2013年全国大学生电子设计单相AC-DC变幻电路(A题)

12013年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC变幻电路（A题）2013年9月7日2目录1系统方案................................................................................................................................41.1辅佐电源模块的论证与选择.........................................................................................41.2稳压模块的论证与选择.................................................................................................41.3过流保护模块的论证与选择........................................................................................41.4功率因数测量模块的论证与选择................................................................................42系统理论分析与计算............................................................................................................62.1主控制的分析与计算....................................................................................................62.2提高效率的方法及实现方案.........................................................................................63电路的设计............................................................................................................................93.1主电源电路与器件选择.................................................................................................93.2辅助电路的设计.............................................................................................................93.3保护电路的设计.............................................................................................................94测试方案与测试结果..........................................................................................................114.1测试方案.......................................................................................................................114.2测试条件与仪器..........................................................................................................114.3测试结果及分析..........................................................................................................114.3.1测试分析与结论...........................................................................错误!未定义书签。3摘要根据A题的题目要求，我们将交流220V电压通过变压器降到交流24V，后用整流桥及其滤波电容将其变为直流24V，运用555振荡器模块压升到36V左右，外加稳压与过流保护模块达V0.1V的要求。我们还利用功率因数的定义电流相位与电压相位的相量脚来求得。为此我们设计出功率因数测量电路来测AC-DC变换电路输入侧的功率因数，并且通过控制振荡器的频率来调整功率因数输出。经多次实验，我们通过实验数据与理论值的比较，能较好的得出，当Us=24V，Io在0.2A～2.0A范围内变化时，负载调整率SI≤0.5%；当Io=2A，Us在20V～30V范围内变化时，电压调整率SU≤0.5%；动作电流为2.5A±0.2A。41系统方案本系统主要由主电源模块、辅佐电源模块、稳压模块、过流保护模块、功率因数测量模块组成，下面分别论证几个模块的选择。1.1辅佐电源模块的论证与选择方案一:由220V的交流电通过变压器得+5V的辅助电源，它是运用LM7805稳压管以及配套的滤波电容得到的。该辅助电源是供给555振荡器、稳压电路、过流保护电路的外加电源。但用在电源220V的交流电路中，+5V的直流电太小，电路中的电流过大，耗功也大，LM7805易烧。方案二:由220V的交流电通过变压器得+12V的辅助电源,它既便于用电压器变换，又相对+5V的消耗功率小。根据以上分析，本设计采用方案二，以实现电路的简洁、安全的情况下达到题目要求。1.2稳压模块的论证与选择方案一：稳压模块可直接从+24V转换到+36V的支流A点采集电压u1，通过比较器LM358再取反致于振荡电路，用反馈电路来控制电压的稳定，且该电路取反用三极管。但此电路不能用于实践中，直接从支流中取得电流过大以至于烧坏比较器。方案二：稳压模块不可直接从+24V转换到+36V的支流A点采集电压u1，那么在采集点与比较器同相端加一个隔离光耦，这样便可降低电流对期间的损坏，且可用lM4011与非门代替三极管。根据以上分析，本设计采用方案二，以实现电路的简洁、安全。1.3过流保护模块的论证与选择方案一：过流保护电路是直接从负载采取电流，通过比较器LM393再取反致于振荡电路，用反馈电路来限制电流，且该电路取反用三极管。但此电路亦不能用于实践中，直接从支流中取得电流过大以至于烧坏比较器。该电路图如下：方案二：过流保护电路既然不能从负载采取电流，那么亦在采集点与比较器同相端加一个隔离光耦，这样便可降低电流对期间的损坏，且可用lM4011与非门代替三极管。综合考虑采用方案二。1.4功率因数测量模块的论证与选择方案一：利用功率因数的定义电流相位与电压相位的相量脚来求得。如图A-1.4-3用光电耦合器从AC-DC变换电路输入侧采取与输入电流、电压相位相同的信号，再同过差动运算电路输出的电压，此电压便是功率因数。而此电路的前提条件是输入电压与电流的幅度相同。但实际电路中的幅度不同，最终会影响功率因数的数值。电路如图所示：5方案二：不同方案一中的是差动运算电路前加过零比较器。光电耦合器从AC-DC变换电路输入侧采取与输入电流、电压相位相同的信号，差动运算电路前加过零比较器，这样采集的交流电压变为直流电压，则不存在幅度大小问题。综合考虑采用方案二。图A-1.4-362系统理论分析与计算2.1主控制的分析与计算主控制流程图：A-2.1-1图A-2.1-1(1)负载调整率的计算S=,其中Uo1为Io=0.2A时的直流输出电压，Uo2为Io=2.0A时的直流输出电压;(2)电压调整率S=,其中Uo1为Us=20V时的直流输出电压，Uo2为Us=30V时的直流输出电压;(3)功率因数=，其中Po=UoIo，Ps=UsIs，是输入交流电流与电压方向的夹脚。2.2提高效率的方法及实现方案本电路影响系统效率的因素主要有开关损耗、LC屡破电路的损耗、变压器的损耗等。因此提高效率的方法有：(1)为降低开关损耗，在保证低输入电压不失真的基础上适当减少开关频率；(2)为降低器件导通损耗，可以合理选择导通压降小、通态电阻小的器件；(3)加粗导线，加大回路中的电流容量；(4)在满足波形要求的情况下尽量减小滤波器的电阻。2.3稳压控制方法（1）稳压模块不可直接从+24V转换到+36V的支流A点采集电压u1，那么在采集点与比较器同相端加一个隔离光耦，通过比较器LM393再取反致于555振荡电路，用反馈电路来控制电压的稳定，且该电路取反用与非门。下图左半部分为稳压电路：稳压与过流如图所示A-2.3-27图A-2.3-2555振荡器电路图A-2.3-3图A-2.3-3（2）控制原理当稳压光耦输入端的电压Ui36V时，通过LM124比较器输出高电位,，接入555振荡器4脚，由于二极管不导通，4脚为低电平0，则555的2、6脚没达到2/3V就振荡器就进行翻转。则振荡器的输出电压占空比变小，输出电压平均值变小回到36V；同理相反Ui36V时，振荡器的输出电压占空比变大，输出电压平均值变大回到36V。由此该子电路控制主电路输出恒压36V。82.4功率因数调整方法（1）测得功率因数原理：光电耦合器从AC-DC变换电路输入侧分别采取与输入电流、电压相位相同的信号，再将其分别输入差动运算电路前加过零比较器，这样采集的交流信号变为直流信号U1与U2，俩直流信号进行逻辑乘得到信号U3。分析U3波形图则可知道该信号的占空比由U1、U2的相位差决定，即与功率因数成正比例，若该信号平均值在1V内，则等同功率因数。如图A-2.4-1图A-2.4-1（2）功率因数的调整结合图A-2.4-1与A-2.3-3分析，当信号U3输入图中比较器393时，输出信号的高低可控制振荡器555的输出频率，从而改变U1、U2的方向来调整功率因数。具体的说，当U3信号即功率因数变大时，比较器输出高电平，接555的二极管导通有额外电压加到电容104上，缩短555翻转时间，从而改变输出电压频率；同理，当U3信号即功率因数变小时，比较器输出低电平，555振荡器改变频率从而调整功率因数。93电路的设计3.1主电源电路与器件选择我们将交流220V电压通过变压器降到交流24V，后用整流桥及其滤波电容将其变为直流24V，运用555振荡器模块压升到36V左右。r电阻越小越好，我组选的是0.5欧姆，为的是便于采集电流相位。自绕电感为的是隔离电压。整流器我组选的是942，其后滤波电容有俩个是50V-2000，一个是200V-470，存储电容50V-470，我组还设立一个开关管cm9104，目的是将振荡器555与24V直流隔开，保护电路以及便于测量。图A-3.1-13.2辅助电路的设计由220V的交流电通过变压器得+12V的辅助电源，它是运用LM7812稳压管以及配套的滤波电容得到的。该辅助电源是供给555振荡器、稳压电路、过流保护电路的外加电源。如图图A-3.2-13.3保护电路的设计根据上图A-2.3-2的右侧部分分析所知，过流保护电路既然不能从负载采取电流，那么亦在采集点与比较器同相端加一个隔离光耦，这样便可降低电流对期10间的损坏，在同过比较器得出高低电平来控制555的电压变化来保护负载，使支路电流稳定在动作电流内。其电路原理是当过流光耦输入端的电流Ii25A时，通过LM124比较器输出高电位,，接入5