关键词：项目教学法；中职教育；直流稳压电源
中图分类号：G424文献标识码：A文章编号：1009-3044（2016）03-0121-02
1项目教学法简介
1.1实施项目教学法的指导思想
著名的教育学家弗雷德・海因里希教授曾以这样的例子来介绍项目教学。首先由学生或教师在现实中选取一个“造一座桥”的项目，学生分组对项目进行讨论，并写出各自的计划书；接着正式实施项目，利用模型拼装桥梁；然后演示项目结果，由学生阐述构造的机理；最后由教师对学生的作品进行评估。通过这样的教学步骤，充分发掘学了生的创造潜能，并促使其在提高动手能力和推销自己等方面努力实践。
所以，项目教学法”就是通过实施一个完整的项目而进行的教学活动，其目的是在课堂教学中把理论与实践教学有机地结合起来，充分发掘学生的创造潜能，提高学生解决实际问题的综合能力。它传统的教学法相比，有很大的区别，主要表现在改变了传统的三个中心，由以教师为中心转变为以学生为中心，由以教材为中心转变为以“项目”为中心，由以课堂为中心转变为以实际经验为中心。
1.2项目教学法的实施步骤
在运用项目教学法进行教学设计的时候，必须明确学生是认知的主体、是知识意义的主动建构者。所以根据项目教学的教法思路和教学设计原则，项目教学具体见以下五个步骤：
1）确定项目的目标和任务：通常先由教师提出一个或几个项目任务，然后同学们一起讨论，最终确定项目的目标和任务。
2）计划：由同学们共同制定出项目的工作计划，确定工作步骤和程序。
3）项目实施：同学们根据各自的分工和合作的形式，按照已明确的工作步骤开展工作。
4）项目的检查评估：先由同学们自评，再由教师根据项目的工作成绩进行检查评分。最终师生共同讨论、提出工作中问题，讨论解决方法并进行总结记录。
5）归档或应用。
2中职学校电子技术教学的现状
《电子技术基础》是中等职业学校一门专业基础性质的课程，它是理论性、实践性都很强的课程。在传统实践教学中，由于实验设备有限，只能进行一些验证性的实验，且传统实践教学多采用讲解式，其教学内容的选择、实验步骤的设定和实验器材的组织等均由老师组织，缺乏对学生动手能力和创新能力的培养，使得学生的综合素质未得到锻炼和提高。如何让学生能完全接受这门课的知识，为以后的专业知识打下良好基础，是中等职业学校需要解决的课题。
3项目式教学法在设计直流稳压电源教学中的具体实施和反馈
直流稳压电源应用广泛，也是中职学校电子技术学科的重要知识点。它包含了电路的集中重要基本元器件，电阻器、二极管和晶体三极管等，以及由这些基本元器件所构成基本电路，所以利用项目教学法设计直流稳压电源的教学具有十分重的要意义。
下面我以设计直流稳压电源的教学为例。
3.1确定项目任务
首先，向学生下达项目任务：设计直流稳压电源电路。并提出要求如下：
设计要求：①分析设计要求，明确性能指标。集思广益，提出多种设计方案，并构建出设计框架。②确定合理的总体方案。③将总体方案化整为零，分解出各个单元电路，逐个设计。④组成总的系统，形成合理的布局，并按照设计要求进行总体论证，给出必要的说明。
3.2制定工作计划
任务下达后，学生开始前期的准备工作，通过查找相关资料、讨论等制定工作计划，也就是接下来的工作步骤。具体如下：①确定直流稳压电源电路的设计方案；②设计各分电路确定元器件的采用表；③形成直流稳压电源总体电路；④利用软件进行仿真验证。
3.3项目的实施
为了更好地调动学生们的学习兴趣和积极性，我们可以把课堂搬到一体化教室，让学生在学习理论知识的同时，动手操作起来，手脑并用。这样可以使得学生学到知识更加直观，便于理解和记忆。
实施步骤一：确定设计方案。
在具体的实施过程中我将班级的学生分成4-5人一组，要求每组明确每个成员的具体分工和合作形式，并按照已确定的步骤开始工作。同学们可以根据我们之前所学习的，在这里可以采用分工合作，集体讨论，教师指导，确定直流稳压电源电路的设计方案。
实施步骤二：确定子电路图。
我们已经学过直流稳压电源由四个主要部分组成，包含整流变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。接下来开始让同学们自己利用所学的知识设计直流稳压电路的各个部分。为了提高效率，这里可采取分工合作的形式，由组员各自去收集材料，收集的过程不仅复习和巩固了所学知识的，还锻炼了大家分工协作的能力以及团队合作的精神。教师在旁边观察各组学生的讨论过程并适时给予指导，并要求各组上交工作报告，由各组表表阐述各电路的工作原理，给予点评和鼓励，以便于接下来的集体讨论形成整体电路。
实施步骤三：形成直流稳压电路总体整体电路，进行参数的论证。
在教师指导下形成最终的整体电路，并在Multisim软件上进行绘制。阐述工作原理并进行电路参数的论证。
【关键词】键盘控制;单片机;BUCKDC-DC变换器;TL494
一、设计思路
本设计要求设计并制作直流变换为直流的稳定电源。在输入为13～16V条件下，通过TL494转换电路输出稳定可调电压作为稳压源、稳流源的电源。通过键盘预设一个电压值，经TLV5618转换为模拟信号送入稳压电路。通过TLC2543读取输出的模拟电压、电流信号送给单片机处理，再将数字显示在液晶中。
考虑到本次设计是比较小的手工制作电路，控制芯片采用TL494芯片、显示方式选择采用lcd12864显示、控制模块采用以MSP430f149为核心的单片机系统来控制12位TLV5618数据的输入和12位TLC2543数据的输出，在将其转换成的模拟量或数字量输出的同时单片机把输入输出的值送液晶显示。
二、设计实现
TPS5430将电压降为5V，为各器件提供电源，DA芯片TLV5618使用两路通道，一路为电流设定值，一路为电压设定值，即可通过单片机实现电压、电流的步进调整。开关电源由TL494和buck降压斩波电路组成，实现稳定电压、电流的输出。AD芯片是TLC2543是高速12位模数转换器，将电压电流信号返回给单片机，便于在液晶上显示。
1.BUCK降压斩波电路的电路工作原理
BUCK降压斩波电路的工作原理如图1所示。V的栅射电压波形，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压=E，负载电流按指数曲线上升。当t=时刻，控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接L值很大的电感。至一个周期T结束，再驱动V导通，重复上一周期的过程。当电路工作与稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。
负载电压的平均值为：
式中，为V处于通态的时间;为V处于断态的时间;T为开关周期;为导通占空比。由此式知，输出到负载的电压平均值最大为E，若减小占空比，则随之减小。因此将该电路称为降压斩波电路。本次设计电路采用PWM方式控制MOSFET的通断。
2.TL494内置电路
TL494是一种电压控制模式的PWM控制和驱动集成电路芯片，由于它具有两路相位相差180°的PWM驱动信号输出，因此被广泛的应用与单端式（正极式和反极式）和双端式（半桥式、全桥式和推挽式）开关稳压电源电路，总体结构比同类集成电路SG3524更完善。TL494内部电路框图如图2所示，内部有两组完全相同的误差放大器，其同相输入端和反相输入端均被引出芯片外，因此可以自由设定其基准电压，以方便用于稳压取样，或用其中一种作为过压、过流的超阈值保护。本实验只使用一组误差放大器，另一组被屏蔽掉，即1引脚连接反馈信号，2脚连接电压电流的设定值。
图1BUCK电路工作原理
图2TL494内部电路框图
3.TL494构成的PWM控制器电路
PWM控制器电路其核心采用专用集成芯片TL494，通过适当的外接电路，不但可以产生PWM信号输出，而且还有多种保护功能。TL494含有振荡器，误差放大器，PWM比较器及输出级电路等部分。OSC振荡频率由外接元件R，C决定，表达式为：
fOSC可选定1KHz～200KHz之间，本电路选用fOSC=110KHz。
4.电路设计总图
本设计采用单片机MSP430F149作为系统的控制核心，制作了一个可稳定输出电流或电压的直流稳定电源。设计可分为四个模块：BUCKDC/DC变换器模块、键盘模块、显示模块和系统控制模块。本设计可实现电压、电流预置，液晶显示输出电压和电流，输出可步进（加、减）调节，恒压和恒流电路切换等功能。电路设计总图如图3所示。
本设计可实现电压、电流预置，液晶显示输出电压和电流，过流电压电流，输出可步进（加、减）调节，恒压和恒流电路切换等功能。此外，D/A可将数据反馈一次对误差进行校正，另外电路具有过热和过流保护功能，当电路出现故障时可自动恢复。该设计的特点是可对电压和电流采用步进控制，可用数字显示输出电压和电流，各项调整率的指标都很高。
参考文献
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作者简介：
关键字：直流稳压电源;过流保护;自动检测控制;蓄电池
中图分类号：TN710?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2015）06?0153?03
ResearchandimplementationofDCregulatedpowersupply
CHENWan?li，ZHOUMing?liang，JIAYu?fei
（HuangheS&TCollege，Zhengzhou450063，China）
Abstract：Inmanymoderncommunicationequipments，stabilityandqualityofpowersupplyarerequiredinthepowersystem.ThestructureandworkingprincipleoftheDCpowersupplyareintroducedinthispaper.ItismainlycomposedofDCstabilivoltexpandingcurrentcircuit，softstartandovercurrentprotectioncircuit，uninterruptedpowersupplycircuit，automaticdetectioncontrolcircuitandalarmcircuit.Thestandbypowersupplycanmakeaexchangerkeepworkinginanothereighthoursinpoweroffcondition，andensurecallsnottobeinterferedbythevoltagefromtheoutsideworld.Thisdesignhasthecharacteristicsofsimplestructure，lowcost，stableandreliableworkingperformance.
Keyword：DCstabilizedpowersupply;overcurrentprotection;automaticexaminationcontrol;battery
0引言
现代电子设备是一个极为复杂的电子系统，在一些重要的系统、设备或仪器中，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。本文介绍了一种主要针对市电在停电或电压不稳定时，使用的直流稳压电源，其为程控交换机提供备用电源，以保障其能持续供电8个小时，从而保证通话质量不受影响。它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。延长了交换机的使用寿命。
1系统设计方案设计[1]
系统原理框图如图1所示。
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图1系统原理框图
2系统各部分电路原理简介
2.1变压器
变压器是将市电转变成所需要的交变电压。电源的质量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5V（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1A，所以其负载功率为5W，考虑到变压器工作在70%的容量时最佳，所以使用7W的变压器即可适合。
2.2整流滤波电路
整流电路将交流电转换成直流电。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压。本电路采用单向桥式整流电路，电路图见图2。
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图2单向桥式整流电源
在单相桥式整流电路中，选择ICZ20。其主要参数：额定平均电流20A;最大整流电流时和正向电压压降为0.45～0.65V，最高反向电压下的反向电流平均值≤6mA完全可以适应要求。
滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足C≥2.5[TRL，]其中T为输出交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻[2]。滤波电路见图3。
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图3电解电容滤波电路图
2.3过流保护电路
如图4所示，由于晶体管都是工作在线性状态，静态Q点处在饱和p线性和截至区域，在电流正常时（<1A），电阻R1产生的电压使晶体管BG1导通，而电阻R2，R3产生的压降还不足以使晶体管BG2导通，所以电流经R2，R3后经并联晶体管扩流。在电流慢慢的达到1A左右时，流经R2，R3的压降使晶体管BG2降渐渐处于线性接近饱和的区域，使得流过晶体管BG1的电流减小，电阻R8的压降降低，并联晶体管BG3，BG4，BG5，BG6处于线性区域。在电流超限（>1A）时，电阻R2，R3上的压降使晶体管BG2导通，电阻R1被短路，这样降低了晶体管BG1的基极电位，使得BG1截止，电阻R8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。
2.4直流稳压扩流电路
本文设计的稳压电路是为了给整个系统提供稳定的直流电压，平滑的直流电不能满换机对直流电源的需要，稳压电路的作用是让输出的直流电压在市电电压或负载电流发生变动时保持稳定。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。
本文中扩流电路采用的是四只晶体管BU508A（BU508A所允许通过的最大电流15A）并联使用，均流电阻Re=0.1Ω，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7.5A，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[3]。过流保护和扩流电路见图4。
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图4过流保护和扩流电路
2.5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[4]。软启动电路如图5所示。
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图5软启动电路
2.6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。
2.7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，交换机的电源由市电切换至备用电源，并在市电恢复正常时，将负载切换至市电。切换过程中，要求无时间差。其实现方法见图6。
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图6不间断供电电路
2.8控制电路设计
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。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270Ω/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270Ω/4W的大功率电阻降压，1kΩR13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[5]。图中所接的电容为滤波电容，控制电路设计如图7所示。
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图7声光报警电路
过充控制电路部分所接的继电器为24V常开型继电器，电压比较器则是比较蓄电池充电电压是否达到所限定的上限值，若达到控制继电器动作，闸刀闭合，给蓄电池充电，当充到所规定的稳定电压时，控制继电器断开。过放控制电路部分主要是同过电压比较器LM339来检测蓄电池组因放电是否到了规定值而过放，若过放，控制继电器动作，闸刀断开，停止放电;若蓄电池组的电压回到稳定电压则控制继电器闭合，处于放电状态。这里所接的继电器为24V常闭型继电器[6]。
2.9声光报警电路
作用是在蓄电池因放电而电压下降，到达限定值时，根据检测电路传来的信号报警，时长1min。声光报警电路见图8。
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图8控制电路设计图
2.10蓄电池选择
目前通信电源所带的蓄电池大多是先进的阀控式密封铅酸蓄电池，它可以做到免维护或少维护，无环境污染，是当前较为理想的蓄电池。本设计采用的就是48V100Ah的蓄电池组。由于本设计为负载提供的是48V，≤10A且时长为8h的供电，选择100A・h的容量是为了保证蓄电池在正常工作后留由余量。
3结语
本次设计的不间断直流电源，主要是由硬件电路组成的，重点是备用电源的大功率部分和对蓄电池充、放电上下限的控制，还有电路的过流保护和软启动单元电路。保证蓄电池在市电中断后能提供8h的供电，尽可能地减小由于蓄电池的使用不当所带来的损失。通过调试后，本设计实现了设计的要求，可以实现设备的供电要求。
参考文献
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关键词：反激绕组充电切换稳压
中图分类号：TD6文献标识码：A文章编号：1007-3973（2012）010-032-02
各类矿山在线安全监测系统经常处于高温、多尘、高湿、高寒、雷电等极端恶劣条件中，同时，矿山环境又存在频繁停电、供电线路屡遭破坏的实际问题。因此，在线安全监测系统的可靠性问题—特别是供电的可靠性问题—已经成为业界关注的焦点问题之一。大多数矿山在线安全监测系统在紧急事故中因供电中断导致的系统瘫痪，极大地限制了其应用范围，也为矿山安全生产埋下了隐患。基于这种现状，矿山行业迫切需要一种能够提供具备高可靠性，可以在外部失电情况下为用电设备提供稳定电源供给，保证系统或者局部关键设备能稳定持续工作的不间断直流电源。
为解决上述问题，本文提出一种高可靠性的不间断直流供电装置。目前，常用不间断直流供电技术有两种，一种是电池常在线型，电池在不停的充电同时也在为后端用电设备不停的提供能量；另一种是电池后备型，正常情况下，市电通过转换为用电设备提供能量，当市电故障时，电池才投入使用。文中提出的装置属于第二种类型，在市电正常的情况下通过市电转换为稳定的输出电压；当市电故障时电池投入使用，经过转换提供稳定的输出。正常情况下电池一直处于充电管理过程中，采用这种方式可以极大的保证电池的使用寿命，延长设备使用年限。
1不间断直流电源实现方法
1.1不间断直流电源基本架构
文中提出的不间断电源装置采用反激开关电源设计，分为初级变换、输出稳压两级结构。初级变换采用反激隔离变换实现电池充电和初级电压变换，输出稳压级是一组DCDC变换单元，实现二次输出稳压变换。
初级变换单元采用反激变换器的形式，实现输入输出隔离，副边输出两组绕组S1和S2，其中S2绕组的输出提供给电池充电，S2绕组的输出采用闭环控制，实现对电池的恒流恒压充电控制；S1绕组的输出开环无稳压调节，直接连接到后级的输出级稳压DC-DC线路输入端。电池的输出经过一个整流MOS管连接到DC-DC线路的输入端。
1.2S2绕组设计
变压器S2绕组的输出经过整流后向后级电池进行充电，对S2绕组整流后输出的电压及电流进行检测，通过一级放大后反馈到变压器原边控制器的输入参考电压端，进而调整控制器的开关占空比实现输出的稳流稳压控制。
在电池欠电严重的情况下，先实现恒流控制，快速的给电池提供能量；当电池电压升到一定数值以后实现输出恒压控制，减缓电池充电速度。
图2为电池恒流恒压充电反馈检测控制线路图。其中，恒流与恒压数值的可以通过调整取样电阻进行修改，在使用过程中根据不同电池的充电性能进行相应调整。
1.3S1绕组设计
变压器副边S1绕组的输出是开环状态，经过整流后，输出一个波动的直流电压，当电池电量充满时，S1绕组的整流输出要大于电池的电压，保证在任何状态下S1绕组的输出始终大于电池电压。
1.4切换电路设计
S1绕组的整流输出直接连接到DCDC稳压线路，电池的输出经过一个反接的N沟道整流MOS管连接到DCDC稳压线路输入端。
在输入交流电压存在时，初级反激变换器S1绕组的输出电压始终大于电池的充电输出电压，由于MOS管内部二极管的反向截止作用，S1绕组的整流输出向DCDC稳压线路单元提供能量，电池处于热备份充电管理状态。
在输入交流电压消失后，S1的绕组输出电压开始下降直至消失，当电池的电压大于S1绕组输出的时候，MOS管的反向二极管开始导通，电池开始给DCDC稳压线路提供能量，保证输出电压的稳定。
S1的输出监测及MOS控制线路是一组辅助功能单元，实现在S1无输出的情况下，控制MOS管开通；当S1输出恢复时，关断MOS管。
S1绕组的整流输出与电池之间通过MOS内部的反向二极管特性实现切换，当S1输出确定已经消失的情况下通过控制线路开通MOS管，屏蔽二极管导通状态，减少器件功率消耗。
1.5输出DCDC稳压线路
输出DCDC稳压线路实现输出的最终稳压。线路支持宽范围电压输入，保证在S1整流输出供电或电池供电的状态下最终输出电压的稳定。
1.6保护线路
该不间断直流电源的各类保护线路通过嵌入式MCU进行监测和控制，主要实现电池及输出的过压、过流、欠压等检测控制和多状态配合保护。
2测试及性能分析
2.1试验测试方法
不间断直流电源的测试主要是针对电池的充电和输入掉电电池切换，交流正常输入情况下，将一组欠电电池接入，通过示波器或万用表监测电池的充电状态、输出电压状态；当电池充满电后切掉交流输入，监测输出电压的变化。
2.2电池充电测试
该电源所用的电池为标称电压12V的锂电池，容量2300mAh，在充电过程中对电池电压进行监测，绘制电池充电电压图表。
从图4中可以看出，在电池充电起始阶段，电池电压上升比较快，这个阶段电池一直处于恒流充电状态，当电池充电到接近75%能量，既电压充到接近10.5V的时候，转为恒压充电状态，从这时开始电池电压缓慢稳步上升，在充电电压达到12V的时候转为浮充状态。
2.3电池切换输出电压测试
在电池充好电以后，切掉输入交流输入，在设备输出带80%负载的情况下监测输出电压状态。
在进行电池切换的过程中输出电压并无明显的波动，说明该电源产品实现了交流输入与电池之间的无抖动切换，保证设备在电池切换过程中输出电压无跌落，供电稳定。
3总结
实验表明，本文设计的不间断直流电源能够在正常输入交流供电的情况下，对电池的进行良好充电，并在供电故障状态下，实现输出电压的无抖动切换。同时，电池在输入正常情况下处于热备份状态，当输入消失后才投入工作，有效的增加了电池的使用寿命，保证了设备的可靠供电，为各类设备和在线监测系统在恶劣矿山环境下的稳定运行提供了有效保障。
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本文结合国内相关技术研究成果，综合考虑投资成本及应用效果，提出了井组数字化控制柜交直交稳压电源解决方案。
【关键词】交直交稳压电源感应电压电源浪涌
数字化技术在油田的广泛应用，让油田的管理效率得到大幅度的提高。但由于生产区电压质量不高、天气原因、燃气发电等原因造成数字化前端系统供电电压不稳定，电源浪涌，频繁切换，对没有供电保护的井组数字化设备正常运行产生了一定影响，甚至造成设备损坏，增加维护成本。因此给井组数字化设备提供一款稳压电源是非常重要的。
1现状分析
1.1油区供电现状分析
1.1.1电压质量不高对供电的影响
我厂白豹油田供电情况复杂，白7增、白19增、白一联附近区域供电电压偏低，白13增附近区域供电电压偏高，无法提供平衡稳定的三相正弦波形的供电压，供电质量差会引起用抽油机、井组数字化设备的效率和功率因数降低，损耗增加，寿命缩短，损坏率较高。
1.1.2浪涌造成的影响
浪涌现象对数字化设备正常运行造成的影响主要有两方面原因：
白豹油田因各类供电线路检修造成各区块累计停电次数每年高达50次以上，来电后抽油机与井组数字化设备同时直接供电启动，强大的浪涌现象伴随产生过大的瞬间电流，造成井组数字化设备的损坏。
白豹油田变压器安装地势高，易受雷击产生过大的瞬间电流，造成井组数字化设备的损坏。
1.1.3燃气发电对供电的影响
我厂白豹油田应用燃气发电机供电井组较多，达20%左右。由于井组供气量不稳或发电设备自身原因造成输出电压不稳，无法提供较稳定的电压，直接损坏井组数字化设备。
1.2由于供电品质低造成的损失
1.2.1直接损失
2010年白豹油田由于电压质量不高造成井场数字化设备的烧毁现象较多，设备更换及维护费用偏高，共计损失费用64万。
1.2.2间接损失
供电系统不正常导致数字化设备损坏，造成数据采集中断，严重影响数字化系统的正常使用，资料录取、现场监控等功能的失效为生产管理带来诸多不便。
2对策研究
2.1目前的保护措施
按照油田公司相关数字化建设标准要求，仅有的浪涌保护器也未规定型号及具体的技术要求。根据运行现状来看，目前的保护措施不能有效对井组数字化设备起到保护作用。主要原因有两点：
（1）目前使用的浪涌保护器质量不高，自然气候条件恶劣易造成电气保护设施的损坏。
（2）由于抽油机启动瞬间产生远大于稳态的峰值电流与电压，以及雷击产生的瞬间电流过大，都会击穿浪涌保护器，造成井组数字化设备损坏。
2.2需求分析
2.2.1所需稳压电源分析
由于井组数字化设备使用环境比较恶劣，所以电源应能在高温及低温条件下稳定运行。所需稳压电源应能消除电网供电电压变化大、供电频率不稳定、电压畸变严重（谐波分量高）、闪变等综合性电压质量问题，并具有输出波形纯净、稳压范围宽、精度高、重量轻、体积小、价格低等特点。
2.2.2市场调研
根据所需稳压电源特点，调研目前市场主流的稳压电源主要有三类：
（1）磁饱和稳压电源：其性能优良，但价格很高且体积庞大而笨重，电压反应电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低。
（2）UPS电源：具有一定的稳压效果且停电后在一定时间内持续供电的功能。但UPS电源运行受环境影响较大，主要对室内用电设备起到保护措施，所以无法应用在井组。
（3）电子式稳压电源：大多为民用产品，达不到工业使用要求，且变压范围较小（160V～220V），不能满足井组数字化建设需求。
3解决方案
3.1交直交稳压电源设计技术原理
一般交直交电源主要有两大种类：线性放大型和PWM开关型，根据目前的技术发展，我们采用了目前最先进的双PWM正弦波脉宽调制技术，主动元件IGBT模块设计，瞬时值反馈、正弦脉宽调制等技术。
本电源为适应供电电源电压波动范围大、浪涌、畸变、闪变的供电特点，采用了整流、调制、稳压、中间回路电压反馈的直流稳压输出。
3.2交直交稳压电源特点
体积小：稳压电源内部采用集成度高、功能强大的大规模集成电路，并使用全新的现代化器件，如新型高频功率半导体器件使电源高频化，电源高频化可以缩小体积重量，新型磁性材料和新型变压器，如集成磁路、平面磁芯、新型元器件。特别改善二次整流管的损耗，变压器及电容小型化，并同时采用表面安装技术，使电源体积和重量都可减少许多。并且使用模块化电源组成电源系统，功率器件的模块化、电源单元的模块化，将开关器件的驱动保护电路安装到功率模块中；将一些硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，使元器件之间不再有传统的引线连接达到缩小体积和重量的目的。
价格低：随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路和全新的高性能低价器件的出现，并且大规模生产使之价格降低。此电源采用了大规模集成电路和全新的高性能低价器件，使用模块化电源组成电源系统，并且以数字电路为基础，大大减少了硬件数量，降低故障率，且数字信号处理技术日趋完善成熟，这些都使此电源的价格更低。
3.3技术指标
（1）输入电压范围130-300V；
（2）输出电压220V±3%；
（3）波形失真度
（4）功率因数大于0.95；
（5）工作温度-15～60℃；
（6）具有输出短路、过流保护；
4效果分析
4.1性能对比
交直交电源与性能较高的磁饱和参数稳压电源比的优点：
（1）体积小、重量轻（便于客户装卸）
（2）输入功率因数达到0.95，使得自身的损耗大大降低。
（3）可与发电机组搭配使用（磁饱和稳压电源因输入的频率范围窄，所以当用户那里停电并采用发电机组供电时，则不能使用）
（4）输出电压稳定
（5）输出的波形好（失真度小
（6）能消除电网供电电压变化大、供电频率不稳定、电压畸变严重（谐波分量高）、闪变等综合性电压质量问题，为数字化系统提供电压稳定、净化的交流电源。
5结论
交直交稳压电源的实验成功，能为井组数字化系统提供一款性价比高、稳定可靠的交流供电电源，彻底解决供电质量问题，有效保护井场数字化设备，避免经济及其它损失。
关键词：变频器多功能电源开关设计
中图分类号：S611文献标识码：A
前言：作为变频器的多功能电源开关，必须具有多路稳定的直流电压输出，以确保电源开关供电安全，UC3842作为变频器用多功能电源开关中应用最为广泛的芯片，其作用非常巨大，通过精确且科学的运算方法以及设计原理，使电源开关能够同时提供给主控系统、驱动系统以及通信系统多路稳定隔离直流电源，从而确保开关正常工作。
一、设计要求
多功能开关电源要求为变频器逆变器3个上桥臂的IGBT提供驱动电压,并为其他部分提供电源,具体指标如下:输入直流250V±40%,即150～350V;输出3路24V、2A独立输出,2路±15V、0.2A共地输出;1路5V、1A输出。由于逆变器3个上桥臂每一时刻最多有2个同时导通,所以输出总功率为110W。
二、芯片选择
多功能开关电源选用一种开关电源设计专用芯片UC3842,该芯片是美国Unitorde公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器片,UC3842可专门用于控制占空比适应负载变化造成的输出电压变化,负载调整率好,较适合该电源的应用场合。电路中开关管选择N沟道场效应管K1358,其额定参数为900V/9A,有充分的裕量保证系统的安全运行。
1、UC3842内部结构和引脚功能
双列直插式封装,其内部结构见图1。
2、UC3842管脚功能
1脚(COMP):误差放大器的输出端。
2脚(VFB):误差放大器的反相输入端
3脚(ISEN):电流检测端。流过开关管的电流被检测电阻转换为电压信号并被送
入此脚,用来控制PWM锁存器,调整输出电压大小。并且当该脚电
压超过1V时,UC3842即关闭输出脉冲,从而保护开关管不致因
过流而损坏。
4脚(RT/CT):内接振荡电路,外接RC定时元件,定时电阻R接在4脚和
8脚之间,定时电容C接在4脚到地,振荡频率为f=1.72/
(RC)。其振荡频率最高可达500kHz。
5脚(GND):电源电路与控制电路的接地端。
6脚(OUT):推挽输出放大器的输出端。为推拉式输出,可直接驱动场效应管,
驱动电流的平均值可达200mA,最大可达1A峰值电流,输出的
低电平为1.5V,输出的高电平为13.5V。
7脚(Vcc):电源输入端。外接电源电压Vcc,UC3842的开启电压为16V,关
断电压为10V,其内部有一个34V的稳压管,可以保证内部电
路工作在34V以下。该电源电压经内部基准电压电路的作用产生
5V基准电压,作为UC3842的内部电源使用,并经衰减得到2.5
V电压作为内部比较器的基准电压。
8脚(VREF):参考电压(+5V)输出端。可提供参考电压。
三、硬件电路设计
1、工作原理
根据芯片功能的介绍,所设计的电路图如图2所示。当电源通电时,输入电压通过电阻R3对电容C4充电,当UC3842的7脚(Vcc端)达到导通门槛电压(16V)后,UC3842开始工作,此后芯片由反馈线圈供电,电压维持在13V左右。
开关变压器的反馈绕组Ns两端电压经VD2、R2、C3、VD3、C4整流滤波后再经过R9、R10分压后,从2脚送入UC3842的误差放大器反相输入端,反馈电压与基准电压(2.5V）经误差放大器比较放大后,调整PWM输出脉冲的宽度,从而稳定输出电压。主回路电流由电阻R5进行取样,取样电压经3脚加到UC3842内的电流比较器的一个输入端,与误差电压放大器的输出进行比较,当该取样电压等于误差电压(最大值为1V)时,UC3842的输出脉冲被中断,从而实现限流保护。
该电源用UC3842的PWM输出直接驱动开关管,R7的作用是限制峰值驱动电流。当直流输入电压变化时,以变大为例,此时反馈电压也会相应变大,也就使得UC3842电压误差放大器的输出变小,也就使得PWM输出脉冲的占空比减小,从而使输出电压保持稳定。
2、电路功能模块设计
a.输入滤波电容C1:可以滤除输入电压中的高频干扰,得到较为稳定的输入
电压。
b.启动电路设计:启动电路由限流电阻R3和电容C4组成。在UC3842启
动正常工作之前,启动电流在1mA以内,7端(Vcc)电压升至16V时,芯片
开始工作,此时消耗电流为15mA。所以R3>16V÷1mA=16kΩ,功率最好
在1-2W。C4储存的能量要能满足电源开始正常工作的需要,最好在100μ
F以上。
c.缓冲吸收电路设计:开关管在关断的瞬间会产生很高的电压尖峰脉冲,这不
仅很容易使开关管由于电压急剧升高而损坏,而且使电流采样和输出电压的
波形出现很尖的脉冲,影响系统的稳定工作。为此,VD4、R4、C5组成RCD缓
冲吸收电路,同时对于反激变压器,R1、VD1、C2组成的缓冲电路,也具有
同样的作用,形成双重保护。
d.反馈电路设计:由于该电源的输出为多路,不适合仅仅对某一路进行反馈调
节,故采用反馈线圈Ns来输出一个反馈电压,对多路输出同时进行控制。
VD2、R2、C3、VD3、C4为整流滤波电路,得到一个稳定的反馈电压,该电压同时
也作为UC3842正常工作时的供电电压。
e.电流取样和过流保护:电流的取样由取样电阻R5完成,其峰值电流由误差
放大器控制,为Is=(Ue-1.4)/(3Rs)(其中Is为主电路峰值电流,Ue
为UC3842内部电压误差放大器输出电压,Rs为采样电阻)。由于电流测定
比较器的反向输入端钳位电压为1V,故最大电流限制在Is=1V/Rs,当电
流超过这个值时,UC3842自动闭锁输出,以保护电路。R6、C6为滤波电路,
用以滤除开关管开通电流尖峰,防止误触发,RC滤波器的时间常数应接近
于电流尖峰的持续时间,通常为几百纳秒。取R6=1kΩ,C6=470pF,则时间
常数τ=RC=470(ns)。
f.误差放大器的补偿电路:R11和C7,改善误差放大器闭环增益和频率特性。
g.振荡电路:由R12、C9设定振荡频率,取R12=13kΩ,C9=3.3nF,则振荡
频率为f=1.72×103/(13×3.3)=40(kHz)
h.旁路瓷介电容:C8、C10,用以滤除高频叠加信号。
i.变压器设计:变压器有多种工作方式,在此采用单端反激工作方式。其基本
工作原理是当开关管受控导通时,高频变压器将电能变为磁能储存起来;而
在开关管受控截止时,变压器就将原先储存的磁能变为电能,通过二极管向
输出电容充电,再由电容向负载供电。若PWM工作的占空比为D,n为原副
边匝数比,则输出电压Uo=DUi/[n(1-D)]。关于变压器的设计在后面
再详细说明。
j.输出滤波电路:每一路电压输出都有整流二极管和电容组成的滤波电路,
如VD5、C11组成+5V输出的整流滤波电路,然后通过三端稳压器LM7805
来滤除纹波,得到一个较为稳定的电压,也可以起到消除纹波的作用,见图
2,其他几路输出也是如此。
四、变频器开关电源的变压器设计
针对于变频器开关电源的变压器设计，要依照一定的步骤进行：
1、设计参数工作频率fs=40kHz,工作周期Ts=25μs;效率η=0.85;输入直流电压250V±40%,即150～350V;输出功率110W。
2、设计步骤
步骤1选择磁芯
考虑到变压器损耗和整流管损耗,输入功率PM=Po/η=110/0.85=130(W)(Po为输出功率),再由经验公式,磁芯截面积为SJ=0.15PM=1.71(cm2)。查表后可选择磁芯EE42/21/15,外形结构如图3所示。
其磁芯截面积为SJ=173mm2,a=42mm,b=21mm,c=15mm,d、e、f可查表得到。磁芯材料选择PC40铁氧体磁芯,其优点是电阻率高、交流涡流损耗小、价格低。
步骤2计算ton和最低输入直流电压Us,min
由于UC3842属于峰值电流控制芯片,在没有斜坡补偿的情况下,其稳定工作的占空比范围是D
步骤3选择工作时的磁通密度
对于PC40材料的磁芯,其100℃时的最大磁感应强度Bmax=390mT,振幅取其一半,交变磁通密度ΔBac=0.5Bmax=195mT=0.195T。
步骤4计算原边线圈匝数
步骤5对于+5V，匝数计算
对于+5V,考虑到整流管压降,U2=5+0.6=5.6(V),而原边绕组每匝伏数=Us,min/N1=150/50=3(V/匝),故而可算得N2=5.6/3≈1.867,取N2=2匝。则新的每匝反激电压=5.6/2=2.8(V/匝),原边匝数N1=150/2.8≈53.57,取N1=54匝。
对±12V的直流输出电压U3=12+1=13(V),N3=13/2.8=4.64,取N3=5匝。对+24V的直流输出电压U4=24+1=25(V),N4=25/2.8=8.93,取N4=9匝。
由于电源输出接负载时会发生一定的电压跌落,所以在变压器设计时每一路输出多设计一匝,得到一个稍高的输出电压,然后通过三端稳压器LM7805,LM7812,LM7824分别得到+5V+12V、+24V电压,-12V由LM7912得到,如图3所示。所以在此对+5V取3匝,±12V取6匝,+24V取10匝。对于反馈线圈,U=13+0.6×2=14.2V,Ns=14.2÷2.8=5.07,取Ns=5匝。
步骤6确定气隙的大小
设变压器工作在电流连续工作方式,原边线圈电流Ip如图4所示。原边电感Lp=UsΔt/Δi,Ip2=3Ip1,则ton时间内流过电流的平均值Iav=Ip2-Ip1=2Ip1。在周期Ts内的平均输入电流Is=P/Us,min=1对±12V的直流输出电压U3=12+1=13(V),N3=13/2.8=4.64,取N3=5匝。对+24V的直流输出电压U4=24+1=25(V),N4=25/2.8=8.93,取N4=9匝。
由于电源输出接负载时会发生一定的电压跌落,所以在变压器设计时每一路输出多设计一匝,得到一个稍高的输出电压,然后通过三端稳压器LM7805,LM7812,LM7824分别得到+5V、+12V、+24V电压,-12V由LM7912得到,如图3所示。所以在此对+5V取3匝,±12V取6匝,+24V取10匝。对于反馈线圈,U=13+0.6×2=14.2V,Ns=14.2÷2.8=5.07,取Ns=5匝。
步骤7校验
0N1Ip1/g=4π×10-7×54×1.745/(0.72×10-3)=903×10-4(T)=90.3(mT)(Bdc为直流作用的磁感应强度);Bmax=0.5ΔBac+Bdc=190.3(mT)
五、计算结果分析
根据精确地运算制作出实物，需进行相应调试，并测算结构。图5是UC3842自身振荡器的波形,图6是PWM驱动输出的波形,图7是电流取样电阻上的波形,也就是UC3842的3脚的波形,从波形上看,虽然采取了滤波电路,仍然存在着尖峰脉冲,这说明缓冲电路还有改进的空间。
结语：综上所述，基于对变频器用多功能开关电源的设计原理、计算方法以及设计步骤等的详细阐述，精确的计算以及科学的设计方法能够从根本上保障变频器多功能开关电源的正常稳定工作，为人们的生产生活提供安全的供电保障，并且随着我国电力事业的不断发展，对于变频器多功能开关电源的研发还将越来越科学，越来越先进。
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