初级次级电压和线圈圈数间具有下列关系:
U1/U2=N1/N2式中n称为电压比(圈数比)。
当n<1时,则N1>N2,U1>U2,该变压器为降压变压器。
反之则为升压变压器。
另有电流之比I1/I2=N2/N1电功率P1=P2注意上面的式子只在理想变压器只有一个副线圈时成立。
当有两个副线圈时P1=P2+P3,U1/N1=U2/N2=U3/N3,电流则须利用电功率的关系式去求,有多个时依此推类。
如下图3、图4为变压器原理图:
图3变压器原理图a
图4变压器原理图b
按照上图规定变压器各物理量的参考方向,有
定义变比:
变压器工作原理:
▲变压器正常工作时,一次绕组吸收电能,二次绕组释放电能;
▲变压器正常工作时,两侧绕组电压之比近似等于它们的匝数之比;
▲变压器带较大的负载运行时,两侧绕组的电流之比近似等于它们匝数的反
比;
▲变压器带较大的负载运行时,两侧绕组所产生的磁通,在铁心中的方向相反。
2.2.2整流电路
该设计采用单相桥式整流电路(桥堆KBP307)。
其由四只二极管组成,其构成原则就是保证在变压器副边电压u:
的整个周期内,负载上的电压和电流方向始终不变。
为达到这一目的,需要在Uz的正、负半周内正确引导流向负载的电流,使其方向不变,设变压器副边两端分别为a和b,则a为“+”b为“一”时应有电流流出a点,a为“一”b为“+”时应有电流流入a点;相反,a为“+”b为“一”时应有电流流入b点,因而a和b点均应接两只二极管,以引导电流,具体电路原理如图5所示。
图5单相桥式整流电路
如果桥式整流电路变压器副边中点接地,就应将两个负载电阻相连接且连接中点接地。
根据桥式整流电路的工作原理,当a点为“+”b点为“一”时,Dl、D3导通,D2、D4截止,U01一L12,U02一一U2;而当b点为“+”a点为“一”时,D2、D4导通,D1、D3截止,U01一一U2,U02一U2,这样两个负载上就分别获得正、负电压。
若设变压器副边电压u2一U2sinwt,U2为其有效值。
当u2为正半周时,电流由a点流出,经Dl、&、聩流入b点,因而负载电阻&上的电压等于变压器副边电压,即Uo—u2,功和D4管承受的反向电压为一uz。
当tlz为负半周时,电流由b点流出,经岛、风、D4流入a点,负载电阻&上的电压等于一u2,即uo一一u2,01、n承受的反向电压为u2。
这样,由于D1、B和晚、D4两对二极管交替导通,致使负载电阻&上在U2的整个周期内都有电流通过,而且方向不变,则输出电压uo—IU2sinwtl。
2.2.3滤波电路
经过整流后的直流电幅值变化很大,会影响电路的工作性能。
可利用电容的“通交流,隔直流”的特性,在电路中并人两个并联电容作为电容滤波器,滤去其中的交流成分。
电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路,在整流电路的输出端(即负载电阻两端)并联一个电容即构成电容滤波电路。
滤波电容容量较大,因此一般均采用电解电容,在接线时要注意电解电容的正负极。
电容滤波电路利用电容的充、放电作用,使输出电压趋于平滑。
如果将两个滤波电容相连接,且连接点接地,就可同时得到输出电压平滑的正负电源。
在理想情况下,变压器副边无损耗,二极管导通电压为零,所以电容两端电压相等。
而当其上升到峰值后开始下降,电容便通过负载电阻放电,其电压也开始下降,趋势与电容两端电压基本相同。
但是由于电容按指数规律放电,所以当其下降到一定数值后,电容将继续通过负载放电,电容两端电压按指数规律缓慢下降。
总之,在电容充电时,回路电阻为整流电路的内阻,即变压器电阻和二极管的导通电阻,其数值很小,因而时间常数很小。
电容放电时,回路电阻为RL,放电时间常数R。
。
C通常远大于充电的时间常数。
因此滤波效果取决于放电时间。
电容愈大,负载电阻愈大,滤波后输出电压愈平滑,并且其平均值愈大。
换言之,当滤波电容容量一定时,若负载电阻减小(即负载电流增大),则时间常数RLC减小,放电速度加快,输出电压平均值即下降,且脉动变大。
故在此选择一个滤波电容2200。
输出电压的平均值U似蝴与放电时间常数RLC有关。
RLC越大,电容器放电速度越慢,则输出电压所包含的纹波成分越小,U驭㈣越大。
为获得平滑的输出电压,一般取放电时间常数为:
t>=(3--5)*T/2,式中:
T为交流电的周期,在滤波电路放电时间常数满足上式的关系时,可用下式对输出电压的平均值约为电容两端电压的1.2倍。
滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述,近似估算时,其波形近似为锯齿波,此时脉动系数S可按下式近似估算,其中T为电网电压的周期。
当滤波电容选定后,输出电压平均值U0和输出电流平均值Io的关系称为输出特性,脉动系数S和输出电流平均值10的关系称为滤波特性。
输出特性和滤波特性如图6所示。
图6输出特性及滤波特性
曲线表明,电容愈大电路带负载的能力愈强,滤波效果愈好;电流平均值愈大(即负载电阻的RL愈小),电压平均值愈低,S的值愈大。
为减小输出电压的脉动成分,采用的滤波电容器的容值越大越好,交流电源的频率越高越好。
目前在计算机、电视机等电子设备中采用了高频整流电源,它的滤波电容的容量就比50赫兹工频交流电的滤波电容小得多。
电容滤波电路的特点:
▲电流的有效值和平均值的关系与波形有关,在平均值相同的情况下,波形越尖,有效值越大。
在纯电阻负载时,变压器副边的有效值I2=1.11IL,而有电容滤波时I2=(1.5~2)IL。
▲负载平均电压VL升高,纹波(交流成分)减小,且RLC越大,电容放电速率越慢,则负载电压中的纹波成分越小,负载平均电压越高。
为了得到平滑的负载电压,一般取RL*C≥(3--5)T/2(式中T为电源交流电压的周期)。
▲负载直流电压随负载电流增加而减小。
VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性。
▲电容滤波电路简单,负载直流电压VL较高,纹波也较小,它的缺点是输出特性较差,适用于负载电压较高,负载变动不大的场合。
2.2.4保护电路部分设计
如图7,该保护电路采用了一个二极管加在三端稳压电路上,其工作原理如下:
当电源输入Vi端短路时,给输出电容器C3一个放电通路,防止C3两端电压作用于调整管的be结击穿而损坏。
图7保护电路
2.2.5稳压部分
集成串联型稳压电路有三个引脚,分别为输入端,输出端和公共端,因而称为三端稳压器。
按功能可分为固定式稳压电路和可调式稳压电路;前者的输出电压不能进行调节,为固定值;后者可通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。
便于实时控制,此设计采用可调式三端稳压器LM317。
封装如图8。
图8LM317封装形式
(1)LM317原理
LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。
我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用,是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。
LM317的输出电压范围是 1.25V 至 37V,负载电流最大为2.2A。
它的使用非常简单,仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM317不需要外接电容,除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过 6 英寸(约 15 厘米)。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
LM317能够有许多特殊的用法。
比如把调整端悬浮到一个较高的电压上,可以用来调节高达数百伏的电压,只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。
当然还要避免输出端短路。
还可以把调整端接到一个可编程电压上,实现可编程的电源输出。
用LM317T制作可调稳压电源,常因电位器接触不良使输出电压升高而烧毁负载。
如果增加一只三极管,在正常情况下,T1的基极电位为0,T1截止,对电路无影响;而当W1接触不良时,T1的基极电位上升,当升至0.7V时,T1导通,将LM317T的调整端电压降低,输出电压也降低,从而对负载起到保护作用。
如去掉三极管、断开W1中心点连线,3.8V小电珠立刻烧毁,测输出电压高达21V。
而加有T1时,小电珠亮度减小,此时 LM317T输出电压仅为2V,从而有效的保护了负载。
LM317可调式三端稳压器有三个引出端,分别为输入端、输出端和电压调整端(简称调整端)。
调整端是基准电压电路的公共端,其典型值为1.25V。
其典型线性调整率为0.01%,负载调整率为0.1%,80dB的纹波抑制比,其工作温度范围为o℃至+125℃。
LM317可调式三端稳压依靠外接电阻来调节输出电压的,为保证输出电压的精度和稳定性,要选择精度高的电阻,同时电阻要紧靠稳压器,防止输出电流在连线上产生误差电压。
为了减小电位器上的纹波电压,可在其上并联了一个电容,由于电容容量较大,一旦输入端断开,电容将从稳蘸器输出端向稳压器放电,易使稳压器损坏,因此在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管,并置在输出短路时,曦套将向稳压器调熬端放电,并使调整管发射结反偏,为了保护稳压器,故加一个二极管。
利用电容可以抵消输入线较长时的电感效应,以防止电路产生壹激振荡,其容量较小,一般小于1,故在此选择0.1。
(2)LM317电路
如图9所示的关于LM317DE应用电路
图9LM317应用电路
2.3元件的选取
2.3.1变压器的选取
根据设计指标,稳压电源的最高输出电压为12V,则滤波电路最小输出电压为15V。
而Uo=1.2U2
则U2的最小值为12.5V。
又额定输出电流为300mA,则变压器的输出功率为3.75W。
考虑到电源电压的允许变化范围为±10%,为了在最低电压时U2=12.5V,并留有一定的电压和功率余量,变压器可取220V/15V/5W。
2.3.2整流二极管的选取
在滤波电路中,二极管中的最大整流平均电流IF通常选择大于负载电流的2~3倍。
IF=3×300mA=900mA,二极管的最高反压UBR=1.414×15V=21.21V。
考虑到留有一定的余量,可选电流为1.5A,耐压为50V的整流二极管,如IN4007等。
2.3.3滤波电容的选取
为了获得较好的滤波效果,应使滤波电容满足RLC=(3~5)T/2的条件。
此时UO≈1.2U2。
由于滤波电路的最小输出电压为15V,负载额定电流为300mA,所以RL=15/0.3A=50Ω。
取C1=4×T/2RL=(4×0.02s)/(2×50Ω)=800uF,取标称值C=1000uF。
2.3.4元件清单
▲LM317集成块2块,散热器2个,螺丝螺母各2个;
▲220伏变15伏的变压器一个,电源线一根;
▲0.1uf的瓷片电容4个,470uf或1000uf的电解电容4个,220uf的电解电容2个,10uf的电解电容2个,电容抗压16伏;
▲IN4007的二极管8个;LM1208、LM1209各一个
▲电阻200Ω2个,5.1KΩ的电位器2个;510Ω可保证LED电流在20-30mA之间;
▲绿色、红色发光二极管各一个。
▲PCB版一张
3.系统功能
▲可以输出稳定的直流电压,±12V、+5V;
▲精度高且在调节范围内连续可调,5~12V;
▲当输出两接线短路时由于保护功能而不烧坏电源;
▲本系统的显示通过指针电压表显示;
▲输出端介绍:
红线-12V,黄线+12V,白线5~12V可调,蓝线+5V。
4.设计总结
在本次的课程设计中,我主要负责硬件的设计,我们利用220V交流电通过一定的技术产生直流稳压电,并利用它为电子器件提供必要的电压,该电源能提供一定的稳定的电压,并且在它的量程范围内连续可调,同时具有保护作用。
但是这次的设计还有不足之处:
在输出端还可以添加一个数模转换模块,它可以实现将输出的电压通过显示管直接将电压显示出来。
在这近两周的时间里,在指导老师的精心指导之下,顺利完成了设计,通过这次的课程设计,我从中获得了很多有用的东西。
学习到了很多知识,将上课的遗留的问题解决了,在做实物过程中,进一步了解了焊接元件的质量直接影响电路的实现,在设计电路版的时候,我们知道了怎么样注意元件与元件之间的影响,使的电路版更加的美好完美。
在论文方面也进一步了解了对设计论文的格式要求,对我以后的毕业设计进行打下了深厚的基础,我相信在下次的毕业设计中可以很轻松的操作。
在本次的课程设计中,我收获了很多,弥补了不足,这些得感谢学院再次给我们提供这次机会,即将毕业的我们,在这次的课程设计中,让我们能够动手去锻炼自己,得到了很多知识,在设计中我们又复习了以前学习的知识,对我们的就业有较强的促进作用,为以后就业打好了良好的实践基础。
感谢××主任,给我们提供了一次理论联系实际的机会,深深的了解了自己的专业方向。
感谢××老师无微不至对我们的精心指导,感谢实验中心。
5.参考文献
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[2]何希才.新型稳压电源及其应用.国防工业出版社,2003.89-98
[3]段九州.电源电路实用设计手册.辽宁科学技术出版社,2003.12-26
[4]阎石.数字电子技术基本教程.清华大学出版社,2007.11-23
[5]李锋刘小魁.模拟电子技术.湖南大学出版社,2004.56-64
[6]陆秀令陈罗湘黄建科.数字电路.湖南大学出版社,2004.66-98
附录
系统原理图1(整流过滤部分)
系统原理图2(稳压部分)
系统原理图3(PCB图)