導語：如何才能寫好一篇直流穩壓電源，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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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】

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[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]單片機 直流穩壓源 智能化電源 閉環控制

[中圖分類號]TM[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2010)03-0034-02

直流穩壓電源作為電氣設備及其控制系統的主要電源系統,在實際生活中被廣泛的應用于電力電子教學、電氣設備開發研究等工程領域。傳統直流穩壓電源由于受技術條件的影響,普遍存在功能簡單、調節誤差大、干擾大、接線復雜、體積大等問題。傳統直流穩壓電源對輸出電壓通常采用粗調的方式來完成,調節精度不高,當需要輸出電壓在一個很小范圍內進行調節時,傳統的直流穩壓電源就難以辦到,嚴重影響了穩壓電源的使用范圍。基于單片機的智能高精度直流穩壓電源,結合了最先進的單片機控制技術采用高性能基準穩壓電力電子元件,穩壓調壓精度高而且抗干擾能力強,克服了傳統直流穩壓源的缺點。同時整個控制系統具有完善的保護電路,大大提高了設備的使用壽命。隨著電力電子技術的成熟,單片機價格越來越經濟,且集成度相當高,大大減少了直流電源系統開發成本,具有明顯的工程實際應用價值。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體結構

單片機控制的直流穩壓電源以AT89S52單片機作為整機的核心控制單元,經過調節AD7543的輸入電壓數字量來控制系統的輸出電壓,本系統具有可預置電壓和步進調節電壓的特性,而且整個電壓調節步進值達到0.1V的小范圍。此系統具有自我檢測功能、短路保護等故障處理技術。整個系統的工作原理框圖如圖1所示。

從圖1可以看出,整個系統包含變壓整流單元、鍵盤預設電壓單元、濾波電路單元、電流檢測短路保護單元、電壓反饋單元等多個部分組成。為了使系統能夠具備自動采樣檢測實際輸出電壓值的大小,可以通過電壓取樣及電壓調節回路,實時對電壓進行采樣,并經過相應的比較放大電路直接控制單片機內部系統程序進行相應的電壓調節,保障輸出直流電壓的穩定,然后經過八段式數碼顯示管進行數據處理及顯示相應的系統輸出電壓值。單片機在得到電壓取樣數據后,通過數字信號處理中心,獲得相應的控制策略,可以通過兩個驅動電路,對不同的輸出電壓值采取不同的控制策略。當電流檢測回路發現系統中電流過大時,就直接將信息反饋給驅動電路和單片機系統,控制電路調整進行自動短路保護。利用單片機為核心處理控制器的穩壓電源系統整體設計方案比較靈活,合理利用軟件編程控制方法來解決電壓值的預置以及輸出電壓的步進控制,比傳統滑檔控制更加精確可靠。由于單片機是一種電子產品的集成系統,可以大大地減少直流電壓源系統內部的硬件回路,且采用較為先進的電子器件,系統的相應時間和誤差都在有效的控制范圍,大大擴大了穩壓電壓源的使用范圍,在穩壓源系統中得到了廣泛的推廣。

1.2 數控部分

單片機AT89S52作為整個穩壓系統的控制核心主要完成電壓輸出值的采樣判斷、鍵盤電壓預設控制、控制驅動電路進行電壓調節、輸出電壓值數字顯示、系統短路自動檢測保護及其他輔助功能。

為了實現系統的人機對話功能,本系統采用10個數字電壓預設按鍵和兩個步進(“+”,“-”)按鍵,為了避免有些其他未考慮功能按鍵的使用,最終選用具有16按鍵的輸入鍵盤實現整個系統的人機交互控制電路。輸出電壓值顯示部分采用8位8段式LED數碼管,數顯LED管現在已經很成熟,易于同其他設備進行數據交換,可以直接與單片機輸出相連。但是本系統單片機作為系統控制核心,數顯單元只是單片機控制的一個點,且單片機I/O端口總數目有限,必須采用擴展電路來控制數顯部分,因此為了優化系統,采用一片8155作為單片機系統的外部擴展接口電路,實現16個鍵盤的通信接口與LED數顯的通信接口。鍵盤及數顯接口單片機擴展電路如圖2所示。

1.3 電壓取樣及電壓調節

為了提高輸出電壓的精度,保證電源穩定運行,利用電壓取樣單元對電源輸出電壓進行檢測,得到一個電壓信號的反饋電壓。為了提高單片機控制系統的整體精度和靈敏度,將采樣數據經過比較放大電路,利用一級運算放大器將采樣電壓進行放大,再送給單片機系統進行相應的數據處理。

1.4 電源方案

采用78系列三端穩壓器件作為控制核心單片機及系統各功能芯片的動力源,通過輸入電源的全波整流,獲得可靠的穩壓供電電源。

1.5 過流報警功能

為了提高單片機控制系統的安全可靠性,提高單片機數控直流電壓源的人性化服務。利用電流檢測回路檢測系統中的電流值,當電流大于系統設定值時,通過單片機系統自動保護跳閘,實現保護貴重電氣設備的功能,并可以通過相應的蜂鳴器報警,提醒工作人員對相應的設備進行檢查看修。

2 軟件設計

在實際硬件電路搭配完成后,為了有效地減小紋波電壓,保證供電可靠性,本系統采用軟件編程方法實現去峰值數值濾波,以減小外界環境干擾對輸出電壓的影響,數據取樣分析判斷是整個濾波系統的中心部分,取樣的準確性與否直接影響系統的整體控制。為了保證取樣的可靠性,在整個系統的軟件設計中設置了電壓采樣主程序和鍵盤輸入中斷子程序,相應的流程圖見圖3和圖4所示:

程序運行后,單片機系統就自動開始檢測是否有鍵按下,若有鍵盤觸發脈沖,則進入電壓預設按鍵功能程序。LED數碼管顯示部分就開始自動動態定時掃描數據,達到系統CPU資源得到充分利用。單片機系統不斷通過取樣電路采集系統輸出電壓數據,經過比較放大和相關分析判斷,然后通過單片機系統發出增減命令對實際輸出電壓進行相應的校正,控制輸出電壓源保持電壓恒定。

3 數據分析

把系統相關的硬件和軟件設定完成后,對裝置進行相應的檢測,其檢測結果數據如表1所示:

從表1中可以看出,基于單片機的直流穩壓電源系統可以有效的保障輸出電壓的穩定,系統整體誤差在10-2量綱級內,誤差相當小,完全滿足穩壓電源的要求。

4 結語

以AT89S52單片機為核心設計的一種智能穩壓電壓源系統,有效保證電氣設備的安全穩定運行。系統輸出電壓采用數顯和鍵盤輸入控制,提高了電源的人性化服務。基于AT89S52單片機的一種穩壓電壓源系統系統集成度高、可靠性強、具有自我故障檢測保護功能,具有良好的實用價值。

[參考文獻]

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[4] 陳偉杰,張虹.基于混合最優算法的高精度數控直流電源設計[J].中國集成電路,2008,8(06):48-52.

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直流穩壓電源包括變壓器部分、整流濾波部分、穩壓部分，主要技術指標為電壓參數（如果可調節，則為電壓范圍）、紋波系數（紋波電壓）、輸出電壓調整率、額定輸出電流。

直流穩壓電源是能為負載提供穩定直流電源的電子裝置。直流穩壓電源的供電電源大都是交流電源，當交流供電電源的電壓或負載電阻變化時，穩壓器的直流輸出電壓都會保持穩定。 直流穩壓電源隨著電子設備向高精度、高穩定性和高可靠性的方向發展，對電子設備的供電電源提出了高的要求。

（來源：文章屋網 ）

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關鍵詞：項目化；整流；濾波；穩壓

1.制作要求

1.1任務

設計直流穩壓電源，電源輸出電壓1.25~30V可調，最大輸出電流為1.5A，輸出紋波電壓小于5mV，穩壓系數小于5×10-3；輸出電阻小于0.1Ω。

1.2要求

①選擇電路形式，畫出電路原理圖；②合理選擇電路元器件的型號及參數，并列出材料清單；③畫出安裝布線圖；④進行電路安裝；⑤進行電路調試與測試，擬定調試測試內容、步驟、記錄表格，畫出測試電路。

1.3裝配電路板

在通用電路板上進行電路布局圖的安裝，電路裝配的工藝流程說明，調整測試內容與步驟，數據記錄，測試結果分析等。

2.學習要求

1、了解直流電源的基本組成和性能指標。2、掌握線性直流電源中整流、濾波、穩壓電路的選擇、電路元件的參數計算、選擇等。3、掌握線性直流電源設計的方法和步驟。4、掌握直流電源的裝配、調試和測試的操作技能。5、具有安全生產意識和預防措施。6、能與他人合作、交流，完成電路的設計、電路的組裝與測試等任務，具有團結協作、敢于創新的精神和解決問題的能力。

3.分析過程

3.1電路原理圖

如圖1所示，T1為自耦變壓器，T2為電源變壓器，V1～V4為整流二極管，C1為濾波電容，CW7812為三端穩壓器，R和RP組成負載RL，兩塊電壓表分別接在整流濾波電路的輸出端及穩壓電路的輸出端。

3.2操作過程及數據分析

1、按圖示電路先連接變壓器和整流電路，T2用18V，用示波器觀察輸入、輸出端的波形，并用萬用表測試輸入、輸出電壓的值（注意輸入是交流，輸出是脈動直流），并作好記錄。變壓器輸入電壓Ui整流后輸出電壓Uo118V16.2V

2、在第1步的基礎上，接入濾波電容，用示波器觀察濾波后輸出的波形，并用萬用表測試輸出電壓，作好記錄。變壓器輸入電壓Ui整流后輸出電壓Uo1濾波后輸出電壓Uo218V16.2V21.6V

可以看出經過整流濾波后，交流變成平滑的直流電，輸出電壓值得到提高，變為1.2Ui。

3、完全按圖1接好電路，再按以下操作測試和觀察。

①負載電阻RL保持不變，調節自耦變壓器在一定范圍內220(1±10%)V變化，觀察整流濾波電路輸出端的電壓表及負載兩端的電壓表的變化，會發現濾波電路輸出端的電壓表指針發生了變化，而負載兩端的電壓表讀數12V卻不變。

②輸入電壓（自耦變壓器調到AC220V）不變，調節RP，觀察負載兩端的電壓表，讀數12V仍不變。

可以看出:該電路在電源電壓及負載RL變化時，負載兩端電壓值均不變，即實現了穩壓功能。

由以上演示看出：直流穩壓電源就是一種把交流電變為直流電，能輸出穩定直流的一種電子設備。它一般由變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成，其框圖如圖2所示：圖2直流穩壓電路框圖

圖中，電源變壓器的作用是為電設備提供所需的交流電壓，主要起降壓的作用；整流器的作用是實現交流電變成脈動直流電；濾波器的作用是將整流后的脈動直流變換成平滑的直流電；穩壓器的作用是克服電網電壓、負載及溫度變化所引起的輸出電壓的變化，提高輸出電壓的穩定性。

根據以上內容，學生通過制作項目電路既加深了對電路結構的認識，又增添了學習興趣。使這部分枯燥的理論轉化為先觀察現象，再通過測試的數據，反推各部分數據之間的關系。簡化了理論數據的推導過程，學生學起來更加容易，這一點在我系學生學習的過程中得到普遍的認可。（作者單位：瀘州職業技術學院）

參考文獻

［1］《電子技術》;編著者,付植桐;高等教育出版社;2000年第1版

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關鍵詞：通信；Modbus協議；S7-226；直流電源

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)10-2395-04

Modbus Protocol Applied in the Communication of S7-226 and HSPY DC Power

LIU Shi-chao

(Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

Abstract: IN DC power control system of Dense Medium Separation ,based on the Modbus protocol,realized the communication between S7-200PLC and HSPY DC power. IN Modbus communication protocol,Siemens S7-226 PLC is master,HSPY DC power is slave, use communication to control the start of the DC power supply, stop, and the change in current. Instruced Modbus library in the Step 7 MicroWin Software of Siemens, and used the serial port debugging software to facilitate the writing and debugging of the program. Modbus simplify external wiring ,solve the interference and distortion in the transmission process of conventional switching of analog signals , the communication control method can easily read the information of the operation of the DC power ,monitoring the DCpower operation status .

Key words: communication; Modbus agreement; S7-226 ; DC power

某選煤廠為了在線調節控制三產品旋流器二段分選密度，外加螺線圈來用磁場影響磁鐵礦粉的分布。螺線圈是采用直流電源來供電，系統要求通過調節電流來控制螺線圈磁場，因此要控制直流電源的運行狀態。控制信號需要從集控室開始需要傳輸五百米才能到達直流電源，從而控制直流電源動作。在一般工業應用中，對于電源的控制大部分采用的是0-24mA或0-5V模擬量控制，很少總線控制方式。但經過比較和實際使用發現，現場總線與模擬量控制相比有很多優勢，最顯著的是具有很高的可靠性高，避免失真，并且交換的信息非常多樣化，因此越來越多的設備開始支持串口通信協議，可以預見總線控制方式通信在工程上的應用將越來越廣泛。

MODBUS通信協議是MODICON公司提出的一種報文傳輸協議，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議[1]。它廣泛應用于工業控制領域，并已經成為一種通用的行業標準。MODBUS通信協議可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。不同廠商提供的控制設備可通過MODBUS協議連成通信網絡，從而實現集中控制。已經有很多通過MODBUS通信協議進行PLC和變頻器的成功案例[2]。該文中采用MODBUS協議進行S7-226和HSPY程控直流穩壓電源的通訊，可以更好地控制電源，監控電源運行狀態，來解決信號遠距離傳輸失真的問題。

1PLC與HSPY程控直流穩壓電源通信控制系統

在此系統方案中PLC采用西門子公司的SIMATIC S7－226CN，直流電源采用HSPY程控直流穩壓電源。S7－226系列PLC的CPU內部集成了2個通信端口，該通信口為標準的RS485串口，可以在三種方式下工作，即PPI方式、MPI方式和自由通信口方式。系統可以將一個通信端口設為PPI方式用于連接工控機也可將其設置為MPI方式以連接觸摸屏，做為人機信息交換[2]。而另一個通信端口設為自由通信口方式，自由通信口方式是S7－200的一個特色功能，是一種通信協議完全開放的功能工作方式。在自由通信口方式下的通信口的協議由外設決定，PLC通過程序來適應外設，從而使得S7－200系列的PLC可以與任何具備通信能力并且協議公開的設備通信[3] [4]。系統中的HSPY程控直流穩壓電源均內置了Modbus現場總線，相關系統構成如圖1所示，PLC的Port0通訊端口和HSPY程控直流穩壓電源構成Modbus總線。通過S7－226CN控制多臺HSPY程控直流穩壓電源，完成系統控制要求，實現對直流穩壓電源的輸出電流、電壓設定，運行狀態監控及數據交換等。

圖1直流電源控制系統

本系統中PLC作為主站，直流穩壓電源作為從站，主站向直流穩壓電源發送運行指令，同時接受直流穩壓電源反饋的運行狀態及故障報警狀態的信號等。

2MODBUS通信協議在電源通信控制系統中的使用

西門子在Micro／Win V4.0 SP5中正式推出Modbus RTU主站命令庫，西門子標準庫指令通過調用該指令庫可以使S7－200CPU上的通信口設置在自由口模式下成為Modbus RTU的主站。在S7－200控制系統應用中，要實現Modbus RTU通訊，需要STEP7－Micro／Win32 V4.0 SP5以上版本，并且安裝Modbus指令庫，如圖2，STEP7－Micro／Win32指令庫包含有專門為Modbus通訊設計的預先定義的子程序和中斷服務程序，使得PLC與Modbus從站的通訊簡單易行[5]。

圖2 Modbus命令庫

2.1 MODBUS RTU主站命令庫使用步驟

使用Modbus RTU主站命令庫，可以讀寫MODBUS RTU從站的數字量、模擬量I/O、以及保持寄存器[2]。按照一下步驟使用MODBUS RTU主站命令庫：

1)安裝西門子標準MODBUS RTU指令庫。

2)調用MODBUS RTU主站初始化和控制子程序，使用SM0.0調用MBUS_CTRL完成主站的初始化，并啟動其功能控制。

3)在CPU的V數據區中為MODBUS分配存儲區。

4)調用MODBUS RTU主站讀寫子程序MBUS_MSG，發送MODBUS請求。

表1 MODBUS部分功能碼表

2.2 HSPY電源的Modbus通訊規約

HSPY系列電源支持MODBUS通信協議，主機（PLC、RTU、PC機、DCS等）利用通訊命令，可以任意讀寫其數據寄存器。HSPY系列電源支持的MODBUS功能碼為03，10。

HSPY系列電源通訊方式為：

波特率：9600；起始位：1；數據位：8；校驗位：無；停止位：1。

2.3 HSPY系列電源的參數通訊地址的轉換

通常MODBUS地址由5位數字組成，包括起始的數據類型代號，以及后面的偏移地址。MODBUS Master協議庫把標準的MODBUS地址映射為所謂MODBUS功能號，讀寫從站的數據。MODBUS Master協議庫支持如下地址：

00001 - 09999：數字量輸出（線圈）

10001 - 19999：數字量輸入（觸點）

30001 - 39999：輸入數據寄存器（通常為模擬量輸入）

40001 - 49999：數據保持寄存器

HSPY系列電源的參數通訊地址是16進制數，首先轉為10進制，由于S7-200 PLC中最小地址為400001，而HSPY系列電源中最小地址為0，所以在寫HSPY系列電源地址時必須要加1。例如，電源的電壓設定值參數通訊地址是1000H，轉為10進制是4096，加1后是4097，寄存器地址欄要寫44097.

3串口調試軟件進行MODBUS通信調試

由于程序編寫比較繁瑣，一旦出現錯誤可能會損害HSPY電源，為了避免損害的發生，可以利用串口調試軟件進行MODBUS通信調試，其優點是不必連接HSPY電源，而是在工控機或PC機上用串口調試軟件查看S7－226CN輸出和讀取的數據，來判斷程序是否正確。

一般的工控機或PC機沒有RS485串口，可以將通過RS232轉RS485轉換模塊和PLC連接。RS485線選擇3號線和8號線,（其余均斷開）3號線接T+，8號線接T-，將另一端9針插頭接到PLC的PORT0通信端口上。也可以通過USB轉RS485轉換器連接。將編寫的通訊程序下載到PLC中。運行程序，打開串口調試軟件進行監控，從接收到的數據來看，和設置的HSPY電源動作的數據一致，說明MODBUS主站程序編寫正確[2] [6]。不一致，則要修改MODBUS通信程序，使其一致。

圖3 PLC串口調試軟件監控界面

4 PLC控制HSPY程控直流穩壓電源的部分程序

使用SM0.0調用MBUS＿CTRL完成主站的初始化，并啟動其功能控制，如圖4。

圖4 Modbus RTU主站初始化

圖5(a)上電初始化，將控制電源的數據存入S7－226CN的V存儲器。在分配存儲區時要注意，數據區不能和其他數據區重疊，否則不能正常通訊。圖5(b)向電源發送Modbus請求，把1寫入電源寄存器1004，電源開啟；圖5(c)把1寫入電源寄存器1006，鎖定電源面板按鍵；圖5(d)把10寫入電源寄存器1004，電源輸出電流10A；圖5(e)讀取從電源寄存器數據:圖5(f)把0寫入電源寄存器1004，電源關閉。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖5部分控制程序

5結論

該文以S7－200控制系統為例，敘述了利用Modbus RTU協議指令庫PLC與HSPY程控直流穩壓電源通訊的實現。采用自由口通訊方式的Modbus RTU協議很好的解決了PLC與直流電源等智能設備的通訊問題，不僅能有效解決信號傳輸過程中失真的問題，而且在通信模式下PLC可以方便控制直流穩壓電源的運行和讀取直流穩壓電源的運行信息，對直流穩壓電源進行有效監控。

參考文獻：

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篇6

【關鍵詞】開關型；直流穩壓電源；探究；電路設計

【中圖分類號】G64【文獻標識碼】A【文章編號】2095-3089（2016）04-0163-02

在電力電子技術的不斷發展與技術革新下，開關型直流穩壓電源以其自身的工作表現與其可靠性成為我國電力系統中廣泛使用的一種設備。在實際應用中，開關型直流穩壓電源自重輕，工作內故障低，工作效率高，且其性價比占優勢，并具有功耗曉得良好表現。相比于其他開關型電源，開關型穩壓電源應用范圍廣，競爭力強，特別是對于粒子加速器等電源應用范圍來說，開關型穩壓電源具有著良好的專業性與穩定性。通過對于開關型穩壓電源的技術標準研讀與相關的影響因素分析，目前此類技術研究區域人員都是采用移相控制橋來對DC/DC變換小信號模式進行開關型穩壓電源的電路設計。

1.對于動態小信號模型的相關闡述

對于動態小信號模型來說，不同的模型選取進而得到的設計結果都會存在差異。所以，在模型的選取上，應根據其實際情況進行分析與配置。對于開關電源來說，其本質是作為一個非線性的控制對象在進行工作，如果要對其進行成功的設計與分析，那么在進行指導建模時，應以近似建立在其穩態時的小信號擾動模型為依據。這一思路一方面取決于小信號擾動模式穩態時具有與設計目標相近的工作表現；另一方面也是由于這樣的模型對于大范圍擾動時的擬態不夠精準，會造成相應結論的誤差或偏差。基于此，以小信號擾動模型來進行開關型穩壓電源的電路設計是保證其最終設計結果滿足設計要求的必要條件。

2.開關型穩壓電源的相關性能指標

2.1性能指標之穩定性

通過相關數據與實踐結果研究表明，在不同的開關型穩壓電源系統設計下，會產生不同程度的魯棒性。而在暫態特性方面，其表現也會相應提高。但對于直流新穩壓電源來說，其系統下對于增益余量的要求是大于或等于40dB，對于相位余量的要求則是大于或等于30dB。

2.2性能指標之瞬間響應指標

當開關電源處于非穩定狀態下，由于其所受的干擾，輸出量會出現相應的抖動現象。且其抖動量會隨著其干擾而變化，當干擾停止時，則其最終也會回到穩定值，基于此，在對開關型穩壓電源進行這方面的性能指標確定時，是以過沖幅度與動態恢復時間的長短來衡量其系統的動態特性的。在此定義下，瞬態響應指標內容主要是表現為，如果穿越頻率越高，則其系統恢復到動態平衡點的時間就越短，另一方面，系統在干擾情況下所表現的過沖幅度與其相位余量呈相關性。

2.3性能指標之電源精度

在電源精度方面，其控制要求嚴格，一般其最終的電源精度誤差需要控制在設計目標的1‰以下，且其紋波不得在1‰以上。考慮到紋波自身的分類有高頻與低頻兩種，而這兩種紋波是基于開頭頻率表現的。如高頻紋波就是受到開頭頻率的影響，必須通過濾波器進行控制。而低頻紋波則是受到電網波動的影響，必須通過系統的負反饋來進行控制。

3.關于開關型穩壓電源的電路設計

3.1關于系統下的補償網絡與相關相關設計應用

目前來說，對于開關型直流穩壓電源系統來說，其補償網絡是通過PI或者PID的算法來設計與制作的。也就是說，PI調節器的主要作用是對抗高頻紋波影響，也就是提高系統對于高頻干擾能力的抵抗性，但對于PI調節器來說，動態性差的缺點是無法忽視的。目前來說，實際應用中通過引入微分算法后可以有效提高系統的響應速度。但其缺點也顯而易見：一方面是由于零點的大量引入直接造成系統對于高頻信號的敏感度大幅度提高，放大器在此情況下，很容易產生堵塞現象；另一方面則是當開關紋波的放大倍數得到增大時，放大器也會隨之進入非線性區，這結果只會造成整個系統的不穩定。目前來說，對于這些缺陷是以超前滯后的方法來進行補償的。

3.2關于開關型穩壓電源的電路設計原理

3.2.1理想性技術指標如下：（1）輸入交流：電壓220V（50—60Hz）；（2）輸出直流：電壓5V，輸出電流3A；輸入交流電壓在180—250V區間變化時，輸出電壓相對變化量應小于2%；（4）輸出電阻R0<0.1歐；（5）輸出最大紋波電壓<10mv。3.2.2關于開關型穩壓電源的基本工作原理。當線性自流穩壓電源處于低頻率工作狀態下時，那么調整管的工作由于其體積大，則其效率相應低，但當其調整管工作處于開關狀態下時，那么其的工作表現就為體積小，效率高。

3.3開關型穩壓電源的電路設計探究

從以上論述可以看出，開關型直流穩壓電源系統其低功耗的特點是由于晶體管位于開關工作狀態下時，對于功率調整管的功耗要求低。特別是對于理想狀態下的晶體管來說，當其處于一種截止狀態時，晶體管所經過的電流為0，相應的功耗也就為0；另一方面，由于開關型穩壓電源系統的穿越頻率較高，所以對于電路的動態響應速度得以提高，而且整個系統的響應速度不受低通濾波器的影響；另外，相對于直流470V的電壓來說，并環穿越頻率遠未達到這一頻率，輸出只為48V，特別是其電壓穩定性方式，經過測試，其低頻紋波穩定率都在0.996以上，完全滿足了設計要求。

4.結語

綜上所述，在進行開關型穩壓電源的電路設計時，小信號的模型選擇是關鍵點。為了進一步提高開關型穩壓電源系統的穩定性，超前滯后網絡補償原理有效地彌補了精度電源的紋波限制高的問題。通過實踐也表明，開關型穩壓電源的適用性非常強，必將為人們生活提供更好的服務。

參考文獻：

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[2]樊思絲.高性能開關型直流穩壓電源的設計探究[J].企業技術開發，2011，（03）.

篇7

【關鍵詞】Multisim 雙電源 仿真分析

LM117/LM317 是美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路，LM117/LM317 的輸出電壓范圍是1.2V至37V，負載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好。LM117/LM317 內置有過載保護、安全區保護等多種保護電路。通常LM117/LM317 不需要外接電容，使用輸出電容能改變瞬態響應。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩壓器高的多的紋波抑制比。利用LM117/LM317設計出正負連續可調的雙電源，通過實驗測試和軟件仿真，基本上可以滿足絕大多數運算放大器所需要的電壓幅度。

一、MultiSim仿真軟件簡介

MultiSim是一款將電子電路設計及其測試分析相集成的電路設計仿真軟件。它具備信號源、基本元器件、模擬數字集成電路、指示器件、控制部件、機電部件等各類元器件，可以對各類電路進行仿真，并且提供十多種虛擬儀器（如示波器、萬用表、信號發生器、波特圖圖示儀、功率表等），以及18種仿真分析功能（如直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、傅里葉分析、噪聲分析、直流掃描分析等）。由于元件庫中有若干個與實際元件相對應的現實性仿真元件模型，配合強大的仿真分析，使結果更精確、更可靠。

二、直流穩壓電源的理論基礎與電路設計原理分析

（一）直流穩壓電源的理論基礎

電子設備都需要穩定的直流電源供電，如基本放大電路中的集電極電源、運算放大器的雙電源等。這樣，就需要將市電電網的交流電，變換為直流電。對于小功率的直流電源，它一般由電源變壓、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成。如圖1所示：

（二）直流穩壓電源電路設計的基本原理

電源變壓器的作用時將220V的電網電壓變換成所需要的交流電壓值。

整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的大小、方向都變化的電壓較低的交流電轉換成單向脈動直流電。單相整流電路的類型有半波整流、橋式全波整流、中心抽頭全波整流等。

濾波電路的主要任務是將整流后的單向脈動直流電壓中的紋波（單向脈動直流電中含的交流成分）濾除掉，使單向脈動電壓變成平滑的直流電壓。濾波電路的主要元件是電容和電感，以電容濾波電路最常用，其特點是電路簡單，輸出脈動較小，輸出電壓平均值增大，但輸出電壓隨負載變化較大。采用電容濾波時，輸出電壓的脈動程度與電容器的放電時間常數τ有關系，τ大一些，脈動就小一些，多采用大容量的電解電容。電容的耐壓值應大于它實際工作時所承受的最大電壓，耐壓值一般取所接工作電路電壓的1.5-2倍。為了降低輸出直流電壓的紋波系數（輸出電壓中交流分量占額定輸出直流電壓的百分比），正、負電源的濾波電路均采用一個1000μF/50V的電解電容。

濾波電路的輸出電壓雖已變得平滑，但輸出電壓隨負載變化較大，后面需接穩壓電路。穩壓電路的作用是當交流電源電壓波動、負載及溫度變化時，維持輸出穩定的直流電壓。穩壓電路的類型有分立元件穩壓和集成穩壓器穩壓，分立元件穩壓時，電路穩定性不好，而集成穩壓器穩壓具有體積小、電路簡單、穩壓精度高，可靠性高等優點，被廣泛采用。選擇集成穩壓器時應先確定穩壓器的類型，是固定式還是可調式，是正壓輸出還是負壓輸出，然后根據其額定電壓和額定電流選擇具體型號。

三、LM317、LM337正負連續可調的雙電源的仿真分析

運行Multisim10，在繪圖編輯器中選擇變壓器、整流二極管、電阻、電容、電位器、三端可調穩壓塊LM317、LM337等元件，組成LM317、LM337正負連續可調的雙電源電路。

調整電位器R5、R6，可以連續調節輸出電壓的大小。

其仿真的電路用波形如下圖所示。

四、結束語

應用Multisim10仿真軟件進行仿真教學，設計的雙直流穩壓電源的電路具有結構簡單、電源利用效率高、輸出電壓噪聲小、穩定精度高、可靠性高等特點，可以滿足高精度形狀測量儀的電感測頭信號處理電路中運算放大器的高穩定性的雙電源需求，增強整個測量系統的工作穩定性，最大限度地減小電源引起的測量誤差，提高測量精度。在課堂上使模擬電子技術教學更形象、靈活，更貼近工程實際，達到幫助學生理解原理，更好地掌握所學的知識的目的。尤其適用于綜合設計性實驗項目，可有效克服傳統實驗與實驗室開放的局限。通過對雙直流穩壓電源的分析設計、仿真測試可以看出，利用Multisim的虛擬電子實驗平臺，能實時直觀地反映電路設計的仿真結果，驗證電路正確性，可縮短設計周期，提高設計成功率。

學生可據所學知識和能力，自選實驗內容，自行設計電路方案，進行電路分析，從而掌握電子電路的設計與仿真分析過程，對提高學生動手能力和分析問題、解決問題的能力、綜合設計能力和創新能力，具有重要的意義。

參考文獻：

篇8

關鍵詞：數控直流電源；穩壓電源；電壓源；電流源

中圖分類號：TM461文獻標識碼：A文章編號：10053824（2013）04006707

0引言

數控直流穩壓電源應用非常廣泛，是學習電子信息工程、通信工程、機電一體化、電氣自動化等電類專業學生必然涉及到的一個電工電子課程設計項目。全國大學生電子設計競賽曾于第一屆A題、第二屆A題和第七屆F題（電流源），全國首屆高職院校技能競賽樣題以及省級院校競賽都有涉及，用來檢驗學生的電子設計能力，可見其普遍性。

雖然較多論文都涉及，但電路設計的多樣性以及制作經驗篇幅鮮少，不足以使讀者完成作品并舉一反三。筆者參閱數十篇關于數控直流電源系統的設計，發現許多很難讀懂的問題。例如，給出參數設計輸出達20 V電壓，但運放直接驅動達林頓管明顯無法輸出達22 V以上。又如，通篇無關緊要的內容，唯獨缺少比較放大環節設計及關鍵電路的完整連接，也就是說DAC輸出到調整管之間內容匱乏，這也是本文解決問題的初衷。

直流穩壓電源按照功率管工作狀態，分為線性穩壓電源、開關穩壓電源2種。鑒于電類專業課程設計的需要，本文重點解析線性穩壓電源之關鍵設計，如與OP放大器設計聯系密切的部分，希望對讀者制作該項目或寫論文有所幫助。

1設計要求的性能指標與測試方法

1）輸出電流IL（即額定負載電流），它的最大值決定調整管（三端穩壓器）的最大允許功耗PCM和最大允許電流ICM，要求：IL （Vimax-Vomin）

2）根據輸出電壓范圍和最大輸出電流的指標，U/I可計算出等效負載阻值。例如，輸出電壓要求達30 V，最大輸出電流1 A，因此模擬負載應滿足從幾Ω到30 Ω之間，調整管耗散功率應滿足30 W以上，考慮加散熱片。

1.2質量指標

紋波電壓：是指疊加在輸出電壓Uo上的交流分量。在額定輸出電壓和負載電流下，用示波器觀測其峰一峰值，Uo（p-p）一般為毫伏量級，也可以用交流電壓表測量其有效值。紋波系數是紋波電壓與輸出電壓的百分比。設計中主要涉及濾波電路RLC充放電時間常數的計算。一般在全波式橋式整流情況下，根據下式選擇濾波電容C的容量：RL?C=（3-5）T/2，式中T為輸入交流信號周期，因而T=1/f=1/50=20 ms；RL為整流濾波電路的等效負載電阻。

穩壓系數Su和電壓調整率Ku均說明輸入電壓變化對輸出電壓的影響[2]，因此只需測試其中之一即可。電源輸出電阻ro和電流調整率Ki均說明負載電流變化對輸出電壓的影響[2]，因此也只需測試其中之一即可，具體操作參照指標的定義來實施。

2.2DAC接口電路的設計

2.3調整管控制電路、電壓采樣與電流采樣電路的

2.4ADC接口電路的設計、同時具備電壓源與電流源功能的設計

2.6具備電壓預置記憶存儲部分的設計

2.7保護電路的設計

2.8.2濾波電路的設計

3結語

曾經查閱數十篇類似穩壓電源電路圖，深感模擬電路設計的重要性。本文將電壓源與電流源的設計方案同時羅列，便于讀者理解設計要領。重點解析DAC輸出后的電路設計，圖中電壓、電流數據全部基于proteus交互式仿真完成。電路設計的連貫性、采樣電路取值、運放電路與驅動電路設計等，是同類論文較少論述的環節，可以有效解決目前存在的諸多問題，有助于讀者提高電路解析能力。僅此拋磚引玉，希望本文的設計能對讀者在實際工作中有所幫助，不當之處請多指教。

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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： 板式電位差計 電動勢 內阻 電阻線

電位差計就是利用補償原理來精確測量電動勢或電位差的一種精密儀器。其突出優點是在測量電學量時，它不從被測量電路中吸取任何能量，也不影響被測電路的狀態和參數，所以在計量工作和高精度測量中被廣泛利用。

1.板式電位差計測量電動勢和內阻的原理

如圖1所示，E為電源，En為標準電動勢，Ex為待測電動勢，G為檢流計，R為電阻箱，AB為11線電勢差計電阻絲，R為檢流計保護電阻。由下往上的電阻線分別標為第0-10號電阻線，其中第0號電阻線附在帶有毫米刻度的米尺上，觸頭N可在它上面滑動。板式電位差計在補償狀態時，E=CL，所以C稱為電位差計常數。

2.板式電位差計測量電動勢的范圍

根據電壓補償原理必須滿足E≥E。否則無法測出被測電動勢，THMV-1型電勢差計使用的是集成4.5V直流穩壓電源，故其所測最大電動勢的范圍為0―4.5V。

由電位差計實驗裝置可知，板式電位差計共有11條線，每條線lm，則L=11m；當實驗所用標準電池E=1.0186V時，在工作電壓保證的前提下，對應每個校準點時所能測量的最大電動勢的范圍為1.12048V―11.20482V之間［1］。

板式電位差計測量電動勢時經過一個工作電流標準化的過程［2］，在電源電壓為4.5伏的條件下，其電位差計常數只能取0.1000V/m―0.4000V/m之間的數值，取值范圍有點偏小。集成4.5V直流穩壓電源在通過較大電流時，其輸出電壓都有較大的下降。實驗表明，在電位差計常數從0.1000V/m增大到0.3000V/m時，其穩壓電源的輸出電壓從4.50V下降至4.10V。因此，在不影響精度的前提下，板式電位差計直流穩壓電源的電壓應該提高到6-7伏左右。這樣，電位差計常數的變化范圍也可從0.1000V/m變化到0.6000V/m，從而可以提高學生在做實驗時電位差計常數的選擇范圍，以及比較選擇不同電位差計常數時對測量結果的影響。

十一線電位差計測量的準確度主要取決于下列因素：（1）十一米電阻絲每段長度的準確性和粗細的均勻性；（2）標準電源的準確度；（3）檢流計的靈敏度；（4）工作電流的穩定性。在THMV-1型電位差計中，標準電源的電動勢準確穩定，檢流計是數字式，最小量程為20UA，具有很高的靈敏度，工作電流也十分穩定。研究結果也表明板式電位差計測量電動勢的不確定度為0.0002V［3］，而實際測量的不確定度遠大于此研究結果，其主要產生的原因是由于11線電阻絲的不均勻性產生的。因此有必要對11線電阻絲的不均勻性產生的不確定度進行分析。

（1）11線電阻絲的不均勻性分布。在實驗中任選五個THMV-1型電位差計實驗裝置的11線電阻絲，用數字萬用表精確測量結果如表1所示：由表中的數據可以看出，各儀器中同為1m長電阻絲的電阻值有較大的差異。其最大電阻差值分別為：0.30Ω，0.20Ω，0.40Ω，0.30Ω，0.30Ω，其電阻分布的最大不均勻度分別為：0.048，0.034，0.063，0.047。在實驗中我們常采用的電位差計常數為0.2000V/m時，每1m電阻線上的電壓為0.2000V，因此則由電阻不均勻度產生的電壓差值最大可能為：0.0096V，0.0068V，0.0126V，0.0094V。這個差值已經遠大于實驗測量中所產生的不確定度。

（2）任選擇其中三個11線電阻絲，取電位差計常數為0.1000V/m，則每線的理想電壓為0.1000V。用高精度數字電表測量各線上的電壓表如表2所示，其最大偏差分別為0.0017V，0.0036V，0.0030V。

（3）任選擇其中一個11線電阻絲，分別取電位差計常數分別為0.1000V/m，0.2000V/m，0.3000V/m時，用高精度數字電表測量各線上的電壓表如表3所示。實驗數據表明，在理想情況下，各線上的電壓值應該分別為0.1000V，0.2000V，0.3000V。實際測量結果與其理想值的電壓最大偏差分別為：0.0017V，0.082V，0.0129V。

在本實驗裝置中，兩個待測電動勢的數值分別為0.55V和0.50V左右，在電位差計常數分別為0.1000V/m時，測量這兩個電動勢要用到第0-5根電阻線；電位差計常數分別為0.2000V/m，則只用到0-2根電阻線；電位差計常數分別為0.3000V/m，則只用到0-1根電阻線。因此，第0-5根電阻線的均勻性將更顯著地影響測量結果。

在表3中，電位差計常數從0.1000V/m增大到0.3000V/m，則其電壓最大偏差從0.0017V增大到0.0129V。

因此，電位差計常數越大，其不均勻性對測量結果的影響越大。實驗過程中，在不影響測量的情況下，應盡量采用較小的電位差計常數。

4.內阻的測量

板式電位差計常用來測量電池的電動勢和電路中任意兩點間的電壓。同樣，它也可以用于對電池內阻的測量。原實驗中采用測量干電池的內阻，測量結果不大理想。按教材提供的參數實驗，不同實驗者，不同時間得出幾十歐變化甚至負數的不同結果［4］。本實驗中，采用測量集成電源的內阻，即在電源E兩端并聯一個阻值為R=220Ω的精密電阻，分別取電位差計常數為0.1000V/m，0.2000V/m，0.3000V/m，測量待測電動勢E，E的內阻，計算式為：r=R（L/L-1），其中，L、L分別為并入電阻R0前后平衡時電阻線的長度，多次測量后結果如表4，表5所示。

結果表明：由本方法測得的集成電源內阻的數值都比較接近，是比較理想的，和原來用干電池測得的內阻相比要理想得多［5］。

5.結語

（1）為擴大學生在做實驗時電位差計常數的選擇范圍，以及比較不同電位差計常數時對測量結果的影響，可以將板式電位差計直流穩壓電源的電壓提高到6-7伏左右。

（2）要盡量提高11線電阻絲的均勻性，特別是第0-5根電阻線的均勻性。在不影響測量要求的情況下，應盡量采用較小的電位差計常數。

（3）對集成電源內阻測量結果的穩定性明顯高于測量干電池內阻。

參考文獻：

［1］馬占軍，李麗梅.論證補償法測量電動勢的范圍（2）［J］.廣西師范學院學報（自然科學版），2004，21，（4）：113-116.

［2］謝中，黃建剛等.大學物理實驗［M］.湖南：湖南大學出版社，2008：91-93.

［3］李朝榮，梁家惠.電勢差計測電勢和未定系統誤差［J］.物理實驗，1993，14，（5）：199-201.

［4］陳晉，陳新剛，板式電勢差計實驗參數選擇的討論［J］.淮北煤炭師范學院學報，2005，26，（1）：84-86.

［5］宋鋼，翟林華.用板式電勢差計測量電池的電動勢和內阻實驗的改進［J］.物理實驗，2004，24，（11）：41-43.