲線比較陡穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，由于它在電路中與適當(dāng)電陰配合后能起到穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)

15、壓管反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小，當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然猛增，穩(wěn)壓管從而反向擊穿，此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓的變化卻相當(dāng)小，利于這一特性，穩(wěn)壓管訪問就在電路到起到穩(wěn)壓的作用了。而且，穩(wěn)壓管與其它普能二極管不同之反向擊穿是可逆性的，當(dāng)去掉反向電壓穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常，但如果反向電流超過允許范圍，二極管將會發(fā)熱擊穿，所以，與其配合的電阻往往起到限流的作用。 有穩(wěn)壓二極管和限流電阻R所組成的穩(wěn)壓電路是一種最簡單的穩(wěn)壓電路。其具體圖如下： 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，不能滿足很多場合下的應(yīng)用。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)，利用晶

16、體管的放大作用，增大負(fù)載電流；在電路中引入深度負(fù)反饋是輸出電壓穩(wěn)定；并且通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是輸出電壓可調(diào)。 基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路 在上圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，負(fù)載電流變化范圍等于穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定電流和最小穩(wěn)壓電流之差（）。將穩(wěn)壓管電路輸出電流作為晶體管的基極電流，而晶體管發(fā)射極電流作為負(fù)載電流，電路采用射極輸出形式。電路引入的是電壓負(fù)反饋，能夠穩(wěn)定輸出電壓。但它們與一般共集放大電路有著明顯區(qū)別：在工作電源不穩(wěn)定，“輸出電壓”為穩(wěn)定電壓，并且要求輸出電壓在變化或負(fù)載電阻變化時基本不變。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動引起增大，負(fù)載電阻增大時，輸出電壓將隨之增大，極晶體管發(fā)射極電位升高；穩(wěn)壓管端電壓基本不變，即晶體管基

17、基點位基本不變；故晶體管的（=-）減小，導(dǎo)致（）減少，從而使減??；因此可以保持基本不變。當(dāng)減小或負(fù)載電阻減小時，變化與上述過程相反。可見，晶體管的調(diào)節(jié)作用使穩(wěn)定，所以晶體管為為調(diào)整管。根據(jù)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流的分析已知，晶體管基極的最大電流為（），因此，最大負(fù)載電流為： 這也就大大提高了負(fù)載電流的調(diào)節(jié)范圍。輸出電壓為 =-從上述穩(wěn)壓過程可知，想要是調(diào)整管起到調(diào)整作用，必須使工作在放大狀態(tài)，因此其管壓降應(yīng)大于飽和管壓降；電路應(yīng)滿足>=+的條件。由于調(diào)整管與負(fù)載相串聯(lián)，故稱這類電路為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源；由于調(diào)整管工作在線性區(qū)，故稱這類電路為線性穩(wěn)壓電源?？烧{(diào)穩(wěn)壓電路實用設(shè)計電路往往要求輸出電壓

18、可調(diào)，增加穩(wěn)定性，所以在基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)上引入放大環(huán)節(jié)。構(gòu)成具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，其電路圖如下： 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路輸出電壓可調(diào)范圍：在理想運放條件下，。所以，當(dāng)電位器滑動到最上端時，輸出電壓最小，為當(dāng)電位器的滑動端在最下端是，輸出電壓最大，為 若，則輸出電壓9V<<18V.調(diào)整管的選擇：調(diào)整管的最大集電極電流 調(diào)整管承受的最大管壓降 調(diào)整管的最大功率損耗 在選擇T管時，應(yīng)保證其最大集電極電流、集電極和發(fā)射極之間的反向擊穿電壓和集電極最大耗散功率滿足 3.4 總電路設(shè)計總電路圖電路工作原理 變壓電路將380市電經(jīng)過電源變壓器降壓后，變成150V左右的低幅交

19、流電。再通過整流電路將交流電流整流，將正弦波電壓變成單一方向的脈動電壓。然后通過LC濾波電路濾波，是輸出電壓平緩。最后通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓，采用具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)定輸出電壓，該電路可調(diào)節(jié)輸出電壓，集成運放工作在深度負(fù)反饋，輸出電阻趨于零，因而電壓相當(dāng)穩(wěn)定。3.5直流穩(wěn)壓電源的相關(guān)參數(shù)對于直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，要考慮到其中幾項重要參數(shù)，如輸出電壓，輸出電流的平均值，以及脈動穩(wěn)定系數(shù)等。對于輸入電壓，穩(wěn)壓管和限流電阻的選擇也是不可忽視的。在此章節(jié)對其進(jìn)行相關(guān)計算和總結(jié)。1).輸出電壓平均值就是負(fù)載電阻上電壓的平均值。=sintd(t)推導(dǎo)計算得=0.45負(fù)載電流的平均值= 將整流輸出電壓的基波峰值與輸出電壓平均值之比定義為整流輸出電壓的脈動系數(shù)S，即可得出：S=/則單項橋式整流電路，輸出電壓的平均值=sin