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1、大功率特种备用电源设计与调试摘 要备用电源是电信设备的重要组成部分，其供电的质量与可靠性极大的影响着电信设备和系统的运行状态。本文介绍了备用电源的结构和工作原理，它主要由直流稳压扩流电路、软启动与过流保护电路、不间断供电电路、自动检测控制电路和报警电路组成，其中稳压部分为线性稳压电源，稳压电路采用了三端集成稳压器LM317及晶体管并联扩大输出电流；自动检测部分则由电压比较器LM339来实现自动检测控制；不间断供电电路则由桥式二极管来实现自动无时间间隔切换它能够自动完成不间断充放电，并且具有电路输出功率大，这种备用电源可以使交换机在断电状态下持续工作八个小时，保证通话不受外界电压干扰。本设计具有
2、结构简单，成本低廉，工作性能稳定可靠的特点。关键词：保护电路； 继电器； 自动检测控制； 蓄电池High-power special standby power design and debuggingAbstractThe emergency power supply is the telecommunication equipment important constituent, its power supply quality and reliable enormous influence telecommunication equipment and system running st
3、atus. This article introduced the emergency power supply structure and the principle of work, it mainly expands by the direct current constant voltage flows the electric circuit, the soft start with has flowed the protection circuit, the uninterrupted feed circuit, the automatic detection control ci
4、rcuit and the alarm circuit is composed, Regulators which part of the linear power supply. Regulators circuit adopted a three-integrated regulators LM317 and transistors parallel to expand output current; from the automatic detection of application of LM339 voltage comparator to achieve automatic de
5、tection control; uninterruptible power supply circuit from the diode bridge to achieve automatic time interval without switching it to automatic discharge completed uninterrupted, and output circuit, this standby power can switch power outages in the state continued to work eight hours. guarantee th
6、e call from outside interference voltage. The design is simple, low cost, reliable performance characteristics. .Key word: Protect the electric circuit； Relay ； Automatic examination contro ； battery 目 录中文摘要英文摘要主要符号表 1绪 论 111 概 论 11.2 课题背景 11.3 设计主要内容及要求 1 1.3.1设计主要内容 11.3.2 设计技术指标 22 .系统概述 32.1设计分析
7、 32.2 设计方案比较与论证 32.3系统框图及原理介绍 4 2.3.1原理框图 42.3.2各部分工作原理介绍 43. 单元电路设计 63.1电源变压器的选择 63.2整流滤波电路 73.2.1 整流电路 73.2.2参数计算 83.2.3整流电路中二极管的选择 93.2.4滤波电路 93.2.5 滤波原理与参数计算 103.2.6电容滤波的特点 103.3过流保护电路 113.4直流稳压扩流电路 113.4.1 直流稳压电路 113.4.2 扩流电路 123.4.3三端可调稳压器LM317简介 133.5软启动电路 13 3.6单向导通器 143.7不间断供电电路 143.8控制电路设计
8、 153.8.1过充检测控制电路 173.8.2过放检测控制电路 173.8.3电压回差解决方案 173.8.4电压比较器LM339简介 193.9 声光报警电路 193.9.1声光报警电路图 203.9.2 555定时器的原理介绍及逻辑状态表 223.10蓄电池的选择 234.系统调试与PCB板的制作 244.1系统调试 244.1.1系统调试的结果 244.1.2系统调试分析及出现问题的解决 244.2 PCB板的制作 254.2.1 原理图设计 254.2.2 原理图的电气检查 254.2.3 生成网络表文件 25 4.2.4生成PCB板 265.总 结 27致 谢 28参考文献 29附
9、录A：电路原理图30附录B：PCB板 31主 要 符 号 表U 电压I 电流R 电阻P 功率C 电容T 周期f 频率D 二极管DZ 稳压二极管T 晶体管A 集成运放1绪 论11 概 论 现代电子设备常常是一个极为复杂的电子系统，它对电源的要求也越来越高。随着社会的发展，人们对供电的可靠性要求也越来越高，在一些重要的系统、设备或仪器，要求供电系统不能中断供电，例如通信、防盗、医疗、科研系统等的供电，假如一旦发生断电，将会发生一系列的事故。这些用户和设备除了要求供电系统不能断电外，往往还要求电源的供电质量高，也就是电压稳定，波形畸变小，并有相应的抗干扰措施等，这些也是保证设备或仪器正常可靠地工作所
10、必需的。本文介绍了一种用来为程控电话交换机在市电停电或电压不稳定的状态下提供供电的备用电源系统，该系统能在停电的状态下为交换机提供八小时的供电，且能实现不间断供电，具有软启动和过流保护功能，对蓄电池具有自动检测功能，能够防止过充过放现象。1.2 课题背景目前，由于我国的电力资源比较紧张，在大中城市时常出现电压不稳定和断电故障，对人们的生活和学习带来不便，特别是在电信方面，造成通信不畅，和数据丢失，因此，人们迫切的要求有一种不间断电源，来弥补电压不稳定和断电故障所带来的不足。进20年来，在微电子技术和计算机技术蓬勃发展的带动下，电信技术得到了飞速发展。随着各国经济的繁荣和全球一体化的要求，电信已
11、成为人们日常工作和生活的重要组成部分。电信局（站）的话路愈来愈大，要求备用电源设备不仅有更大的功率输出和更小的体积，而且要求有更高的稳定性、可靠性和效率。备用电源按照用电设备不同的要求，输出端电压可分为直流和交流两种，本文主要针对市电在停电或电压不稳定时，为程控交换机提供备用电源，以保障其能持续工资8个小时，从而保证通话质量不受影响，也延长了交换机的使用寿命。1.3 设计主要内容及要求 1.3.1设计主要内容对于本设计来说，本设计是将一个能够提供8小时供电，输出电压为+48V、电流10A的直流备用电源装置接于程控电话交换机，当市电正常时备用电源处于浮充状态；当市电停电或电压不稳定时，备用电源为
12、交换机供电，而且在市电断电或恢复供电时，电源输出无高电压冲击，电路具有软启动功能和过流保护电路。蓄电池充电放电能实现自动检测控制，当蓄电池充电放电超限时，自动保护启动，在输出电压电流超限时有1分钟的声光报警。1.3.2 设计技术指标（1）输出电压48V，充电电流10A.放电电流10A。输入电压交流220v10%.要求在上述电压和电流值下能提供8小时的供电。蓄电池充电上限电压为57.6 V,放电下限电压为44V，超限时要求自动保护。输出电压电流超限时要求有1分钟的声光报警。（2）要求电源能实现不间断供电，有软启动功能和过流保护电路。当市电断电或恢复供电时，电源输出无高电压冲击。（3）能对蓄电池充
13、电放电实现自动检测，防止过充过放现象。所选蓄电池应满足环境保护要求。（4）按以上要求完成电路设计，并且安装调试达标。2 .系统概述2.1设计分析 本系统是给程控电话交换机在市电停电或断电的情况下提供供电的，且实现无时间间隔的切换和蓄电池的自动检测电压。本设计主要的是实现一个交换机的备用电源和备用电源的自动检测控制装置。本设计采用的蓄电池组来实现备用电源，稳压电路采用的是三端可调稳压器LM317实现，利用并联调整管扩流，自动检测电路利用电压比较器LM339来实现电压的监测比较，当蓄电池组放电时电压达到限定的下限值时，控制继电器动作，停止放电，电压达到正常时又开始放电；蓄电池组充电时电压达到上限值
14、，控制继电器停止充电，在达到稳定时开始充电，蓄电池组始终处于浮充状态。在充电电流过大时，有断电保护，在三端可调稳压器LM317的前边又有过流保护，以限定电流，主要保护扩流管。软启动电路接在三端可调稳压器的输出端，在刚接通电源或市电恢复时的瞬间，电流过大，防止对电路产生冲击，破坏电路元器件。本设计中的电路可分为稳压电路，保护电路和检测电路，其中稳压电路是提供稳定的电压和规定的10A的大电流，而保护电路则是对大于规定的电流和瞬间的高电压采取有效的保护措施，自动检测电路是对蓄电池的充放电实行自动检测并且自动控制充放电，完全达到无人看守便可自动工作。本设计安装于程控交换机，可以实现无人看守自动切换及自
15、动充放电的目的。2.2 设计方案比较与论证方案一、采用开关电源。开关电源的特点是：（1）、效率高，一般在60%80%。（2）、体积小。（3）、重量轻。（4）、噪声大。（5）、电压维持时间长：一般可达20ms左右。（6）、控制电路比较复杂：使用的元件多，调试和维修比较麻烦。电路产生的电噪声电平相当高，故不宜在无线电通讯、测量仪器，医疗仪器等处理微弱信号中使用。（7）、输出纹波系数较大。（8）、暂态时间稍长。（9）、费用高：价格比线性电源高的多。开关电源是一个严重的非线性系统，因为开关只有两种突变的状态，对于其稳定性分析，必须将变压器线性化处理，变成一个线性的系统。开关变压器的线性化处理的关键是为
16、非线性的开关器件建立线性模型。方案二、采用线性稳压电源由变压器、整流、滤波电路、稳压电路所构成的装置，称线性稳压电源。其特点主要有：（1）、效率低：一般为30%50%。（2）、稳定度高。（3）、没有开关电源带来的干扰和噪音（4）、响应速度快，使用可靠，维修简单，电路比较成熟。（5）、重量比较大。（6）、整管工作在线性状态。两种方案比较：在电压稳定性方面线性电源比开关电源好，开关电源输出电压不能保证多路稳定，输出电压调解范围不大，而且负载不能变化太大，不可空载，且脉动系数过高，会对交换机造成伤害。开关电源的电路比线性电源复杂，使用元器件多，故可靠性低。纹波干扰也是开关电源的重要缺点，开关频率的窄
17、脉冲干扰还可能回馈电网，污染供电系统。因此，选择输出电压可调，电压稳定可靠性好的线性电源，即第二种方案。2.3系统框图及原理介绍 2.3.1原理框图 图2.3原理框图2.3.2各部分工作原理介绍 从图2.3原理框图来看，整个系统可分为两部分，主电路部分和控制部分。主电路部分由变压器，整流滤波电路，过流保护电路，直流稳压扩流电路，软启动电路，单向导通器，和不间断电路组成。控制部分主要是运用电压比较器LM339通过对蓄电池的端电压进行采样比较，输出高低电平，来控制继电器动作，从而达到防止蓄电池过放或过充的目的。 变压器,是将市电转变成所需要的交变电压。整流滤波电路是将交流电压转变为直流电压，同时滤
18、除直流电压中的交流成分，脉动成分减小，使其变成平滑的直流电。过流保护电路主要是针对由于负载电流突然增大而采取的一种保护措施，当负载电流超过额定电流时由三极管的集电极进行分流，以达到保护整个电路和电路元器件的目的。 直流稳压扩流电路是由LM317三端可调集成稳压器和四个共基极的三极管并联构成，因为设计指标要求48V的电压10A的大电流，采用这种形式就可以解决大电流的问题，LM317三端可调集成稳压器可以使市电电压或负载电流在发生变化时使输出的直流电压保持稳定。软启动电路主要是针对电路接入瞬间产生的冲击电流会对电路造成危害而设计的，它可以使输出电压缓慢的上升到额定电压，从而达到保护电路和延长元器件
19、寿命的目的。单向导通器是为了防止电流回流造成对器件损害而设计的，它利用二极管的单项导通性，既可以达到单项导通又可以实现大电流的通过。不间断供电电路主要功能是当市电出现故障或停电时，将负载从常用电源切换至备用电源，并在市电恢复正常时，将负载切换至市电。自动检测控制电路是利用电压比较器和继电器来实现，是把蓄电池的端电压和比较起设置的参考电压拿来比较，输出高低电平控制继电器动作，当检测到蓄电池组因放电而电压下降到预定的下限值时，控制继电器动作使蓄电池停止放电，开始充电时；当蓄电池组电压充到预定的上限值时，则控制继电器动作停止充电，这样可以防止过充和过放对蓄电池造成的损害，延长其使用寿命。在自动检测电
20、路中，由于蓄电池存在内阻，所以在其上下限检测时，也要考虑电压的回差解决方法，在上下限检测电路中设计一回差补偿电路，在充电时，补偿电阻被短路，在放电时，补偿电阻被接入回路，从而有效的消除了电压回差。 3. 单元电路设计3.1电源变压器的选择 电源质量的好环直接影响着备用电源的性能和使用寿命，因此变压器的选择也尤为重要，本次设计电路输出负载电压为72V（后续电路元件电压及蓄电池充电上限电压总和），额定电流为10A,所以其负载功率为：72V*10A=720VA ,考虑到变压器工作在70%的容量时最佳，是指此时变压器本身的损耗相对于提供的能量所占的比值为最低，长期运行中对于用户的电费最划算，也综合考虑
21、了变压器寿命等因素。，所以对于负载功率为720W的电路，使用72070%1000W的变压器即可适合。参数计算：由于输出电压为48V可知整流滤波后的电压为1.2U所以， 1.2 U=72V U=60V （U2为有效值）根据线圈匝数比 N/N=U/U =60/22O =311变压器正线圈与副线圈匝数比为 311 图3.1.1波形如下t 110t0 图3.1.23.2整流滤波电路 3.2.1 整流电路本电路采用单向桥式整流电路，电路图如图3.2.1示：图3.2.1电路工作原理：单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压u的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。在u的正
22、半周内，VD、VD导通，VD、VD截至，在R上建立起上正下负的脉动电压，而在u的的负半周内，二极管VD、VD导通，VD、VD截至，在负载电阻R上建立起上正下负的脉动电压。由桥式整流电路的工作波形可见，正负半周均有电流流过负载电阻R，而且无论在正半周还是负半周，流过负载的电流方向是一致的，因而输出电压的直流成分提高，与半波整流电路相比，脉动成分降低。t00t 图3.2.23.2.2参数计算：根据u的波形可知，输出电压的平均值解得： U=0.9U输出电流的平均值（即负载电阻电流平均值） I=根据谐波分析，桥式整流电路的基波U的角频率是u的2倍即100Hz，U=2故脉动系数S=0.67与半波整流相比
23、输出电压的脉动系数减小很多。3.2.3整流电路中二极管的选择在单相桥式整流电路中，因为每只二极管只在变压器副边典雅的半个周期通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半 即 I=根据图3.2.2中所示Ud波形可知，二极管承受的最大反向电压 U=考虑到电网电压的波动范围为10%，在实际选用二极管时，应至少有10%的余量，选择最大整流电路If和最高方向工作电压Vr分别为 I U1.1所以整流电路器件的选定：因为（有效值）=1.20Vi =72V反相峰值电压为： 1.142136=103V 则流过每一个整流管的电流为/2。其反相电压为103V。所以我们选择ICZ20。其主要参数：
24、额定平均电流 20A；最大整流电流时和正向电压压降为0.45-0.65，最高反向电压下的反向电流平均值6mA完全可以适应要求，3.2.4滤波电路主要是将将脉动的直流电压变为平滑的直流电压，其作用是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波成分尽可能滤除掉，使其变成平滑的直流电，本设计采用的是电解电容滤波。 图3.2.43.2.5 滤波原理与参数计算在整流之后电路中加入滤波电容器C之后，当u为正半周时，VD和VD导通，电源除向负载提供电流i之外，还有电流i向电容器C充电，电容电压的极性u电位上正下负。当u达到最大值以后开始下降，此时电容器C上的电压u也将由于放电而逐渐下降，当|u|u时，二极管VD、VD
25、反向偏置，因而不导通，于是u以一定的时间常数按指数规律下降，直到下一个半周，当|u|u时，二极管VD、VD导通，输出电压波形如图3.2.5中的所示。 t0 图3.2.5 参数计算 当负载开路，即R=时，U=U 当RC=（35）T/2时，U1.2U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RC=（35）T/2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1.1U，取值为22004700uF，耐压值取100V即可满足电路要求。3.2.6电容滤波的特点1.加了滤波电容以后，输出电压的直流成分提高、脉动成分小，这是利用储能的作用来实现的。2. 电容滤波
26、放电时间常数（）愈大，放电过程愈慢，输出电压愈高，同时脉动成分愈小，滤波效果愈好。3. 电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小。4 .电容滤波电路中，整流二极管的导通角小于180，而且电容放电时间常数越大，导通角越小，对整流二极管反向耐压值越高。3.3过流保护电路如图3.3示，由于晶体管都是工作在线性状态，静态Q点处在饱和线性和截至区域，在电流正常时（10A）时，电阻R、R上的压降使晶体管BG2导通，电阻R 被短路，这样降低了晶体管BG1的基极电位，使得BG1截止，电阻R上没有压降，并联晶体管的基极因为没有偏置电压而截止，停止扩流，达到保护扩流管作用。 图3.33.4直流稳压扩流电路3.
27、4.1 直流稳压电路 本设计是为了给整个电路提供稳定性好的直流电压，平滑的直流电不能满足交换机对直流电源的要求，主要原因是：第一，当负载变化时，整流滤波的输出电压将要随之而变；第二，当市电电压变化（变化10%）时，输出电压也要随之而变。这样对设备造成不良的影响，稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在市电电压或负载电流发生变化时保持稳定。所采用的稳压器输出电流太小，不能满足负载所需的电流，所以采用晶体管并联扩大输出电流。电路由三端可调输出稳压器LM317及并联晶体管来实现。如图3.4.1示，三端可调集成稳压器LM317，在其调节端ADJ接电阻R和可调电阻R，基准电压（是指LM317系列
28、的稳压器的输出端对调整端之间的电压是一个非常稳定的电压）U=1.25V；可得输出端的电压为U=1.25V（1+）+I(R+R)，而调整端的电流I的电流很小，约为50uA，可忽略，所以输出电压为U=1.25（1+）。 图3.4.13.4.2 扩流电路 运用LM317进行稳压，提高了电路电压的稳定性，但是LM317的输出最大电流只有1.5A。所以采用图3.4.1所示，用晶体管（BU508A所允许通过的最大电流为15A）并联来扩大输出电流。在电阻R上的电压经LM317的输入端进入，由3端输出口出来，在3端产生电压，而此时电阻R上产生的压降又为晶体管BG1的基极提供偏置电压使其导通，BG1处于线性工作
29、状态，但通过晶体管的电流很小，达不到负载所需的电流，此时电阻R因为有电流流过而产生压降，使得所接的并联晶体管BG3、BG4、BG5、BG6的基极有偏置电压而导通，达到扩大输出电流的作用。本设计采用的是四只晶体管BU508A并联使用，均流电阻R=0.1，R4、 R5 R6、 R7形成电压串联负反馈电路。负载所需的电流10A，所以接四只晶体管，每只晶体管通过的电流2.5A，所用扩流管电流应不小于7.5 A，这样安全系数为3，电路的安全系数越高，使电路供电质量越好，本设计采用安全系数为4，即4个扩流管并联进行扩流。当其中一只晶体管损坏，电流加在其他三只晶体管，还能正常的工作，在接晶体管时，因为其工作
30、时间长且通过电流大，所以产生的热量也大，所以需要在电路中加散热片。3.4.3三端可调稳压器LM317简介三端可调稳压器的输出电压可调，稳压精度高，输出波纹小。其一般输出电压为1.2535V或-1.25-35V连续可调，比较典型的产品有LM317和LM337等。其中LM317为可调正电压输出稳压器，这种集成稳压器有三个输出端，即电压输入端V，电压输出端V和调节端ADJ。LM317输出电压1.237V，输出电流为1.5A。稳压器内部在电路中，R和RP组成可调输出的电阻网络。为了能使电路中偏置电流和调整管的漏电流被吸收，所以设定R为120240，输出电压为U=1.25V（1+），在本设计中，由于三端
31、可调稳压器LM317最大输出电压为35V，要达到57.6V，就要采用提高基准电压来实现。3.5软启动电路电路在接入瞬间会产生很大的脉冲电流，这样会对电路中的电子元件和蓄电池造成损害，使其性能和使用寿命大大降低，所以要设计本电路，使得电路中的电压和电流缓慢的上升到额定值。图3.5电路图如图3.5示，电阻R和电容C组成一个充电回路，在接通电源时，电压经过电阻RR加到电容C上，由于C的压降为零（电容上的电压不能突变），因此开始输出电压为U=1.25V（稳压器内部基准电压源的电压值）；随着LM317通过R对电容C充电，晶体管BG7处饱和导通状态，电阻R、R被短路，由于电容C继续充电，使晶体管BG7的Q
32、点由饱和向线性再向截至慢慢移动，晶体管BG7的变化使电阻R、R也慢慢有了分压，输出电压慢慢上升，当电容C充电结束时，晶体管BG7完全截至时，输出电压达到最大值60V，U= U（1+），启动时间长短由R和C的充电时间常数决定。二极管D的作用为C放电，为下次启动做准备。 3.6单向导通器 本设计是为了防止蓄电池电流倒灌对前几个单元电路中的元器件造成损害而设计，实际上它是一个二极管桥式整流电路，但是，不是用它的整流功能，而是用它的单向导通功能，它可以通过大电流，如果单接一个二极管可能会因大电流而烧坏，失去单向导通性。 3.7不间断供电电路 本设计是在交换机市电供电突然中断，或是市电电压突然降低，交换
33、机的电源由市电供电转为备用电源供电，在市电恢复时，蓄电池立即停止供电，转由市电供电。在供电转换过程中，要求无时间差。其实现方法如图所3.7示。图3.7在图示电路中，24V的继电器为常闭型的，48V的继电器为常闭型的。当市电正常，交换机正常工作时，其电压为52.8V(考虑市电波动为+10%)，而蓄电池充满上限的电压为57.6V，如果一个二极管上的压降取值为0.7V，串联电路中一个桥式电路上可有1.4V的电压降，经二极管的连续减压达到49.2V低于交换机一边的电压，但由于使用的是二极管减压，二极管具有单向导电作用，所以高电压的一端不能流向低电压的一端；但当市电断电或停电出现故障不能正常供电时，交换
34、机的电压低于二极管另一端的电压，二极管导通为交换机供电，中间无时间间隔，而此时的48V继电器因无电流流过而闭合，此时电流流过阻值小的J，通过VC8为交换机供电。其中VC3VC8的作用是实现无时间间隔的切换，为交换机供电。待J闭合后又切换到另一电路，是为了在蓄电池电压下降后不经二极管减压，否则不能达到交换机所需的工作电压，使之无法工作。3.8控制电路设计控制电路设计是本次设计的核心，也是难点。本次设计采用LM339电压比较器，通过采样蓄电池的端电压和基准电压来比较，以输出高低电平来控制继电器动作。由图3.8可以看出，此电路的作用是检测蓄电池组的电压变化情况。在备用电源系统刚接入交换机时，电路开始
35、工作，此时蓄电池组的电压为44V（蓄电池在刚出厂时有最小限定电压44V），控制蓄电池充电，在充到规定的上限值57.6V时,停止充电，待电压下降到53.6V时，又开始充电；在市电停电时，蓄电池组对外放电电压下降到限定的下限值44V时,控制停止放电，停止放电以后电压上升到48V时，又继续放点。蓄电池组总是处于浮充状态。蓄电池组是备用电源装置中的必要设备，该电路使其处于良好的工作状态。此部分电路主要由三部分组成，一是电源部分，二是过充检测控制电路，三是过放检测控制电路。电源部分是由晶体管BD235和270/4W的电阻组成的共集电极电路（输出电阻小，具有典雅跟随的特点）和两个串联12V稳压二极管组成。24V电压的确定是为了满足24V继电器和电压比较器LM339的工作电压，所以由蓄电池组通过的电压经270/4W的大功率电阻降压，1K电阻为晶体管BD235提基极偏置电压，使BG8导通，形成电压跟随器，两个串联的12V稳压二极管将电压稳定在24V，而接两个12V的稳压管是为了给电压比较器LM339一个参考电压。图中所接的电容为滤波电容。图3.83.8.1过充检测控制电路 所接的继电器为24V常开型继电器，电压比较
