电力电子刘忠祥 2.docx
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电力电子刘忠祥2
电力电子课程设计
设计题目单相桥式电路整流器设计
姓名林伟东
学号1009251006
专业测控技术与仪器
班级1001班
指导教师冀敏
设计时间2013年5月10日
目录
第1章概述1
第2章课程设计的目的及要求2
2.1课程设计题目2
单项桥式电路整流器设计2
2.2课程设计目的2
2.3设计任务和要求3
第3章系统的具体设计与实现4
3.1题目分析4
3.2相关器件的介绍4
3.2.1元器件及规格4
3.2.2各个器件的检测及注意事项5
3.3电路设计8
3.3.1变压电路8
3.3.2整流电路9
3.3.3滤波电路10
3.3.4稳压电路11
3.3.5焊接电路图13
第4章实验体会15
参考文献16
第1章概述
利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，有时也称为功率电子技术。
一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。
例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器（见电力变流器）将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。
应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。
例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。
与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。
因此人们关注的是所能转换的电功率。
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学科。
因它本身是大功率的电技术，又大多是为应用强电的工业服务的，故常将它归属于电工类。
电力电子技术的内容主要包括电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置及其系统。
电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学；它的工艺技术为半导体器件工艺。
近代新型电力电子器件中大量应用了微电子学的技术。
电力电子电路吸收了电子学的理论基础，根据器件的特点和电能转换的要求，又开发出许多电能转换电路。
这些电路中还包括各种控制、触发、保护、显示、信息处理、继电接触等二次回路及外围电路。
利用这些电路，根据应用对象的不同，组成了各种用途的整机，称为电力电子装置。
这些装置常与负载、配套设备等组成一个系统。
电子学、电工学、自动控制、信号检测处理等技术常在这些装置及其系统中大量应用。
第2章课程设计的目的及要求
2.1课程设计题目
单项桥式电路整流器设计
2.2课程设计目的
（1）培养学生综合运用知识解决问题的能力与实际动手能力；
（2）加深理解《电力电子技术》课程的基本理论；
（3）初步掌握电力电子电路的设计方法。
2.3设计任务和要求
1、主要技术指标
（1）输出电压在5V-24V范围内稳定不变，输出电流最大可达5mA。
（2）输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于3%，输出电阻小于5kΩ。
2、设计要求
（1）合理选择变压器、集成稳压器、整流桥及二极管型号。
（2）结合技术指标要求，计算部分电阻值并合理选择电阻及电容。
（3）完成电路理论设计、绘制电路图、并进行安装调试，与主要的技术指标进行比较，寻找差异。
（4）找出本次电路设计的优缺点，并再进行优化，查找原因，克服其缺点。
（5）本次课程设计中的心得体会，对你以后的学习有哪些帮助和启示
（2）最大输出电流为1.5A;
第3章系统的具体设计与实现
3.1题目分析
直流稳压电源的作用是通过把50HZ的交流电变压、整流、滤波和稳压从而使电路变成恒定的直流电压，供给负载，如3.1图所示。
设计出的直流稳压电源应不以电网电压的波动和负载的变化而改变。
图3.1
整流与稳压过程
直流稳压电源的种类有很多，常用的是串联型直流稳压电源，而由于集成技术的发展，集成稳压器件方便可靠，逐渐代替了串联直型直流稳压电源中的调整管及相关电路。
3.2相关器件的介绍
3.2.1元器件及规格
1.变压器220变12的一个；
2.电解电容45V470uF和陶瓷电容45V470uF各一个；
3.4001型号二极管四个，反向承受最大电压45V>17+25%。
4.稳压电路选定三极管9011型号（一个）与16V稳压二极管一个。
5.25K电阻2个；
6.发光二极管1个；
7.开关1个；
3.2.2各个器件的检测及注意事项
1.变压器的选择及检测
变压器出现的故障有短路、断路、绝缘不良弓起的漏电叫声等。
当变压器出现故障时，应及时检查更换，尤其是电源变压器，出现焦糊味，冒烟、输出电压降低
且温升很快时，应切断电源，找出故障所在。
1）检测一、二次绕组的通断，将万用表置于Rx1挡，将两表笔分别碰接一次绕组的两引出线，阻值为几-几十欧（降压变压器），如二次绕组有多个时，输出标称电压值越小，阻值越小；线圈断路时，无电压输出，断路的原因有外部弓线断线、引线与焊片脱焊、受潮后内部霉断等。
2）检测各绕组间、绕组与铁心目的绝缘电阻万用表置于Rx1Ok挡，将一支表笔接一次绕组的一引出线，另一表笔分别接二次绕组的引出线，万用表，若小于此值时，表明绝缘性能不良，尤其是阻值小于几百欧时表明绕组间有短路故障。
用上述的方法再继续检测绕组与铁心之间绝缘电阻（一支表笔接铁心，另一文表笔接备绕组弓出线）。
2.电解电容及陶瓷电容
2.1电解电容
有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。
一般不能用于交流电源电路，在直流电源电路中作滤波电容使用时，其阳极（正极）应与电源电压的正极端相连接，阴极（负极）与电源电压的负极端相连接，不能接反，否则会损坏电容器。
一般为1~1000μF，额定工作电压范围为6.3~450V。
其缺点是介质损耗、容量误差较大（最大允许偏差为+100%、-20%），耐高温性较差，存放时间长容易失效。
电解电容的极性，注意观察在电解电容的侧面有“—”，是负极，如果电解电容上没有标明正负极，也可以根据它的引脚的长短来判断，长脚为正极，短脚为负极。
特点：
①单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。
②额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到几万μf甚至几f。
③价格比其它种类具有压倒性优势。
2.2陶瓷电容
陶瓷电容器（ceramiccapacitor；ceramiccondenser）就是用陶瓷作为电介质，在陶瓷基体两面喷涂银层，然后经低温烧成银质薄膜作极板而制成。
它的外形以片式居多，也有管形、圆形等形状。
它们具有非常宽的电容容差范围，因此您需要对其温度和偏压变化范围内的性能进行评估。
它们均为压电式，其意味着它们会在有脉冲电流的系统中产生可听见的噪声。
最后，它们很容易出现破裂，因此我们必须采取预防措施来减少这一问题的发生。
2.3电容正负极的判断
①用万用表检查：
检测前，应先把被测电解电容器短路一下。
用万用表的R×10K或R×1K档，把电解电容器的正极接黑表笔，负极接红表笔，表针应迅速向右摆（摆动的幅度大，有时甚至能冲过欧姆点，说明电容量大）；然后慢慢回摆，停在某一位置，这时所指的电阻数值，就是电解电容器的漏电阻。
这个电阻值越大越好，一般应大于几百至几千欧；如果小于50千欧就不能再使用了。
若表针始终停在∞位置，表明电容器内部开路；若表针始终停在0Ω位置，表明电容器内部短路。
②用一节电池和一只耳机检查：
把一节电池、耳机和电解电容组成一串联回路，当第一次接触电池时，听到的“喀、喀”声音很响，第二、第三“喀喀”声音渐渐变小，甚至变得很微弱，表明这只电解电容基本上是好的。
如果都没的发出“喀喀”声音，或每次发出的“喀喀”声音都一样很响，说明这只电解电容器不能使用了。
③用机械万用表判别极性：
用万用表的R×10K或R×1K档，用交换表笔的办法分别测量正、反向漏电阻，以漏电阻较大的一次为准，此时黑表笔接的是电解电容器正极，红表笔接提负极。
3.电阻的识别
色环电阻是电子电路中最常用的电子元件，采用色环来代表颜色和误差，可以保证电阻无论按什么方向安装都可以方便、清楚地看见色环。
色环电阻的基本单位是：
欧姆（Ω）、千欧（KΩ）、兆欧（MΩ）。
1000欧（Ω）=1千欧（KΩ），1000千欧（KΩ）=1兆欧（MΩ）。
口诀：
棕一红二橙是三，四黄五绿六为蓝，七紫八灰九对白，黑是零，金五银十表误差
色环电阻分四环和五环，通常用四环。
四色环电阻一道色环表示阻值的最大一位数字；第二道色环表示阻值的第二位数字；第三道色环表示阻值倍乘的数；第四道色环表示阻值允许的偏差（精度）。
五色环电阻就是指用五色色环表示阻值的电阻，从左向右数，如图所示。
第一道色环表示阻值的最大一位数字；第二道色环表示阻值的第二位数字；第三道色环表示阻值的第三位数字；第四道色环表示阻值的倍乘数；第五道色环表示误差范围。
金的误差为5%，银的误差为10%，棕色的误差为1%，无色的误差为20%，另外偶尔还有以绿色代表误差的，绿色的误差为0.5%。
从数量级来看，在体上可把它们划分为三个大的等级，即：
金、黑、棕色是欧姆级的；红橙黄色是千欧级的；绿、蓝色则是兆欧级的。
伏安法：
又称伏特计、安培计法，是一种较为普遍的测量电阻的方法，通过利用欧姆定律：
R=U/I来测出电阻值。
因为是用电压除以电流，所以叫伏安法。
3.3电路设计
3.3.1变压电路
直流电源通常从市电取电，把220V、50HZ的单相交流电先降压，变成所需的交流电，然后再整流。
根据桥式整流电路和电容滤波电路的输出与输入电压的比例关系，从输出电压的最大值9.6V倒推，可以算出所使用的降压变压器的副边电压的有效值为16V左右。
图3.3电源变压器的电路图符号
小型变压器的效率
副边功率
效率
0.6
0.7
0.8
0.85
因此，当算出了副边功率
后，就可以根据上表算出原边功率
。
3.3.2整流电路
整流采取常用的二极管桥式整流电路。
根据经验，一般滤波电路常用的滤波电容有2200μF和1100μF两种，但要注意它的耐压值要大于电路中所承受的电压，并注意电压的极性的接法是上正下负，如图3-4所示。
图3.4桥式整流电路
简化电路图
如果要详细计算滤波所需的电容值，可采取以下公式
C=
式中，
为滤波之后的最大电压，
为滤波之后的纹波电压，即最大电压与最小电压的差值，R为负载电阻，f为工频50HZ。
此式适用于全波整流，而半波整流时滤波电容的计算则把上式中分母的2去掉，为
C=
其他参数意义同上。
一般来说，全全波整流之后的电压平均值为前面变压器副边电压有效值的1.35倍；滤波之后的电压平均值为全波整流电压平均值的1.2倍。
桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所受的最大反向电压低。
同时又因此时电源变压器Tr不必用中心插头，故工艺上简单，而且次级绕组正负半周均供负载电流，充分利用，效率较高。
虽然桥式整流电路多用了二极管，但克服了半波整流和全波整流的缺点，在本设计中整流电路采用最常用的桥式整流电路。
3.3.3滤波电路
交流电经过整流后得到的是脉动直流电，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源。
滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。
滤波电路的种类如下：
1电容滤波电路
电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。
在脉动直流波形的上升段，电容充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。
在电容还没有完全放电时再次开始进行充电。
这样通过电容的反复充放电实现了滤波作用。
桥式整流电路电容滤波电路电压、电流波形见图2-4
当
时：
当
为有限值时：
通常取
RC越大
越大
为获得良好滤波效果，一般取：
（T为输入交流电压的周期）
2电感滤波电路
电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势来达到滤波的作用，电感量越大滤波效果越好。
电感滤波电路带负载能力比较好，多用于负载电流很大的场合。
图3.5桥式整流电感滤波电路
3RC、LC滤波电路
使用两个电容和一个电阻组成RC滤波电路，又称π型RC滤波电路。
这种滤波电路由于增加了一个电阻，使交流纹波都分担在这个电阻上。
电阻和电容越大滤波效果越好，但电阻过大又会造成压降过大，减小了输出电压。
一般电阻应远小于负载电阻。
与RC滤波电路相对的还有一种LC滤波电路，这种滤波电路综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的优点。
3.3.4稳压电路
交流电经过整流可以变成直流电，但是它的电压是不稳定的供，电电压的变化或用电电流的变化，都能引起电源电压的波动。
要获得稳定不变的直流电源，还必须再增加稳压电路。
稳压电路有分立元件稳压电路和集成稳压电路两种，其中集成稳压电路主要用于低电压小电流的整流电路，具有体积小，电路简单，稳压精度高，使用调试方便等特点。
选择时首先要确定系列，是正电源还是负电源，是可调的还是固定的，其次是根据它的额定电压和额定电流选择具体型号；同时，稳压器在接入整流电路时要适当加一些保护元件，可限制输入电压幅值等。
一般三极管都是正向导通，反向截止；加在二极管上的反向电压、如果超过二极管的承受能力，二极管就要击穿损毁。
但是有一种二极管，它的正向特性与普通二极管相同，而反向特性却比较特殊：
当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，却不损毁，并且这种现象的重复性很好；反过来着，只要管子处在击穿状态，尽管流过管子的电在变化很大，而管子两端的电压却变化极小起到稳压作用。
这种特殊的二极管叫稳压管。
稳压管的型号有2CW、2DW等系列。
方案一：
稳压管稳压电路
稳压管稳压电路如图1-5所示。
从稳压管的特性可知，若能使稳压管始终工作在它的稳压区内，则输出电压基本稳定在稳压管电压左右。
图3.6稳压管稳压电路
当电网电压升高时，若要保持输出电压不变，则电阻器上的压降将增大，即流过电阻器的电流增大。
增大的电流由稳压管容纳，它的工作点由b点移到c点，由图1-6特性曲线可知此时
基本保持不变。
图3.7特性曲线
3.3.5焊接电路图
3.5.1实验测得数据与调试
内容
电源
降压
整流
滤波
电压（v）
290
16.8
23.4
21.4
有上表可以看出，最后滤波的电压为23.4V，未达到预想的目标。
我们可以通过并电阻来实现，但是由于效果不够明显，故此处不再进行赘述。
分析可以看出，出现这种情况的原因是由于电源电压实际为290V，不是我们所预想的220V，故而
第4章实验体会
通过本次的课程设计也使我学到了很多知识，使我对电力电子技术的了解和理解更加深刻了，也让我了解了可调直流稳压电源的工作原理，并进一步明白了电力电子技术在实际中的应用，我用分析问题、解决问题的方法巩固了所学的知识，学会了充分利用网络资源。
加强了团队合作的意识，也学会一些书本外的东西，拓宽了我的视野，强化了理论与实践的联系，加强了自己的手动能力。
同时，也认识到自己的不足，如实际操作能力差，对一些电子元器件不了解。
此外，电力电子技术适用范围广，在做课程设计的同时，也让接触、学习了很多其他方面的知识。
由于本人的能力有限，难免出现一些问题和错误，还望老师批评指正。
相信以后我会以更加积极地态度对待我的学习、对待我的生活。
我的激情永远不会结束，相反，我会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。
只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有更多的成功和快乐！
Tous,happinessequalssuccess!
快乐至上，享受过程，而不是结果！
认真对待每一个实验，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我在课程设计中学到的最重要的东西，也是以后都将受益匪浅的！
最后，感谢冀敏老师的指导，同时感谢组员之间的相互配合，使得我们的课程设计能够圆满完成。
参考文献
[序号]作者．书名．出版地：
出版社，出版年
[1]李华．MCS-51系列单片机实用接口技术．北京：
北京航空航天大学出版社，1993
[2]何立民．单片机应用技术选编1-8．北京：
北京航空航天大学出版社，1993-2000
[3]康维新．MCS-51单片机原理与应用．北京：
中国轻工业出版社，2009
[4]李响初．数字电路基础与应用．北京：
机械工业出版社，2008
[5]吴丙申．模拟电路基础．北京：
北京理工大学出版社，2008
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