电子技术基础（模拟部分）课程设计（论文）-微机断电保护直流不间断电源.doc

1辽辽宁宁工工业业大大学学电子技术基础（模拟部分）电子技术基础（模拟部分）课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目：微机断电保护直流不间断电源微机断电保护直流不间断电源院院（系）：（系）：电子与信息工程学院电子与信息工程学院专业班级：专业班级：通信通信101101学学号：号：学生姓名：学生姓名：指导教师：指导教师：教师职称：教师职称：起止时间：起止时间：2012.07.022012.07.022012.07.152012.07.15I课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子信息工程学院教研室：电子信息工程学号专业班级通信101课程设计（论文）题目微机断电保护直流不间断电源微机断电保护直流不间断电源课程设计（论文）任务设计参数：1设计并制作一台串联型（连续调整式）微机断电保护直流不间断电源。2输出直流电压。VVo53最大输出电流。AILM34稳压系数。05.0rS5具有断电保护功能。设计要求：1.分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2.确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划1、明确课题任务，查阅资料，理解课题设计的具体要求。（1天）2、构思出稳压电源的总体方案，设计整体电路的系统框图。（2天）3、构建不间断直流稳压电源的各个环节的具体方案及框图。（2天）4、绘制各部分模块的电路原理图，并说明各部分的工作原理。（2天）5、计算确定各元器件的参数，对系统进行仿真，分析系统的性能。（2天）6、撰写、打印设计说明书（1天）II指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘要本文设计的该微机断电保护直流不间断电源设计由电源变压器、整流电路、充放电控制、滤波和稳幅稳压等必要电路构成，它可以广泛应用于微型计算机系统和网络应用中，可以防止微机使用过程中由于发生断电等异常现象，造成信息数据丢失或使系统无法继续运行等状况发生。设计的不间断直流稳压电源，当输入市电正常时，主电源工作，为负载电路供电，同时给备用电源（蓄电池）充电，当蓄电池充满时自动处于断开状态，停止充电；当出现异常断电情况时，电路控制系统将开关自动切换到备用电源上，使其开始放电为负载供电。关键词：断电保护、直流不间断稳压源、整流、滤波、稳压等III目录第1章微机断电保护直流不间断电源设计方案论证.11.1微机断电保护直流不间断电源的应用意义.11.2设计的要求及技术指标.11.2.1设计要求：.11.2.2设计参数：.11.3设计方案论证.21.4总体设计方案框图及分析.3第2章微机断电保护直流不间断电源各单元电路设计.52.1电源变压器电路设计.52.1.1分类.52.1.2电源变压器的特性参数.52.2桥式整流电路设计.62.3滤波电路的设计.82.3.1滤波电路的选择：.82.3.2电容滤波电路的工作原理.82.3.3RL、C对充放电的影响.92.4充放电控制系统的设计.102.5串联反馈式稳压电路设计.112.5.1电路组成.112.5.2输出电压及调节范围.122.6启动电路与保护电路的设计.122.6.1启动电路.122.6.2保护电路.12第3章微机断电保护直流不间断电源整体电路设计.143.1整体电路以及工作原理.143.3整体电路性能分析.16第4章设计总结.16参考文献.17附录：元器件清单.18本科生课程设计（论文）1第1章微机断电保护直流不间断电源设计方案论证1.1微机断电保护直流不间断电源的应用意义当今社会已进入电子信息时代，微型计算机已经普及，但是随着计算机的普及也产生很多问题，例如：外电源突然断电导致信息丢失或系统无法运行，这样会照成一定的损失。本文设计的该微机断电保护直流不间断电源设计由电源变压器、整流电路、充放电控制、滤波和稳幅稳压等必要电路构成，它在计算机系统和网络应用中，主要起到两个作用：一、是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害；二、是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源。因此，它可以防止使用过程中由于发生断电等异常现象，造成信息数据丢失或使系统无法继续运行等状况发生，同时这种电源具有结构简单，造价低廉，性能可靠，供电时间长，无转换时间和逆变过程等优良性能。1.2设计的要求及技术指标1.2.1设计要求：1.分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2.确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。1.2.2设计参数：1.设计并制作一台串联型（连续调整式）微机断电保护直流不间断电源。2.输出直流电压。VVo5本科生课程设计（论文）23.最大输出电流。AILM34.稳压系数。05.0rS5.有断电保护功能。1.3设计方案论证方案一：利用UPS改进的工作原理UPS的中文意思为“不间断电源”，是英语“UninterruptiblePowerSupply”的缩写，它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，使您不致因停电而影响工作或丢失数据。从基本应用原理上讲，UPS是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。1)整流器：整流器是一个整流装置，简单的说就是将交流（AC）转化为直流（DC）的装置。它有两个主要功能：第一，将交流电（AC）变成直流电(DC)，经滤波后供给负载；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器的作用；2)蓄电池：蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置，它由若干个电池串联而成，其容量大小决定了其维持放电（供电）的时间。其主要功能是：1当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部。2当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载；3)逆变器：通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成；4)静态开关：静态开关又称静止开关，它是一种无触点开关，是用两个可控硅（SCR）反向并联组成的一种交流开关，其闭合和断开由逻辑控制器控制。分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统，其作用是实现从一路到另一路的自动切换；并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。市电输入蓄电池充电器负载逆变器静态开关ACDC整流器本科生课程设计（论文）3图1-1方案一简图方案二：利用EPS改进的工作原理EPS的中文意思为“应急备用电源”，是英语“EmergencyPowerSupply”的缩写，主要采用SPWM(交流脉带调制)技术，系统主要包括整流充电器、蓄电池组、逆变器、互投装置等部分。本方案直接使用一个蓄电池，安装在滤波电路之后，当外电源正常工作时候，一方面给蓄电池充电，另一方面经过滤波稳幅等电路为负载提供直流电源。当外电源出现故障或突然中断时，电路进行零输入响应，蓄电池开始放电，为电路提供不间断的直流稳定电压。图1-2方案二简图经过两个方案对比，本设计选择第二个方案，第一，使用UPS电源在电路结构上复杂，并且经济价值高，第二，方案一包括逆变过程，比较复杂。通过对比，不能说方案二比方案一先进，但是方案二比方案一在结构上简洁，在成本上相比也比较低，并且上手比较容易，制作起来比较简单，所需要的器件在市场上很方便的可以找到。所以本设计选择方案二。1.4总体设计方案框图及分析整体设计方案采取第二种方案，具体阐述分析如下：本方案采用的是充放电控制系统，将此系统接在滤波下级，与后面电路连接成并联的形式，具体实行步骤：当外电源正常工作的时候，电源变压器将外电源220V交流电压变为适合此电器使用的电压，然后经过整流滤波电路，将交流电变为直2V流电（单向脉动性直流电），此直流电一方面对充放电控制系统进行充电，另一方面通过稳幅稳压等措施对负载进行作业。当外电源出现断电或其他故障，不能正常的蓄电池充放电控制电路电源变压器整流、滤波电路限幅、稳压本科生课程设计（论文）4供电时，这个时候，充放电控制系统进行放电，此电量经过稳幅稳压等措施对负载保持正常工作，提供不间断直流电源。充放电控制系统中包括：蓄电池一个，电磁继电器开关一个，发光二极管两个（一个发绿色的光、一个发红色的光），连接形式为两个发光二极管并联与蓄电池串联，通过电磁继电器开关来控制蓄电池的充放电。图1-3图1-3整体设计方案的具体框图工作负载市电(220V-50Hz)在？)变压器整流器稳压电路滤波器蓄电池充放电控制系统本科生课程设计（论文）5第2章微机断电保护直流不间断电源各单元电路设计2.1电源变压器电路设计图2-1电源变压器变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。2.1.1分类按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、壳式变压器（插片铁芯、C型铁芯、铁氧体铁芯）、环型变压器、金属箔变压器。按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。2.1.2电源变压器的特性参数1工作频率变压器铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。2额定功率本科生课程设计（论文）6在规定的频率和电压下，变压器能长期工作，而不超过规定温升的输出功率。3额定电压指在变压器的线圈上所允许施加的电压，工作时不得大于规定值。4电压比指变压器初级电压和次级电压的比值，有空载电压比和负载电压比的区别。5空载电流变压器次级开路时，初级仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流。6空载损耗指变压器次级开路时，在初级测得功率损耗。主要损耗是铁芯损耗，其次是空载电流在初级线圈铜阻上产生的损耗（铜损），这部分损耗很小。7效率指次级功率P2与初级功率P1比值的百分比。通常变压器的额定功率愈大，效率就愈高。8绝缘电阻表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能。绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关。2.2桥式整流电路设计图2-2桥式整流电路本科生课程设计（论文）7图2-3整流过程中电流电压波形图整流原理：如图，设D1D4是全桥堆中的四只整流二极管，Tr是电源变压器，次级线圈电压为，负载电压为，电流为。2VLVLI当工作在正半周的时候，二极管D1、D3导通，D2、D4截止。当工作在负2V2V半周的时候，二极管D2、D4导通，D1、D3截止。整流后的波形如图2-3所示。从输出波形图可以看出，整流电路可以将交流电压（电流）转换成单向脉动的直流电压（电流）。1经过傅里叶级数变换，得到负载两端电压=0.9LV2V2.由于二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为=DILLRVI245.0213二极管所承受到得最大反向电压22VVRM本科生课程设计（论文）82.3滤波电路的设计2.3.1滤波电路的选择：图2-4电容滤波电路图2-5电感滤波电路电容滤波电路简单，负载直流电压比较高，纹波也较小，不足的地方是输出特性比较差，故使用负载电压比较高，负载变动不大的场合。电感滤波的特点是，整流管的导电角较大（电感L的反电势使整流管导电角增大），无峰值电流，输出特性比较平坦。其不足的地方是由于铁心的存在，笨重、体积大，易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流场合。综合考虑干扰、可行性、方便简易性、低成本等各方面因素，本设计方案更适合选用电容滤波电路。2.3.2电容滤波电路的工作原理滤波电容容量大，因此一般采用电解电容，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。当为正半周并且数值大于电容两端电压时，二极管D1和D3管导通，D22VCV和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当，导致CV2VD1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，按指数规律缓慢下降。CV当为负半周幅值变化到恰好大于时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，2VCV再次对C充电，上升到的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变2VCV2V本科生课程设计（论文）9为截止，C对RL放电，按指数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，CV重复上述过程。图2-6桥式整流、电容滤波时的电压、电流和纹波电压波形2.3.3RL、C对充放电的影响电容充电时间常数为rDC，因为二极管的rD很小，所以充电时间常数小，充电速度快；RLC为放电时间常数，因为RL较大，放电时间常数远大于充电时间常数，因此，滤波效果取决于放电时间常数。电容C愈大，负载电阻RL愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且其平均值愈大，如图所示。1.有电容滤波时候设电流为LII25.122.RC越大电容放电速率越慢一般取253TCRLd本科生课程设计（论文）103电容滤波电路的负载电压与的关系越LV2V22.11.1VVL2.4充放电控制系统的设计图2-7充放电控制系统工作原理：当外电源（市电）正常工作时，经过整流电路，将交流电压变为单向脉动的2V直流电压，此直流电一方面对充放电控制系统中的蓄电池进行充电，另一方面通过滤波，稳幅等措施对负载进行作业。当外电源出现断电或其他故障而不能正常供电时，由充放电控制系统来控制蓄电池进行放电，从而维持对后面部分的电路供电不间断。当市电正常时，电磁继电器开关通电正常工作，使开关连接在K1上，开始对蓄电池进行充电，同时发绿光的二极管D6导通发出绿光；当电量充满的时候，充电控制系统相当于开路，发光二极管不发光。当外电源出现断电等异常故障时，电磁继电器开关也断电使开关跳至K2，整个电路进行零输入响应状态，蓄电池开始放电，为后面部分的工作电路提供不间断的直流稳压电源；同时发红光的二极管D7发出红光可以提醒用户外电源出现故障，应及时采取措施。该电路用到了一些器件的特别性质，像二极管的单向导电性和发光二极管的电信号转向光信号的性质，还有电磁继电器开关的通电、断电控制原理，以及关于蓄电池的一些性质。本科生课程设计（论文）112.5串联反馈式稳压电路设计基准电压比较放大调整管取样部分负载图2-8串联反馈式稳压电路一般结构图2.5.1电路组成由图可知电路由四部分组成（1）取样电路.取样电路由R1、Rp、R2组成的电阻分压器构成，它将输出电压Uo的一部分取出送到放大环节图中Rp是调节输出电压的作用。（2）基准电压.基准电压部分由稳压管和R组成，稳压管上电压VDz是一个稳定性较高的直流电压，作为调整、比较的标准，R是稳压管的限流电阻。（3）比较放大电路.比较放大是由运放A构成，是将取样电压与基准电压之差值进行放大，比较放大电路也可以采用三极管。（4）调整管.调整管由工作于线性区的功率管T组成，它的基极电流受比较放大电路输出信号控制，根据比较放大电路给出的信号去调整输出电压Uo。本科生课程设计（论文）122.5.2输出电压及调节范围Uo靠滑动电阻Rp的调节来控制，范围为：(1)当Rp动端在最上端时，输出电压最小为Vomin，则REFppOMINVRRRRRV221(2)当Rp动端在最下端时，输出电压最大为Vomax，则REFpOMAXVRRRRV2212.6启动电路与保护电路的设计2.6.1启动电路启动电路设置在串联负反馈式稳压电路中，作用是防止电流源难以自行导通，以致输出电压较难建立，启动电路可以给电流源提供基极电流，使基极电位上升导通，以使整个电路进行工作状态。2.6.2保护电路保护电路目的主要是使调整管能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值Pcm图2-9调整管保护电路图本科生课程设计（论文）13工作原理：稳压电路正常工作时，负载电流不超过额定值，电流在Ro上的压降很小，故三极管T1截止，保护电路不起作用。当负载电流超过某一定临界值后，Ro上的压降使T1导通。由于T1中流过一个集电极电流，将使调整管T的基极电流被分流掉一部分，于是限制了T中电流的增长，保护了调整管。本科生课程设计（论文）14第3章微机断电保护直流不间断电源整体电路设计3.1整体电路以及工作原理图3-1整体电路图工作原理：1.外电源正常工作情况下，经过电源变压器作用，使外电源电压降低到合适电压，此时电压为交流电压，再经过整流桥D1D4两两导通的整流作用后，电压2V变成单向脉动的直流电压；由于脉动的直流电压还含有较大的纹波，需用滤波电路将其滤除，故C1的作用是把经过整流作用后的单向脉动的直流电压中的纹波滤除；接着，电路一方面通过充放电控制系统的控制对蓄电池进行充电，另一方面通过稳压电路作用后为输出负载提供稳定的直流电压。2.当外电源出现故障的情况下，由充放电控制系统控制蓄电池开始进行放电，由于滤波与系统之间接有一个反向偏置二极管D5，所以滤波不作用，蓄电池放出的电量直接供后面的电路进行工作。（1）充放电控制系统：当充电的时候，此时发光二极管D6导通发绿光，当电量充满地时候，充放电控制系统相当于开路，所以不发光；当断电时，电磁继电器开关跳到K2，蓄电池开始放电，同时使发光二极管D7导通发出红光(根据两个发光二极管不同的情况下进行发光，可以提示用户电路工作在何种状态)。（2）整个稳压电路由开启电路（Dz1、R1、R2、T1）、保护电路(Ro、R3、To)、本科生课程设计（论文）15取样(R5、R6、Rp)、基准电压（R4、Dz2）、比较放大（A）、调整管组成（T2、T3）。当输入电压Vi为一定值，且高于Dz1的稳定电压时，稳压管两端电压使T1导通，电路中调整管基极电位建立，整个电路进入正常状态。稳压电路进行工作。当稳压电路正常工作时，负载电流不超过额定值，电流在Ro上的压降很小，故三极管T1的发射结未能导通即T1截止，保护电路不起作用。当负载电流超过某一定临界值后，Ro上的压降使T1导通。由于T1中流过一个集电极电流，将使调整管T的基极电流被分流掉一部分，就限制了T中电流的增长，从而起到保护调整管的作用。3.2电路参数计算（1）电源变压器的选取：由于要求输出电压为5V且连续可调，则假设输出电压的范围为4V6V；要考虑在最不利条件：交流市电220V电源电压降到最低、负载又最大时，输出电压仍保证为可调电压的最大值6V；要求调整管工作在放大区，即T1的c、e两端电压Vce=3V以上。综合考虑各种因素，稳压器的输入电压为6+3=9V；又交流电压220V有10%的波动，所以Ui=9（1+10%）=9.9V，考虑负载最大的场合取U2=Ui=10V；稳压源的最大输出电流Iom2U21.11.56U2=15.6V；二是最大整流电流Id，要求IdIo2=3.12=1.55A；故整流二极管选用2CZ54A其参数是耐压25V，最大工作电流为2A。（3）滤波电容的选取：根据桥式整流滤波电路的特性，空载时Ul最高位2U2，则Uc2U21.11.56U2=15.6V；滤波电容容量的选择：由于采用桥式整流电路输出电压为253TCRLd5V，电流为3.1A，RL=2；因此，C=(35)0.012F(1525)100uF。电容C1选择3000uF耐压为25V电解电容。（4）调整管的选择：要求调整管T3的U(BR)CEO应满足：U(BR)CEO3=2U21.11.56U2=15.6V考虑到取样和放大电路的电流，集电极电流一般取Icm3=1.5Io=1.53=4.5A；调整管T3的最大功耗：Pcm3=1.1(Ui-Uomin)Icm3=1.1(10-3)4.5=34.65W因此，T3可以选择三极管BD243，其参数是U(BR)CEO=45VIcm=6APcm=65W，满足要求。同理，可分析求得T2的相关参数为：U(BR)CEO2=15.6V；Icm2=Icm33=1.5A；Pcm2=1.1(Ui-Uomin)Icm2=11.55W；故T2也可以选择用三极管BD243。（5）基准电压中稳压管的选择：输出电压为5V，所以稳压管电压Vz2必须小于本科生课程设计（论文）165V，所以选择稳压管型号为2WC7，两端电压为3V，电流为70mA，所以基准电压中稳压管的限流保护电阻R为30。（6）取样电阻的选择：取样电阻的选取与输出电压与基准电压有关，由于可在46V范围调节，得REFPOVRRRRV656当Rp动端在最上端时，输出电压最小为Vomin，则=4V；REFppOVRRRRRV656min当Rp动端在最下端时，输出电压最大为Vomax，则=6VREFpOVRRRRV656max解得R5=100、R6=200、Rp=100；（7）蓄电池的选择：可持续进行稳定充放电的10V铅蓄电池；3.3整体电路性能分析整个电路通过电磁继电器开关控制蓄电池的充放电，可以为负载提供不间断直流稳压电源，保护负载且维持其正常工作，防止紧急情况下意外断电故障造成不必要的损失；并且电路中存在过流保护电路，可以有效的保护稳压电路中的调整管，启动电路部分能有效的为调整管基极建立电位，使整个电路有效的进入工作状态，而且在滤波与充分电控制系统之间存在一个反向二极管，以后有效的防止蓄电池放电过程中电量的浪费。满足稳压系数；另外，电路中还存在着两个发光二05.0rS极管，在不同的工作状态中