微机断电保护直流不间断电源.docx

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微机断电保护直流不间断电源

辽宁工业大学

电子技术基础课程设计（论文）

题目：

微机断电保护直流不间断电源

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

教师职称：

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

电子信息工程

学号

学生姓名

专业班级

课程设计（论文）题目

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

。

3．最大输出电流

。

4．稳压系数

。

5．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。

指导教师评语及成绩

成绩：

指导教师签字：

年月日

目录

第1章．微机断电保护直流不间断电源设计方案论证1

1.1微机断电保护直流不间断电源的应用意义1

1.2设计的要求及技术指标1

1.3设计方案论证1

1.4总体设计方案框图及分析2

第2章．微机断电保护直流不间断电源各单元电路设计3

2.1电源变压器电路设计3

2.2桥式整流电路设计4

2.3滤波电路的设计5

2.4充放电控制系统的设计6

2.5串联反馈式稳压电路设计7

2.6启动电路与保护电路的设计8

第3章．微机断电保护直流不间断电源整体电路设计9

3.1整体电路以及工作原理9

3.2电路参数计算10

3.3整机电路性能分析10

第4章．设计总结10

参考文献11

器件清单11

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，但是使用这些计算机的时候也存在很多问题，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。

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。

它是防止使用过程中一旦发生断电等异常现象，造成信息丢失或使系统无法继续运行。

同时这种电源结构简单，造价低廉，性能可靠，供电时间长，无转换时间和逆变过程的微机断电保护直流不间断电源.

1.2设计的要求及技术指标

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。

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

。

3.最大输出电流

。

4.稳压系数

。

5.有断电保护功能。

1.3设计方案论证

方案一：

在电源变压器和整流之后使用UPS电源，其中包括逆变电源，有逆变过程，UPS电源的作用是在正常情况下，使外电源经过整流后，一方面给蓄电池充电，另一方面经逆变换在变成交流电供给负载。

当外电源出现故障或突然中断时，逆变器立即利用蓄电池的储能进行工作，可以做到毫无间断地继续对负载供电。

方案二：

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，蓄电池进行工作，为电路提供不间断电源。

图1-1方案一简图

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，发光二极管两个（一个发蓝色的光、一个发黄色的光），连接形式为两个发光二极管并联与蓄电池串联，

图1-3总设计方案框图

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。

一、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。

　　二、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

　　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桥式整流电路图2-3整流过程中电流电压波形图

整流原理：

如图，设

--

是全桥堆中的四只整理二极管，Tr是电源变压器，次级线圈电压为

，负载电压为

，电流为

。

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

=0.9

2.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

=

3二极管所承受到得最大反向电压

2.3滤波电路的设计

图2-4电容滤波电路图2-5桥式整流、电容滤波时的电压、电流和纹波电压波形

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，D2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D1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。

　　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，

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，重复上述过程。

　　RL、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

2.RC越大电容放电速率越慢,一般取

3．电容滤波电路的负载电压

与

的关系越

2.4充放电控制系统的设计

图2-6充放电控制系统

工作原理：

当外电源正常工作的时候，

经过整流电路，将交流电变为直流电（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，不能正常的供电时，这个时候，充放电控制系统进行放电，

当蓄电池进行充电过程，充电控制系统两端电压大于12V，D5导通、D6截止，对蓄电池进行充电，并且D5发黄光，当电量充满的时候，充电控制系统相当于开路，无电流通过D5-D6，发光二极管不发光，当外电源出现异常的时候，整个电路进行零输入响应，蓄电池开始放电，此时D6导通、D5截止，并且D6发红光,为整个电路提供不间断直流电源。

发光二极管的作用是为了提醒用户外电源是否出现故障，应及时采取措施。

此电路用到了一些元件的特别性质，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，还有蓄电池的性质。

2.5串联反馈式稳压电路设计

基准电压比较放大调整管取样负载

图2-7串联反馈式稳压电路一般结构图

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U0的一部分取出送到放大环节。

图中Rp是调节输出电压作用。

（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Uz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取三极管。

（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。

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

（2）当Rp动端在最下端时，输出电压最大

2.6启动电路与保护电路的设计

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）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2-8保护电路图

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。

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，使外电源电压降低到适合电压

，此时电压为交流电压，经过

--

两两导通的整流作用后，电压变成直流电（单向脉冲直流电），电容C1的作用是进行滤波，是把经过整流作用后的单向脉冲直流电中的交流电滤掉，然后电压一方面对充放电系统中的蓄电池进行充电，另一方面对后面电路进行作用。

2.当外电源出现故障的情况下，充放电控制系统进行放电作用，由于滤波与系统之间有一个反向二极管D7，所以滤波不作用，蓄电池放出的电量直接对后面电路进行作业。

（1）充放电控制系统：

当充电的时候，此时发光二极管D5导通，D6截止，D5发黄光，当电量充满地时候，充放电控制系统相当于开路，两个二极管同时截止不起作用，所以不发光，当放电的时候发光二极管D6导通，D5截止，D6发红光.（两个二极管的作用是：

1.运用二极管的单向导电性保持蓄电池的充放电作用。

2.二极管在不同的情况下进行发光，有助于对用户的提醒。

）

（2）整个稳压电路由开启电路（Dz1、R1、R2、VT1）、保护电路（Ro、R3、VT4）、取样（R4、R5、Rp）、基准电压（R、Dz2）、比较放大（A）、调整管组成（VT2、VT3）。

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VT1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。

3.2电路参数计算

（1）基准电压中稳压管的选择，输出电压为5V，所以稳压管电压必须小于5V，所以选择稳压管型号为2WC7，两端电压为3V，电流为70ma，所以基准电压中的电阻R为30Ω。

（2）取样电阻选择：

取样电阻的取决来自于，输出电压与基准电压，

由

得R4=50Ω、R5=150Ω、Rp=50Ω

（3）电源电压为220V—50HZ经过变压器降压后电压设为15V。

（4）蓄电池选择为12V

（5）调整管最大承受压降

=19-4=15V，

调整管最大电流

=3A

调整管的功耗

=15*3.09=46.35W

3.3整机电路性能分析

整个电路为负载提供不间断直流稳压电源，可以保护负载作业，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，启动电路能有限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。

另外，电路中还存在着两个发光二极管，在不同的工作状态中发出不同的光亮，很好为用户提醒，以至于用户能很快的采取相应措施。

第4章．设计总结

在这个电路的设计中，出现很多问题，第一，就是在什么地方设计个充放电控制系统，也是这个课设重点之处，刚开始的时候设计在滤波后面，后经过进一步的考虑，感觉还是应该放在滤波后面，在安放一个反向的二极管，减少了一部分电量的浪费。

第二，在稳压电路中，过流保护电路怎么设计，设计在什么地方，后来经过查阅书籍，经过考虑，做出了过流保护电路。

第三，EWB软件的使用，到目前为止还没有很好的掌握这个软件的使用，应开设这个软件最新版本的课程，让我们更好地掌握使用。

第四，参数的计算与选择，有很多器件算出了参数，但是找不出具体型号。

最后就是这个论文的编写，第一次触及课设，不知道如何下笔。

参考文献

[1]康华光，电子技术基础模拟部分.第五版.北京：

高等教育出版社，2006.1:

486-542

[2]刘建清，寻立波。

模拟电子技术从入门到精髓.北京：

国防工业出版社，2006.1：

256-308

[3]胡斌，电子线路基础轻松入门，第二版，北京：

人民邮电出版社，2006.6:

299-308

[4]辽宁工业大学电子信息工程教研室，模拟电子技术基础学习指导，第五版，沈阳：

东北大学出版社，2007.3:

179-195

[5]王松武，电子创新设计与实践，第二版，北京：

国防工业出版社，2010.5:

261-279

附录：

器件清单

器件

数量

规格

发光二极管

2个

BT系列

三极管

4个

BD243

二极管

5个

0.7V

蓄电池

1个

12V

电容器

2个

1000μF

滑动变阻器

1个

50Ω

电阻器

3个

500Ω

电阻器

1个

150Ω

电阻器

1个

1Ω

电阻器

1个

30Ω

运算放大器

1个

μA741