直流電源及設(shè)計(jì)

直流電源的概念能使電路中形成恒定電流的裝置，如干電池、蓄電池、直流發(fā)電機(jī)等，稱為直流電源。直流電源有正負(fù)兩個(gè)電極，正極的電勢(shì)高，負(fù)極的電勢(shì)低；當(dāng)兩個(gè)電極與電路連通后，直流電源能維持兩個(gè)電極之間的恒定電勢(shì)差，從而在外電路中形成由正極到負(fù)極的恒定電流。要使直流電源兩極間的電勢(shì)差保持恒定必須使在外電路中由正極流到負(fù)極的正電荷，在電源內(nèi)部逆著電場(chǎng)力的方向，由負(fù)極返回到正極去。這個(gè)過(guò)程不能靠靜電力，只能靠某種與靜電力方向相反的“非靜電力”來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，電源就是一種提供非靜電力的裝置，通過(guò)非靜電力做功，把非電能轉(zhuǎn)化為正負(fù)電極之間的電勢(shì)能。表征電源特征的重要物理量有兩個(gè)：一個(gè)是電源電動(dòng)勢(shì)E，另一個(gè)是電源的內(nèi)電阻（簡(jiǎn)稱內(nèi)阻）r0。直流電源的類型很多，不同類型的直流電源，非靜電力的性質(zhì)不同，能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程也不同。例如，在化學(xué)電池中，非靜電力來(lái)自與離子的溶解和沉積過(guò)程相聯(lián)系的化學(xué)作用，化學(xué)電池放電時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和電路中的內(nèi)能。在直流發(fā)電機(jī)中，非靜電力來(lái)自電磁感應(yīng)作用，直流發(fā)電機(jī)供電時(shí)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能和電路中的內(nèi)能。直流電源的分類：直流穩(wěn)定電源按習(xí)慣可分為化學(xué)電源，線性穩(wěn)定電源和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)定電源，它們又分別具有各種不同類型：化學(xué)電源：我們平常所用的干電池、鉛酸蓄電池、鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池均屬于這一類各有其優(yōu)缺點(diǎn)。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)研制人員發(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)間長(zhǎng)，多次充電后仍保持性能良好的環(huán)保型充電電池。線性穩(wěn)定電源：線性穩(wěn)定電源有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來(lái)穩(wěn)定輸出。由于調(diào)整管靜態(tài)損耗大，需要安裝一個(gè)很大的散熱器給它散熱。而且由于變壓器工作在工頻（50Hz）上，所以重量較大。該類電源優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高,紋波小，可靠性高，易做成多路，輸出連續(xù)可調(diào)的成品。缺點(diǎn)是體積大、較笨重、效率相對(duì)較低。這類穩(wěn)定電源又有很多種，從輸出性質(zhì)可分為穩(wěn)壓電源和穩(wěn)流電源及集穩(wěn)壓、穩(wěn)流于一身的穩(wěn)壓穩(wěn)流（雙穩(wěn)）電源。從輸出值來(lái)看可分定點(diǎn)輸出電源、波段開(kāi)關(guān)調(diào)整式和電位器連續(xù)可調(diào)式幾種。從輸出指示上可分指針指示型和數(shù)字顯示式型等開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源：與線性穩(wěn)壓電源不同的一類穩(wěn)電源就是開(kāi)關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，它的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。它和線性電源的根本區(qū)別在于它變壓器不工作在工頻而是工作在幾十千赫茲到幾兆赫茲。功能管不是工作在飽和及截止區(qū)即開(kāi)關(guān)狀態(tài)開(kāi)關(guān)電源因此而得名。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是體積小,重量輕，穩(wěn)定可靠;缺點(diǎn)相對(duì)于線性電源來(lái)說(shuō)紋波較大(一般<1%VO(P-P)，好的可做到十幾mV(P-P)或更小)。它的功率可自幾瓦一幾千瓦均有產(chǎn)品。價(jià)位為3元一十幾萬(wàn)元/瓦,下面就一般習(xí)慣分類介紹幾種開(kāi)關(guān)電源：、AC/DC電源該類電源也稱一次電源，它自電網(wǎng)取得能量，經(jīng)過(guò)高壓整流濾波得到一個(gè)直流高壓，供DC/DC變換器在輸出端獲得一個(gè)或幾個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，功率從幾瓦一幾千瓦均有產(chǎn)品，用于不同場(chǎng)合。屬此類產(chǎn)品的規(guī)格型號(hào)繁多，據(jù)用戶需要而定通信電源中的一次電源(AC220輸入,DC48V或24V輸出)也屬此類.、DC/DC電源在通信系統(tǒng)中也稱二次電源，它是由一次電源或直流電池組提供一個(gè)直流輸入電壓，經(jīng)DC/DC變換以后在輸出端獲一個(gè)或幾個(gè)直流電壓。、通信電源通信電源其實(shí)質(zhì)上就是DC/DC變換器式電源，只是它一般以直流一48V或一24V供電，并用后備電池作DC供電的備份，將DC的供電電壓變換成電路的工作電壓，一般它又分中央供電、分層供電和單板供電三種，以后者可靠性最高。、電臺(tái)電源電臺(tái)電源輸入AC220V/110V,輸出DC13.8V,功率由所供電臺(tái)功率而定，幾安幾百安均有產(chǎn)品.為防止AC電網(wǎng)斷電影響電臺(tái)工作，而需要有電池組作為備份，所以此類電源除輸出一個(gè)13.8V直流電壓外，還具有對(duì)電池充電自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。、模塊電源隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,對(duì)電源可靠性、容量/體積比要求越來(lái)越高，模塊電源越來(lái)越顯示其優(yōu)越性，它工作頻率高、體積小、可靠性高,便于安裝和組合擴(kuò)容，所以越來(lái)越被廣泛采用。目前,目前國(guó)內(nèi)雖有相應(yīng)模塊生產(chǎn)，但因生產(chǎn)工藝未能趕上國(guó)際水平，故障率較高。DC/DC模塊電源目前雖然成本較高，但從產(chǎn)品的漫長(zhǎng)的應(yīng)用周期的整體成本來(lái)看,特別是因系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的高昂的維修成本及商譽(yù)損失來(lái)看，選用該電源模塊還是合算合算的，在此還值得一提的是羅氏變換器電路，它的突出優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高和輸出電壓、電流的紋波值接近于零。大小和方向都不隨時(shí)間變化的電流。又稱恒定電流。所通過(guò)的電路稱直流電路，是由直流電源和電阻構(gòu)成的閉合導(dǎo)電回路。在該電路中，形成恒定的電場(chǎng)，在電源外，正電荷經(jīng)電阻從高電勢(shì)處流向低電勢(shì)處，在電源內(nèi)，靠電源的非靜電力的作用，克服靜電力，再?gòu)牡碗妱?shì)處到達(dá)高電勢(shì)處，如此循環(huán)，構(gòu)成閉合的電流線。所以，在直流電路中，電源的作用是提供不隨時(shí)間變化的恒定電動(dòng)勢(shì)，為在電阻上消耗的焦耳熱補(bǔ)充能量。在比較簡(jiǎn)單的直流電路中，電源電動(dòng)勢(shì)、電阻、電流以及任意兩點(diǎn)電壓之間的關(guān)系可根據(jù)歐姆定律及電動(dòng)勢(shì)的定義得出。復(fù)雜的直流網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)G.R.基爾霍夫方程組求解。它包括節(jié)點(diǎn)電流方程和回路電壓方程兩部分，前者指出，對(duì)于任一節(jié)點(diǎn)（3個(gè)或3個(gè)以上支路的交點(diǎn)），流入和流出節(jié)點(diǎn)的各電流的代數(shù)和為零，這是恒定條件的要求，后者指出，對(duì)于任一閉合回路（網(wǎng)格），各部分電壓降的代數(shù)和為零，這是靜電場(chǎng)環(huán)路定理的結(jié)果，兩者構(gòu)成了完備的方程組。測(cè)量直流電路中電流、電壓、電阻、電源電動(dòng)勢(shì)等物理量的儀表稱為直流儀表。常用的有電流計(jì)，安培計(jì)，伏特計(jì)，電橋，電勢(shì)差計(jì)等。直流電源有化學(xué)電池，燃料電池，溫差電池，太陽(yáng)能電池，直流發(fā)電機(jī)等。直流電主要應(yīng)用于各種電子儀器，電解，電鍍，直流電力拖動(dòng)等方面。在電力傳輸上，19世紀(jì)80年代以后，由于不便于將直流電低電壓升至高電壓進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，直流輸電曾讓位于交流輸電。20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于采用高電壓、大功率變流器將直流電變?yōu)榻涣麟姡绷鬏旊娤到y(tǒng)又重新受到重視并獲得新的發(fā)展。直流電源的設(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)基本理論在實(shí)踐中綜合運(yùn)用的初步經(jīng)驗(yàn)，掌握模擬電路設(shè)計(jì)的基本方法、設(shè)計(jì)步驟，培養(yǎng)綜合設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。學(xué)會(huì)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法和性能指標(biāo)測(cè)試方法。培養(yǎng)實(shí)踐技能，提高分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。二、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，主要技術(shù)指標(biāo)要求：共有2路直流輸出電源：+，-15v/A電壓調(diào)整率：S小于或等于0.2%負(fù)載調(diào)整率小于或等于1%抑制比大于等于35dB設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，選擇電路元件，計(jì)算確定元件參數(shù)，畫出實(shí)用原理電路圖。自擬實(shí)驗(yàn)方法、步驟及數(shù)據(jù)表格，提出測(cè)試所需儀器及元器件的規(guī)格、數(shù)量，交指導(dǎo)教師審核。批準(zhǔn)后，進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行組裝、調(diào)試，并測(cè)試其主要性能參數(shù)。三、 設(shè)計(jì)步驟電路圖設(shè)計(jì)確定目標(biāo)：設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)是由那些模塊組成，各個(gè)模塊之間的信號(hào)傳輸，并畫出直流穩(wěn)壓電源方框圖。系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。參數(shù)選擇：根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)的要求，確定各模塊電路中元件的參數(shù)。總電路圖：連接各模塊電路。將各模塊電路連起來(lái)，整機(jī)調(diào)試，并測(cè)量該系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。四、設(shè)計(jì)思路直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路電網(wǎng)供電電壓交流220V(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)電壓降低獲得所需要交流電壓。降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路變成單向直流電。脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過(guò)濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。濾波后的直流電壓，再通過(guò)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。直流穩(wěn)壓電源原理直流穩(wěn)壓電源是一種將220V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(gè)環(huán)節(jié)才能完成，見(jiàn)圖1。圖1直流穩(wěn)壓電源方框圖其中：電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。整流電路常采用二極管單相全波整流電路，電路如圖2所示。在u2的正半周內(nèi)，二極管D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止；u2的負(fù)半周內(nèi)，D3、D4導(dǎo)通，D1、D2截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過(guò)的負(fù)載電阻RL，且方向是一致的。電路的輸出波形如圖3所示。圖2整流電路圖3輸出波形圖在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即。電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為(U2是變壓器副邊電壓有效值)。在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過(guò)電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：Uo1=(1.1?1.2)U2，直流輸出電流：(I2是變壓器副邊電流的有效值。)，穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路?？傮w原理電路見(jiàn)圖4。圖4穩(wěn)壓電路原理圖設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的性能指標(biāo)，選擇集成三端穩(wěn)壓器。因?yàn)橐筝敵鲭妷嚎烧{(diào)，所以選擇三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器?？烧{(diào)式集成穩(wěn)壓器，常見(jiàn)主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，337系列穩(wěn)壓器輸出連可調(diào)的負(fù)電壓，可調(diào)范圍為1.2V~37V，最大輸出電流為1.5A。穩(wěn)壓內(nèi)部含有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)壓電源。LM317系列和IM337系列的引腳功能相同，管腳圖和典型電路如圖4和圖5.圖4管腳圖圖5典型電路輸出電壓表達(dá)式為：式中，1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的固有參考電壓，此電壓加于給定電阻兩端，將產(chǎn)生一個(gè)恒定電流通過(guò)輸出電壓調(diào)節(jié)電位器，電阻常取值，一般使用精密電位器，與其并聯(lián)的電容器C可進(jìn)一步減小輸出電壓的紋波。圖中加入了二極管D，用于防止輸出端短路時(shí)10pF大電容放電倒灌入三端穩(wěn)壓器而被損壞。LM317其特性參數(shù)：輸出電壓可調(diào)范圍：1.2V?37V輸出負(fù)載電流：1.5A輸入與輸出工作壓差A(yù)U=Ui-Uo：3?40V能滿足設(shè)計(jì)要求,故選用LM317組成穩(wěn)壓電路。選擇電源變壓器確定副邊電壓U2:根據(jù)性能指標(biāo)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此范圍中可任選：Ui=14V=Uo1根據(jù)Uo1=(1.1?1.2)U2可得變壓的副邊電壓：確定變壓器副邊電流I2*.*Io1=Io又副邊電流I2=(1.5?2)IO1取IO=IOmax=800mA則I2=1.5大0.8A=1.2A選擇變壓器的功率變壓器的輸出功率：Po>I2U2=14.4W選擇整流電路中的二極管變壓器的副邊電壓U2=12V..?橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為：查手冊(cè)選整流二極管IN4001，其參數(shù)為：反向擊穿電壓UBR=50V>17V最大整流電流IF=1A>0.4A（4）濾波電路中濾波電容的選擇濾波電容的大小可用式求得。1） 求心：根據(jù)穩(wěn)壓電路的的穩(wěn)壓系數(shù)的定義：設(shè)計(jì)要求△Uo<15mV，SV<0.003Uo=+3V?+9VUi=14V代入上式，則可求得AUi2） 濾波電容C設(shè)定Io=Iomax=0.8A,t=0.01S則可求得C。電路中濾波電容承受的最高電壓為，所以所選電容器的耐壓應(yīng)大于17V。注意：因?yàn)榇笕萘侩娊怆娙萦幸欢ǖ睦@制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常并入瓷介質(zhì)小容量電容用來(lái)抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。五、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及元器件萬(wàn)用表2.示波器3.交流毫伏表4.三端可調(diào)的穩(wěn)壓器LM317一片六、 測(cè)試要求1.測(cè)試并記錄電路中各環(huán)節(jié)的輸出波形。測(cè)量穩(wěn)壓電源輸出電壓的調(diào)整范圍及最大輸出電流。測(cè)量輸出電阻R