1、 03.1 直流稳压电源的设计思路二、设计任务设计指标：输入电压：三相交流 380 伏、50 赫兹。输出功率：2KW；输出电压：DC110V用集成电路芯片或分立元件组成触发电路。当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，三相半波可控整流电路带电阻负载为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免 3次谐波电流流入电网。三个晶闸管分别接入 a,b,c 三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法，这种接法触发电路有共端连接方便假设将电路中的晶闸管换作二极管并用 VD 表示，该电路
2、就成为三相半波不可控整流电路，以下首先分析其工作情况。此时，三个二极管对应的相电压中哪一个的值较大，则该相对应的二级管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相的相电压。当 =0时，变压器二次侧 a 相绕组和晶闸管 VT1 的电流波形如图所示，另两相电流在电子电路及设备中一般都需要稳定的直流电源供电。这次设计的直流电源为单相小功率电源，它将频率为 50Hz、有效值为 380V 的三相交流电压转换为幅值稳压、输出电流为 110 安的直流电压。为实现转向架独立控制方式，每节车采用二套独立的整流调压电路，分别向相应的转向架供电。牵引绕组 a1b lx l 和 a2 一 x2 供电
3、给主整流器70V，组成前转向架供电单元；牵引绕组 a3b3 一 x3 和 a4 一 x4 供电给主整流器 80V 组成后转向架供电单元。以前转向架单元为例，整流电路为三段不等分整流调压电路。其中各段绕组的电压为：Ua2x2Ua1x12Ua1b12Ub1x1695V三段不等分整流桥的工作顺序如下所述：首先投入四臂桥，即触发 T5 和 T6，投入 a2 一 x 2 绕组。T5、T6、D 3 和 D 41顺序移相，整流电压由零逐渐升至 Ud/2(Ud 为总整流电压)，D 1 和 D 2 续流。在电流正半周时，电流路径为 a 2D37 1 号导线 平波电抗器电机7 2号导线D1T6x 2a2；当电源处
4、于负半周时，电流路径为 x2T57 1 号导线平波电抗器电机7 2 号导线D 2D1D 4a2x 2。当 T5 和 T6满开放后，六臂桥投入。第一步是维持 T5 和 T6 满开放，触发 T1 和 T 2，绕组a l、b l 投入。电源处于正半周时，电流路径为 a2D37 1 号导线平波电抗器电机7 2 号导线T 2b1a1D1T6x2a2；当电流处于负半周时，电流路径为 x 2T57 1 号导线平波电抗器电机72 号线D2a1b1T1D4a2x2。此时，T 1、T 2、D 1 和 D 2 顺序移相，整流电压在(1/23/4)Ud 之间调节。当 T 1 和 T 2 满开放后，T 1、T 2、T5
5、 和 T6维持满开放，并触发 T 3 和 T 4、b lx l 绕组再投入。T 3 和 T 4 顺序移相，整流电压在(3/41)Ud 之间调节。当电源处于正半周时，电流路径为 a2D 371 号导线平波电抗器电机7 2 号导线T4x1a1D1T6 x 2a2；当电源处于负半周时，电流路径为 x 2T57 1 号导线平波电抗器电机7 2 号导线D 2a1x1T 3D 4a2x 2。在整流器的输出端还分别并联了两个电阻 75R 和 76R，其电阻的作用有两个：一是机车高压空载做限压试验时，作整流器的负载，起续流作用；二是正常运行时，能够吸收部分过电压。库用开关 20QP 和 50QP 为双刀双投开
6、关。在正常运行位时，其主刀与主电路隔离，其相应辅助接点接通受电弓升弓电磁阀，方可升弓；在库用位时，其主刀将库用插座 30XS 或 40XS 的库用电源分别与 2M电机或 3M 电机的电枢正极引线 22 或 32 及总负极 72 或 82 连接，其辅助接点断开受电弓升弓电磁阀的电源线，使其在库用位时不能升弓。只要 20QP 或 50QP之一在库用位，即可在库内动车。同时，通过相应的联锁接点可分别接通 12KM和 22KM 或 32KM 和 42KM，从而使 1M 或 4M 通电，以便于工厂或机务段出厂试验时试电机转向、出入库及旋轮。单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定
7、的直流电压。其基本设计思路如下：（1）电网供电电压交流 380V(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。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大） 。（3）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。2（4）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。稳压电路滤波电路整流电路变压器交流电源按、基本流程图3.2 直流稳压电源基本原理直流稳压电源是一种将 380V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它
8、需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。交交交交交 交交交交 交交交交 交交交交交交 交交交交 交交+-交交 交交交 交交交 交交变压环节由于直流电压源输入电压为 380V 电网电压，一般情况下，所需直流电压的数值远小于电网电压，因此需通过电源变压器降压后，再对小幅交流电压进行处理。变压器的电压比及副边电压有效值取决于电路设计和实际需要。 整流环节3变压器变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如上图所画。可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电
9、路放电，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。应当指出，图中整流电路输出端所画波形是未接滤波电路时的波形，接入滤波电路后波形将有所变化。本设计采用单相桥式整流电路，这种整流电路克服了单项半波整流电路输出电压低，交流分量大（即脉冲大） ，效率低等缺点。滤波环节为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。对于稳定性不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。本设计采用 LC 滤波电路，这种电路具有较强适应性，带负载能力较强。二极管的导通角 较大，整流管
10、的冲击电流较小。稳压环节虽然整流滤波电路能将交流电压变换成较为平滑的直流电压，但是，一方面，由于输入电压平均值取决于变压器副边电压的有效值，所以电网电压波动时，输出电压平均值也随之产生；另一方面，由于整流电路内阻存在，当负载变化时，内阻上的电压将产生变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采用稳压措施。 3.3 各部分电路设计变压电路设计变压电路相对简单，仅有一个单相变压器，变压器将 V 市电转化为电路能承担的电压。理想变压器满足 I /I =U /U =N /N =1/n,因此 P =P =U I =U I1212
11、11212.变压器副边与原边的功率比为 P /P = ,式中 是变压器的效率 。根据电路1 4需要选择适当的单相变压器。整流电路设计整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。有半波整流和全波整流，最常用的是单相桥式整流电路。本设计也采用了单相桥式整流电路，所谓桥式整流电路，就是用二极管组成一个整流电桥。当输入电压处于交流电压正半周时，二极管 D 、负载电阻 RL、D 构成一个13回路输出电压 Uo=ui-UD -UD 。输入电压处于交流电压负半周时，二极管 D 、13 2负载电阻 RL、D 构成一个回路，输出电压 Uo=ui-UD -UD 。4 24整流电路设变压器的副边电压有效值为 ,则其瞬
12、时值 = sint。当2U2u2U为正半周时，电流由 A 点流出，经 、 、 流入 B 点，因而2u 1DLR3负载电阻 上的电压等于变压器副边电压，即 = ， 和 管LR022D5承受的反向电压为 - 。当 为副半周时，电流由 B 点流出，经 2u2 2D 流入 A 点，负载电阻 上的电压等于 -，即=-， LR4DLR1承受的反向电压为 。由于 和 两对二极管3 21D324交替导通，致使负载电阻 上在 的整个周期内都有电流通过，而且方L2u向不变，输出电压 =| sint |。单项桥式整流电路通过上述分析，0uU可以得到桥式整流电路的基本特点如下：（1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。
13、（2）桥式整流电路的交流利用率为 100%。（3）电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为 2 倍的交流峰值电压（电容输出时电压叠加） 。（4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。（5）实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。滤波电路设计滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器 C 对直流开路，对交流阻抗小，所以 C 应该并联在负载两端。电感器 L 对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此 L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直
14、流电压的质量。滤波电路通常有电容滤波电感滤波和复式滤波。LC 滤波电路设计由于 LC 滤波器具有良好的滤波性能，其带负载能力强，二极管导通角大，整流管的冲击电流小。它是电容滤波电路和电感滤波电路的结合。其电路图如下： 6LCR+-DuLC 滤波是传统的谐波补偿手段，即 LC 滤波器，也称为无源滤波器。稳压电路设计稳压要求经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性是比较差的。其原因主要有以下几个方面：1由于输入电压（市电）不稳定（通常交流电网允许有10的波动） ，而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；2当负载 RL 变化（即负载电流 IL 变化时，由于整流滤波电路存在一定的内阻，使
15、得输出直流电压发生变化；3. 当环境温度发生变化时，引起电路元件（特别是半导体器件）参数发生变化，导致输出电压发生变化。所以，经整流滤波后的直流电压，必须采取一定的稳压措施，才能适合电子设备的需要。常用的稳压电路有并联型和串联型稳压电路两种类型。 稳压原理 对任何稳压电路都应从两个方面考察其稳压特性，一是电网电压波动，研究其输出电压是否稳定；二是设负载变化，研究其输出电压是否稳定。7稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其 V-A 特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压
16、在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。 有稳压二极管 和限流电阻 R 所组成的稳压电路是一种最简单的稳压电ZD路。其具体图如下：8稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调，不能满足很多场合下的应用。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体
17、管的放大作用，增大负载电流；在电路中引入深度负反馈是输出电压稳定；并且通过改变反馈网络参数是输出电压可调。+-R ZDR1UT +-oU基本调整管稳压电路 在上图稳压管稳压电路中，负载电流变化范围等于稳压管的最大稳定电流和最小稳压电流之差（ ） 。将稳压管电路输出电流作为晶体管的基maxZIinZ极电流，而晶体管发射极电流作为负载电流，电路采用射极输出形式。电路引入的是电压负反馈，能够稳定输出电压。但它们与一般共集放大电路有着明显区别：在工作电源 不稳定， “输出电压”为稳定电压 ，并且要求输出电IUZU压 在 变化或负载电阻 变化时基本不变。OI LR当电网电压波动引起 增大，负载电阻 增大
18、时，输出电压 将随之I LO增大，极晶体管发射极电位 升高；稳压管端电压基本不变，即晶体管基基E点位 基本不变；故晶体管的 （= - ）减小，导致 （ ）减少，B BEBIE从而使 减小；因此可以保持 基本不变。当 减小或负载电阻 减小OUOIULR时，变化与上述过程相反。可见，晶体管的调节作用使 稳定，所以晶体管O9为为调整管。根据稳压管稳压电路输出电流的分析已知，晶体管基极的最大电流为（ ） ，因此，最大负载电流为：maxZIinZmaxLI)(1minaxZZI这也就大大提高了负载电流的调节范围。输出电压为= -OUZBE从上述稳压过程可知，想要是调整管起到调整作用，必须使工作在放大状态
19、，因此其管压降应大于饱和管压降 ；电路应满足 = + 的条件。CESIOUCES由于调整管与负载相串联，故称这类电路为串联型稳压电源；由于调整管工作在线性区，故称这类电路为线性稳压电源。可调稳压电路实用设计电路往往要求输出电压可调，增加稳定性，所以在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。构成具有放大环节的串联型稳压电路，其电路图如下：具有放大环节的串联型稳压电路10输出电压可调范围：在理想运放条件下， 。所以，当电位器 滑动到最上ZPNU3R端时，输出电压最小，为 ZOR431min当电位器 的滑动端在最下端是，输出电压最大，为3RZOUU431max若 ， ，则输出电压 9V 18V.03
20、21 VZ6O调整管的选择：调整管的最大集电极电流maxaxLCI调整管承受的最大管压降minImaxOaxCEU调整管的最大功率损耗maxmaxCCIP在选择 T 管时，应保证其最大集电极电流、集电极和发射极之间的反向击穿电压和集电极最大耗散功率满足11)(minImaxiI)(maxOaxLCMEOBRLCUPI3.4 总电路设计总电路图U 1+-DD zR 3R 2 R 1A+-R+-CLT+-R l电路工作原理变压电路将 380 市电经过电源变压器降压后，变成 150V 左右的低幅交流电。再通过整流电路将交流电流整流，将正弦波电压变成单一方向的脉动电压。然后通过 LC 滤波电路滤波，是
21、输出电压平缓。最后通过稳压电路稳定输出电压，采用具有放大环节的串联型稳压电路稳定输出电压，该电路可调节输出电压，集成运放工作在深度负反馈，输出电阻趋于零，因而电压相当稳定。3.5 直流稳压电源的相关参数对于直流稳压电源的设计，要考虑到其中几项重要参数，如输出电压，输出电流的平均值，以及脉动稳定系数等。对于输入电压，稳压管和限流电阻的选择也是不可忽视的。在此章节对其进行相关计算和总结。1).输出电压平均值就是负载电阻上电压的平均值 。)(AVOU12= sintd(t)(AVOU0212U推导计算得= 0.45)(AVO22负载电流的平均值 = )(AVOILAVORU)(LU245.0将整流输
22、出电压的基波峰值 与输出电压平均值 之比定义为M01 )(AVO整流输出电压的脉动系数 S，即可得出：S= / 则单项桥式整流01)(电路，输出电压的平均值= sintd(t) = 0.9)(AVOU021U2U2由此推出输出电流的平均值 = )(AVOILAVOR)(L29.02)滤波电路输出电压平均值=)(AVOU)41(2CRTL由此可推出脉动系数 )1/(TSL3）对于任何稳压电路，均可用稳压系数 和输出电阻 来描述其稳rS0R压性能。 定义为负载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相rS对变化量之比，即常数 LRIrUS|/I0013常数 LR|UI001表示电网电压波动的影
23、响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈rS小。式中 为整流滤波后的电流电压。I稳压电路输入电压 的选择IU一般选取=（23）I0为输出电阻，是稳定电路输入电压输入一定时输出电压变化量与输出0R电流变化量之比，即00IU表示负载电阻对稳定性能的影响。0R3.6 稳压电源的质量指标稳压电源的质量指标是指稳压系数、输出电阻、最大纹波电压与纹波抑制比和温度系数。1)稳压系数负载不变时，输出电压相对变化量和输入电压相对变化量之比，即 S=(/ )当输入电压 在规定范围内变动时，输出电压 的变化应该很小，0UUi 0U一般要求 / 1。02)输出电阻14负载变化时，输出电压 应基本保持不变。稳压电源这方面的特性可用输0U出电阻表征。=| / |0R00I反映伏在变动时，输出电压维持恒定的能力， 越小，则 变0 0R0I化时的输出电压的变化也越小。3)最大纹波电压与纹波抑制比叠加在输出电压上的波动分量称为最大纹波电压，常用其峰一峰值 U OP-P来表示，一般为毫伏级。纹波抑制比 SR表示，稳压电路输入纹波电压峰峰值 UIP-P与输出纹波电压峰-峰值 UOP-P之比，并取其分贝数4)温度系数良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数表示。温度系数越小越好。
