1 主要技术指标

给出电力电子实践电路的功能指标、性能指标。

性能指标：①输入电压：AC 220V±10% 

②输出电压：12V，纹波小于等于 5% 

③功率：12W 

功能：①具有相应的保护和指示功能 

②具有缓上电功能。

3方案设计

3.1 方案结构框图

单相交流电经过电源变压器 、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直流电压。

 图3-1 直流稳压电源方框图

3.2电路拓扑结构设计分析

3.2.1 变压（AC-AC）

直流电源的输入为 220 V的电网电压（即市电），一般情况下，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。我们这里需要得到12V直流电，通过计算变压器变比应该为100/7，变压器二次侧交流电压应该为15.4V。

3.2.2整流（AC-DC）

采用单相桥式整流电路，桥式整流电路如图3-2所示，这种整流电路使用普通的变压器，比一般的全波整流电路多用到了两个整流二极管。因为整流二极管以四个连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。桥式整流电路使用的整流器件较一般的全波整流电路多一倍，但是其每个器件所承受的反向电压较小，在直流稳压电源的设计当中得到广泛使用。

不采用半波整流电路，因为半波整流电路只利用电源输出电压的正半周，电源的利用效率非常低，会带来很大的资源浪费，它仅在高电压、小电流等少数情况下使用，--般半波整流电路电源电路中很少使用。

不采用全波整流电路，因为全波整流电路中的每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的--半，比半波整流小--倍，它所使用的整流器件较半波整流时多一倍。全波整流电路的整流电压脉动较小，变压器的利用率比半波整流时高很多，整流器件所能承受的反向电压较高。但是全波整流电路需要特制的变压器才能正常工作，变压器二次绕组需要-一个中心抽头，制作起来会比较麻烦。

图3-2 单相桥式整流电路

3.2.3 滤波电路

我们采用复式滤波，因为在仿真实验的时候，采用电容滤波的时候效果达不到理想效果，最终采用LC滤波。

图3-3 单相桥式整流电容滤波电路及稳态时的波形分析

（a）电路（b）理想情况下波形（c）考虑整流内阻时的波形

 滤波电路输出电压波形难于用解析式来描述，近似估算时，可将图 3-3（c）所示波形近似为锯齿波，如图3-3所示。图中 T 为电网电压的周期。设整流电路内阻较小而 RL*C 较大，电容每次充电均可达到 U2的峰值（即 UOmax=√2U2），然后按 R_L*C放电的起始斜率直线下降，经 RL*C交于横轴，且在 T/2 处的数值为最小值 UOmin，则输出电压平均值为

上式表明，当负载开路，即 RL=∞时，UO(AV) =√2U2。

当RL*C=（3～5）T/2时，UO(AV) ≈1.2U2（输出随负载变化）

为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足 RLC=(3~5)T2

 的条件。

由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为 ± 10%，电容的耐压值应大于 1.1√2U2。

图3-4 滤波电路

3.2.4 稳压电路

由稳压二极管 DZ 和限流电阻 R 所组成的稳压电路是一种最简单的直流稳压电源，如图 3-4中点画线框内所示。其输入电压 Ui是整流滤波后的电压，输出电压 UO就是稳压管的稳定电压 Uz，RL是负载电阻。

图3-5 稳压二极管组成的稳压电路

稳压管稳压电路的优点是电路简单，所用元件数量少；

但是，因为受稳压管自身参数的限制，其输出电流较小，输出电压不可调节，因此只适用于负载电流较小，负载电压不变的场合。

在选择元件时，应首先知道负载所要求的输出电压 UO，负载电流 I_L 的最小值 ILmin 和最大值 ILmax (或者负载电阻 RL 的最大值 RLmax 和最小值 RLmin ），输入电压 Ui 的波动范围（一般为 ±10%）。

稳压电路输入电压 Ui 的选择

       根据经验，一般选取 Ui = (2~3)UO。

       Ui 确定后，就可以根据此值选择整流滤波电路的元件参数。

稳压管的选择

       在稳压管稳压电路中 UO=Uz；当负载电流 IL 变化时，稳压管的电流将产生一个与之相反的变化，即 △IDZ ≈ -△IL，所以稳压管工作在稳压区所允许的电流变化范围应大于负载电流的变化范围，即IZmax-IZmin>ILmax-ILmin

。选择稳压管时应满足 ：

 R的阻值一旦确定，根据它的电流即可算出其功率。

图3-6 Matlab中的稳压电路

3.3.5 保护电路

晶闸管的保护电路大致可以分为两种情况:一种是在适当的地方安装保护器件,例如R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。另一种则是采用电子保护电路,检测设备的输出电压或输入电流,当输出电压或输入电流超过允许值时,借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

晶闸管设备产生过电流的原因可由于整流电路内部原因,如整流晶闸管损坏，触发电路或控制系统有故障等;其中整流桥晶闸管损坏类较为严重,一般是由于晶闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力,它相当于整流桥臂发生永久性短路,使在另外两桥臂晶闸管导通时,无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流。

这一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。

3.3.6 缓冲电路

RC缓冲电路是一种基本的电路，用于缓冲和驱动信号。其基本原理涉及电阻（R）和电容（C）的相互作用。以下是RC缓冲电路的基本原理：

1. 输入阶段： 输入信号通过电阻连接到电容。当输入信号变化时，电容开始充电或放电，取决于信号的变化方向。

2. 充电和放电：如果信号上升，电容开始充电，电压跨过电容逐渐增加。如果信号下降，电容开始放电，电压跨过电容逐渐减小。

3. 时间常数：*RC电路的行为受到时间常数的影响，该常数由电阻值（R）和电容值（C）决定。时间常数（τ）表示电容充电或放电至其初始电压的63.2%所需的时间。公式为：τ = R * C。

4. 输出阶段： 输出信号从电容取得，因此输出信号的变化相对平滑，以缓解输入信号的急剧变化。

5. 缓冲效果：由于电容的存在，RC缓冲电路对输入信号的快速变化有一定的响应滞后，从而起到了缓冲和平滑信号的作用。

这种缓冲电路对信号进行滤波和驱动，适用于需要减小输入信号变化速率的情况，以避免对后续电路的干扰。

图 3-8  RC缓冲电路

3.3.7 指示电路

由于matlab仿真中无法采用芯片以及三极管等元器件，所以我们在制作实物时，采用Multisim软件进行实物仿真，在这个软件中我们可以通过LM393N电压比较器来实现指示功能，当输出直流电压大于12V时，LED灯点亮，当输出电压小于12V时，LED灯熄灭，通过LED灯的亮灭来判断该直流稳压电源是否达到12V，从而实现指示功能。

LM393类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM393输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM393用在弱信号检测等场合是比较理的。

图3-9 LM393比较器引脚图

比较器的反相输入端连接一电位器，其最大阻值为10KΩ，作为阈值电压，同相输入端连接放大器输出端。若同相输入端的电压大于阈值电压，则输出高电平；若同相输入端电压小于阈值电压，则输出低电平。而三极管只有在比较器输出高电平时才会导通，二极管和蜂鸣器才会正常工作。LM393的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻，称为上拉电阻，选3-15K。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。在这里我们选择的是10kΩ的电阻，1号电压输出端后我们接了个阻值为 1K 欧姆的电阻，主要是起限流的作用，防止电流过大将三极管烧坏，它的数值由公式

                                                        R≪Vcc-UBEICEβ                                                                     (3-6)

得R«22400，我们选择阻值为1kΩ得电阻。

则设计的电路图如图3-10所示：

图3-10 比较器设计电路图

指示电路模块设计，将LED指示灯置于三极管的集电极上端，并在报警器的正极加一电

源使得三极管集电极反向偏置，当电压比较器输出高电平后从基极流过电流从而使得Ube

大于0.7V，只有当Ube端的电压大于0.7V时三极管正向导通，发光二极管亮。

设计电路中，需要基极为高电平时集电极与发射极连通，从而使发光二极管工作。三极管需功率小且负载能力大的三极管。故选择型号为s9013NPN型三极管。则模块电路如图3-11所示。

图3-11 指示模块设计电路图

3.3 理论分析

3.3.1 工作模式分析

单相交流电通过单相交流电经过电源变压器（变比为100：7） 、单相桥式全控整流电路、LC滤波电路、稳压电路和RC缓冲电路转换成缓慢上升且稳定的12V直流电压。

3.3.2 主要元件参数计算

3.3.3 仿真分析

1、Matlab仿真单相交流电和变压器参数设置，交流电压为220V,50Hz。变压器变比为100/7

图3-12 Matlab仿真单相交流电和变压器参数设置

2、整流电路同步6脉冲发生器参数设置，同步频率与电压频率相同为50Hz，脉冲宽度为30°。

图3-13 整流电路同步6脉冲发生器参数设置

3、LC滤波电路的仿真参数设置，电感为0.01H，电容为0.35F。

图3-14 LC滤波电路的仿真参数设置

4、稳压电路仿真参数设置，限流电阻为35Ω，稳压二极管的稳定电压为5V。

图3-15 稳压电路仿真参数设置

5、RC缓冲电路的仿真参数设置，已有负载为12Ω，只需要设置电容参数为1F。

图3-16 RC缓冲电路的仿真参数设置

4、实验设计

4.1 实验所用设备清单

结合实验平台，实验所需的设备和仪器仪如表1-1所示。

表1-1 实验组件列表：

4.2  实验步骤

4.2.1实验步骤1

由于matlab仿真中无法采用芯片以及三极管等元器件，所以我们在制作实物时，采用Multisim软件进行实物仿真，通过Multisim仿真的结果进行实物的焊接。

图4-1 12V直流稳压电源Multisim仿真图

4.2.2实验步骤2

       通过嘉立创APP我们对该电路进行原理图以及PCB的绘制。Multisim仿真图中的单相桥式整流电路我们采用KBP310器件进行替换，KBP310中集成了全桥和半桥，根据需要可以进行使用。

图4-2 12V直流稳压电源原理图

图

4-3 12V直流稳压电源PCB和实物3D建模图

4.2.实验步骤3

       购买元器件KBP310、LM317、LM393N、杜邦线、三极管9013、LED灯、整流二极管1N4007

、470微法电解电容、100微法电解电容、330nF独石电容、洞洞板和电位器104，然后进行焊接。

图4-4 12V直流稳压电源实物焊接图

4.3实验步骤4

对焊接的电路板进行测试，用万用表测量电压，示波器测量波形，电压为12.02V符合标准，示波器电压纹波小于5%，也符合表准。

图4-5 12V直流稳压电源实测图

5、实验结果及分析

5.1  Matlab仿真实验结果及分析

       通过Matlab仿真得到的电压波形图5-1可以看出，电压缓慢上升，到20s左右达到12V。

（1）电压纹波远远小5%，符合题目要求性能指标输出电压：12V，纹波小于等于5%.

（2）电压缓慢上升，到20s左右达到12V，实现了题目要求的缓上电功能。

图5-1 Matlab输出电压波形

通过Matlab仿真得到的电流波形图5-2可以看出，电流缓慢上升，到20s左右达到1A。

（1）题目要求输出功率12W，12V*1A=12W，符合题目要求。

（2）电压缓慢上升，到20s左右达到1A，实现了题目要求的缓上电功能。

图5-2 Matlab输出电流波形

5.2 Multisim仿真测试结果及分析

       通过Multisim仿真可以得到12.176V电压。

（1）电压纹波远远小5%，符合题目要求性能指标输出电压：12V，纹波小于等于5%.

（2）采用LM393N电压比较器、三极管和LED灯来当指示电路，当达到12V电压时LED灯亮，达不到就熄灭，从而起到指示作用，完成了题目要求的指示功能。

（3）保护功能也实现，在LM317输入和输出之间反向连接应该整流二极管1N4007，

对其起到过流保护作用。

图5-3 Multisim仿真测试结果