導語：如何才能寫好一篇串聯穩壓電源設計，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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【關鍵詞】multisim;穩壓電源;仿真

Abstract：It is easy to change the parameter of the power circuit，it is intuitive to check waveform and numerical variation of the output voltage，which has high-accuracy simulation and without real hardware devices，improved efficiency of design，saving circuit cost，that is the series power supply circuit is simulated by multisim.

Keywords：Multisim;Power circuit;Simulate

1.引言

Multisim已經廣泛應用于電子電路的分析和設計中，它不僅使得電路的設計和試驗的周期縮短，還可以提高分析和設計能力，實現與實物試制和調試相互補充，最大限度地降低設計成本。使用Multisim軟件來仿真電路，具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特點1。如今要用multisim設計一個單相小功率（小于100W）的直流穩壓電源，電源的指標參數如下：（1）輸入電壓220V，50Hz;（2）輸出直流電壓范圍：8V～13V，連續可調，額定輸出電壓為9V;（3）最大輸出電流0.1A;（4）紋波系數低于0.1%。

從給出的條件可知，輸入與輸出之間電壓值相差很大，故需要一個降壓環節;經過降壓以后的交流電還需變成單方向的直流電，這就是整流環節;但是其幅值變化很大，若作為電源去供給電子電路時，電路的工作狀態也會隨之發生變化而影響性能;需要利用濾波電路將其中的交流成分濾掉，留下直流成分;此時電源還受電網電壓波動和負載變化的影響，故要穩壓。所以要經過降壓、整流、濾波、穩壓四個步驟2，如圖1所示。

圖1 穩壓電源的框圖

又依據第4）點知電源的紋波系數很低，輸出的電源的穩定性的質量很高（很低的紋波），又有較強的帶負載能力，見第3）點，所以選用串聯穩壓電源電路來實現電路的仿真。串聯穩壓電源電路的結構見圖2所示。

圖2 串聯穩壓電源的結構

2.主要仿真元件的選取

2.1 變壓器的選擇

對比Ui=220V，Uomax=13V的值， 故選擇降壓后的電壓值略大于13V，選擇變壓器的變比N=14，降壓后電壓U2≈16V。由于Multisim 對變壓器的仿真效果不理想。所以直接選用U2≈16V，f=50Hz的交流電源AC_POWER，見圖3。

2.2 二極管的選擇

流過整流二極管的正向電流ID>0.45U2/R，反向峰值電壓URM>2U2

即：ID>=0.01A，URM>45V

選用multisim中的1N4003，見圖3。

2.3 電容大小的選擇

在負載變化時，相同電容的濾波效果不一樣;在電容變化時，相同負載時其濾波效果也是不一樣。總體的選取原則是RLC[3]，其中T=0.02S，即RLC，在表1至表2中仿真了不同的RL和C時輸出電壓中紋波的大小。圖4是不同電容時濾波的輸出電壓的仿真波形。

2.4 穩壓電路中調整管穩壓管等選擇

穩壓管選用UZ =4.9V的穩壓管作基準電壓，因為輸出電壓為7V～14V，故在穩壓環節中取樣部分應該是可調的，應該滿足

選用RW=R上=R下=1K，所以：

調整管的選擇：因為輸出最大電流0.1A，所以在穩壓環節中由于調整管是和負載時串聯的關系，負載流過的最大電流為0.1A，出于裕量選調整管的集電極的額定電流IC應該大于0.3A，選用調整管型號為ICZ655，它與BC548A構成達林頓管，提高帶負載能力，滿足最大電流為0.1A的要求。

3.仿真電路的繪制和仿真結果的對比

3.1 仿真電路的繪制

依據上面的分析，繪制電路如圖3所示。

圖3 串聯穩壓電源電路的仿真圖

3.2 仿真數據對比

（1）開關J1、J3、J4閉合，觀測整流、濾波后不同RL、C時輸出電壓的紋波值和輸出電壓的值。

當RL=1k和200歐時，改變電容的值，測出輸出電壓值及其紋波值見表1和表2。

表1 RL=1k不同電容值對應的值

C 紋波電壓 Uo RLC

1000 uF 16.125 mV 15.31V 1s

470uF 16.831mV 15.219v 0.47s

220 uF 176 mV 15.197V 0.22s

20 uF 1.5V 13.425V 0.02

表2 RL=200歐不同電容值對應的值

C 紋波電壓 Uo RLC

1000 uF 301.021mV 14.788V 0.2s

470uF 394.109mV 14.744V 0.094s

220 uF 769.382mV 14.221V 0.044s

20 uF 3.63V 10.566V 0.004

比較表1和表2可知負載改變時，特別是負載較重時，其紋波明顯加大，輸出電壓UO的大小也與負載有關，負載越大，輸出電壓平均值越低。

增加C的容量，可以使得濾波的效果得到改善，但是在滿足RLC后，輸出電壓UO的大小紋波的變化并不很明顯，所以選用470uF的電容進行濾波。

（2）開關J1、J3、J5閉合，觀測整流、濾波、穩壓后輸出電壓的紋波值和輸出電壓的值。見表3所示。圖4是電容為470uF時穩壓前和穩壓后輸出電壓Uo的波形對比，從仿真結果看，穩壓后的波形更加平滑穩定。

表3 斷開R7，連接R5穩壓后的數值

負載RL 紋波電源壓 Uo

R=空載 337.111u 9.088v

R=1K 656.375u 9.088v

R=500 656.375u 9.088v

R=200 656.375u 9.088v

R=100 656.375u 9.088v

對比表1～表3的數據可知，經穩壓后，輸出電壓Uo的較穩定，其中的紋波值明顯減小，基本為一定值，即約為0.6mV 。

紋波系數=紋波電壓/輸出電壓

=0.6m/9*100%

=0.006%<0.1%

圖4 穩壓前后波形對比

輸出電壓UO的仿真測試值的范圍為：

UOMAX=13.082V≈13V，UOMIN=6.957V≈7V

4.結束語

利用multisim仿真電源電路，可以直觀的觀測電路中的電壓參數值，方便的查看關鍵點的波形，能提高電路的設計效率，節省實物電路的制作時間和成本，故值得大力推廣應用[4]。

參考文獻

[1]力.基于multisim8的電壓串聯負反饋放大器仿真[J].電子科技，2013，26：140-142.

[2]陳梓城.模擬電子技術應用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]任俊園，李春然.電容濾波電路工作波形的multisim仿真分析[J].電子設計工程，2012，11：10-11.

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伍水梅 廣東省國防科技技師學院 廣州同和 510515

【文章摘要】

電源是電路的核心，是電子電路制作過程中必不可少的設備。一個好的直流穩壓電源能讓電路制作事半功倍，效果顯著。一般直流穩壓電源由變壓器、整流、濾波、穩壓等幾個部分組成。本文介紹了一種簡單實用的直流穩壓電源的制作。

【關鍵詞】

直流穩壓電源；變壓器；整流；濾波； 穩壓；7806

【Abstract】

Power which is the core of the circuit is the essential equipment for making electronic circuit. It will get twice the result with half the effort if a good DC power is supplied for the production of circuit.Generally speaking,DC power supply is mainly composed of transformer, rectifying,filtering and voltage-stabilizing. This article describes a simple and practical construction of DC power supply.

【Keywords】

DC Regulated Power Supply;Transformer; Rectifying;Filtering;Voltage-stabilizing; 7806

0 引言

科技在不斷進步，人們對小型電器的需求越來越大，但不管是那種電器設備， 電源都是必不可少的，而且越是高端的電器，對電源要求越是嚴格。電源技術核心是電能變換與處理，廣泛應用于教學、科研等領域，而直流穩壓電源是電子技術中常用的儀器設備之一，幾乎所有家用電器和其它各類電子設備都在使用直流穩壓電源，它占著舉足輕重的位置，是大部分設備與電子儀器的重要組成部分，是電子科技人員及電路開發部門進行實驗操作和科學研究不可缺少的電子儀器。但實際生活中通常是由 220V 的交流電網供電， 直流電源需要通過電源系統將交流電轉換成低電壓直流電以供給各類電器設備使用。

直流穩壓電源對電路調試、電路制作有決定性的作用，一個好的直流穩壓電源，能讓工作事半功倍。直流穩壓電源系統主要由變壓、整流、濾波和穩壓四部分電路組成，其原理和制作過程比較簡單， 如圖1 所示。本文主要介紹一個能提供+6V、+1A 的串聯型直流穩壓電源的制作過程。

1 合適變壓器的選擇

變壓器作為一個降壓元件，主要是將初級電壓（市電220V）轉換為電路所需壓降。根據電路要求提供+6V、+1A 的直流電源，所以在選擇變壓器的次級電壓和次級電流時應適當增大，原則上次級電壓應在所需電壓的基礎上多加3V，即次級電壓應選6V+3V=9V，而次級電流應在所需電流的基礎上乘以1.7 倍，即1.7A ；變壓器的功率P 是初級線圈P1 和次級線圈功率P2 之和的一半，即：

P=（P1+P2）/2，

按照所選擇的電壓可計得：

P2=U2×I2=9×1.7=15.3W

P1=P2/ （0.8 ～ 0.9）=18W

這樣可以選擇變壓器的參數是功率為18W，初級輸入電壓220V，次級輸入電壓9V。變壓器應進行基本檢測，如初級、次級線圈的分辨，最常用的方法有兩個： 第一種是根據線圈電壓與線圈匝數的比值V1:V2=n1:n2 可知線圈細的那邊應為初級線圈（輸入端）；另一種方法是用萬用表的電阻檔比較兩線圈的電阻值，阻值較大的那一端為初級線圈（輸入端）。

2 整流電路的配備

整流電路的主要作用是利用二極管的單向導通特性將變壓器輸出的交流電壓轉換為脈動直流，是直流形成的第一站，它所提供的電壓比最大輸出電壓值

圖4.2 1ms 調頻周期信號頻譜 要略高，所以在選用四個二極管時要注意耐壓值應比變壓器的次級輸出電壓大3 倍以上，耐流值應略大于變壓器的次級電流。按照變壓器所取的數據：U2=9V、I2=1.7A，所選取的二極管耐壓應大于27V，耐流值最小應等于變壓器的次級電流。二極管需要承受較大的反向電壓，假如二極管反接，將會造成二極管損壞，電路無法工作等嚴重后果，因此安裝前要對二極管進行檢測，確保極性。二極管的檢測：用萬用表測量二極管的正反向電阻， 根據二極管的單向導通特性可以輕易的判斷出小電阻的那次黑筆所接是正極，紅筆所接是負極；對于外觀完好的二極管也可以從銀色圈圈在哪邊從而判出負極。

3 選用不同的電容器實現濾波

濾波電路是利用電容器將整流電路所輸出的脈動直流存在的交流成份濾掉， 使輸出波形變得平滑。不同類型的電容器有著不同特性，在電路中能起不同作用， 因此不同的電路應該選擇不同的電容器； 但不管何種電容器，在電路中承受的電壓都不能超過它自身的耐壓值，否則電容器將受到損壞，甚至產生“放炮”現象。根據變壓器的次級電壓等于9V，選擇電容器的耐壓值應為1.42 U2，即13V，電容器的容量應為（1500 ～ 2000）I2 （I2 為變壓器次級電流），即電容器可選用3300 ～ 4700μF 的。在本文所設計的電路中，前面的濾波電容C1 可適當選大到3300μF 以上，穩壓出來的濾波電容C2 就要相對減小，可選擇幾十微法的。利用萬用表的電阻檔檢測電容的好壞，判斷電容有無短路、斷路和漏電等現象：按電容量的大小用萬用表不同的電阻檔，紅、黑表筆分別接電容器的兩引腳，在表筆接通瞬間觀察表針的擺動，若表針擺動后返回到“∞”，說明電容良好，且擺幅越大容量越大；若表針在接通瞬間不擺動，則說明電容失效或斷路； 若表針在接通瞬間擺幅很大且停在那里不動，說明電容已擊穿（短路）或漏電嚴重；若表針在接通瞬間擺動正常，只是不能返回到“∞”，說明電容有漏電現象。對電解電容更要分清楚正負極，避免反接。

4 穩壓電路的研制

穩壓電路是當電網電壓波動或負載發生變化時，能使輸出電壓保持穩定的電路。根據電路的連接方式可分為并聯型直流穩壓電源和串聯型直流穩壓電源。并聯型直流穩壓電源所用元器件少，較經濟；輸出短路時元器件不易損壞，但效率低，調壓范圍小，負載變化容易引起輸出電壓的變化，適用于負載電流變化不大或極易發生短路的場合。相比之下串聯型直流穩壓電源可用在負載變化較大，穩壓性能要求較高，輸出電壓可調等場合，所以建議安裝串聯型直流穩壓電源。常用的穩壓元件有穩壓管、LM317、CW78××× （CW79×××）。

穩壓管是特殊加工而成的二極管，和普通二極管一樣具有單向導通特性，主要工作于反向擊穿區，起穩壓作用，通常并在負載兩端使用。當它兩端所加的反向電壓達到反向擊穿電壓時，管子導通，電流急劇上升，達到穩壓效果。只用穩壓管工作的穩壓電路一般較簡單，性能也較差， 適用于輸出電流不大，穩壓要求不高的場合。為改善穩壓效果，穩壓管常會和復合管一起用，但穩壓效果還是不理想。

LM317、CW78×××（CW79×××） 同屬三端集成穩壓器，都是將穩壓電路通過半導體集成技術壓制在一塊半導體芯片中形成集成穩壓電路[9]。LM317 是一種常用的三端可調穩壓集成電路，輸出電流為1.5A，輸出電壓可在1.25 － 37V 之間連續調節，調整使用方便。CW78××× 系列為輸出正電壓的固定式三端穩壓器， CW79××× 系列為輸出負電壓的固定式三端穩壓器，兩者都包含了輸入、輸出、公共接地端三個引出端，具有限流和熱保護的功能，且根據后序××× 不同各有不同的的輸出電壓和輸出電流，第一個“×” 代表額定電流--- 字母L 表示輸出電流為100mA，字母S 表示輸出電流為2A， 沒有字母表示輸出電流為1A ；后面兩個×× 表示額定電壓---05 表示額定電壓為5V，12 表示額定電壓為12V，如此類推。根據要求，本文選用7806 集成穩壓器（如圖5 所示），其額定電壓+6V，輸出電流1A ；若是79S12 則額定電壓為-12V，輸出電流2A。在使用所選IC 前，應注意區分7806 的三個管腳和判斷其好壞。區分管腳時可將三端穩壓器正面豎起來面對自己， 從左到右依次為輸入端、接地端、輸出端， 使用加電壓法測試三端穩壓器好壞，在7806 的1 腳和2 腳按極性加上直流電壓（9—35V），用萬用表測3 腳和2 腳的電壓， 如果所測電壓數值與穩壓值相近（大小不超出2V），則說明穩壓器性能好。

5 附加電路的選用

根據電路的要求不同，也為了讓電路能更好的工作，可以在原電路的基礎上增加一些冗余電路，如電源指示電路，輸出電壓顯示電路，散熱電路等。

當電路完成后應重新檢查一次所有元器件，如二極管的方向、電解電容的極性、集成電路的各管腳等，在檢查無誤后則可以進行通電調試，接通開關后若指示燈顯示正常，則+6V、1A 直流穩壓電源即可正常使用，其原理圖如圖2 所示。

6 結束語

通過對直流穩壓電源的分析制作，總結出直流穩壓電源的制作應從選材入手， 根據電路要求進行電路設計。只要認真扎實的進行制作，就能從中悟出很多有關直流穩壓電源的制作技巧，使一些積累問題迎刃而解，推導出開關型穩壓電路、串聯反饋式穩壓電路、輸出正負電壓可調的穩壓電路等的制作，提高創作水平。

【參考文獻】

[1] 田智文. 一種帶有保護電路的直流穩壓電源的設計[D]. 西安：西安電子科技大學，2011

[2] 孟祥印，肖世德. 基于先進集成電路多輸出線性直流穩壓電源設計[J]. 微計算機信息，2005，21（1）： 154-155，180

[3] 金釗. 直流穩壓電源的性能測試與優化[D]. 威海：山東大學，2012

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關鍵詞：補償式；無觸點；PLC；穩壓器

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.01.176

1 目前市場同類產品研究及生產狀況

穩壓器的主要電路結構，從最初的機械碳刷式到無觸點補償式，經歷了好幾代的發展變化，但目前市場上的很多大功率交流穩壓器仍是機械碳刷式結構。機械碳刷式穩壓器有著許多缺點和不足，已遠不能適應現代科技的需要。

國內關于交流穩壓器的研究較為活躍，其研究的主要內容分為兩個大的方向：

1.1 無觸點補償式大功率交流穩壓器[1]

無觸點補償式大功率交流穩壓器[1]提出通過改變變壓器的繞組組合來改變輸出電壓：一種是純補償式，它的拓撲結構如圖1.1所示。

通過雙向可控硅的通斷，控制補償變壓器組合的投入、退出或改變極性，從而達到穩定輸出電壓的目的。可控硅通過橋臂形式，直接接在相線與零線之間（220V），因而工作電壓高，換檔時產生的浪涌電流大；同時，這種電路在可控硅誤導通時，很容易造成相線與零線之間短路，瞬間就會燒毀可控硅，故其可靠性很差。另一種是自耦調壓補償式[2][3]，這種結構通過控制雙向可控硅的通斷，來切換自耦變壓器的抽頭，從而改變補償變壓器補償電壓的大小和極性，達到穩定輸出電壓的目的。

1.2 高頻開關型交流穩壓器

高頻開關型交流穩壓器把先進的高頻開關電源技術引入到交流穩壓器中，從而可以取得減小體積和重量，具有效率高、響應速度快的優點[4]。但因其電路復雜，價格很高，難以做到大容量輸出。

2 單相交流穩壓電源的設計

要保證電源裝置能做到精密地控制和可靠地運行，必須采用電力電子技術，在裝置中使用電力半導體器件。基于此，設計了一種新型的采用PLC控制的無觸點補償式大功率交流穩壓器。

2.1 穩壓器電磁原理分析

2.1.1 電壓串聯補償原理

電壓串聯補償技術原理如圖2.1所示。

由圖2.1可知：， 為電網側輸入電壓，為補償電壓，為穩壓器輸出電壓。當低于時，調壓裝置使為正補償；當等于時，調壓裝置不動作，為0補償。當高于時，調壓裝置使為負補償。穩壓器[5]只需補償電壓設定值和實際值的偏差電壓，而無需承擔負荷的全部電壓，采用電壓串聯補償技術研制的穩壓器即可做到。

2.1.2 主電路拓撲結構

穩壓器的主電路拓撲結構如圖2.2所示[6]：主電路由帶分接頭的自耦調壓變壓器和串聯補償變壓器組成。

為通過智能控制系統控制的固態繼電器模塊。通過改變自耦變壓器的變比而控制自耦變壓器的二次電壓，通過改變補償變壓器的一次繞組的接入點而控制補償電壓的正負。與補償變壓器 T2 一次繞組并聯的RC 電路是為了抑制在換擋瞬間因補償變壓器 T2 一次繞組暫時開路而引起的沖擊電流。

2.2 控制系統硬件組成

設計采用西門子S-200系列PLC、模擬量輸入模塊組成控制系統，觸摸屏采用臺達DOP-B系列觸摸屏。控制系統的硬件組成框圖如圖2.3所示。

交流固態繼電器介紹。交流固態繼電器SSR[7]是一種無觸點通斷電子開關（Solid State Relays），由輸入電路，隔離（耦合）和輸出電路三部分組成。它利用電子元件（如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件）的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出控制端。當施加輸入信號后，其中主回路呈導通狀態，無信號時呈阻斷狀態。整個器件無可動部件及觸點，因此又被稱為“無觸點開關”。

2.3 PLC系統設計與程序編寫

2.3.1 PLC主程序編寫

PLC主程序主要是對定時器、初始值、子程序讀取、寄存器、計數等相關設置。程序開始運行時，先將檔位實際輸出初始值進行設置。通過初始化程序，將額定電壓設定設為40V，閾值設為2V，并將所有輸入輸出端口和寄存器初始化。

初始化程序1：由于PLC量程為（-27648～27648），電壓變送器的量程0～250V轉化為0～10V，對應40V為4424，并將其賦值給VW500作為電壓設定值；將1 給VW502默認T3定時器為1*10ms；VW504閾值為0.8V；VW506為檔位判斷前時間間隔；VW510為總周期。

初始化程序2：VW2為當前偏差；VW4為前擋偏差；VW6為執行檔位；VW100為實際檔位；VW98為周期次數；將其全部置0初始化。

初始化程序3：初始化輸出端0100001，對應點數輸出0擋。

電壓判斷程序流程圖如圖2.9所示。

通過設定初始值與采集值進行比較，判斷偏差與零的大小，根據判斷進行檔位判斷，從而調節比例大小，進而調節輸出電壓。

利用PLC控制和電力電子技術，實現了智能的單相交流穩壓電源的設計，它容量更大，可靠性更強，精度更高。克服了機械觸點式穩壓器故障率高、噪聲大、損耗大的缺點，適用于對環境要求較高、對電壓穩定性要求高的用戶。

參考文獻：

[1]郭萍，李建華.無觸點斬波式交流穩壓器[J].江蘇電器，2008（04）：45-48.

[2]馮剛，馮新民，王志勇.補償式交流穩壓器設計[J].江蘇電器，2008（10）：49-52.

[3]江友華，顧勝堅，方勇.無觸點交流穩壓器的特性研究及功率流分析[J].電力電子技術，2007，41（08）：7-9.

[4]譚必禮.交流調壓和穩壓電源的發展動向[J].變壓器，2004，41（05）.

[5]李海林，劉小虎.一種無觸點補償式交流穩壓器的設計[J].船電技術，2010（04）：34-36.

[6]孫海濤，全永強.自動補償式交流穩壓電源的研制[J].變壓器，2005，42（02）.

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關鍵詞：創新教育環境氛圍內容評價

如何在教學過程中實施創新教育，是每個職業教育工作者需要積極思考和亟待解決的課題。中職階段是學生思維能力與思維品質形成的關鍵時期，如何在貫徹素質教育中培養學生的創新意識、創新思維和創新能力就顯得尤為重要。

在電子課堂中加入實習知識，能夠更好地實行創新教育，有利于激發學生的創新意識，磨煉創新品質，培養創新能力，更有利于學生練就在今后的工作和生活中解決新問題，創造新生活的能力。

一、激發新的知識運用模式的價值

筆者認為，在電子專業中加入實習的知識更加能夠為探尋有利于激發創新思維的實習模式做準備，因為趨勢是肯定的，那么其發展的軌跡就尤為重要。

學校可以著力培養學生團隊意識，就要注重引導學生組建“家電維修小組”、“電子小制作興趣小組”、“電子設計與制作競賽活動”，等等，讓學生在這些豐富多彩的集體活動中，自行組織、分工協作、自主自覺地去完成指定項目。由于學生有很大的自由度和自，各小組成員就發揮自己的長處，各顯神通，思維很活躍，興致也很濃。這樣，學生的創新思維不僅得到了發展，團隊精神、合作意識也得到了培養。而且實訓過程中，可以通過各種各樣的手段來進行學習的彌補，可以說結合了很多有利的元素，使得學生的知識更加牢固。

二、重視興趣的重要性，在實習中因材施教

注重實習內容的漸進性和拓展性：由于職校學生的基礎差，思想惰性大。要想學生一下子形成良好的創新思維和能力是不現實的。電子專業的實習項目往往包括多個內容。像一個電路往往由多個功能電路組成，若單純讓學生照著去做，學生弄不清電路結構，出現故障時無從下手，往往是畏難而退，反而產生消極作用，所以實習應該循序漸進，一個一個模塊進行。譬如，在組裝聲光控開關時，可以先組裝電源，在電源檢測正常之后，再進行聲控電路實習，然后再進行光控電路實習；這樣環環把關，循序漸進，有利于讓學生形成良好的思維習慣。組裝完后，引導學生分析如何調整光控和聲控靈敏度，還可以將電路再擴展衍生新的電路。這樣避免了拔苗助長的惡果，而是讓學生一步一個臺階在分階段實習中獲取知識和培養良好的思維和創新能力。

三、建立實習實訓過程中的平臺教育過程

教師可以根據任務教學法的一些新思路為實訓打造新的平臺和手段。

根據課本上的相關知識結合課外查找的相關資料，各小組同學將直流穩壓電源的分類及作用展開討論，并進行歸類。

要求：能夠與實際相結合，列舉出不同種類的直流穩壓電源有不同的應用。

對直流穩壓電源的構成及各部分的作用、工作原理；串聯型晶體管穩壓電路的組成、工作原理及輸出電壓的計算各小組成員之間要會根據教材中的分析結合網上的多媒體課件來合作學習、研究探討。

細分五部分：

1.低壓電器的作用

2.整流電路的作用、分類、原理、計算

3.濾波電路的作用、分類、原理、計算

4.穩壓電路的作用、分類、原理、計算

5.典型故障分析

查找直流穩壓電源的實例，思考如何去市場上選購材料，去實驗室動手制作。小組之間研究如何調試：

1.可通過電子制作指導書或者上網站去搜索，確定要做的直流穩壓電源。

2.列好元器件清單，備齊材料和工具。

3.去實驗室小組成員制作調試。

四、寫好本次課題的總結報告

[資料]

1.書本材料：《電子技術基礎》《電子電工技能基礎》《電子電路實訓》。

2.省略/info/185-1.htm>

Design/ebook-linear-power-circuits.htm

3.元器件獲得：學校實驗室庫存

[評價]

題目一：對于直流穩壓電源電路：

1.整流電路有哪幾種？

2.直流穩壓電源電路是如何分類的？

題目二：制作串聯型穩壓電源，并填寫好報告。

五、結束語

通過本課題的學習，希望同學們對直流穩壓電源有一個深刻的認識。通過資料的查找和教材的學習，同學們不難知道直流穩壓電源的作用和分類，對于其構成部分的原理，部分同學學習起來可能存在一定難度，但是只要我們用心去探討學習，有問題多思考，多查找資料，利用一切可利用的資源，同學們就會比較好地掌握該部分理論知識。作為職業類的學生也更要注重將知識應用于實踐，為此同學們在動手制作直流穩壓電源時要學會處理好將理論應用到實踐的矛盾，遇到問題時要小組成員之間互相協作，探討問題的解決方法，這將對我們繼續學習打下良好的基礎。

參考文獻：

［1］郅庭瑾.教會學生思維.教育科學出版社，2004.172.

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關鍵詞 三端可調正穩壓器LM317;單片機AT89S51;模數轉換芯片

中圖分類號TM91 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708(2010)20-0060-02

0 引言

隨著電力電子技術的迅速發展,直流電源應用非常廣泛,小至家用電器的供電電源,大至大型發電廠、水電廠、超高壓變電站、無人值守變電站作為控制、信號、保護、自動重合閘操作、事故照明、直流油泵、,各種直流操作機構的分合閘,二次回路的儀表,自動化裝置的控制交流不停電電源等用電裝置的直流供電電源。與此同時直流電源的好壞直接影響著電氣設備或控制系統的工作性能,目前,市場上各種直流電源的基本環節大致相同,都包括交流電源、交流變壓器(有時可以不用)、整流電路、濾波穩壓電路等。針對以上概述,我們設計了一套足夠調壓范圍和帶負載能力的直流穩壓電源電路,要求是輸出電壓連續可調;所選器件和電路必須達到在較寬范圍內輸出電壓可調;輸出電壓應通過AD轉換電路以及單片機自動控制電路實現了輸出電壓動態實時顯示能夠適應所帶負載的啟動性能。

1 系統方案

1.1 設計方案

1)晶體管串聯式直流穩壓電路

電路框圖如圖1所示,輸出電壓UO經取樣電路取樣后得到取樣電壓,取樣電壓與基準電壓進行比較得到誤差電壓,對調整管的工作狀態進行調整,從而使輸出電壓發生變化,與由于供電電壓UI發生變化引起的輸出電壓的變化正好相反,從而保證輸出電壓UO為恒定值(穩壓值)。

2)采用三端集成穩壓器電路

如圖2所示,他采用輸出電壓可調且內部有過載保護的三端集成穩壓器,輸出電壓調整范圍較寬,設計一電壓補償電路可實現輸出電壓從0 V起連續可調,因要求電路具有很強的帶負載能力,需設計一軟啟動電路以適應所帶負載的啟動性能。

3)用單片機制作的可調直流穩壓電源

該電路可通過AT89CS51單片機控制繼電器改變電阻網絡的阻值,從而改變調壓元件的參數,使用軟啟動電路,獲得3~26 V,驅動能力可達1.5A。其硬件電路主要包括變壓器、整流濾波電路、壓差控制電路、穩壓及輸出電壓控制電路、電壓電流采樣電路、掉電前重要數據存儲電路、單片機、鍵盤顯示等幾部分。

4)整流電路的方案論證

橋式整流電路利用變壓器的一個副邊繞組和4個二極管,使得在交流電源的正、負半周內,整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流。

5)濾波電路的方案論證

利用電容兩端電壓不能突變的特性,實現濾波。電容濾波電路簡單,負載直流電壓較高,紋波也較小,但輸出特性欠缺,適用于負載電壓較高,負載變動不大的場合。

6)數顯電路方案論證

利用單片機對ADC0809的接口技術可實現對輸入模擬量的動態實時顯示。

1.2 具體電路

說明:如圖3原理圖中包含了采樣電路,基準電路,比較放大電路,調整電路以及過載電路;本基礎電路的輸出端(可看作C3兩端)即可實現對電池等的充電功能,通過調節滑動變阻器R5的阻值,可實現對不同型號電池的充電功能;采用兩個放大器,兩放大器輸出電壓大小相等、符號相反;在兩放大器輸出端分別加一個電阻,保證最大輸出電壓;使用集成芯片DAC0832,ADC0809。

參考文獻

[1]狄京等主編.電子工藝實習教程.中國礦業大學出版社.

[2]胡漢才編著.單片機原理及其接口技術.清華大學出版社.

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關鍵詞： 直流開關電源；開關電源；設計

1 直流穩壓電源概述

直流穩壓電源在一個典型系統中擔當著非常重要的角色。從某種程度上可以看成是系統的心臟。電源的系統的電路提供持續的、穩定的能源，使系統免受外部的干擾，并防止系統對其自身產生的傷害。如果電源內部發生故障，不應造成系統的故障，而確保系統安全可靠運行。因此，人們非常重視系統直流電源的設計或選用。直流穩壓電源通常分為線性穩壓和開關穩壓兩種類型。

1.1 線性穩亞電源

線性穩壓電源是指起電壓調整功能作用的器件始終工作在線性放大區的直流穩壓電源，期工作原理如圖1。

它由50 工頻變壓器、整流器、濾波器以及串聯調整穩壓器組成。

線性穩壓電源的優點是具有優良的紋波及動態響應特性。但同時存在以下缺點：輸入采用50 工頻變壓器，體積龐大且和很重；電壓調整器件工作在線性放大區內，損耗大，效率低；過載能力差。

線性電源主要應用在對發熱和效率要求不高的場合，或者要求成本及設計周期短的情況。線性電源作為板載電源廣泛應用于分布電源系統中，特別是當配電電壓低于40V時。線性電源的輸出電壓只能低于輸入電壓，并且每個線性電源只能產生一路輸出。線性電源的效率在百分之三十五到百分之五十之間，損耗以熱的形式耗散。

1.2 PWM開關穩壓電源

一般將開關穩壓電源簡稱開關電源，開關電源與線性穩壓電源不同，它是起電壓調整功能作用的器件，始終工作在開關狀態。開關電源主要采用脈寬調制技術。

開關電源的優點；

1）功耗小、效率高。電源中開關器件交替地工作在導通-截止和截止-導通的開關狀態，轉換速度快，這使得開關管的功耗很小，電源的效率可以大幅度提高，可達到百分之九十到百分之九十五。

2）體積小、重量輕。開關電源效率高，損耗小，則可以省去較大體積的散熱器；隔離變壓用高頻變壓器取代工頻變壓器，可大大減小體積，降低重量；因為開關頻率高，輸出濾波電容的容量和體積大為減小。

3）穩壓范圍寬。開關電源的輸出電壓由占空比來調節，輸入電壓的變化可以通過調節占空比的大小來補償，這樣在工頻電網電壓變化較大時，它仍然能保證有較穩定的輸出電壓。

4）電路形式靈活多樣。設計者可以發揮各種類型電路的特長，設計出能滿足不同的應用場合的開關電源。

開關電源的缺點主要是：存在開關噪聲大。在開關電源中，開關器件工作在開關狀態，它產生的交流電壓和電流會通過電路中的其他元器件產生尖峰干擾和諧振干擾，這些干擾如果不采用一定的措施進行抑制、消除和屏蔽，就會嚴重影響整機的正常工作。此外，這些干擾還會串入工頻電網，使附近的其他電子儀器、設備、和家用電器收到干擾。因此設計開關電源時，必須采取合理的措施來抑制其本身產生的干擾。

PWM開關電源在使用時比線性電源具有更高的效率和靈活等特點。因此，在便攜式產品、航空和自動化產品、儀器儀表以及通訊系統等，要求高效率、體積小、重量輕和多組電源電源輸出的場合，得到了廣泛的應用。但是開關電源的成本高，而且需要開發周期較長。

2 開關電源的設計

2.1 開關電源的工作原理

開關電源主要采用直流斬波技術，即降壓變換、升壓變換、變壓器隔離的DC/DC變換電路理論和PWM控制技術來實現的。具有輸入、輸出隔離的PWM開關電源工作原理框圖，如圖2所示。

50Hz單相交流220V電壓或三相交流220V/380V電壓經EMI防電磁干擾電源濾波器，直接整流濾波；然后再將濾波后的直流電壓經變換電路變換為數十千赫或數百千赫的高頻方波或準方波電壓，通過高頻變壓器隔離并降壓（或升壓）后，再經高頻整流、濾波電路；最后輸出直流電壓。通過取樣、比較、放大及控制、驅動電路，控制變換器中功率開關管的占空比，便能得到穩定的輸出電壓。在直流斬波控制中，有定頻調寬、定寬調頻和調頻調寬3種控制方式。定頻調寬是保持開關頻率（開關周期T）不變，波形如圖3所示。

通過改變導通時間高。而定寬調頻則是保持導通時間T on不變，通過改變開關頻率，來達到改變占空比的一種控制方式。由于調頻控制方式的工作頻率是不固定的，造成濾波器設計困難，因此，目前絕大部分的開關電源均采用PWM控制。

2.2 開關電源的主要性能指標

開關電源的質量好壞主要由其性能指標來體現。因此，對于設計者或使用者來講，都必須對其內容有一個較全面的了解。一般性能指標包括電氣指標、機械特性、適用環境、可靠性、安全性以及生產成本等。這里僅介紹常見的電氣指標。

2.2.1 輸入參數

輸入參數包括輸入電壓、交流或直流、頻率、相數、輸入電流、功率因數以及諧波含量等。

1）輸入電壓：國內應用的民用交流電源電壓三相為380V，單相為220V；國外的電源需要參出口國電壓標準。目前開關電源流行采用國際通用電壓范圍，即單相交流85～265V，這一范圍覆蓋了全球各種民用電源標準所限定的電壓，但對電源的設計提出了較高的要求。輸入電壓范圍的下限影響變壓器設計時電壓比的計算，而上限決定了主電路元器件的電壓等級。輸入電壓變化范圍過寬，使設計中必須留過大裕量而造成浪費，因此變化范圍應在滿足實際要求的前提下盡量小。

2）輸入頻率：我國民用和工業用電的頻率為50Hz，航空、航天及船舶用的電源經常采用交流400Hz輸入，這時的輸入電壓通常為單相或三相115V。

3）輸入相數：三相輸入的情況下，整流后直流電壓約是單相輸入時的1.7倍，當開關電源的功為3～5kW時，可以選單相輸入，以降低主電路器件的電壓等級，從而可以降低成本；當功率大于5kW時，應選三相輸入，以避免引起電網三相間的不平衡，同時也可以減小主電路中的電流，以降低損耗。

4）輸入電流：輸入電流通常包含額定輸入電流和最大電流2項，是輸入開關、接線端子、熔斷器和整流橋等元器件的設計依據。

5）輸入功率因數和諧波：目前，對保護電網環境、降低諧波污染的要求越來越高，許多國家和地區都已出臺相應的標準，對用電裝置的輸入諧波電流和功率因數做出較嚴格的規定，因此開關電源的輸入諧波電流和功率因數成為重要指標，也是設計中的一個重點之一。目前，單相有源功率因數校正（FPC）技術已經基本成熟，附加的成本也較低，可以很容易地使輸入功率因數達到0.99以上，輸入總諧波電流小于5%。

2.2.2 輸出參數

輸出參數包括輸出功率、輸出電壓、輸出電流、紋波、穩壓精度、穩流精度、輸出特性以及效率等。

1）輸出電壓：通常給出額定值和調節范圍2項內容。輸出電壓上限關系到變壓器設計中電壓比的計算，過高的上限要求會導致過大的設計裕量和額定點特性變差，因此在滿足實際要求的前提下，上限應盡量靠近額定點。相比之下，下限的限制較寬松。

2）輸出電流：通常給出額定值和一定條件下的過載倍數，有穩流要求的電源還會指定調節范圍。有的電源不允許空載，此時應指定電流下限。

3）穩壓、穩流精度：通常以正負誤差帶的形式給出。影響電源穩壓、穩流精度的因素很多，主要有輸入電壓變化、輸出負載變化、溫度變化及器件老化等。通常精度可以分成。3項考核：① 輸入電壓調整率；② 負載調整率；③ 時效偏差。同精度密切相關的因素是基準源精度、檢測元件精度、控制電路中運算放大器精度等。④ 電源的輸出特性：與應用領域的工藝要求有關，相互之間的差別很大。設計中必須根據輸出特性的要求，來確定主電路和控制電路的形式。⑤ 紋波：開關電源的輸出電壓紋波成分較為復雜，通常按頻帶可以分為3類： 高頻噪聲，即遠高于開關頻率 的尖刺；開關頻率紋波，指開關頻率 附近的頻率成分； 低頻紋波，頻率低于的 成分，即低頻波動。

對紋波有多種量化方法，常用的有紋波系數、峰峰電壓值、按3種頻率成分分別計量幅值以及衡重法。⑥ 效率：是電源的重要指標，它通常定義為η=Po/Pi×100%。式中，Pi為輸入有功功率；Po為輸出功率。通常給出在額定輸入電壓和額定輸出電壓、額定輸出電流條件下的效率。對于開關電源來說，效率提高就意味著損耗功率的下降，從而降低電源溫升，提高可靠性，節能的效果明顯，所以應盡量提高效率。一般來說，輸出電壓較高的電源的效率比輸出低電壓的電源高。

2.2.3 電磁兼容性能指標

電磁兼容也是近年來備受關注的問題。電子裝置的大量使用，帶來了相互干擾的問題，有時可能導致致命的后果，如在飛行的飛機機艙內使用無線電話或便攜式電腦，就有可能干擾機載電子設備而造成飛機失事。電磁兼容性包含2方面的內容：

電磁敏感性、電磁干擾分別指電子裝置抵抗外來干擾的能力和自身產生的干擾強度。通過制定標準，使每個裝置能夠抵抗干擾的強度遠遠大于各自發出的干擾強度，則這些裝置在一起工作時，相互干擾導致工作不正常的可能性就比較小，從而實現電磁兼容。

因此，標準化對電磁兼容問題來說十分重要。各國有關電磁兼容的標準很多，并且都形成了一定的體系，在開關電源設計時應考慮相關標準。

3 開關電源的設計步驟

開關電源的設計一般采用模塊化的設計思想，其設計步驟是：

1）首先從明確設計性能指標開始，然后根據常規的設計要求選擇一種開關電源的拓撲結構、開關工作頻率確定設計的難點，依據輸出功率的要求選擇半導體器件的型號；

2）變壓器和電感線圈的參數計算，磁性材料設計是一個優質的開關電源設計的關鍵，合理的設計對開關電源的性能指標以及工作可靠性影響極大；

3）設計選擇輸出整流器和濾波電容；

4）選擇功率開關的驅動控制方式，最好選用能實現PWM控制的集成電路芯片，也可利用單片機實現PWM控制；

5）設計反饋調節電路；

6）根據設計要求設計過電壓、過電流和緊急保護電路；

7）根據熱分析設計散熱器；

8）設計實驗電路的PCB板和電源的結構，組裝、調試，測試所有的性能指標；

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關鍵詞：硬開關； 軟開關； 零電流； 零電壓； 準諧振

中圖分類號：TN710-34 文獻標識碼：A 文章編號：1004-373X(2011)24-0006-02

High-frquency Switching Power Supply Converter Based on Quasi-resonance Soft-switch

LIANG Tao

(Department of Electrical Engineering, Guangxi Mechanical and Electrical College, Nanning 530007, China)

Abstract： The tradition high-frequency switching power supply transfer circuit uses the hard-switch technology, whose the circuit power consumption is great, the withstanding voltage and the current stress are high. In order to overcome the hard switch technology negative factors caused by the forced shutoff when electric current goes through the switching valve and the forced breakover when the switching valve has voltage, the quasi-resonance soft switch technology is adopted, namely zero current switch (ZCS) quasi-resonant converter and zero voltage switch (ZVS) quasi-resonance converter. The resonant loop is composed of the inductance and electric capacity. It allows the breakover when the switching valve is at zero voltage or the shutoff when the the switching valve is at zero current by the aid of the energy exchange between the inductance, electric capacity to achieve the reduction of switching power consumption and the electromagnetic interference. The soft switch technology is widely used in new switching power supply.

Keywords： hard-switch; soft-switch; zero current; zero voltage; quasi-resonance

在高頻開關電源的DC-DC變換電路中，功率開關管在控制信號強制控制下，有電壓時被開通，有電流時被關斷，這種工作方式稱為硬開關。傳統的PWM開關方式屬于硬開關技術，它的缺點顯而易見。

(1) 開關管無論在導通或截止時，電壓和電流均不為零，功率器件承受的電壓、電流應力大，開關管存在功耗，且開關頻率越高，功耗愈大。

(2) 開關管關斷時，電路中的感性元件和容性元件會產生幅值很高的尖峰電壓和尖峰電流，對開關器件造成危害，且開關頻率越高，損害越大。

(3) 隨著工作頻率的增高，會產生嚴重的電磁干擾，對自身電路及電網和周邊電子設備造成影響。

理想的關斷過程是電流先降到零，電壓再緩慢上升到斷態值，關斷損耗近似為零。因為功率開關管關斷之前，電流已下降到零，這就解決了感性關斷尖峰電壓問題，而理想的導通過程是電壓已先降到零，電流再緩慢升到斷態值，導通損耗近似為零。功率開關管結電容上的電壓也為零，解決了容性導通尖峰電流問題。為了解決硬開關方式帶來的各種不利因素，采用了多種措施。其中，準諧振型開關方式屬于軟開關方式，利用諧振技術，使功率開關管實現了零電壓或零電流的導通和截止，基本消除開關損耗。諧振型開關方式可分為零電流開關型（ZCS）和零電壓開關型(ZVS)；按控制方式分為脈沖寬度調制(PWM)和脈沖相移控制（PS）。實際應用中，PWM軟開關變換器多用于小功率DC-DC開關穩壓電源，PS軟開關變換器則用于中大功率DC-DC開關穩壓電源中。

下面介紹幾種常見的軟開關變換器。

1 零電流開關準諧振變換器

圖1是零電流開關準諧振變換器（ZCS-QRC）基本電路。諧振電容C與整流二極管D并聯，諧振電感與有源開關（晶體管或MOS管）S串聯。S在零電流時接通和關斷，而D在零電壓時接通和關斷。由于L和C諧振，通過S的電流發生振蕩并歸零，這就導致了自然換向。該電路特點是減少了關斷時的損耗，但存在電容在接通時的損耗，電容儲存的能量在S管導通時消耗在S管內，且與S管開關頻率成正比。

2 零電壓開關準諧振變換器

圖2是零電壓開關準諧振變換器（ZVS-QRC）基本電路。諧振電容C與有源開關器件S并聯，諧振電感L與D串聯，S剛關斷時，電容C上的電壓逐漸上升，并與電感L產生諧振，因此S是在零電壓時接通和關斷，而整流二極管D是在零電流時接通和關斷。該電路特點是開關器件的電壓被整形成準正弦波，為開關接通創造零電壓條件，減少了接通時的損耗。存在的問題是開關管還存在過剩的電壓應力，這種應力與負載大小成正比，此外整流二極管結電容與諧振電感引起的諧振會產生電磁干擾。

3 零電壓開關多諧振變換器

圖3是零電壓開關多諧振變換器基本電路。諧振電容C同時與開關管和二極管并聯，這樣S和D都可以在零電壓進行轉換，這個電路的好處是多諧振電路把開關管輸出電容、二極管結電容、變壓器漏感等寄生參量吸收到諧振電路中，極大降低了開關損耗和噪聲。該電路的缺點是開關管、整流二極管承受較大的電壓和電流。

4 軟開關脈沖寬度調制器

軟開關脈沖寬度調制器是由軟開關脈沖寬度調制器ZVS（或ZCS）-QRC與PWM控制的無隔離變壓器式功率變換器組合而成的。圖4中，當有源開關器件S與有源輔助開關器件S1同時接通時，C和L構成準諧振，當S接通，S1關斷時，電感L續流。這樣，在一個周期內，一段時間工作在準諧振狀態，另一段時間工作在PWM狀態。該電路特點是主開關S承受電流（或電壓）應力小，所以使用性能較上述電路好。

5 PS軟開關變換器

PS軟開關變換器也稱脈沖移相控制變換器，常用在大、中功率開關電源中，是實現高頻化的理想拓撲之一。大功率移相控制橋式變換器由4個功率開關器件組成全橋電路的橋臂，每個開關管導通時間固定不變，同一橋臂的兩只開關管相位相差180°，這樣只有相對的2只開關管都導通，變換器才有功率輸出。該電路利用功率開關管輸出電容（C1～C4）和輸出變壓器的漏電感（L）作為諧振元件，使變換器的4個開關管依次在零電壓下導通，實現軟開關控制。

6 結 語

高頻開關電源大量應用于各種用電設備，傳統的功率變換器采用硬開關技術，其缺點顯而易見。軟開關變換器技術有多種設計方式，目的是最大程度地解決硬開關技術缺陷，它是一種行之有效的電路。

參 考 文 獻

［1］ 曲學基，王增福，曲敬鎧．新編高頻開關穩壓電源［M］．北京：電子工業出版社，2005．

［2］ 沙占友．開關電源優化設計［M］．北京：中國電力出版社，2009．

［3］ 張興柱．開關電源功率變換器拓撲與設計［M］．北京：中國電力出版社，2010．

［4］ 劉鳳君．現代高頻開關電影技術及應用［M］．北京：電子工業出版社，2008．

［5］ 劉勝利．高頻開關電源新技術應用［M］．北京：電力電子出版社，2008．

［6］ 陳庭勛．非線性濾波電感在開關電源中的作用［J］．電源技術應用，2006（6）：6-10．

［7］ 李定宣．開關穩壓電源設計與應用［M］．北京：中國電力出版社，2006．

［8］ PRESSMAN A I, BILINGS K, MOREY T．開關電源設計［M］．北京：電子工業出版社，2010．

［9］ 錢振宇．開關電源的電磁兼容性設計與測試［M］．北京：電子工業出版社，2006．

篇8

浙江萬里學院 鄭健兒 祝 麗

【摘要】本文介紹的是兩輪電動小車自動平衡控制系統的電路設計方案，控制系統包括K60單片機主控模塊、電源模塊、電機驅動模塊和傳感器模塊，文章闡述了直立小車控制電路的具體設計方法。

【關鍵詞】兩輪直立車;控制系統;電路設計

引言

隨著科學技術的發展，民眾的生活水平也日漸提高，兩輪直立車將會越來越受大家的喜歡。本文結合大學生飛思卡爾智能車競賽項目，介紹了一種直立小車控制系統電路設計的方案，小車由兩個直流電機作為驅動，通過速度編碼器、加速度計和陀螺儀等傳感器來檢測車身的運動狀態，通過單片機的信號處理實現小車自平衡狀態。

1.系統控制任務分析

兩輪直立小車控制系統的控制任務可以分解成以下三個方面[1]：（1）車身平衡控制：通過兩個電機正反向運動產生的回復力保持車身直立平衡狀態;（2）行進速度控制：通過改變車身的前傾角度從而改變電機的轉速，來實現小車行進的速度控制;（3）小車方向控制：通過控制兩個電機之間的轉動差速實現小車轉向的控制。

三個分解后的任務雖然可以通過單片機獨立進行控制，但由于最終都是對同一個控制對象（兩個電機）進行控制，所以它們之間又是相互關聯和協調工作的。根據小車自動平衡控制的需求，系統電路需要單片機主控模塊、電機驅動模塊、電機轉速檢測模塊、車身傾斜度檢測模塊、車身運動狀態檢測模塊和電源模塊等幾部分電路構成，控制系統的框圖如圖1所示。

圖1 直立小車自動平衡控制系統框圖

2.系統硬件電路設計

2.1 穩壓電源模塊

小車用7.2V鋰電池供電，根據各模塊電路的需求，整個系統需要使用的電源電壓有5V和3.3V兩種。直流穩壓電源常用的有串聯型線性穩壓電源和開關型穩壓電源兩大類，線性穩壓電源具有波紋小、電路結構簡單的優點。此5V的穩壓選用LM2940穩壓芯片，3.3V穩壓選用AMS1117 芯片設計。具體電路如圖2所示。

2.2 直流電機驅動模塊

小車的直立平衡和行進、拐彎等運動完全由兩個電機的速度和轉向來決定，在控制系統中電機的加減速和正反向運動是由單片機輸出的PWM信號來控制的，但由于一般單片機I/O口輸出信號的電流較小，不能直接驅動直流電機，通常需要搭建H橋電路或用專門的驅動芯片來實現。BTS7970是一款性價比較高的電機驅動芯片，其驅動能力和響應速度都能滿足控制要求。一塊驅動芯片只能提供電機一個方向的PWM控制信號，因此需要用四片BTS7970驅動芯片來驅動兩個電機。小車上安裝有測速編碼器，通過速度的反饋，再經過單片機PID算法輸出相應的PWM信號，對電機的轉速進行有效調節，從而控制小車的運行狀態。單個電機的驅動電路原理圖如圖3所示。

2.3 傳感器檢測電路設計

為保證小車的直立平衡控制，需要對車身的運動狀態進行監測。系統選用ENC-03陀螺儀傳感器和MMA7361加速度傳感器二合一的模塊，實現對小車車身狀態的實時監控。該模塊自帶有硬件濾波功能，由該模塊的J口直接輸出小車的角度值，不用通過角速率對時間的積分來獲取，也就是說軟件方面我們只需要對采集回來的角度信號進行簡單的處理，就能得到相應的角度變化，該模塊的X口輸出的是實時的角速度值，采集回來的數據經過簡單的處理就能得到相應的角速度變化。角度數據采集的準確與否，直接關系到直立環節的直立效果，而在直立環節，速度環節，轉向環節中，直立環節又是另外兩個環節的基礎，所以角度數據采集顯得尤為重要。傳感器模塊的電路原理圖如圖4所示。

2.4 系統主控制器

控制系統的主控制器選用飛思卡爾公司的MK60DN512VLQ10單片機，該單片機是一款高性能的32位處理器。利用該單片機內置的A/D轉換模塊以及PWM模塊、TIM定時器模塊、PIT周期性中斷定時器等模塊。由單片機采集加速度傳感器和陀螺儀的信號以及對這些信號的處理和相關運算，將PID運算的結果傳遞給PWM模塊，最后由PWM模塊輸出信號控制電機的轉速及轉向以使小車保持直立，并能按一定路徑自動行駛。

3.系統主要功能的軟件設計

3.1 平衡控制算法

PID算法是自動控制系統經典的理論，小車的平衡控制在軟件部分處理時用到的是PD算法，系統直立控制的輸入為系統傾角angle和角速度angle_dot，在直立控制函數中，把系統目標傾角減去系統實際傾角，得到系統傾角的誤差，把此誤差乘以直立控制的P參數，把此乘積直接作為電機的PWM輸出，使系統向傾角誤差減小的方向運行，以實現系統傾角的閉環控制[2]。另外，由于P參數過大后會導致系統超調而產生系統震蕩，甚至使系統失去控制。為了抑制這種震蕩，再引入D參數，把D參數直接乘以系統角速度，再與P參數與角度誤差的乘積相加，即可實現抑制系統震蕩的效果[3]。具體函數代碼如下：

angle_err = pid_Angle.SetPoint -angle;

angle_pid_out=pid_Angle.Proportion*angle_

err+pid_Angle.Derivative*（-angle_dot）;

3.2 小車速度控制

要提高系統運行的穩定性，速度的控制也非常重要。速度控制的軟件部分采用了增量式的PID算法，增量式PID的優點是只需計算增量，當存在計算誤差或精度不足時，對控制量計算的影響較小，這非常適用于像小車這種大動態、容易產生檢測誤差的環節[4]。P參數保證系統反應的靈敏度，I參數保證速度控制的精度，D參數抑制速度控制的超調現象[5]。

以下是速度PID控制的具體函數代碼：

int IncPIDCalc（int NextPoint）

{

register int iError， iIncpid;

iError=sptr->SetPoint-NextPoint;

iIncpid=sptr->Proportion*iError-sptr->Integral*

sptr->LastError+sptr->Derivative*sptr->PrevError;

sptr->PrevError=sptr->LastError;

sptr->LastError=iError;

return（iIncpid）;

}

4.結語

采用飛思卡爾K60單片機設計平衡小車控制系統，不僅采集效率高，而且傳輸速度快，控制實效性好。同時該系統還具有簡單易用、小型、可靠等優點，對一般工業控制系統的設計有一定的指導和借鑒作用，在兩輪直立車飛速發展的今天具有非常廣的應用前景。

參考文獻

[1]卓晴，黃開勝，邵貝貝.學做智能車：挑戰“飛思卡爾”杯[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

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篇9

關鍵詞：交直流電源；PID；程控直流電子負載；恒流源

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）17-0003-02

直流電子負載是一種能以手控或程控方式吸收電能的儀器，起到可變電流吸收器、可變電源電阻器或分路電壓調節器的作用，當它吸收可變電流時，將維持某一固定電壓。系統主要工作于恒壓、恒流和恒阻三種工作模式，可用于交直流電源的測試。

1 總體設計方案

整個系統由單片機控制模塊、電子負載模塊、功率驅動模塊、采樣模塊、顯示模塊和電源模塊構成。單片機采用MSP430，較之51系列具有I/O口多、內部集成AD模塊、低功耗等優點。基本的工作原理是：通過鍵盤設置功率驅動模塊使得電子負載工作在恒流狀態下，通過一個0.05 Ω的電阻與3DD15D串聯來對電流進行采樣。將流過電阻的端電壓經過INA282組成的電流采樣模塊后送到MSP430單片機。采用0.05 Ω的小電阻與3DD15D串聯使得電阻的分壓減小，從而將系統的誤差降到最小。基于單片機的恒流工作模式的直流電子負載原理框圖如圖1所示。

此方案采用單片機編程控制整個系統，電子負載模塊采用晶體三極管3DD15D與取樣電阻組成。由OPA2227組成的功率驅動模塊通過單片機的控制使得3DD15D工作在一個設定的恒流條件下。通過一個0.05 Ω的電阻與3DD15D串聯。將電阻兩端的電壓經過INA282放大后通過單片機采集，由單片機計算出流過電子負載的電流并經LCD1602顯示。將功率器件的端電壓經過由OPA2340與OPA2227組成的電壓衰減模塊后送入單片機進行采集，由單片機計算出功率器件的端電壓并送入LCD1602顯示。

2 單元電路設計

單元電路設計主要包括以下幾個部分。

2.1 電流采樣模塊

采樣電流模塊的電路如圖2所示。

采樣電流模塊實現對功率器件3DD15D的端電流的采集，本模塊先利用TI公司的INA282芯片對采樣電阻R0兩端的電壓放大50倍，INA282具有精度高的優點（偏移電壓±20 μV增益誤差為±1.4%，偏移漂移為0.3 μV/℃）。再將放大的電壓送入AD轉換將根據電阻值與流經電阻的電壓值計算出采樣電流的大小并送入LCD1602顯示。

2.2 電壓采樣模塊

采樣電壓模塊的電路如圖3所示。采樣電壓模塊采用OPA2227與OPA2340芯片組成，OPA2227進行兩路的輸入輸出，OPA2227是具有高精度低噪聲運算的放大器，采樣電壓電路中采用的電阻都為精密電阻，使得電路的精度更高從而滿足要求的技術指標。OPA2227通過雙電源±2.5 ～±18 V數據采集，增益寬帶為8 MHz，OPA2340為單電源雙路CMOS運放，單電源2.7～5.5 V驅動AD轉換器，增益寬帶為5.5 MHz。電壓采集模塊首先通過OPA2340對功率器件3DD15D的端電壓進行輸入數據的采集，然后對采集到的電壓進行輸出。輸出的電壓送入到由OPA2227組成的高精度低噪聲運放，通過R2與R4對輸出的電壓進行1/2衰減，將衰減后的電壓送入OPA2227處理后送入單片機模塊進行數據的處理并送入LCD1602顯示。

2.3 功率驅動部分

功率驅動模塊由OPA2227芯片與三極管9014構成。通過鍵盤按鍵設置一個恒定的電流（恒流工作模式的電流范圍為100～1 000 mA），通過控制三極管的導通情況控制流過電子負載部分的電流，單片機將這個信號傳輸給OPA2227，由OPA2227和三極管9014組成的功率驅動電路將設定的電流值穩定的出入給電子負載部分，從而使得電子負載部分工作在一個可以由人為設定的一個穩定的電流狀態下。

2.4 電子負載及恒流電路部分

電子負載模塊電路如圖4所示。

電子負載模塊由晶體三極管3DD15D和采樣電阻R0串聯構成。通過單片機控制由OPA2227和三極管9014組成的功率驅動模塊從而調節流過電子負載的電流。通過控制三極管的導通情況控制流過電子負載部分的電流，3DD15D的參數為BVCEO=200 V，BVCBO=300 V，PCM=50 W，ICM=5 A，3DD15D的特性使得對電路中的電壓具有穩壓功能。采樣電阻R1是采用0.05 Ω精密貼片電阻，0.05 Ω的電阻使其對電路的分壓能力減弱，從而減小了電路中的誤差，使得電子負載部分的功耗大大減低，以達到要求的技術指標。

2.5 單片機控制模塊與顯示部分

單片機是本系統的核心控制部件，它既協調整機工作，又是本系統的數據處理與控制中心。本系統采用MSP430F449單片機為核心，4X4獨立矩陣鍵盤，LCD1602液晶顯示。單片機通過A/D，D/A等器件對信號進行信號的采集、處理和輸出，從而對輸出電流值進行控制校正，達到較高精度。MSP430系列單片機較之51系列單片機具有計算速度快、I/O端口多、低功耗等特點。

3 單片機軟件設計

3.1 軟件設計

為了方便編寫和調試，我們采用了模塊化的編程方法，整個程序分為若干子程序。液晶顯示子程序：顯示當前模式，設定輸出值及實際端電壓電流；鍵盤處理子程序：模式切換，輸出值的設定及步進；數據處理子程序：根據設定值換算出調整值，寫入D/A的值，根據A/D采樣的數據換算出實際端電壓電流值；將調整值送入D/A；進行A/D采樣。

3.2 主程序的流程圖

主程序流程圖5所示。

4 測試結果

4.1 高精度大電流穩壓電源性能指標測試

+5 V輸出穩壓電源測試數據如表1所示。

4.2 電子負載電壓測試數據

電源電壓：萬用表測的電源電壓為5.087 V，控制系統測得的值為2.510 V。開路狀態下測得電流為0，恒流模式下電子負載電流測試數據如表2所示。

5 結 語

恒流工作狀態不論輸入電壓如何變化，流過該電子負載的電流值恒定且可設定。受實驗室環境與器材限制，存在一定的誤差。設計的以MSP430單片機為控制核心的電子負載，能夠直接檢測被測電源的電流值、電壓值。負載參數可以設定，且各個數據均能直觀的在LCD上顯示。

參考文獻：

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【關鍵詞】列車電源；供電系統；車載視頻監控

1.引言

由于列車的特殊環境關系，許多用電設備正是因為電源部分的原因無法在列車上正常工作，車載監控儀雖然有著寬電壓輸入但是由于輸入電壓低也無法工作。針對此種情形，必須用可靠的系統來完成電源的轉換管理工作。本文提供的電源的系統主要用于列車車載視頻監控，對于其它類似的產品設備也有一定的適用性。

國內列車都采用DC110v輔助供電系統(如圖1所示)為列車上的設備供電，該供電系統同時用于對蓄電池進行充電。國內自行研制開發的電力機車和內燃機車的蓄電池是列車的輔助供電系統的主要組成部分，機車沒有從電網取電前，采用蓄電池為機車輔助回路供電，完成各種輔助回路機構的動作，如控制和保護裝置的運行[1]。由于供電系統的復雜性，列車上的用電設備多，電路復雜，所以對電設備對可靠性、穩定性要求比較高，因此設別的電源系統必須提供穩定、可靠的電壓、電流。

2.設計原理

視頻監控儀從列車輔助供電系統取電經過處理后給電源模塊VI-JT1供電，該模塊輸出穩定的12V電源。12V電源分為兩部分，一部分供給車載的攝像頭，另外一部分供給主板。主板上的12V經過變壓處理后得到可以的到5V電源，用于供給一部分芯片和經過變壓處理后可以得到3.3V、1.8V、1.2V的電壓后給主板上各個芯片進行供電(如圖2所示)。

在電力機車上，供電品質比較差，表現在兩個方面：電力機車供電電網電壓波動大，氣額定電壓為單相交流25kv，而實際電壓在18-31kv范圍波動；電網電壓有機車內變壓器降至單相交流220V，相應的波動范圍為160v-270v。220v的交流電經過降壓整流處理后為110V直流電源，該直流電源的波動范圍70v-160v。列車的供電并不是持續的，當列車由一個供電區域到另一供電區域之間，期間可能會有數秒種的中斷供電。該期間的供電是由列車內的蓄電池進行供電，而蓄電池的的空載電壓為104V(52只鉛酸蓄電池)[3]。多數用電設備無法在這樣的用電環境下工作。

本文介紹的系統包含兩級對電源的穩壓處理，經試驗前一級可以穩住60V-160V的電壓穩定的輸出12V的電源，后一級的輸入電壓范圍是8V-60V。

3.前級穩壓

如圖3所示為前一級穩壓電路。核心部件為美國VICOR電源模塊VI-JT1，該模塊的主要功能是隔離輸入與輸出的電壓，完成DC110V向12V的轉換。為了保護電路的安全，瞬態電壓抑制管D1用于吸收110V電網超過440V左右的50ms的瞬態高電壓以保護后續電路的不受高壓沖擊。對于低于440V左右的電壓后續電路必須進行處理以達到VI-JT1轉化模塊規定的電壓。穩壓管D2，D9會在電源電壓低于440V高于175V的情況下被擊穿，此時D2的兩端電壓為160V而D9的電壓為15V，分壓電阻R1和R2會承擔剩余的的電壓。由于PCB設計采用的是貼片電阻，對于R1以及R2的功耗要小于該封裝的最大功耗以保證電路的正常工作。穩壓管D9于電阻R3并聯使用，根據歐姆定律可知經過R3的電流為15ma，功率場效晶體管Q2導通。穩壓管D10的兩端電壓為160V，其余的電壓分壓到電阻R4上，進行限流以免燒毀穩壓管與場效晶體管。由于穩壓管D10的導通致使功率場效應管漏極與柵極產生電壓差，從而使Q1導通。Q1的源極與柵極有一定的壓差，高速開關二極管D5、D4導通，對電容C1、CE1及CE2進行充電，同時對VI-JT1模塊供電。如果電壓低于175V不足以讓Q1導通時，CE1、CE2的電壓為兩端電壓為400V，可讓D5、D4、D10導通，此時Q1可以導通對模塊開始進行供電。電容C1控制模塊的輸出端。由于采用了自舉升壓電路，導致模塊的前級電路出現高頻電源信號，濾波電容C2、C3、C4、C5用于濾掉此過程中的高頻雜散波。經過一系列的處理后電源模塊輸出的12V可經過電解電容CE3、CE4濾波、退耦后供給用電設備。

視頻頻監控的攝像頭需要在夜間工作，因此必須有足夠的功率保證紅外燈正常工作，尤其是在列車上需要高功率的滿足其可視距離的要求。視頻監控器的主板理論上至少需要10W的功率來保證正常的工作需要。由于模塊可提供90W的功率，完全可滿足日常的用電設備。

4.后級穩壓

接入主板的電源給車載視頻監控的整個系統進行供電，該電源經過圖4所示的電路再次進行降壓穩壓。該電路的降壓主要是由款分為同步降壓控制器LM5116完成，可以輸入的電壓為7-100V，本電路設計輸入為7-60V以適應惡劣換的電源環境。本系統設計了兩路降壓穩壓電路，一路輸出電壓為5V，另外一路的輸出電壓為12V。

4.1 5V、12V輸出電路

以輸出電壓為5V為例，該降壓電路最大負載電流為2A，開關頻率為250kHz。其中定時電阻RT用于設置振蕩器的開關頻率，該設計中采用250kHz的開關頻率同時滿足了小體積以及高效能。

輸出電感的計算是通過開關頻率(fsw)、脈沖電流(Ipp)、最入電壓(VIN(MAX))以及輸出電壓值得到的：

電流大小的限制是通過設置電流檢測電阻(Rs)，。對于5V的輸出，其最大的電流檢測電阻是在最小的電壓輸入測得的。

所以：

對于該電路中的斜波電容的計算是依賴于電感和檢測電阻的值，其仿真的斜波電容值是：

其中L的值是輸出電感，gm斜波發生因子，A是電流電流檢測放大增益。紋波電流是電流中的高次諧波成分，會帶來電流或電壓幅值的變化，可能導致擊穿，由于是交流成分，會在電容上發生耗散，如果電流的紋波成分過大，超過了電容的最大容許紋波電流，會導致電容燒毀。輸出電容可以是電感紋波電流變的平滑同時也可以提供一個瞬態的工作電源。對于本設計選用了5個100的陶瓷電容陶瓷電容可提供等效串聯電阻，但是明顯的減少了DC的偏置電容。等效串聯電阻在250kHz時是2/5=0.4，在5V的時候可以減少36%的電容。輸出紋波電壓的計算如下：

該穩壓電源有一個很大的源阻抗在較高的開關頻率，當VIN引腳提供了大部分開關電流時，高質量的輸入電容可以限制在VIN引腳上紋波電壓。當模塊開始工作，流入降壓模塊的電流轉化為電感電流波形的波谷，然后迅速的上升到波峰后，然后下降到零。輸入電容應該的選擇必須滿足有效的電流和最小紋波電壓。

最好的逼近所需要的紋波電流的額定功率是IRMS>IOUT/2。選用高質量低等效串聯電阻的陶瓷電容進行對輸入電壓進行濾波。輸入紋波電壓的接近于：

各項參數的設置即可以影響到輸出電壓，以上參數的選擇可為后續電路提供穩定的5V電壓。對于輸出電壓為12V的電路采取了類似于本級電路，只是在元器件的參數上有所區別。該12V也可以獨立給模擬攝像頭獨立供電也可以并聯與上一級12V電路同時給攝像頭供電。

4.2 3.3、1.8、1.2輸出電路

經過以上步驟的整流穩壓后系統給新華龍的C8051單片機進行供電，以對整個系統電源進行管理。C8051從供電一直處于運行狀態，將完成接收遙控器的指示進行開機、關機，對Hi3512主控芯片進行復位等功能。C8051控制的電源使能端口高電平有效，后續的整流降壓

芯片開始工作。本是設計采用的同步整流降壓穩壓芯片MP1482，集成輸入電壓定從4.75v到18v下降到了輸出電壓低至0.923v供應高達2A的負載電流，最高有93%的轉換效率。其中3.3V的降壓電路如圖5所示。MP1482的反饋電壓跟參考電壓比較好得到COMP端電壓，COMP端電壓決定了上管分支電流以及占空比，而占空比控制輸入電壓變化，從而達到負反饋控制目的。輸入電壓的設置是通過在電壓輸出端到FB引腳間加一個分壓電阻。電壓分頻器的輸出電壓降至反饋電壓的比例是：

，其中是反饋電壓是輸出電壓。所以輸出電壓為。在輸入電源是開關電源的情況下，電流的恒定輸出是依賴于電感的使用。使用較大的電感可以使紋波電流變小，同時也將獲得較低的輸出紋波電流，但卻有著更大的等效串聯電阻更低的飽和電流。因此電感的值是：

其中是開關頻率，是電感峰值紋波電流。該3.3V為主控芯片以及4路模擬轉換芯片TW2835等提供電壓，以供主板正常工作。本設計中的整流壓至1.8V的電路同樣用MP1482進行降壓，只是根據實際需要進行參數調整即可穩定的輸出1.8V的電壓，該電壓是為Hi3512芯片以及TW2835芯片提供1.8V的核心電壓。

由于Hi3512芯片正常工作同時需要3.3V、1.8V、1.2V的電源，因此本設計為了滿足供電要求(如圖4、圖5所示)，采用了MP2104芯片穩壓。該芯片是1.7MHz固定頻率PWM降壓穩壓器，有95%的最高轉換效率，2.5V到6V的寬電壓輸入，最低輸出電壓為0.6V。輸入電壓的值可根據外部電阻分壓器來設定。反饋電阻R271以及內部補償電容用來決定了反饋環路帶寬。輸出電壓。對于大多數設計電感的計算是通過以下公式計算：

其中：是電感紋波電流，設計的電感紋波電流接近最大負載電流的30%。所以電感的最大峰值電流是：

本設計提供的電源系統經過實際的實驗、測試與應用均滿足各項要求，可以穩定的輸入5V、3.3V、1.8V、1.2V的電壓，保證列車車載視頻監控的正常運行

5.總結

本文提供了一種切實可行的降壓整流方案。該方案適用不僅適用列車上極其復雜惡劣的環境，也同樣滿足于各種載運車輛上對電壓嚴格需求，有著寬范圍的輸入電壓，穩定高負載的輸出電壓。第二級的整流穩壓電路可單獨使用，同樣可滿足車輛上的寬電壓輸入要求。盡管各種車輛的輸入電壓有12V與24V兩個模式，以及在起車輛起步階段電壓可能低至7V左右，在充電時電壓會出現不穩定情況，本設計均可以滿足，為車載的嵌入式設備提供一個穩定可靠的電源環境。

參考文獻

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