24V交流单相在线式不间断电源
加密线：
24V 交流单相在线式不间断电源(E 题)
摘要：在此系统中，采用PWM 芯片KA3525组成推挽式24V 交流单相在线式不间断电源。经隔离变压器对系统输入36V 的交流电。输出交流电压可通过AC/DC 整流器，输出36V 直流电，在经过DC/AC 逆变器对输入的36V 直流电逆变为24V 交流电，同时在逆变过程中也可通过蓄电池供电，从而实现在线式UPS 功能。通过KA3525对输出占空比进行控制，进而使其效率可达到80%左右。并且本系统能够很好的解决正弦波的交叉失真。同时，本系统还具有自动充电、欠压，过载保护以及显示的功能。 关键词：不间断 逆变 UPS 一、 设计任务与要求 1. 任务
设计并制作输出电压为24VAC 在线式不间断电源，结构框图如图1.1所示。
U 1
蓄电池
阻性负载
220VAC
隔离变压器
在线式UPS
U 3
I 3
U 2
I 2
图1.1.任务结构图
2. 要求： 2.1 基本要求
（1）在交流供电U 1=36VAC 和直流供电U 3=36VDC 两种情况下，保证输出电压U 2=24VAC ，
且保证其频率为50±1Hz，额定输出功率80W ；
（2）切断交流电源后，在输出满载情况下工作时间不少于2分钟； （3）交流供电时，电源达到以下要求：
1. 电压调整率：满载条件下，U 1从29VAC 增加至43VAC ，U 2变化不超过5%；
2. 负载调整率：U 1=36VAC 、U 2=24VAC ，从空载到满载，U 2变化不超过5%； （4）直流供电时，满载条件下，效率η不低于65%（2233
U I U I η?=?）；
（5）具有输出短路保护功能。 2.2 发挥部分
（1）交流供电时，将电压调整率和电压调整率提高至2%，条件同基本部分； （2）直流供电时，在满载条件下，将效率提高至80%； （3）满载条件下，输出正弦波失真度不大于5%；
（4）具有给蓄电池充电功能，充电电流不小于0.1A ，充电电路对蓄电池不能过充； （5）具有欠压保护功能：当蓄电池的放电电压≤29V 时整机自动保护停止工作； 二、 方案论证
根据题目要求，本设计主要解决由于市电突然停电，所带来的一系列不方便问题，当
市电突然停电时，通过蓄电池输出直流电压，经过逆变、滤波等一系列操作同样给负载供电。为实现各个部分的各个模块功能，提出几种设计方案并进行论证。系统如图2.1：
图 2.1总方框图
1. 隔离变压器部分
方案一：基于隔离变压器成品商品
采用现在电子产品市场中有可调的隔离变压器的成品，但是价格比较昂贵，但是优点是具有可调性可以选择所需要的电压数，可以方便使用，并且可靠性、安全性较高。在本设计中，要得到输出稳定的电压，必须使隔离变压器输出稳定，波动幅度小的交流36V 电压。
方案二：采用自制隔离变压器
采用手工自制的隔离变压器，价格上比较便宜，容易接受，制作时采用100W 的铁芯，初级电压220V 、次级电压36V ，每伏三匝，初级线径为0.47mm 次级线径为0.98mm ，同时也能够达到输出电压要求，同时自制隔离变压器可以增加动手的能力，掌握自制变压器的方法。
综上分析:选择方案二。同时题目要求不得采用各种电源和逆变模块，不得使用不间断电源产品改制，并且成本低者得分高。
2. 在线式UPS 部分 （1）整流滤波模块
方案一：利用二极管搭建整流模块
采用散件进行搭建整理桥，利用二极管的单向导通性质，进行构建整流桥，对隔离变压器输出的变压进行整流，在通过极性电容进行滤波。这样的成本比较低，同时由于本题所需的是由36V 交流变为36V 直流，利用散件搭建，在件的选取构建上会存在比较大误差。会导致逆变模块中存在较大的误差。
方案二：采用整流芯片
利用整流芯片进行将隔离变压器输出的交流36V 转换为直流36V,由于电路是采取全波整流方式进行整流，所以我们选取整流芯片D25SBA8052，此芯片外形是长方形，具有功率高、散热面积大的特点，最大负荷600V25A ，通过芯片进行整流的其它优点还有整流效果好，同时对电路的干扰小，对后部分的电路影响小，从而使正弦波失真小。
综上分析：选择方案二。在方案二中可选择的整流芯片比较多，同时可达到的效果比方案一好，方案二中具有，可靠性高、干扰性小、散热性好等优点。 （2）逆变模块
方案一：采用集成的逆变模块
采用现成的逆变模块，具有精度高，而且容易操作等优点，但是价格比较高，本设计中在将36VDC 转换为36VAC 同时将36VAC 降压为24VAC 的降压过程，存在降压变压器的问题，利用逆变模块可以很好地解决整个逆变过程，并且稳定性、精度都很高。但是无法解决降压过程。
方案二：利用散件搭建逆变模块
隔离变压
在线式UPS
整流滤波 AC/DC 整流器 DC/AC 逆变器
负载
蓄电池
利用散件搭建DC/AC逆变器，同时存在效率的问题，本设计采取电流型PWM控制器芯片KA3525加上场效应管逆变，优点是功能比较完善，能够很好的解决效率问题，KA3525具有软启动功能，实质上是由内部5V基准源经50uA的恒流源给KA3525接一电容充电实现的，经过场效应管振荡，这样可以将效率提高，并且价格比较低廉。
综上分析：选择方案二。同时题目中要求不允许使用各种逆变模块，方案二既满足题目，有很好的解决效率和价格上的问题。
（3）振荡模块
方案一：采用电流型PWM控制芯片KA3525加场效应管
KA3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。
方案二：采用电流模式控制芯片UC3842加场效应管
UC3842芯片是一种高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流交换器应用而设计，只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。这些集成电路具有可微调的振荡器、能够进行精确的占空比控制、稳定补偿的参考、高增益误差放大器。同时具有保护特性，其中包括输入和参考欠压锁定，各种滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存，其工作电压有16伏（通）和10伏（断）低压锁定门限，频率能够达到500千赫。
方案三：采用开关电源控制芯片TL494加场效应管
TL494是一种脉宽调制型开关电源集成控制器，它的输出电流为200mA，工作频率为1-300kHz，输出方式可选择推挽式和单端输出两种方式。
综上分析：选择方案一。根据本设计采用推挽式输出方式，输出频率50Hz，输出电压24V 等条件选择采用电流型PWM控制芯片KA3525。
（4）正弦波输出模块
方案一：采用场效应管TIP42B进行输出
采用电流型PWM控制芯片KA3525的第11和14两个输出引脚与场效应管相连，控制场效应管振荡输出正弦波，同时由于场效应管的额定电压和电流为140V、6A，本设计的输出电流比较大，有可能会烧坏场效应管。
方案二：采用高频场效应管TIP250进行输出
利用电流型PWM控制芯片KA3525控制场效应管TIP250输出正弦波，TIP250的额定电压和电流为600V、25A，被用于工业应用中，同时具有频率稳定，受外界环境影响较小，抗干扰能力强，并且能够有效的控制交叉振荡的发生。
综上分析：选择方案二。由于输出电流比较大，同时存在外界环境的干扰，选择高频场效应管TIP250作为正弦波的输出模块。
（5）自动充电模块
利用继电器控制给蓄电池充电，同时利用两个NPN型三极管搭建成比较器，有效控制充电电流的导通和截止，当电压达到负荷电压三极管构成的比较器截止，自动关闭充电电路。通过这种方式可以有效的减小功率的损失，并且能够降低元器件的价格成本。
（6）过载保护模块
利用开关电源中的光耦817控制过载保护电路，同时利用三极管构成的比较器，在继电器接通和断开情况下，检测电路是否过载，如果过载能够及时切断给电。
（7）欠压模块
采用NPN型三极管S8050与二极管相连，当蓄电池电压低于29伏时，三极管截止，同时
二极管具有单项导电性,使整个系统停止工作处于自动保护状态。
（8）指示与显示模块
采用发光二极管作为电路的指示模块，具有亮度高，醒目，并且价格便宜的优点。
三、分析与计算
（1）隔离变压器模块
本设计采用自制隔离变压器，在制作中，变压器的绕制非常关键。在变压器的应用中，硅钢片铁心材料的工作频率低，一般不超过10KHz，因此变压器的线圈较多，用铜量大。用铁氧体磁芯的变压器工作频率高，一般20KH z—300KHz，这样变压器的线圈圈数少，用铜量少。对于硅钢片铁心材料的，一般有E形，C形和环形的外观，在选用中，E形铁芯制作简单,漏感较大。一般选用C形的，做为隔离变压器。环形的转换功率较高，环形铁芯可以用配电设备的互感器，效果很好，但绕线很麻烦。绝缘较难处理。铁氧体的工作频率高，体积小，圈数少，所以最好绕制。为了克服高频趋肤效应，一般采用多股并绕，低频铁芯的工作频率低，可用单股线绕制，为了方便绕制也可多股并绕。
本设计在制作隔离变压器过程中，选择后者。通过硅钢片、100W的E形铁芯和铜线绕制而成，初级电压为220V交流，次级电压为36V交流，在制作隔离变压器时采用每伏三匝的方式进行绕制。线径为初级：0.47mm，次级：0.98mm,这样的变压器可以满足要求输出频率为50Hz的低频电压，但存在一些不足例如由于是E形铁芯漏感较大，导致转换效率的降低，但是本设计电路采用推挽式，在这种方式下场管的效率能够提高在这部分的不足。
由于此变压器的绕制圈数比较多，在绕只隔离变压器过程中采用同组并绕方式进行绕制。
本题中设U 是初级绕组输入电压（V），（近似等于直流输入电压)；f 是变压器的工作频率（KHZ）；Ae 是磁芯的截面积（cm2）；Bmax 是允许的磁通密度最大变化幅度（G）；磁通密度的计算:Bm=E*10︿6(4.44*F*N*Ae) (mT)；k 为最大导通时间与周期之比，通常取k=0.4；变压器初级绕组的圈数可用下式来算：
N = k *10^5 * U /(f *Ae* Bmax )；
=0.4*10^5 * 220/（0.05*0.38*36*10^6(4.44*F*N*Ae)）
=203
（2）整流滤波模块
该电路主要部分是一个一般的整流滤波电路，桥式整流，电容滤波，其实也可以简单就用一电感加一电容，因为交流的频率较高，电感加电容滤波就可以满足要求，这一部分把高频交流变成了直流，但波纹较大。它把变压器过来的电流利用二极管的单相导电性将交流电变为单相脉动的直流电压，在设计中，利用一个整流桥，把变压器输出的交流变成直流，以便
下一步DC—AC转换，这一块为滤波电路，减小整流桥出来的电流的波纹（如图3.1）。其中连接光电耦合器组成的是一个过流保护，当流过电流过大时，电压就会升高，当电流大于设计值时，光电耦合器输出端就会有电流流过，而光耦器的一个输出端与SG3525的10脚接在一起，就会通过10脚接的电容拉高10脚电压，就使PWM锁存器关断输出，直到下一个周期才恢复，当电压降了下来直到恢复正常工作，这样可使输出波形趋于平滑。同时也是一种限流保护，所以我们才用这种方案。既能达到整流滤波的作用又能达到限流保护。4
3
2
1
D
C B
1
2
3
4
25A600V
1
2
3
4
25A600V
0.5H
1000u F50V1000u F50V
C
100u F50V100u F50V
24V
7824
红
24k
蓄电池
-+
36v
35v
I N4007
10K1W
J124V
绿
24k
36vAC
36v
图3.1整流滤波图
采用的二极管其最大的整流电流必须大于输出电流的一半即
DC
D
Ι
.
Ι5
max
，故选用1.5A
的集成桥堆来作为整流器件。
每个整流二极管的平均电阻近似为Ω=5.0D R ，变压器的内阻包括次级线阻和初级损耗可以用经验公式计算：
Ω=??
===49.05
.26.215.26
.2115
.015
.015
.04
4
4
DC
DC DC
DC
O
O O O T I V I V I V I V R
故整流器的内阻约为Ω=Ω?+=+=49.15.0249.02D T S R R R 整流电路的负载Ω===
43.35
.10360DC
DC L I V R ，则
43.043
.349.10
==L S R R 。对于容性负载桥式整流
电路，当
1.00
≥L S R R 、纹波v 较小时可以得到120=C R L ω。因此滤波电容1C 可以用如下的关系
式估算：
F
C μπ111443
.3100121=?=
选取F C μ12001=，耐压50V 的电解电容即可。
（3）逆变模块
本系统的逆变模块电源输入端为蓄电池（12V 、 1.2A?h ）三节串联输出36V 电压，经过逆变模块输出端正弦波电压（50Hz ，24V ）。同时也能将整流电路输出的36V 直流电压通过逆变模块，输出交流24V 电压。从而达到在交流供电和直流供电的两种情况下，保证负载输出的都为24V 交流电。
目前，构成DC/AC 逆变的新技术很多，但是考虑到具体的使用条件和成本以及可靠性，本电源仍然采用典型变换，即DC/AC 逆变。由DC/AC 变换以正弦波逆变的方式，将稳定的直流电压逆变成有效值为24V 的正弦波电压；再经LC 工频滤波得到有效值为24V 的50Hz 交流电压，以驱动负载。
由于变压器原边电压比较低,为了提高变压器的利用率,降低成本,采用推挽式电路，原边中心抽头接蓄电池，两端用场效应管控制，交替工作，可以提高转换效率。而推挽式电路用的开关器件少,双端工作的变压器的体积比较小,可提高占空比,增大输出功率。
变压器原边的两个场效应管各采用TIP250并联，之所以并联，主要是因为在逆变电源接入负载时，变压器原边的电流相对较大，并联可以分流，可有效地减少开关管的功耗，不至于造成损坏
DC/AC 变换采用单相输出，全桥逆变形式，为减小逆变电源的体积，降低成本，输出使用工频LC 滤波。由2个TIP250构成桥式逆变电路，TIP250最高耐压600V ，电流25A 提供驱动信号，其输入波形由KA3525提供，同理可调节该KA3525的输出驱动波形的D<50％，保证逆变的驱动正弦波有共同的死区时间。
KA3525形成的控制脉冲信号频率f 由下式决定：f=1/ CT*(0.7*RT+3*RD) ；式中CT 是5脚上的连接电容, RT 是6脚上的连接电阻，RD 是5脚和7脚之间的连接电阻。通过改变6号脚的电流大小，实际上就等效于改变R 。以下是通过3525频率计算软件计算输出的振荡频率和死区时间照片（图3.2）。
图 3.2频率计算图
（4） 振荡模块
采用开关电源PWM 芯片KA3525加MOS 管逆变。相对于其它电路组成来说，它的优点是外接元器件少。性能好，其开关频率高，最高可达500Hz ，适合于驱动N 沟道MOS 功率管，且驱动能力强，KA3525的输出级采用图腾柱式结构，其灌电流/拉电流能力超过20A ，另外，SG3525还能够直接驱动半桥变换器中的小功率变压器，完全可以达到我们的要求，同时我们在选取MOS 管时选取工业上常用的TIP250，具有抗干扰能力强，受外界的影响小。
下面我们对KA3525特点、引脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行介绍。 KA3525是电流控制型PWM 控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器（图3.3）。
图3.3 KA3525原理图
同时通过电流型PWM 控制器KA3525的第11和14引脚与MOS 管（TIP250）相连，通过控
制器控制场效应管TIP250不断的截止和导通，产生交流电压。 （5）欠压、过载保护电路部分
本系统中的保护电路分为欠压保护和过流保护两种。
欠压保护电路，它监测蓄电池的电压状况，如果蓄电池电压低于预设的29V ，保护电路开始工作，使控制器KA3525的脚10关断端输出高电平，停止驱动信号输出。
当蓄电池的电压下降超过预定值后，运算放大器开始工作，输出跳转为负，同时三级管V 截止，向KA3525的SD 端输出高电平，封锁TIP250的输出驱动信号（图3.4）。
2
1
D
C
B
S 8050
43K
22k
+24v
b
图3.4 欠压保护电路图
过流保护电路，它监测输出电流状况，预设为1.5A 。正弦波逆变器的输出电流经过采样进入运算放大器的反向输入端，当输出电流大于1.5A 后，运算放大器的输出端跳转为负，经过CD4011组成的R S 触发器后，使三级管基级的信号为低电平，三级管截止，向TIP250输出高电平，同时利用继电器控制，达到保护的目的（图3.5）。
12
2
1
D
C
B
A
9013
817
A
B
100K
500K
a
150k
S 8050
J1
I N4007
10V 0.22uF
W 3
K A 3525
第十引脚
24v
图3.5 过流保护电路图
四、 电路图及元器件清单
转换电路图:
1
23
4
4
3
2
1
1
2
3
4
25A600V
1
2
3
425A600V
0.5H
1000u F50V
1000u F50V
C
100u F 50V
100u F 50V
24V
7824
红
24k
蓄电池-+
36v
35v
I N4007
10K1W
J1
24V
绿
24k 36vAC
36v
振荡输出电路图:
2
3
4
5
6
6
5
4
3
2Titl e
Nu mber Rev i sio n
Size B Dat e:
14-Aug -2000Sheet o f File:
C:\Do cu men ts an d Sett in gs \Ad min is tr ato r \桌面\新建文件夹\My Des ig n.d db
Dr awn By:12345678
9
101112131415161K
1K
10K
10K
TIP250
TIP25033K 10u F50V
30K
2.2K
10u F50V
10K
100K
222u F
204
1000u F25V
12V
620K2W
620K2W
1000u F50V
0.25K
A
B
36V
1
2
24V80W
元件清单：
元件参数值
极性电容1200μF、50V
继电器24V
电阻620欧
电阻33千欧
场效应管600V、25A
电容222
PWM电流控制芯片KA3525
负载灯泡24V、80W
整流桥600V、25A
二极管1N4007
发光二极管绿色
发光二极管红色
蓄电池12V、1.2Ah
电感0.5H、5A
变压器220V交流、36V交流
变压器36V交流、24V交流
稳压芯片7824
光耦开关817
电位器200K
三极管NPN 9013
三极管NPN S8050
五、系统测试
（1）测试仪器
①数字万用表：VC97一台
②双踪示波器：XY4323 一台
（2）测试方法及结果
1．输出电压的测量
利用数字万用表测量系统输出端的电压
U，测量交流和直流供电结果如表5.1、表5.2。
O
表5.1 交流输入时输出电压测量数据
设定输出电压/V 24.0 24.0 24.0 24.0 24.0 24.0 24.0
实际输出电压/V 24.1 24.1 24.0 24.2 24.4 24.6 24.6 误差% 0.41 0.41 0.00 0.60 0.83 2.5 2.5
表5.2 直流输入时输出电压测量数据
设定输出电压/V 24.0 24.0 24.0 24.0 24.0 24.0 24.0
实际输出电压/V 23.9 23.9 23.8 24.0 23.7 24.1 23.6 误差% 0.41 0.41 0.60 0.00 1.25 0.41 1.67 2．最大输出电流
I的测量
O
max
设定输出电压为24V，将数字万用表串入输出回路，改变负载，测量电流值。经测量，本系统的最大输出电流
I=3.7A。
O
max
3．电压调整率的测量 测试方法：
1）设置可调负载装置，使电源满载输出；
2）调节开关稳压电源的输入电流，使输入电压为下限值，记录对应的输出电压U 1； 3）增大输入电压到额定值，记录对应的输出电压U 0； 4）调节输入电压为上限值，记录对应的输出电压U 2； 5）按下式计算：
电压调整率=(U －U 0)/U 0×100% 式中：U 为U 1 和U 2中相对U 0变化较大的。 测量结果如表5.3。
表5.3 电压调整率测量数据
输入电压/V 29.0 32.0 34.0 36.0 38.0 40.0 43.0 实际输出电压/V 23.4
23.7
23.6
23.6
24.2
24.7
25.1
由上式计算可得，电压调整率U S ＝1.37%
4．负载调整率的测量 测试方法：
1）输入电压为额定值，输出电流取最小值，记录最小负载量的输出电压U 1； 2）调节负载为50%满载，记录对应的输出电压U 0； 3）调节负载为满载，记录对应的输出电压U 2； 4）负载调整率按以下公式计算：
负载调整率=(U －U 0)/U 0×100％
式中：U 为U 1 和U 2中相对U 0变化较大的值；
经测试可得：U 1＝24.1V ； U 0＝24.9V ； U 2＝25.2V ；
由上式计算可得，负载调整率I S ＝3%；题目的要求为5%，达到题目的要求。 5．DC 供电效率的测量
当蓄电池供直流电时，输入电压O U 为37.2V 时，O I 为2.54A 时，将数字万用表串入你便变压器的输出回路测得IN I =3.61 A ，将数字万用表并接在逆变变压器的输出端测得IN U =23.8 V ，I P =IN U IN I =94.356W ，P O ＝U O I O =116.2W 。%
2.81==IN
O P P η
，刚刚达到题目的要求。
经分析，此开关电源的效率较低的原因在于所采用的散件搭建的逆变模块，其饱合压降较大，且工作频率较低；同时，由于制作变压器时，工艺比较粗糙，效率并没有达到理论计算值，使得功耗较大。 六、 创新与创意
（1）振荡电路用低频输入就能起振
在现在的变压器中大部分都是利用高频输入，使得变压器起振，往往是加入高频磁粉，但是这种方式输出的电压频率高达上千赫兹，本设计里有自己搭建的电路巧妙地解决了这个问题。
（2）电路振荡失真小
由于题目中要求正弦波失真率不得大于5%，从KA3525出来的频率稳定，可以保证失真度小，再加上场效应管TIP250就很好地可以解决了这个问题。
（3）利用KA3525实现输出频率为50Hz
电流型PWM 控制芯片KA3525的额定输出频率为100Hz ，但是在本设计中，利用电路的搭建使得利用KA3525输出的频率为50Hz 。
（4）具有欠压、过载保护、自动充电电路并且控制方便
本设计具有欠压、过载保护、自动充电功能，并且通过设计电路中的利用三极管搭建的比较器和继电器控制能够及时、迅速的对电路控制和调整。 七、 心得体会
经过半个多月的努力，我们亲自设计和制作的电源作品终于完成了，在这半个月里，我们不仅仅感觉到了电子设计需要的是有关电子设计方面的知识，更重要的是那份对电子设计的毅力、坚持。在这半个多月的时间里，眼看着一组一组的放弃，其实心里真的有些难受。但是我们坚持到了最后，并且成功了。
在这次比赛中是我们第一次制作电源类的题目，从一开始我们就意识到会很难下手，很难有所突破，因为我们学校在这方面从来都没有成功的前例，可以说我们是自己一点一点试探着做，对成功几乎没有任何把握，在这半个多月中我们不断的调整电路，不断的更换元件，光是逆变变压器就缠了五遍，在设计逆变电路中就用了十多天，最后终于电路起振了，那天我们组都特兴奋，因为如果逆变电路成功了，几乎就成功了一半，然后我们在转换和各种保护电路不断的调试，不断的对硬件进行优化选取，最后我们设计的电源作品基本完成了包括基本部分和发挥部分所有要求。
经过一个假期的锻炼，我感到电子设计大赛让自己更加成熟起来，在这个过程中不仅是在知识技能、学习能力上，还是心态、意识上自己都有了一个长足的进步。我学到的不仅是如何学习，如何解决问题，还有如何与人合作，如何与人沟通。这一次的比赛，让我对自己的专业方向有了计划，我将努力地加深和拓宽相关的知识，把握更多的实践机遇，不断提高自己。 附件：
自动充电电路图:
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9013
160K
W2 200K
S8050
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W1100K
47K
J2
24V
I N4007
3.3K5W ]
E
817
100K
C
蓄电池
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24V
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变压器绕组图: