大功率线性直流稳压电源设计与实现毕业设计论文

大功率线性直流稳压电源设计与实现毕业设计论文内容摘要：

电路才 能正常 工作在线性区 . 本设计 首先采用 TIP120 将电流进行一级放大， 以 达到驱动后续大功率三极管 2N3055 的需求。 然后采取 5 个功率管并联的方式提高输出电流，由于各个三极管间存在着差异所以每个 2N3055都需要串联上均流电阻，是电路稳定。 每个 2N3055能达到的最大电流为 15A，但这只是理想状态， 这里 采用 了 5个调整管并联，每个输出 6A，即可实现 30A的输出电流。 3 元 器 件参数 设计 变压器设计 本 电源 需要设计 24V低频变压器变压器 . 变压器的好坏也决 定了电源的品质。 电源变压器的铁心 它一般采用硅钢片 . 硅钢片越薄 ,功率损耗越小 ,效果越好 .整个铁心是有许多硅钢片叠成的 ,每片之间要绝缘 .买来的硅钢片 , 表面有一层不导电的氧化膜 , 有足够的绝缘能力。 电源变压器的简易设计 设计一个变压器 ,主要是根据电功率选择变压器铁心的截面积 ,计算初次级各线圈的圈数等 .所谓铁心截面积Ｓ是指硅钢片中间舌的标准尺寸ａ和叠加起来的总厚度 b的乘积 .如果 24V电源变压器的初级电压是 U1,次级有 n 个组 ,各组电压分别是 U21,U22,,U2n,各组电流分别是I21,I22,I2n计算步骤如下 : 第一步 ,计算次级的功率 ,也就是 ：2 21 21 22 22 2 n 2 n= + + +P U I U I U I    第二步 , 计算变压器的功率 P2 后 .考虑到变压器的效率是 η,那么初级功率P1=P2/η,η 一般在 ～ 之间 .变压器的功率等于初 ,次级功率之和的一半 ,也就是P=(P1+P2)/2 第三步 , 查铁心截面积Ｓ .根据变压器功率 ,由式 ()计算出铁心 截面积 Ｓ ,并且从国产长春工程学院毕业设计（论文） 10 小功率变压器常用的标准铁心片规格表中选择铁心片规格和叠厚 . 第四步 , 确定每伏圈数 Ｓ 和铁心的磁通密度 B,由式 ()得到初级线圈的每伏圈数 B 值可以这样选取 : 质量优良的硅钢片 ,取 11000 高斯。 一般硅钢片 ,取 10000 高斯。 铁片 ,取 7000 高斯 .考到导线电阻的压降 , 次级线圈每伏圈数 N39。 应该比 N 增加5%～ 10%,也就是 N39。 在 ～ . 第五步 ,初次级线圈的计算 ，公式 如下： 初级线圈 11N N U .次级线圈 21 21N N U , 22 22N N U , 2 2nN N U . 第六步 , 查导线直径 .根据各线圈的电流大小和选定的电流密度 ,由式 ()可以得到各组线圈的导线直径 .一般 24V电源变压器的电流密度可以选用 3安 /毫米 2 第七步 , 校核 . 根据计算结果 ,算出线圈每层圈数和层数 ,再算出线圈的大小 ,看看窗口是否放得下 .如果放不下 ,可以加大一 号铁心 ,如果太空 ,可以减小一号铁心 .采用国家标准 GEI铁心 ,而且舌宽ａ和叠厚ｂ的比在 1:1～ 1: 之间 , 线圈是放得下的 .各参数的计算公式如下 : ln = ln +（ S ） （ P ） () l n = l n l n +（ N ） （ P ） （ B ） () ln = ln （ D ） （ I ） （ ) 变量说明 : P: 变压器的功率 . 单位 : 瓦 (W) B: 硅钢片的工作磁通 密度 . 单位 : 高斯 (Gs) S: 铁心的截面积 . 单位 : 平方厘米 (cm2） N: 线圈的每伏圈数 . 单位 : 圈每伏 (N/V) I: 使用电流 . 单位 : 安 (A) D: 导线直径 . 单位 : 毫米 (mm) 长春工程学院毕业设计（论文） 11 GEB铁心规格 表 31 铁心片 规格表 铁心规格 全长 全宽 窗高 窗宽 舌宽 边宽 GE10 36 31 18 10 GE12 44 38 22 8 12 8 GE14 50 43 25 9 14 9 GE16 56 48 28 10 16 10 GEB19 67 12 19 12 GEB22 78 67 39 14 22 14 GEB26 94 81 47 17 26 17 GEB30 106 91 53 19 30 19 GEB35 123 22 35 22 GEB40 144 124 72 26 40 26 变压器的铁心与绕组 为减小交变磁通在铁心中所引起的涡流损耗 ,铁心一般用厚为 的硅钢片叠装而成。 并且在硅钢片两面涂以绝缘漆。 信号变压器还采用坡莫合金作铁心。 硅钢片有热轧和冷轧两种。 热轧硅钢片的工作磁通密度一般取 ,钢片常冲成 III形 ,叠装成铁心 .绕组套在中间的铁心柱上。 冷轧硅钢片的导磁性能比热轧好 ,它的工作磁通密度允许达到 ,所以铁心体积可以缩小。 它的导磁有方向性 , 顺着辗轧方向的导磁性能好 ,故通常将冷轧硅钢片卷成环形铁心 ,然后切成两 半 C形 , 将绕组分别套在铁心柱上以后 , 再将两半铁心粘成整体。 变压器的绕组由原边绕组和副边绕组组成。 原边绕组接输入电压 ,副边绕组接负载 ， 原边绕组只有一个 ,副边绕组为一个或多个 ， 原副边绕组套装在同一铁 心柱上。 套在两个铁心柱上的原边绕组或副边绕组可分别相互串联或并联。 变压器原副边绕组要套在同一铁心柱 上。 把原副边绕组套在同一铁心柱上时 ,由于原副边绕组紧挨在一起 (间隙实际上很小 ,它等于原副边绕组之间绝缘纸的厚度 )部分漏磁通在空气中的路径大受限制 ,因此漏磁通小 .而边绕组没有套在原边绕组上时 ,漏磁通在空气中可以自长春工程学院毕业设计（论文） 12 由经过 ,无空间限制 ,因此在同样的磁势下漏磁通就大。 将原副边绕组套在一起的合理之处即在于漏抗压降小 ,对变压 器运行有利。 因为变压器副边电压是随副边电流变化而变化的 ,减小原副边的漏阻抗就可以减小电压变化。 为了使变压器副边电压比较稳定 ,总是设法减小变压器的漏抗。 如果把变压器的原副边绕组分开放置 ,则漏抗将大大增加 ,以致负载变动时副边电压变化很大 ,这样的变压器就不能满足使用上的要求。 使用变压器首先要弄清并严格遵守制造厂提供的铭牌数据 ,以避免因使用不当而不能充分利用 ,甚至损坏。 变压器铭牌上的主要额定数据有 : 额定电压 U1和 U2 原边额定电压 U1是指原边绕组上应加的电源电压 (或输入电压 ),副边额定输出电压 U2通常是指原边加 U1 时副边绕组的开路电压。 使用时原边电压不允许超过额定值 (一般规定电压额定值允 许变化 177。 5%)。 考虑有载运行时变压器有内阻抗压降 ,所以副边额定输出电压 U2 应较负载所需的额定电压高 510%.对于负载是固定的 24V电源变压器 ， 副边额定电压 U2有时是指负载下的输出电压。 输入电压不能超过额定电压。 变压器中主磁通和激磁电流的关系称为铁心的磁化曲线 ,它是一条具有饱和特性的非线性曲线。 当主磁通小于额定电压时对应的主磁通时 , 磁化曲线近似为线形。 超过此值后 ,主磁通就逐渐趋向饱和 .此时 ,如果再增加磁通 , 即增加 U1,则电流就会急剧增加 ,这样变压器就会因过热而马上烧毁 .因此 ,在使用变压器时 ,必须注意变 压器的额定电压和电源电压要一致。 额定电流 I1和 I2 额定电流是指变压器按规定的工作时间 (长时连续工作或短时工作或间歇断续工作 )运行时原副边绕组允许通过的最大电流 ,是根据绝缘材料允许的温度定下来的。 由于铜耗 ,电流会发热。 电流越大 ,发热越厉害 ,温度就越高。 在额定电流下 ,材料老化比较慢 .但如果实际的电流大大超过额定值 ,变压器发热就很厉害 ,绝缘迅速老化 ,变压器的寿命就要大大缩短。 额定容量是视在功率 ,是指变压器副边额定电压和额定电流的乘积。 它不是变压器运行时允许输出的最大有功功率 ,后者和负载的功率因 数有关 .所以输出功率在数值上比额定容量小。 长春工程学院毕业设计（论文） 13 额定频率 使用变压器时 ,还要注意它对 24V电源频率的要求。 因为在变压器中 ,在设计变压器时 ,是根据给定的电源电压等级及频率来确定匝数及磁通最大值的。 如果乱用频率 , 就有可能变压器损坏。 例如一台设计用 50Hz,220V 电源的变压器 ,若用 25Hz,220V 电源 ,则磁通将要增加一倍 ,由于磁路饱和 ,激磁电流剧增 ,变压器马上烧毁。 所以在降频使用时 ,电源电压必须与频率成正比地下降。 另外 ,在维持磁通不变的条件下 ,也不能用到 400Hz,1600V 的电源上。 此时虽不存在 磁路的饱和问题 ,但是升频使用时耐压和铁耗却变成了主要矛盾。 因为铁耗与频率成 次方的关系。 频率增大时 , 铁耗增加很多。 由于这个原因 , 一般对于铁心采用 厚的热轧硅钢片的变压器 ,50Hz 时的磁通密度可达 ,而 400Hz 时的磁通密度只能取到。 此外变压器用的绝缘材料的耐压等级是一定的 ,低压变压器允许的工作电压不超过300500V. 所以在升频使用时 ,24V电源电压不能与频率成正比的增加 , 而只能适当地增加。 散热片设计 一个好的大功率电源还需要好的散热片来支持它工作 ，本设计所使用的放大管 2N3055最大可支持 15A 电流。 具体使用额定 6A 电流当电压为 12V 时单个放大管功率为 72W，所以发热非常严重。 需要将放大管固定在散热片上，才能使其工作稳定。 利用散热片来增加散热的面积是热管理技 术中最常见也是最基本的方式，随着电子器件发热密度增加的趋势，散热的需求日益增加，散热设计的困难度越来越高，所花费的成本也越来越多。 虽然新制程及设计技术不断提升，散热片的应用在有限空间的限制下，似乎有渐渐趋向极限的趋势，未来各种不同的冷却技术如水冷、冷冻循环以及浸入式沸腾冷却等都可能用来解决散热问题。 尽管如此，散热片仍是最经济、最可靠的散热方式，因此提升散热片的效率成了很重要。 散热片的种类 许多的散热片设计由于忽略了制造的概念，使得研发产品的可靠度及成本成为最后批量供应的障碍。 由制造方式来看， 气冷的散热片可分为下面几种，如图一所示，表一则为制程性能参数的整理。 铜片或铝片可用压印的方式制成所需的形状。 此种制程成本低，适合批量供应，可用于低热密度的器件。 而压印的器件在组装上也有自动化的便利性，因此可进一步降低成本。 长春工程学院毕业设计（论文） 14 挤型 (Extrusion)散热片 挤型的制造方式是由将材料在高压下强制流入模孔中成形而使得固体转换为等截面的连续长条。 挤形是散热片制造中最广泛使用的方式，设备投资的经额中等。 可经由横切的方式产生矩形的针状散热片，可产生锯齿状的鳍片以增加 10~20%的效能，但会降低挤型的速度。 挤型的高宽 比限制可高到 6，使用特殊模具设计时则可到 10的高宽比。 铸造 (Casting)散热片 将熔化的金属加压到金属模中，以产生精确尺寸的器件。 此技术可产生高密度的针状散热片。 高的治具费用是最大的成本投资，但适合大量生产的低器件成本可补回此部分。 铸造散热片的热传导性会受到固化时气体渗入而产生多孔状而降低。 接着 (Bonding)散热片 接着散热片将鳍片组装于散热片底部，接着剂对散热片的效率影响很大，如果制造不当，会形成热的阻碍，一般使用导热胶或是焊锡。 接着散热片的底部由于需特别加工，因此会使得成本较高，但由于制造技 术的提升，以及接着剂的改良，如热导性的铝填充胶等，使得接着散热片的成本降低。 此种制程方式可制造高宽比高的散热片，在不增加体积需求下可大量增加冷却效率。 折迭 (Folding)散热片 折迭散热片将金属片折迭成鳍片数组形状，由于将折迭的金属片藉由焊锡及铜焊接的方式焊接于散热片底部，因此在接口上造成额外的热阻。 在制作上的步骤增加，使得成本提升。 而制造小间距的鳍片也是困难点。 由于增加散热面积，因此散热效率不错。 改良式的铸造 (Modified diecasting) 散热片此种制造方式是传统铸造方式的延伸，首先将 相当薄的压印鳍片数组以间格物隔开，然后以夹具固定，使散热片的底部铸造时将鳍片固定于底部，而形成散热片。 此种方式消除了鳍片及底部材料的接口热阻，此种制程可提供高的高宽比。 锻造 (Fing)散热片 锻造散热片是用非常高的压力敲击（ punch）方式将金属材料压入模中使鳍片成形，可能遇到的制程上的问题是材料会阻碍在模子中，使得高度不均一，热锻造比较容易，而冷锻造可制造较密及较强的鳍片。 锻造方式的优点包括高强度、较小的表面粗糙度以及材料的均一性等。