直流电源充电器的设计本科毕设论文.docx

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直流电源充电器的设计本科毕设论文

毕业论文

题目：

直流电源充电器的设计

系部：

电子信息工程系

直流电源充电器的制作

[摘要]：

本文主要介绍ZX2003型充电电池的应用，通过对充电电池的原理和Protel应用的介绍，给出了充电电池的使用方法。

主要涉及电源、变压器、滤波器以及整流电路的介绍。

[关键词]：

PROTEL99SE、电源、整流电路、原理设计

DCpowerchargerProduction

Abstract:

ThisarticleintroducestheZX2003typeofrechargeablebatteryapplications,rechargeablebatteriesthroughtheapplicationoftheprinciplesandProtel,giventheuseofrechargeablebatteries。

Relatedtothemainpowertransformer,rectifier,andfilterintroduction.

Keywords:

Protel,powersupply,rectifier,thedesignprinciple.

第1章电源的分类及知识

1.1交流稳压电源的分类及其特点

能够提供一个稳定电压和频率的电源称交流稳定电源。

目前国内多数厂家所做的工作是交流电压稳定。

下面结合市场有的交流稳压电源简述其分类特点。

参数调整（谐振）型

这类稳压电源，稳压的基本原理是LC 串联谐振,早期出现的磁饱和型稳压器就属于这一类.它的优点是结构简单,无众多的元器件,可靠性相当高稳压范围相当宽,抗干扰和抗过载能力强.缺点是能耗大、噪声大、笨重且造价高。

在磁饱和原理的基础上的发育进形成的参数稳压器和我国50 年代已流行的“磁放大器调整型电子交流稳压器”（即614 型）均属此类原理的交流稳压器。

自耦（变比）调整型

1 、机械调压型，即以伺服电机带动炭刷在自耦变压器的的绕组滑动面上移动，改变Vo 对Vi 的比值，以实现输出电压的调整和稳定。

该种稳压器可以从几百瓦到几千瓦。

它的特点是结构简单，造价低，输出波形失真小；但由于炭刷滑动接点易产生电火花，造成电刷损坏以至烧毁而失效；且电压调整速度慢。

2 、改变抽头型，将自耦变压器做成多个固定抽头，通过继电器或可控硅（固态继电器）做为开关器10 件，自动改变抽头位置，从而实现输出电压的稳定。

该种型稳压器优点是电路简单，稳压范围宽（130V-280V），效率高（≥95%），价格低。

而缺点是稳压精度低（＆#177;8～10%）工作寿命短，它适用于家庭给空调器供电。

大功率补偿型——净化型稳压器（含精密型稳压器）

它用补偿环节实现输出电压的稳定，易实现微机控制。

它的优点是抗干扰性能好，稳压精度高（≤＆#177;1%）、响应快（40～60ms）、电路简单、工作可靠。

缺点是：

带计算机，程控交换机等非线性负载时有低频振荡现象；输入侧电流失真度大，源功率因数较低；输出电压对输入电压有相移。

对抗干扰功能要求较高的单位，在城市里应用为宜，计算机供电时，必须选用计算机总功率的2-3 倍左右稳压器来使用。

因具有稳压、抗干扰，响应速度快、价格适中等优点，所以应用广泛。

开关型交流稳压电源

它应用于高频脉宽调制技术，与一般开关电源的区别是它的输出量必须是与输入侧同上频、同相的交流电压。

它的输出电压波型有准方波、梯型波、正弦波等，市场上的不间断电源（UPS）抽掉其中的蓄电源和充电器，就是一台开关型交流稳压电源的稳压性好，控制功能强，易于实现智能化，是非常具有前途的交流稳压电源。

但因其电路复杂，价格较高，所以推广较慢。

1.2 直流稳定电源的种类及选用

直流稳定电源按习惯可分为化学电源，线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：

1、化学电源

我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。

随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。

线性稳定电源

线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间电压降来稳定输出。

由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。

而且由于变压器工作在工频（50Hz）上,所以重量较大。

该类电源优点是稳定性高、纹波小、可靠性高、易做成多路、输出连续可调的成品。

缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。

这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。

从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式。

2、开关型直流稳压电源

与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。

它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。

功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。

开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO（P-P）,好的可做到十几mV（P-P）或更小）。

它的功率可自几瓦－几千瓦均有产品。

价位为3 元－十几万元/瓦，下面就一般习惯分类介绍几种开关电源：

（1）AC/DC 电源

该类电源也称一次电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供DC/DC 变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦－几千瓦均有产品，用于不同场合。

属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而定通信电源中的一次电源（AC220 输入，DC48V 或24V 输出）也属此类.

DC/DC 电源在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC 变换以后在输出端获一个或几个直流电压。

（2）通信电源

通信电源其实质上就是DC/DC 变换器式电源，只是它一般以直流－48V 或－24V 供电，并用后备电池作DC 供电的备份，将DC 的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。

（3）电台电源

电台电源输入AC220V/110V，输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定,几安几百安均有产品.为防止AC 电网断电影响电台工作,而需要有电池组作为备份,所以此类电源除输出一个13.8V 直流电压外,还具有对电池充电自动转换功能。

（4）模块电源

随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块电源越来越显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。

目前，目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。

DC/DC 模块电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模块还是合算合算的，在此还值得一提的是罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构简单，效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。

（5）特种电源

高电压小电流电源、大电流电源、400Hz 输入的AC/DC 电源等，可归于此类，可根据特殊需要选用。

开关电源的价位一般在2-8 元/瓦特殊小功率和大功率电源价格稍高，可达11-13 元/瓦。

第2章变压器

2.1变压器的用途及基本结构

2.1.1压器的用途

变压器是将某一数值的交流电压变换为统一频率另一数值的交流电压的电气设备，在工程上有着广泛地应用。

在电力输送方面，为了减小输电损失，采用升压变压器将发电机发出的电压升高到35kV以上，在用电目的地又通过降压变压器将高压降为供用户使用的低电压。

在整个输配电过程中变压器是关键设备。

在电子仪器中，采用电源变压器将220V电压变为合适的低电压给电路供电，起到了电压配合和隔离作用；在电路中采用耦合变压器来进行信号的传递等。

在其他方面，有实验用调压器；有用于交流测量的电压和电流互感器；有用于电焊、电炉及整流用的专用变压器等。

图4-1所示为几种变压器的外形。

电子变压器在电源中的作用：

电子变压器和半导体开关器件，半导体整流器件，电容器一起，称为电源装置中的4大主要元器件。

根据在电源装置中的作用，电子变压器可以分为：

1、电压和功率变换作用的电源变压器，功率变压器，整流变压器，逆变变压器，开关变压器，脉冲功率变压器；

2、起传递宽带、声频、中周功率和信号作用的宽带变压器，声频变压器，中周变压器；

3、起传递脉冲、驱动和触发信号作用的脉冲变压器，驱动变压器，触发变压器；

4、起原边和副边绝缘隔离作用的隔离变压器，起屏蔽作用的屏蔽变压器；

5、起单相变三相或三相变单相作用的相数变换变压器，起改变输出相位作用的相位变换变压器（移相器）；

6、起改变输出频率作用的倍频或分频变压器；

7、起改变输出阻抗与负载阻抗相匹配作用的匹配变压器；

8、起稳定输出电压或电流作用的稳压变压器（包括恒压变压器）或稳流变压器，起调节输出电压作用的调压变压器；

9、起交流和直流滤波作用的滤波电感器；

10、起抑制电磁干扰作用的电磁干扰滤波电感器，起抑制噪声作用的噪声滤波电感器；

11、起吸收浪涌电流作用的吸收电感器，起减缓电流变化速率的缓冲电感器；

12、起储能作用的储能电感器，起帮助半导体开关换向作用的换向电感器；

13、起开关作用的磁性开关电感器和变压器；

14、起调节电感作用的可控电感器和饱和电感器；

15、起变换电压、电流或脉冲检测信号的电压互感器、电流互感器、脉冲互感器、直流互感器、零磁通互感器、弱电互感器、零序电流互感器、霍尔电流电压检测器。

2.1.2变压器的基本结构

变压器虽然种类很多，用途各不相同，但其基本结构都是由铁心和套装在铁心上的绕组组成。

为了减小涡流及磁滞损耗，变压器的铁心是用表面涂有绝缘层、厚度为0.35-0.5mm的硅钢片叠装而成。

根据铁心的结构不同，分为心式和壳式两种，绕组绕在两侧的铁心柱上,多用于容量较大的变压器中。

它的高压、低压绕组都绕在中间的铁心柱上，常用于小容量的变压器中。

绕组构成变压器的电路部分，一般小容量变压器的绕组是用高强度漆包线绕制，大容量变压器可用扁铜线或扁铝线绕制。

2.2　单相变压器的工作原理

图2-1为单相变压器原理图。

通常把与电源相连接的绕组称为一次绕组，与负载相连接的绕组称为二次绕组。

为讨论方便，一般规定：

凡与一次绕组有关的各量都在其下角标以“1”，而与二次绕组有关的各量都在下角标以“2”，例如，一次、二次电压、电流分别用U1、U2、I1、I2表示，匝数分别用N1、N2表示。

+

u1-+Z

-+-

图2-1变压器工作原理

2.2.1变压原理　　

当变压器的一次绕组接入交流电压u1时，在一次绕组中便有交流电流流过，并产生交流磁通。

该磁通的绝大部分通过铁心同时穿过一次、二次绕组，称为主磁通；在一次绕组产生的交流磁通中，还有很少一部分通过周围空气闭合，称为漏磁通。

通常漏磁通很少，为讨论问题方便而把它忽略不计。

当主磁通同时穿过一次、二次绕组时，就在两个绕组中分别产生与电源频率相同的感应电动势e1和e2。

设一次、二次绕组匝数分别为N1、N2，则由法拉第电磁感应定律可知，一次、二次绕组上感应电动势的数学表达式为

e1=-N1（dφ/dt）

e2=-N2（dφ/dt）

设φ=φmsinwt代入上式计算得

　　　　　e1=—wN1φmcoswt

　=2πfN1φmsin（wt-900）

=E1msin（wt-90）

式中,E1m=2πfN1Φm是一次绕组感应电动势的最大值,其有效值为

E1=（1/1.414）fN1Φm=4.44fN1Φm（2-1）

同理,二次绕组感应电动势的有效值为

E2=4.44fN2Φm（2-2）

当忽略一次、二次绕组的直流电阻和漏电磁通时,有U1=E1,U2=E2,将式（2-1）和式（2-2）取比值

U1/U2=E1/E2=N1/N2=K（2-3）

式中,K—变压器的变化,即变压器一次、二次绕组的匝数之比。

上式表明，变压器一次、二次侧的电压之比等于匝数之比。

当K>1时,U1>U2，为降压变压器；当K<1时，U1

由于U1=E1=4.44fN1Φm，因此在使用变压器时必须注意：

U1过高，f过低，N1过少都会引起Φm过大，使变压器中用来产生磁通的励磁电流大大增加而烧坏变压器。

1、变压原理

由以上分析可知，变压器从电网上吸收能量并通过电磁感应，以另一个电压等级把电能输送给负载。

在这个过程中，变压器只起到能量的传递作用。

根据能量守恒定率，在忽略了损耗的情况下，变压器输入、输出的视在功率相等,即

U1I1=U2I2

I1/I2=U2/U1=1/K（2-4）

式（2-4）表明,变压器在改变电压的同时，电流也随之成反比例地变化，且一次、二次电流之比等于匝数之反比，即变压器具有变流功能。

变换阻抗原理

变压器除能变压和变流，还能变换阻抗，这在电信工程中有着广泛的应用。

阻抗变换原理如图2-4所示,图中ZL为负载阻抗，其端电压为U2，流过的电流为I2，变压器变比为Ｋ，则

ZL=U2/I2

变压器一次绕组中的电压和电流分别为

U1=KU2,I1=I2/K

从变压器输入端看进去,等效的输入阻抗Z′L为

Z′L=U1/I1=K2（U2/I2）=K2ZL

式（2-5）表明,负载阻抗ZL反映到一次侧的等效输入阻抗ZL,其值为ZL的K2倍,因此,只需改变变压器的匝数比,就可把负载阻抗变换为所需的数值。

变压器的同名端及绕组的正确连接

变压器的同名端

当变压器有多个一次绕组或二次绕组，在使用时又需要将一次绕组或二次绕组串联或并联时，就需要知道变压器的同名端（同极性端）。

如果连接错误，不　　　但得不到所需的电压值，严重时还会将变压器烧坏。

变压器的同名端是这样定义的；当给变压器的一次绕组（或二次各绕组）通以电流时，它们在磁路中产生的磁通方向如果相同，则称各绕组电流的流入端为同名端，用“．”表示，如图2-6所示。

其中，A、B为变压器的一次绕组，当电流从１和3端流进时，两绕组产生的磁通方向相同，即1和3端为两绕组的同名端。

同理，2、4端也是同名端。

C、D为变压器的二次绕组，当电流从5和7端流进时，两绕组产生的磁通方向相同，即5和7端为二次绕组的同名端。

变压器的正确连接

当绕组变压器需要进行绕组的串联或并联时，则要依据它的同名端进行连接．例如，一变压器的一次侧有两个绕组，每个绕组的工作额定电压为110V，如将变压器接入220V交流电源，则绕组需串联连接，正确的连接方法，如图2-7（a）所示。

如将变压器接入110V交流电源，则绕组需并联连接，正确的连接方法，如图2-7（b）所示。

如果同名端接错，则两个绕组产生的磁通方向相反，相互抵消，使穿过俩绕组的磁通为零，两绕组产生的自感器电动势则为零，绕组中的电流将变得很大，将导致两绕组烧毁。

图2-7变压器绕组的正确连接

变压器的二次绕组在链接时，如果将两个二次绕组的异名端6、7两端相连，由5、8两端输出电压，则输出电压为CD两个绕组的输出电压之和；如将两绕组的同名端57两端响亮，由8两端输出电压，则输出电压为CD两绕组的输出电压之差。

即变压器的二次绕组可以通过不同的组合方式得到不同的电压值。

变压器在电子电路中应用时，有时需要考虑绕组的同名端，以判别电路是正反馈还是负反馈。

2.3单相变压器的运行特

对于负载而言，变压器相当于一个电源，要求其供电电压相对稳定；而对于电网而言，变压器起电能传递作用，要求在传递过程中本身损耗校，效率高。

因此，一般用来表示变压器运行特性的指标有两个：

一是变压器的电压变化率，二是变压器的效率。

一、变压器的外特性及电压变化率

当电源电压和负载的功率因数为定值时，变压器二次侧的端电压U2与二次侧的电流I2之间的关系称为变压器的外特性，即U2=f（I2），如图2-8所示。

从图2-8中可以看出，变压器的外特性与负载的大小和性质有关。

随着负载的增大，对于纯电阻性负载，端电压下降较少；对于感性负载，端电压下降较大；对于溶性负载，则端电压有所上升。

变压器二次侧输出电压随负载而变化的程度用电压变化率δ来表示。

所谓电压变化率，是指负载的功率因数一定，依次侧加额定电压，二次侧空载和负载时的电压之差的相对值，即

δ=（U20-U2）/U20Χ100％

式中，U20——二次侧空载时的电压；

U2——二次侧负载时的电压

δ——电压变化率

电压变化率表示了变压器运行时输出电压的稳定性，是变压器的主要性能指标之一。

电力变压器在额定运行时，一般要求δ<5％

二、变压器的损耗与效率

变压器从电源得到的有功率P1不会全部转为输出功率P2，因传输过程中有能量损耗。

变压器存在两种损耗：

一种是电流流过一次二次绕组上的电阻时产生的损耗，称为铜损耗ΔPCu；另一种是交变磁通在铁心中所产生的磁滞损耗和涡流损耗，合称为铁损耗ΔPFe。

这些损耗均变为热量使变压器的温度升高。

根据能量守恒定律有

P1=P2+ΔPCu+ΔPFe

变压器的效率为

η=P2/P1Χ100％=P2/（P2+ΔPCu+ΔPFe）Χ100％

随低损耗材料的使用和变压器结构设计的日趋合理，电力变压器的效率逐渐提高，目前可达95％以上。

2.4三相变压器

三相变压器主要用在三相电力系统中，因此又称为电力变压器

2.4.1三相变压器的结构

三相变压器的主要由日字形铁心，三相绕组，外壳及附件构成。

根据冷却方式，分为干式和油浸式两种结构。

干式变压器利用自然风进行散热，是新一代变压器，结构简单，效率高。

油浸式变压器是将变压器装在一个密封的外壳中，外壳四周装有连通散热油管，壳内充满绝缘油，当变压器工作时由于发热使油温升高，绝缘油就在散热管中自上而下流动，将热量散去。

变压器的三相绕组输出端由三个高压套管引出，接到高压输电线上；三相低压绕组的输出端由三个低压套管引出，接到低压输电线上。

2.4.2三相变压器绕组的接法

三相变压器高压，低压绕组的出线端都分别给予标记，以供正确连接和使用。

图2-9所示为三相变压器铁心和绕组原理图。

在三相电力变压器中，各高压绕组的始端和末端分别用U1、V1、W1和U2、V2、W2表示；低压绕组的始端和末端分别用u1、v1、w1和u2、v2、w2表示。

高压低压绕组可根据需要接成三角形或星形。

国家标准规定，高压绕组接成星形时用Y表示，有中性线用YN表示；高压绕组接成三角形时用D表示。

低压绕组接成星形时用y表示，有中性线用yn表示；低压绕组接成三角形用d表示。

最常用的组合形式有三种，即Y,yn；YN,d；Y,d。

图2-10（a）所示为Y,yn接法,用于三相四线制（220V/380V）供电系统中;图4-10（b）所示为Y,d接法。

图2-10三相绕组的连接

2.5其他用途变压器及变压器的应用

2.5.1自耦变压器

普通变压器一般指双绕组变压器，其一次二次绕组在电路上是互相分开的。

而自耦变压器是一种单绕组变压器，其中一次绕组的部分线圈兼作二次绕组。

因此，自耦变压器的一次二次绕组之间不仅有磁的耦合，在电路上还互相连通，如图2-11所示。

与普通变压器一样，当一次绕组接上交流电压U1后，铁心中产生交流磁通，在N1和N2上的感应电动势分别为

E1=4.44fN1Фm

E2=4.44fN2Фm

因此变压器的变比为

K=E1/E2=N1/N2=U1/U2=I2/I1

可见,适当选择匝数N2就可以在二次侧电路中获得所需要电压U2。

若将二次绕组接通电源，则自耦变压器可作为升压变压器使用。

自耦变压器的优点是：

结构简单，节省铜线，效率比普通变压器高。

其缺点是：

由于高低压绕组在电路上是相通的对使用者构成潜在的危险，因此自耦变压器的变比一般不超过1.5～2。

自耦调压器常在实验室中使用。

注意在使用前必须把手柄转到零位，使输出电压为零，以后再慢慢顺时针转动手柄使输出电压逐步上升。

按照电器安全操作规程，自耦变压器不能作为安全变压器使用，因为线路万一按错将可能发生触电事故，因此规定：

安全变压器一定要采用一次绕组和二次绕组互相分开的双绕组变压器。

2.5.2变压器的正确使用

变压器在工作中如果使用不当，往往会造成变压器的损坏。

正确使用变压器的依据是工作时尽量使变压器工作在额定状态，由其不能时间过载。

变压器的主要额定值有：

1、一次额定电压U1N

是指在设计时根据变压器的绝缘强度和容许发热而规定在一次绕组上应加的电压值，在三相变压器中是指线电压。

2、二次侧额定电压U2N

是指当变压器空载而一次绕组的电压为额定值时的二次绕组两端的电压值，在三相变压器中也是指线电压。

3、一次侧额定电流I1N

是指在设计时根据变压器的容许发热而规定在一次绕组中长期容许通过的最大电流值，在三相变压器中是指线电流值。

4、二次侧额定电流I2N

是指在设计时根据变压器的容许发热而规定在二次绕组中长期容许通过的最大电流值，在三相变压器中是指线电流值。

5、容量SN

变压器的容量用视在功率表示，单相变压器的容量为二次侧的额定电压与额定电流的乘积，常以Kv.A为单位，即

SN=U2NI2N/1000

三相变压器的容量

SN=1.72U2NI2N/10

第3章晶体二极管整流电路

把交流电转换成直流电的过程称为整流.利用晶体二极管的单向导电性把单相交流电转换成直流电的电路称为二极管单相整流电路,它有单相半波整流、单相全波整流和倍压整流等电路。

3.1单相半波整流电路

图3-1是单相半波整流电路图，电路由电源变压器T、整流二极管V和负载电阻RL组成。

一、工作原理

设电源变压器T的初级接交流电压υ1时，在次级就感应出交流电压υ1，它的瞬时表达式是

υ2=1.41V2sinωt

式中υ2为瞬时值，V2是交流电压有效值，ω为角频率，ωt为相位角。

当υ2为正半周即为正值时（A端为正、B端为负，A端电位高于B端电位），二极管V导通，电流iv自A端经二极管V、自上而下的流过负载RL到B端，因为二极管正向压降很小，可认为负载两端电压υL与υ2几乎相等，即υL≈2。

当υ2为负半周即为负值时（B端为正、A端为负，B端电位高于A端电位），图3-1单相半波整流电路

二极管V截止，通过负载RL上的电流iv=0,（a）电路（b）波形

上的电流iv=0,负载上的电压υL=0。

可见，在交流电υ2工作的全周期内，RL上只有自上而下的单方向电流,实现了整流。

υ2、υL、iL相应的波形如图所示。

可以看出他们的大小是波动的，但方向不变.这种大小波动\方向不变的电压和电流,称为脉动直流电（它的波形不平滑，通常称为含有交流成分或纹波成分）。

由υL的波形可见，这种电路仅利用了电源电压υ2的半个波,故称为半波整流电路，它输出的是半波脉动直流电。

显然，它的缺点是电源利用率低且输出电压脉动大。

二、负载整流二极管上的电压和电流

半波整流输出的电压或电流是用半波脉动直流电压或电流的平均值表示的。

理论和实验都证明，负载两端电压υL与变压器次级电压有效值V2的关系是

VL=0.45V2

流过负载的电流I