电源系统可靠性热设计与热分析实验
邹航陈政平
北京航空航天大学工程系统工程系元器件中心
2010年10月
目录
前言 (1)
第1章实验设置目的及意义 (1)
1.1实验设置的意义 (1)
1.2实验目的 (1)
第2章实验原理 (2)
2.1电源系统组成及工作原理 (2)
2.1.1电源系统设计要求 (2)
2.1.2电源系统组成及工作原理 (2)
2.2功率器件的降额设计 (10)
2.2.1降额等级划分 (10)
2.2.2集成稳压器的降额设计 (11)
2.3电源系统的热设计 (11)
2.3.1热设计要求和准则 (11)
2.3.2热传递的基本方式及原理 (13)
2.3.3热设计中冷却方法的选择 (14)
2.4功率器件散热器的优化设计 (15)
2.4.1散热器的特性分析 (15)
2.4.2散热器优化设计 (21)
2.4.3散热器的优化实施 (26)
2.4.4Qfin软件简介 (28)
2.5使用Qfin设计散热器 (29)
第3章实验内容 (31)
第4章实验基本仪器 (31)
第5章实验要求和步骤 (32)
5.1实验要求 (32)
5.2实验步骤 (34)
5.2.1电路热测量及计算 (34)
5.2.2Qfin软件优化散热器 (36)
第6章数据分析与处理 (37)
6.1接触热阻的影响 (37)
6.2功耗的影响 (37)
6.3辐射的影响 (37)
6.4环境温度的影响 (38)
6.5实验报告要求： (39)
附录 (40)
前言
电源系统可靠性热设计与热分析实验是工程系统工程系研究生限选实验课，它还适用于自动控制、通信与电子工程、光电信号检测、仪器仪表、计算机、系统工程等专业研究生、本科生选做。
第1章实验设置目的及意义
1.1 实验设置的意义
随着我国国防科技现代化的建设，电子设备可靠性分析与设计越来越受到国防科技者的重视，航空航天事业的迅速发展，给可靠性事业带来了更好的发展机遇。在可靠性的研究设计中，电子元器件尤其是功率器件可靠性的热设计与热分析作为系统设计不可缺少的部分。在航空航天设备中，功率器件是大多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。功率器件发热量大，温度高，一般仅靠器件外壳散热难以满足器件的温度要求，需要合理安装散热器来辅助散热。传统的方法是根据功率器件的功耗及形状、尺寸大小来选择散热器，并没有考虑散热器的优化设计。本实验课在进行热设计理论研究的基础上，利用散热器优化软件提出了散热器优化设计方案，从工程实用角度出发，根据航空航天设备体积小重量轻的要求，提出了功率器件散热器工程优化思想，即在满足散热要求的前提下综合考虑散热器的体积、重量和成本。以散热器质量为优化目标，达到功率器件与散热器的最优匹配。本实验课以电源系统为研究对象，依托电源系统的设计展开热设计中散热器的优化设计，通过该电源系统的可靠性热设计与热分析，指导同学掌握这方面的学习与研究。
1.2 实验目的
电源系统可靠性热设计与热分析实验以电源系统为依托，对其中最关键的功率器件进行热分析，并对功率器件选用的散热器进行优化设计从而达到功率器件与散热器的最优匹配，再对优化后的散热器进行测试验证和评估，这也为同学今后在走向工作岗位的时候掌握功率器件热设计和散热器优化提供工程实用的方法。
第2章实验原理
2.1 电源系统组成及工作原理
2.1.1 电源系统设计要求
输入电压：220V
电源输出： 2~20V 1A
-2~-20V 1A
+5V 1.5A
电源内阻：<0.1Ω
纹波：<1mV
输出具有短路保护功能，电源系统工作环境温度<50℃。
2.1.2 电源系统组成及工作原理
图2-1电路组成图
如图2-1所示，电路主要由三大部分组成：即变压器，整流滤波电路，稳压电路。
变压器：按照设计要求变压器的输出端共五个抽头，三条输出是双17V，另两条输出为10V输出。
整流滤波电路：整流电路均由整流桥、电解电容、普通电容和电阻组成。
稳压电路：稳压电路采用稳压模块即：LM317、LM337和LM7805，辅助电路采用了大
容量电解电容，有效地滤出了纹波。
1）变压器
变压器在电路中主要用作交流电压变换和阻抗变换，即通过变压器将电路电压或阻抗升高或降低。
电压变换
图2－2所示铁心变压器中，n1为初级线圈，n2为次级线圈。通常我们把接电源的线圈称作初级线圈或原边线圈，把在互感作用下产生感应电势的线圈称作次级线圈或副边线圈，一个变压器一般只有一个初级线圈，但次级线圈可有一个或多个。在图中，
变压器的.初、次级线圈均为一个。如图所示，交流电压v1加在初级线圈，因其匝数为n1，故每匝自感电压
为v1/n1 。 设初、次级耦合很紧，v1产生的交变磁场 图2-2变压器的工作原理
全部穿过次级线圈，那么次级线圈产生的感应电压
1
12n v v =
,n v n /12=,式中2/1n n n =,为变压器的匝数比。由此可见，次级感应电压与初、
次级匝数比成反比关系。当n1>n2时，v2
2）整流滤波电路
交流电压在整流之前电压值及电压方向随着时间做周期变化，整流后的电压值虽然也在做周期变化，但电压（或电流）方向不再变化。所以，通过整流桥，经过整流后的电压（或电流）还是交流电。要得到平稳的直流电压（或电流），还必须经过滤波处理。
整流电路分为单相半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流。本系统设计电路采用的是桥式整流电路。
图2-3（a ）中四只二极管接成一个电桥的形式，叫桥式整流电路。当A 端正、B 端负时（b ），二极管VD 1、VD 3正向导通，VD 2、VD 4反向截止，由于
VD 1、VD 3导通时
管压降很小，可以近似认为截止管VD2、VD4承受的反向电压就是A、B间的电压，即
2E；当A负、B正时(c)，二极管VD2、VD4正向导通，VD1、VD3反向截止，整流电流的方向如图（c）所示。由此可见，桥式整流的输出电压与全波整流完全相同，即V O=0.9E。当在电路输出端接入滤波电容C后，也有与全波整流时同样的充放电曲线，它的整流输出电压也按V O=1.2E估算。
桥式整流的优点是：整流效率高、输出脉动小、二极管承受反向电压小，但所用二极管的数量要多两个。
图2-3 桥式整流电路
平滑滤波
整流解决了交流电的电压（或电流）方向问题，即把方向交变的电压（或电流）源变换为单方向的电压（或电流）源。整流后的电压（或电流）脉动仍然很大，电子仪表是不能承受过大的脉动电压（或电流）的。设计直流稳压电路时，直流输入电压值要考虑输入电压的最低值，也就是说，要按纹波最低点的电压值考虑。因此，整流器后必须
有滤波器，滤波器的任务就是使整流输出电压波形平滑。脉动只能减到足够小，不能完全消除。滤波器的种类有：电容滤波器，电感滤波器，倒L 滤波器，Π型滤波器和有源滤波器（电子滤波器）等。本电路中采用最简单的电容滤波器。
电容滤波器，在晶体管稳压电源中使用非常普遍，用法如下图：
图2-4（a ）电容滤波器 （b ）电容滤波器电路
电容滤波就是在整流输出端并联一个电容。
加电容后，开始工作时，电容上没有电压，经过很短的一瞬间（称为过渡过程）充电，达到一个新的平衡状态，这时电容上的电压在L U 上下波动，平均电压是L U ，值得注意的是整流管不是在整个正半周期内都导通，而只是在输入的交流电压比电容上的电压高过整流管的正向压降时才导通。整流管导通时，整流电流除一小部分供给负载电阻
L R 外，大部分给电容充电。充电电阻很小，只有整流管的正向电阻和变压器次级线圈的导线电阻，用n R 表示这一阻值，通常n R < 电容的充电电流很大，开始充电时更大，此时的电流称为整流管的浪涌电流。为避免浪涌电流对整流管毁坏，电路中还可以添加如图所示的保护电路，将电阻电容串联的支路并联到整流管两端。除此之外，还有其它的保护方法，但不常用。本设计电路中，电压不是很高，整流管有足够的电流余量，浪涌电流没有做专门的设计考虑。 图2-5 整流管的保护电路 3）集成稳压器 目前的稳压电源，其整流滤波电路绝大部分是桥式整流滤波电路，而其稳压电路的形式则是多种多样的，但总的趋势是“集成稳压器取代分离器件组成的稳压器”，究其原因，主要是集成稳压器具有体积小、成本低、使用简单、可靠性高、性能优良等诸多优点。因此，本电路采用了集成稳压器做为稳压电路。 集成稳压器按其工作方式可分为串联型稳压器、并联型稳压器和开关型稳压器三种。串联型是把调整元件串接在不稳定直流输入电压与负载（稳定直流输出电压）之间，通过等效电阻的变化来保持输出电压不变；并联型是把调整元件与负载相关联，通过并联元器件等效电阻的变化来保持输出电压不变；开关型一般是把调整元件接在输入和输出之间，并通过改变自身的开启和关闭时间来保持输出电压的不变。 集成稳压器按外接引脚数目可分为多端稳压器和三端稳压器两种。按其输出电压是否可调又分为固定输出稳压器和可调输出稳压器。本设计电路中使用到的LM317和LM337属于三端可调集成稳压器，LM7805则属于三端固定集成稳压器，固定输出5V 电压。 三端可调正压集成稳压器W117/217/317系列 三端可调稳压器电路典型接法如图2-6所示，改变R2可使输出电压在1.2～37V内连续可调，输出电流可达1.5A。 图2-6 三端可调稳压器电路典型接法 集成稳压器主要电参数注释 一、集成稳压器的技术参数 1. 电压调整率V S 电压调整率是表征稳压器稳压性能优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定度。它表征当输入电压I V 变化时稳压器输出电压O V 的稳定程度，通常以单位输出电压下的输 入和输出电压的相对变化百分比??? ? ??????%100O O I V V V 表示；也有以输出电压和输入相对变 化的百分比???? ?????%100O I V V 表示的（当稳压器负载不变时） 。此外，也有以输出电压变化的绝对值表示的（O V ?，在规定的输出电流变化范围内）。 2. 电流调整率I S 电流调整率是反映稳压器负载能力的一项主要指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，稳压器对负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压波动的抑制能力。在规定的负载电流变化值条件下，通常以单位输出电压变化百分比来表示稳压器 的电流调整率???? ????%100O O V V ，或者是以输出电压变化的绝对值表示（|O V ?|，在规定的 负载电流变化范围内）。 3. 纹波抑制比R S 纹波抑制比反映了稳压器对输入端引入的市电纹波电压的抑制能力。当稳压器的输入和输出条件保持不变时，稳压器的纹波抑制比常以输入的纹波电压峰—峰值之比表示，一般用分贝表示，但也有用百分比表示的。此外，有些说明书上还直接以两者的比值来表示的（即 op ip V V ，其中ip V 和op V 分别代表输入和输出纹波电压峰—峰值）。 4. 输出电压温度系数T S 稳压器的输出电压温度系数又称为输出电压温度变化率。它是指当输入电压和输出电流（负载电流）保持不变时，稳压器输出电压随温度变化而变化的大小。通常以由单 位温度变化所引起的输出电压的相对变化率（百分比）???? ????℃V V O O /%100来表示稳压器 的输出电压温度系数。 5. 输出电压长期稳定性L S 稳压器输出电压长期稳定性表征输出电压值随时间变化的大小（当输入电压、输入电流和环境温度保持不变时）。通常是以在规定的时间内（多以千瓦时计）稳压器输出电压最大变化量来表示[O V ?/千小时，或（%100/??O O V V ）/千瓦时]。 6. 输出噪声电压N V 除了直接以输出端噪声电压N V 的绝对值来表示稳压器的噪声性能以外，还有以稳 压器的输出噪声电压N V 与输出电压O V 的百分比值???? ???%100O N V V 来表征稳压器的噪声性 能。这里需要指出的是，N V 实际上是输出端的噪声电压的均方根值。 7. 热稳定性 有些大功率集成稳压器常以“热稳定性”指标来表征稳压器的热稳定性能。热稳定 性通常以稳压器单位功耗（W ）所引起的输出电压相对变化的百分比值? ??? ????W V V O O /%100来表示。 8. 温度稳定性 集成稳压器的温度稳定性是以在所规定的稳压器工作温度（结温j T ）最大变化范围内（ma x mi n T T T j ≤≤）稳压器输出电压的相对变化的百分比值（ %100??O O V V ，当ma x mi n T T T j ≤≤，其中m in T 和m ax T 分别为稳压器的最低和最高工作温度）来表示。 二、集成稳压器的工作参数 稳压器的工作参数是指稳压器能够工作的工作区域，以及为保证正常工作所必需的工作条件。这些工作参数取决于构成稳压器的元件、器件的性能。工作参数包括输出电 压范围，最大与最小输入与输出电压差，输出负载电流范围，起始工作电压和最小出泄放电流等。对这些参数用户一般不需检测而由制造厂予以保证。 1. 输出电压范围（m ax O V —m in O V ） 输出电压范围的意义是很明显的，那就是在符合稳压器所规定的参数指标条件下，稳压器能够正常工作的输出电压范围。这一参数的上限一般是由稳压器的最大输入电压和最小输入—输出电压差所决定，而下限则由稳压器内部的基准电压值决定。 2. 最大输入—输出电压差()m ax O I V V - 该参数表征在保证稳压器正常工作条件下稳压器所允许的最大输入—输出之间的电压值，其值主要取决与稳压器内部调整晶体管的耐压指标。 3. 最小输入—输出电压差()m in O I V V - 该参数表征在保证稳压器正常工作条件下稳压器所需的最小输入—输出之间的电压差值。实际上该参数反映了稳压器的工作效率。 4. 输出负载电流范围（m in m ax O O I I -） 输出负载电流范围又称为输出电流范围。在这一电流范围内，稳压器应能保证符合参数规范中所给出的指标。 5. 最小输出泄放电流m in O I （或m in L I ） 最小输出泄放电流又称为最小输出负载电流，或最小负载电流，也有人称为最小稳定电流。这是指保证稳压器正常所需要的最小泄放电流（包括取样电流及流经负载的泄放电流）。 6. 起始工作电压in V Im 起始工作电压是指保证稳压器能正常工作的最小输入电压。 三、集成稳压器的极限参数 极限参数是指稳压器能够运用的极限工作条件（以稳压器不遭受损坏为原则）。对极限参数，用户一般也不需要测试，直接由制造厂家予以保证。 1. 最大输入电压ax V Im 最大输入电压是指保证稳压器安全工作的最大输入电压。在测量这以参数时一般是在将稳压器放置在最小输出电压下对其施加规定的最大输入电压，以检测稳压器是否仍能正常工作。 2. 最大输出电流m ax O I （或m ax L I ） m ax O I 是指保证稳压器安全工作允许的最大输出电流（或最大负载电流） 。该参数表征稳压器的负载能力大小，它与最大输入电压一起构成了稳压器内部调整晶体管的安全工作区。 3. 最大静态功耗m ax DQ P 最大静态功耗是指稳压器内部结温达到所规定的最高结温时稳压器所消耗的功率。该参数与稳压器的散热条件和其内部调整晶体管的安全工作区有关。 4. 最大瞬态功耗m ax DT P 最大瞬态功耗m ax DT P 是指稳压器在规定的瞬态时间内能承受的外加最大功率。 2.2 功率器件的降额设计 2.2.1 降额等级划分 降额设计是将元器件进行降额使用，降额使用的器件可延缓和减小其退化，从而提高了器件的可靠性，从而也提高了系统的可靠性。降额设计就是使电子元器件的工作应力适当低于其规定的额定值，从而达到降低基本故障率，保证系统工作的可靠性。电子元器件的故障率对电应力和温度应力比较敏感，因此降额设计在军用电子产品可靠性设计中最常用的方法。 各类电子元器件，都有其最佳的降额范围。此时，工作应力的变化对其失效率有明显的影响，设计上也容易实现，并且在设备体积、重量和成本方面不会付出太大的代价。 在电子元器件的最佳降额范围内，一般可分成三个降额等级： 1）Ⅰ级降额：I 级降额是最大的降额，适用于设备故障将会危及安全，导致任务失败和造成严重经济损失的情况 2）Ⅱ级降额：工作应力减小对元器件可靠性增长有明显效益，适用于设备故障会使工作任务降级，或需支付不合理的维修费用。 3）Ⅲ级降额：Ⅲ级降额是最小的降额，这种降额的可靠性增长效果和所花费的代价相比是最高的。适用于设备故障对工作任务的完成只有小的影响，或可迅速、经济地加以修复。 2.2.2 集成稳压器的降额设计 集成稳压调整器的降额准则如下表所示： 表2-1 集成稳压调整器的降额准则 在本电源系统设计中，通过改变集成稳压器的输出电流，从而达到降额使用。 2.3 电源系统的热设计 电子设备热设计的基本任务是：通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能减少设备内部产生的热量；减少热阻；选择合理的冷却方式。 2.3.1 热设计要求和准则 热设计是利用热的传递特性，通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。电子设备热设计的目的就是要为元器件级、组件级、设备级创造良好的热环境，保证设备在规定的环境条件下按预定功能能够正常可靠工作。因此热设计就是要在充分掌握各种导致热失效的参数的前提下，以较少的冷却代价获得高可靠的电子设备。热设计流程 （一）热设计的要求 1）设计应满足电子设备最高允许的工作温度（含降额要求）和功耗； 2）热设计应满足电子设备预期工作的热环境要求； 3）热设计应满足对冷却系统的限制要求； 4）热设计应符合与其有关的标准、规范规定的要求。 （二）热设计原则 1）通过散热量的大小来控制好温升。 2）选择合理的热传递方式（包括传导、对流、辐射）。除大的发热外，传导冷却可以解决许多电子产品的热设计问题；对中等的发热，对流冷却往往是合适的，辐射传热对航空电子设备的发热不是主要的散热方式。因此应尽量利用传导、对流、辐射等冷却方式，避免电子设备外加冷却装置。 3）功耗、热阻和温度是热设计中的重要参数，温度大小是热设计中有效性的一种量度。 电子设备中将遇到三种热阻：内热阻、外热阻和系统热阻。内热阻是指产生热量的点或区域与器件表面指定点（安装表面）之间的热阻。晶体管和微电路的内阻是指结到外壳间的热阻R jc。外热阻是指器件上任意参考点（安装表面）与换热器间，或与设备、冷却流体或环境交界面之间的整个热阻（由一个或多个传导热阻组成）R jp。系统热阻是指设备外表面与周围空间或换热器与冷却流体间的热阻R T。 4）用到的冷却系统应该有效、简单、重量轻而又经济，并且适用于电子和机电设备以及环境条件的要求。 5）应考虑：尺寸和重量、热耗量、经济性、与失效率对应的元器件最高允许温度、电路布局、热环境、设备的复杂程度等。 6）设计应与电气及机械设计同时开始。 7）应在热设计过程早期阶段对冷却系统进行分析。 8）热设计不得有损于元器件的电性能。 9）最佳热设计与最佳电设计有矛盾时，可以采用折中解决的办法。 10）热设计中常允许出现大的容差。 （三）热设计的基本程序是： 1）首先明确设计条件，如设备的功耗、发热量、容许温升、设备外形尺寸、设备放置的环境条件等； 2）决定设备的冷却方式，并检查是否满足原始条件； 3）分别对元器件、线路、印制电路板和机箱进行热设计； 4）按热设计检查表进行检查，确定是否满足设计要求。 2.3.2 热传递的基本方式及原理 热传递有三种基本方式：导热（热传导）、对流和辐射。 1）热传导 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热（或热传导）。例如，物体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体都是热传导现象。 2）对流 对流是指流动的流体（包括气体和液体）与其相接触的固体表面，具有不同温度时所发生的热量转移过程。 按流体产生流动的原因不同，可分为自然对流和强迫对流。自然对流是由于流体冷热各部分密度不同或者局部加热造成流体中的温差所致；而强迫对流则是由于外力（风机、水泵等）迫使流体进行流动。 3）辐射 物质以电磁波的形式向外发射一种带有能量的粒子过程称为辐射。由于热的原因而产生的电磁波辐射称为热辐射。当温度高于绝对零度，物体会不断将热能变为辐射能， 向外热辐射。同时，物体不断吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能转变为热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。 2.3.3 热设计中冷却方法的选择 电子设备或元器件的冷却方法通常有以下几种： a．自然散热 自然散热也称为自然冷却，它是利用设备中各元件及机壳的自然热传导、自然热对流、自然热辐射来达到冷却的目的。自然散热设计的主要任务是对电子设备的结构进行合理的热设计，将设备内部的热量排到设备的外部，使设备工作在允许的温度范围内。b．强制风冷散热 强制风冷散热是利用风机进行鼓风或抽风，提高设备内空气流动的速度，来达到散热的目的。其散热形式主要是对流散热，冷却介质是空气，主要适用于中、大功率的电子设备。 c．液体冷却 液体冷却是利用效率较高的传热介质水和油等来进行热交换，这种冷却方式多用于大功率设备发射管、功率管及某些大功率的分机或单元。冷却方式有直接冷却和间接冷却。设计直接液体冷却系统时，所选择的冷却液粘度要低，以利于冷却液体的流动。冷却液性能稳定，并具有足够的绝缘性能。机壳有足够的强度、密封性好。元器件的排列要利于冷却液的流动，冷却液不要直接冲向电子元器件。 d．蒸发冷却 蒸发冷却是利用液体在汽化时能吸收大量热量的原理来实现冷却的方法。它是大功率发射机中的发射管的发热部件的主要冷却方法。 e．半导体制冷 半导体制冷是借助于电子（空穴）在运动中直接传输能量来实现制冷。它由热电堆、冷却板、散热器组成。其优点是无机械传动部分，不需致冷剂，操作维护方便，体积小，重量轻，易实现自动调节，但本身需消耗电能。 f．热管散热 热管是一种新型高效传热元件，它是一种细长、中空、两头封闭的金属管，管内壁附着一层浸满（饱和状态）工作液体的毛细物体，利用毛细作用来维持工作液体的循环而实现散热。 按照器件（设备）表面散热功率密度或体积发热功率密度，一般冷却方法优选顺序：自然散热、强制风冷、液体冷却、蒸发冷却。 在本实验电源系统中，集成稳压器是发热量较大的关键器件，对其采用散热器自然冷却方式散热，以保障安全正常的工作。 2.4 功率器件散热器的优化设计 功率器件是电子设备中发热较多的关键器件，一般需采用散热器以保障功率器件能安全正常的工作。以往的工程经验只是单纯从功率器件功耗和尺寸大小的角度，任凭经验粗略选择散热器，没有对散热器进行优化设计，这样做的结果可能导致所选散热器的散热能力过盈或不足。散热器过盈，不但浪费材料、体积过大，而且重量过高这些都不符合航空航天设备重量尽可能轻，体积尽可能小的特殊要求；散热器散热不足，功率器件产生的热量不能及时的与周围环境进行热交换，器件温度过高不但器件可靠性降低，还可能烧毁器件。因此，本实验在热设计理论研究的基础上，提出了功率器件的热设计及散热器优化方案，即用建立热阻网络的方法，根据热阻初选散热器，在所选散热器的基础上，借助Qfin软件对初选散热器进行优化设计。所优化出来的散热器，不但重量较之前的散热器减轻了，而且散热器体积及散热器几何结构更为合理。从而最大限度的满足航空航天设备的要求。 2.4.1 散热器的特性分析 散热器的种类很多，最常见的功率器件散热器是型材散热器，设计中使用的散热器就是这种类型的散热器，该类散热器主要由两部分组成，基座和肋片。其主要几何参数包括肋片长度、肋片厚度、肋片高度、肋片数、基座长度、基座厚度和基座宽度等。热源传递到散热器上的热量，绝大部分是通过肋片传递到周围环境中。在散热器的选用或设计过程中，对基座的考虑主要注意两个方面：基座的强度和基座加工的难度，基座的厚度如果太薄，虽然可以减轻散热器的质量，但太薄的基座不能满足强度的要求，而且还不易于加工。所以，对散热器进行优化，一般不将基座厚度和肋片厚度作为优化变量。选择散热器需要考虑几个方面，即：安装散热器允许的空间、气流流量和散热器的成本等。 散热器热阻除了与散热器材料有关之外，还与散热器的形状、尺寸以及安装方式和环境通风条件有关。所以很难有精确的数学表达式能够用来计算散热器的热阻，而得到 散热器的热阻通常采取的办法是实际测量。 现以一典型型材散热器SRX-YDF为例分析散热器各几何参数对散热器散热性能的影响。这一散热器同时也是本实验电路中初选的散热器。对LM317器件，功耗是2.736W，工作条件是自然冷却，环境温度为25℃。散热器各几何尺寸参数如下表： 表2-2 散热器几何参数 优化后散热器各几何尺寸对散热器性能的影响 在对散热器这一特性进行分析时，我们采取改变散热器某一参数，保证其它参数保持不变的办法，对散热器进行全面的分析，最后再对散热器进行综合优化。 1、散热器肋片数的影响 表2-3 散热器肋片数的影响 图2-7 散热器肋片数的影响 由表2-3和图2-7可以看出，随着肋片数的增加，散热器结温有所降低，但过多的增加散热器肋片数，结温下降得越来越少，而散热器质量迅速的增加，这对我们的设计是不利的。在肋片-最大温度曲线中，散热器肋片数从6增加到8的时候，最大温度反而上升。出现这一原因，是因为散热器肋片数的增加，肋片之间的距离减小，肋片的散热效率减小。肋片之间的热量不能及时的在空气中扩散开，导致散热器结温的升高。所以，散热器肋片不宜过多，如果散热器肋片必须多一些，那必须得保证肋片与肋片之间的距离，便于安装的话，散热器肋片最好分布于基座上下两顶面。 2、散热器基座宽度的影响 表2-4 散热器基座宽度的影响 图2-8 散热器基座宽度的影响 由表2-4和图2-8可知，散热器基座宽度对散热器结温影响比较大，随着散热器基 座宽度增加后，散热器的结温有一个峰值。按常规道理来说，随着散热器宽度的增加，散热器体积增大了，散热器与空气的接触面增大，散热器的温度应该是处于一种减小的趋势。出现这一非常规的情况，这究竟是为什么呢？仔细分析发现，前边已经提到，随着散热器肋片数的增加，散热器的结温有所下降，但下降的速度并不快。当我们散热器宽度是40㎜的时候，散热器中间空隙就占用了31.5㎜六片肋片宽度加在一起是15㎜，也就是说，当散热器宽度小于46.5㎜时，此时的散热器就相当于一个两片肋片的散热器，而且肋片非常的厚，这样的散热器是不合理的。散热器宽度大于50㎜后，随着散热器宽度的增加，结温随之又开始减小。工程上大量的应用表明：在选择散热器时，散热器基座的长宽比最好的值是在1附近，此时散热器的传热性最好。 3、散热器基座长度的影响 表2-5 散热器基座长度的影响 图2-9 散热器基座长度的影响 热重分析实验报告 ————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期： ? 材料与建筑工程学院实验报告 课程名称: 材料物理性能 专业：材料科学与工程 班级: 2013级本科 姓名：张学书 学号: 3 指导老师：谢礼兰老师 贵州师范大学学生实验报告 成绩 实验一：SＴＡ449F3同步热分析仪的结构原理及操作方法 一、实验目的 1、熟悉同步热分析仪的基本原理。 2、了解ＳTA４49 F3型同步热分析仪的构造原理及性能。 3、学习STA4４９ F3型同步热分析仪的操作方法。 二、实验原理 差示扫描量热法(DSＣ)是指在加热的过程中，测量被测物质与参比物之间的能量差与温度之间的关系的一种方法技术。图１-1为功率补偿式DSC仪器示意图: 图１-1 功率补偿式D ＳC 示意图 1.温度程序控制器; 2.气氛控制；３.差热放大器;4.功率补偿放大器;5.记录仪 当试样发生热效应时，譬如放热,试样温度高于参比物温度,放置在它们下面的一组差示热电偶产生温差电势U ΔT ，经差热放大器放大后送入功率补偿放大器,功率补偿放大器自动调节补偿加热丝的电流,使试样下面的电流Ｉｓ减小，参比物下面的电流IR 增大,而Ｉs ＋ＩR 保持恒定。降低试样的温度,增高参比物的温度,使试样和参比物之间的温差ΔT 趋于零。上述热量补偿能及时,迅速完成，使试样和参比物的温度始终维持相同。 设两边的补偿加热丝的电阻值相同,即ＲS ＝RR=Ｒ，补偿电热丝上的电功率为PS=IR 和P Ｒ=IR 。当样品没有热效应时，PS=P Ｒ;当样品存在热效应时,PS 和PR 的差ΔＰ能反映样品放(吸)热的功率： ΔP= PS-PR= ＩR -IR=（I Ｓ+IR)( I Ｓ－IR)Ｒ =(ＩS+IR ） ΔV ＝I ΔＶ? （1） 由于总电流IS+IR 为恒定,所以样品的放（吸）热的功率ΔＰ只和ΔV 成正比, 3 1 2 4 5 差热分析 一、实验目的 1. 用差热仪绘制CuSO4·5H2O等样品的差热图。 2. 了解差热分析仪的工作原理及使用方法。 3. 了解热电偶的测温原理和如何利用热电偶绘制差热图。 二、实验原理 物质在受热或冷却过程中，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随着有焓的改变，因而产生热效应，其表现为物质与环境(样品与参比物)之间有温度差。差热分析就是通过温差测量来确定物质的物理化学性质的一种热分析方法。 差热分析仪的结构如下图所示。它包括带有控温装置的加热炉、放置样品和参比物的坩埚、用以盛放坩埚并使其温度均匀的保持器、测温热电偶、差热信号放大器和信号接收系统(记录仪或微机)。差热图的绘制是通过两支型号相同的热电偶，分别插入样品和参比物中，并将其相同端连接在一起(即并联，见图5-1)。A 两支笔记录的时间—温度(温差)图就称为差热图，或称为热谱图。 图5-1 差热分析原理图 图5-1 典型的差热图从差热图上可清晰地看到差热峰的数目、位置、方向、宽度、高度、对称性以及峰面积等。峰的数目表示物质发生物理化学变化的次数；峰的位置表示物质发生变化的转化温度(如图5-2中T B)；峰的方向表明体系发生热效应的正负性；峰面积说明热效应的大小。相同条件下，峰面积大的表示热效应也大。在相同的测 定条件下，许多物质的热谱图具有特征性：即一定的物质就有一定的差热峰的数目、位置、方向、峰温等，因此，可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的种类、相变温度、热效应等物理化学性质。因此，差热分析广泛应用于化学、化工、冶金、陶瓷、地质和金属材料等领域的科研和生产部门。理论上讲，可通过峰面积的测量对物质进行定量分析。 本实验采用CuSO 4·5H 2O ，CuSO 4·5H 2O 是一种蓝色斜方晶系，在不同温度下，可以逐步失水： CuSO 4·5H 2O CuSO 4·3H 2O CuSO 4·H 2O CuSO 4 （s ） 从反应式看，失去最后一个水分子显得特别困难，说明各水分子之间的结合能力不一样。 四个水分子与铜离子的以配位键结合，第五个水分子以氢键与两个配位水分子和SO 4 2-离子结合。 加热失水时，先失去Cu 2+ 左边的两个非氢键原子，再失去Cu 2+ 右边的两个水分子，最后失去以氢键连接在SO 4 2- 上的水分子。 三、仪器试剂 差热分析仪1套;分析物CuSO 4·5H 2O ；参比物α-Al 2O 3。 四、实验步骤 1、 开启仪器电源开关，将各控制箱开关打开，仪器预热。开启计算机开关。 2、参比物（α-Al 2O 3）可多次重复利用，取干净的坩埚，装入CuSO 4·5H 2O 样品、装满，再次加入CuSO 4·5H 2O 将坩埚填满，备用。 3、抬升炉盖，将上步装好的CuSO 4·5H 2O 样品放入炉中，盖好炉盖。 4、打开计算机软件进行参数设定，横坐标2400S 、纵坐标300℃、升温速率 开关电源实验报告 一开关电源原理 如下图30W开关电源电路图所示，市电先经过由电容CX1和滤波电感LF1A组成的滤波电路后，再经过型号为KBP210的整流桥BD1和C1组成的整流电路，输出直流电。直流电又经过由UC3842和2N60等元器件组成的高频逆变电路后，变成高频的交流电，经高频变压器输出为低电压的高频交流电。高频交流经肖基特二极管SR1060后变为脉动的直流电，最后经滤波电容和滤波电感变为我们想要的直流电输出。 MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。（2）输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。 （3）整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。 1.2功率变换电路 （1）MOS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。（2）常见的原理图： （3）工作原理 R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断。 热分析实验报告 一、实验目的 1、了解STA449C综合热分析仪的原理及仪器装置； 2、学习使用TG-DSC综合热分析方法。 二、实验内容 1、对照仪器了解各步具体的操作及其目的。 2、测定纯Al-TiO2升温过程中的DSC、TG曲线，分析其热效应及其反应机理。 3、运用分析工具标定热分析曲线上的反应起始温度、热焓值等数据。 三、实验设备和材料 STA449C综合热分析仪 四、实验原理 热分析（Thermal Analysis TA）技术是指在程序控温和一定气氛下，测量试样的物理性质随温度或时间变化的一种技术。根据被测量物质的物理性质不同，常见的热分析方法有热重分析(Thermogravimetry TG)、差热分析(Difference Thermal Analysis，DTA)、差示扫描量热分析(Difference Scanning Claorimetry，DSC)等。其内涵有三个方面：①试样要承受程序温控的作用，即以一定的速率等速升（降）温，该试样物质包括原始试样和在测量过程中因化学变化产生的中间产物和最终产物；②选择一种可观测的物理量，如热学的，或光学、力学、电学及磁学等；③观测的物理量随温度而变化。 热分析技术主要用于测量和分析试样物质在温度变化过程中的一些物理变化（如晶型转变、相态转变及吸附等）、化学变化（分解、氧化、还原、脱水反应等）及其力学特性的变化，通过这些变化的研究，可以认识试样物质的内部结构，获得相关的热力学和动力学数据，为材料的进一步研究提供理论依据。 综合热分析，就是在相同的热条件下利用由多个单一的热分析仪组合在一起形成综合热分析仪，见图1，对同一试样同时进行多种热分析的方法。 图1 综合热分析仪器（STA449C） （1）、热重分析( TG)原理 热重法(TG)就是在程序控温下，测量物质的质量随温度变化的关系。采用仪器为日本人本多光太郎于1915年制作了零位型热天平（见图2）。其工作原理如下：在加热过程中如果试样无质量变化，热天平将保持初始的平衡状态，一旦样品中有质量变化时， 1开关电源主电路设计 1.1主电路拓扑结构选择 由于本设计的要求为输入电压176-264 V 交流电，输出为24V 直流电,因此中间需要将输入侧的交流电转换为直流电，考虑采用两级电路。前级电路可以选用含电容滤波的单相不可控整流电路对电能进行转换，后级由隔离型全桥Buck 电路构成。总体要求是先将AC176-264V 整流滤波，然后再经过BUCK 电路稳压到24V 。考虑到变换器最大负输出功率为1000W ，因此需采用功率级较高的Buck 电路类型，且必须保证工作在CCM 工作状态下，因此综合考虑，本文采用全桥隔离型Buck 变换器。其主电路拓扑结构如下图所示： 图1-1 主电路拓扑结构 1.2开关电源电路稳态分析 下面将对全桥隔离型BUCK 变换器进行稳态分析，主要是推导前级输出电压g V 与后级输出电压V 之间的关系，为主电路参数的设计提供参考。将前级输出电压g V 代替前级电路，作为后级电路的输入，且后级BUCK 变换器工作在CCM 模式，BUCK 电路中的变压器可以用等效电路代替。 由于全桥隔离型BUCK 变换器中变压器二次侧存在两个引出端，使得后级BUCK 电路的工作频率等同于前级二倍的工作频率，如图1-1所示。在S T 2的工作时间内，总共可分为四种开关阶段，其具体分析过程如下： 1) 当S DT t <<0时，此时1Q 、4Q 和5D 导通，其等效电路图如图1-2所示。 i () t R v i ‘ 图1-2 在S DT t <<0时等效电路 g nv v =s （1-1） v nv v g -L = （1-2） R v i i /-C = （1-3） 2) 当S S T t DT <<时，此时1Q ~4Q 全部关断，6D 和5D 导通，其等效电路图如图1-3 所示。此时前级输出g V 为0，假设磁化电流为0，则流过6D 和5D 电流相等，均为L i 2 1 。。 i () t R i ‘ 图1-3 在S S T t DT <<时等效电路 0=s v （1-4） v v -L = （1-5） R v i i /-C = （1-6） 3) 当S S T D t T ）（ +1<<时，此时2Q 、3Q 和6D 导通，其等效电路图如图1-2所示。 差热分析DTA 一、实验目的 掌握热分析方法─差热分析法基本原理和分析方法。 了解差热分析和热重分析仪器的基本结构和基本操作。 二、差热分析基本原理 差热分析法（Differential Thermal Analysis，DTA）是在程序控温下测量样品和参比物的温度差与温度（或时间）相互关系的一种技术。 物质在加热或冷却过程中会发生物理或化学变化，同时产生放热或吸热的热效应，从而导致样品温度发生变化。因此差热分析是一种通过热焓变化测量来了解物质相关性质的技术。样品和热惰性的参比物分别放在加热炉中的两个坩埚中，以某一恒定的速率加热时，样品和参比物的温度线性升高；如样品没有产生焓变，则样品与参比物的温度是一致的（假设没有温度滞后），即样品与参比物的温差DT=0；如样品发生吸热变化，样品将从外部环境吸收热量，该过程不可能瞬间完成，样品温度偏离线性升温线，向低温方向移动，样品与参比物的温差DT<0；反之，如样品发生放热变化，由于热量不可能从样品瞬间逸出，样品温度偏离线性升温线，向高温方向变化，温差DT>0。上述温差DT（称为DTA 信号）经检测和放大 以峰形曲线记录下来。经过一个传热过程，样品才会回复到与参比物相同的温度。 在差热分析时，样品和参比物的温度分别是通过热电偶测量的，将两支相同的热电偶同极串联构成差热电偶测定温度差。当样品和参比物温差DT=0，两支热电偶热电势大小相同，方向相反，差热电偶记录的信号为水平线；当温差DT10，差热电偶的电势信号经放大和A/D换，被记录为峰形曲线，通常峰向上为放热，峰向下为吸热。差热曲线直接提供的信息主要有峰的位置、峰的面积、峰的形状和个数，通过它们可以对物质进行定性和定量分析，并研究变化过程的动力学。峰的位置是由导致热效应变化的温度和热效应种类（吸热或放热）决定的,前者体现在峰的起始温度上，后者体现在峰的方向上。不同物质的热性质是不同的，相应的差热曲线上的峰位置、峰个数和形状也不一样，这是差热分析进行定性分析的依据。分析DTA 曲线时通常需要知道样品发生热效应的起始温度，根据国际热分析协会（ICTA）的规定，该起始温度应为峰前缘斜率最大处的切线与外推基线的交线所对应的温度T(如图2)，该温度与其它方法测得的热效应起始温度较一致。DTA峰的峰温Tp虽然比较容易测定，但它既不反映变化速率到达最大值时的温度，也与放热或吸热结束时的温度无关，其物理意义并不明确。此外，峰的面积与 现代电源技术课程实践报告 院系：物理与电气工程学院 班级：电气自动化一班 姓名: 李向伟 学号: 111101007 指导老师:苗风东 一、设计要求 （1）输入电压：AC220±10%V （2）输出电压: 12V （3）输出功率:12W （4）开关频率: 80kHz 二、反激稳压电源的工作原理 图2-1 反激稳压电源的电路图 三、 反激电路主电路设计 (1)(1)Np Vdc Ton Vo Tr Nsm -=+ （3-1） 1. 反激变压器主电路工作原理 反激式变换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱,它特别适合小功率电源以及各种电源适配器.但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽,特别是在低输入电压,满负载条件下变压器会工作在连续电流模式(CCM),而在高输入电压,轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式(DCM);另外关于CCM 模式反激变压器设计的论述文章极少,在大多数开关电源技术书籍的论述中, 反激变压器的设计均按完全能量传递方式(DCM 模式)或临界模式来计算,但这样的设计并未真实反映反激变压器的实际工作情况,变压器的工作状态可能不是最佳.因此结合本人的实际调试经验和心得,讲述一下不完全能量传递方式(CCM) 反激变压器的设计. 1）工作过程： S 开通后，VD 处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加； S 关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD 向输出端释放。 反激电路的工作模式： 反激电路的理想化波形 S u S i S i V D t o t o ff t t t t U i O O O O 反激电路原理图 实验六差热分析草酸钙的热分解过程 一、实验目的 1. 掌握差热分析法的基本原理。 2. 了解热分析仪的结构，掌握仪器的基本操作。 3. 利用差热分析技术研究草酸钙的热分解过程。 二、实验原理 热分析是在程序控制温度下测量物质的物理性质与温度关系的一类技术。程序控制温度一般是指线性升温或线性降温，也包括恒温、循环或非线性升温、降温。物质性质包括质量、温度、热焓变化、尺寸、机械特性、声学特性、电学和磁学特性等等。 在热分析技术中，热重法是指在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术，被测参数为质量（通常为重量），检测装置为“热天平”，热重法测试得到的曲线称为热重曲线（TG）。热重曲线以质量作为纵坐标，可以用重量、总重量减少的百分数、重量剩余百分数或分解分数表示。曲线从上往下表示质量减少，以温度（或时间）作横坐标，从左向右表示温度（或时间）增加，所得到的重量变化对温度的关系曲线则称之为热重曲线。 热重法的主要特点是定量性强，能准确地测量物质质量变化及变化的速率。在正常的情况下，热重曲线的水平部分看作是恒定重量的特征，变化最陡峭的部分，可以给出重量变化的斜率，曲线的形状和解析取决于试验条件的稳定性。热重曲线开始偏离水平部分的温度为反应的起始温度，测量物质的质量是在加热情况下测量试样随温度的变化，如含水和化合物的脱水，无机和有机化合物的热分解。物质在加热过程中与周围气氛的作用，固体或液体物质的升华和蒸发等，都是在加热过程中伴随有重量的变化。 从热重法派生出微商热重法（DTG）和二阶微商法（DDTG），前者是TG 曲线对温度（或时间）的一阶导数，后者是TG 曲线的二阶导数。 差热分析（DTA）是在程序控制温度下，测量物质与参比物之间的温度差与温度函数关系的一种技术，只要被测物质在所用的温度范围内具有热活性，则热效应联系着物理或化学变化，在所记录的差热曲线上呈现一系列的热效应峰，峰 学生实验报告 实验名称差热分析 姓名：学号：实验时间: 2011/5/20 一、实验目的 1、掌握差热分析原理和定性解释差热谱图。 2、用差热仪测定和绘制CuSO4·5H2O等样品的差热图。 二、实验原理 1、差热分析原理 差热分析是测定试样在受热（或冷却）过程中，由于物理变化或化学变化所产生的热效应来研究物质转化及花絮而反应的一种分析方法，简称DTA(Differential Thermal Analysis)。 物质在受热或者冷却过程中个，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸收、脱附等物理或化学变化，因而产生热效应，其表现为体系与环境（样品与参比物之间）有温度差；另有一些物理变化如玻璃化转变，虽无热效应发生但比热同等某些物理性质也会发生改变，此时物质的质量不一定改变，但温度必定会变化。差热分析就是在物质这类性质基础上，基于程序控温下测量样品与参比物的温度差与温度（或时间）相互关系的一种技术。 DTA的工作原理（图1 仪器简易图）是在程序温度控制下恒速升温（或降温）时，通过热偶点极连续测定试样同参比物间的温度差ΔT，从而以ΔT对T 作图得到热谱图曲线（图2 差热曲线示意图），进而通过对其分析处理获取所需信息。 图1 仪器简易图 实验仪器实物图 图2 差热曲线示意图 在进行DTA测试是，试样和参比物分别放在两个样品池内（如简易图所示），加热炉以一定速率升温，若试样没有热反应，则它的温度和参比物温度间温差ΔT=0,差热曲线为一条直线，称为基线；若试样在某温度范围内有吸热（放热）反应，则试样温度将停止（或加快）上升，试样和参比物之间产生温差ΔT，将该信号放大，有计算机进行数据采集处理后形成DTA峰形曲线，根据出峰的温度 及其面积的大小与形状可以进行分析。 差热峰的面积与过程的热效应成正比，即 ΔH。式中，m为样品质量；b、d分别为峰的 起始、终止时刻；ΔT为时间τ内样品与参比物的温差； 开关电源实验报告 一、开关电源电路图及清单 1.1 60W-12V开关电源电路图 图1-1 开关电源电路原理1.2.60W-12V开关电源电清单 二、开关电源介绍 开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED 灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。它是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国 差热分析实验报告 一、实验目的 1、掌握差热分析的基本原理及测量方法 2、学会差热分析仪的操作，并绘制玻璃样品的差热图。 3、掌握差热曲线的处理方法，对实验结果进行分析。 二、实验原理 物质在受热或冷却过程中，当达到某一温度时，往往会发生熔化、凝固、晶型转变、分解、化合、吸附、脱附等物理或化学变化，并伴随着有焓的改变，因而产生热效应，其表现为物质与环境(样品与参比物)之间有温度差。差热分析（Differentiai Thermal Analysis，简称DTA）就是通过温差测量来确定物质的物理化学性质的一种热分析方法。 差热分析仪的结构如下图所示。它包括带有控温装置的加热炉、放置样品和参比物的坩埚、用以盛放坩埚并使其温度均匀的保持器、测温热电偶、差热信号放大器和信号接收系统(记录仪或微机)。差热图的绘制是通过两支型号相同的热电偶，分别插入样品和参比物中，并将其相同端连接在一起（即并联，见图1）。两支笔记录的时间—温度（温差）图就称为差热图（见图2），或称为热谱图。 图1 差热分析原理图 图2 典型的差热图 从差热图上可清晰地看到差热峰的数目、位置、方向、宽度、高度、对称性以及峰面积等。峰的数目表示物质发生物理化学变化的次数；峰的位置表示物质发生变化的转化温度（如图2中T B）；峰的方向表明体系发生热效应的正负性；峰面积说明热效应的大小：相同条件 下，峰面积大的表示热效应也大。在相同的测定条件下，许多物质的热谱图具有特征性：即一定的物质就有一定的差热峰的数目、位置、方向、峰温等，因此，可通过与已知的热谱图的比较来鉴别样品的种类、相变温度、热效应等物理化学性质。因此，差热分析广泛应用于化学、化工、冶金、陶瓷、地质和金属材料等领域的科研和生产部门。理论上讲，可通过峰面积的测量对物质进行定量分析。 三、仪器与试剂 试剂：玻璃粉末，参比物：α-Al2O3，仪器：差热分析仪（HCT-1/2）一台，计算机一台。 四、实验步骤 1、开启仪器电源，预热20分钟 2、装入实验样品 升起加热炉，露出支撑杆（热电偶组件）。将参比物样品与实验样品分别装入陶瓷坩埚中（Al2O3），平稳放置在热电偶板上，双手降下加热炉体。 3、检查冷却循环水 4、检查仪器主机与计算机数据传输线连接情况 5、检查仪器注意气氛控制单元与外接气源连接情况 注意：在使用流动气氛进行实验时应先做一次或二次流动气氛的热重基线漂移实验，通过改变各路进气流量的方法，使热重基线稳定，漂移最小，为正式试验提供最佳的试验条件。同时，还应注意输入气体管路的欲通气体纯净，在正式试验前，让欲通气体流通约25分钟。 6、运行工作站软件，进入新采集设置界面进行参数设定，输入初始温度（25℃）、终止温度（1000℃）、升温速率（10℃/min）等参数。 7、点“采集”按钮后，系统自动执行实验数据采集命令。 8、到达终止温度后，仪器自动停止采集，将数据存盘。 7、利用Origin画出DTA图，并标出热效应的起始和终止温度以及峰顶温度。 五、数据记录和处理 南昌大学实验报告 学生姓名：_______ 学号：_______专业班级:__________ 实验类型：□演示□验证□综合□设计□创新实验日期：2013-04-09实验成绩： 热重分析 一、实验目的 1.了解热重分析法的基本原理和差热分析仪的基本构造； 2.掌握热重分析仪的使用方法； 3.测定硫酸铜晶体试样的差热谱图,并根据所得到的差热谱图,分析样品在加热过程中发生的化学变化。 二、实验原理 热重法（TG）是在程序控制温度的条件下测量物质的质量与温度关系的一种技术。热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。最常用的测量的原理有两种，即变位法和零位法。所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁的倾斜，即所谓零位法。由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。 热重实验仪器主要由记录天平、炉子、程序控温装置、记录仪器和支撑器等几个部分组成，其中最主要的组成部分是记录天平，它基本上与一台优质的分析天平相同，如准确度、重现性、抗震性能、反应性、结构坚固程度以及适应环境温度变化的能力等都有较高的要求。记录天平根据动作方式可以分为两大类：偏转型和指零型，无论哪种方式都是将测量到的重量变化用适当的转换器变成与重量变化成比例的电信号，并可以将得到的连续记录转换成其他方式，如原始数据的微分、积分、对数或者其他函数等，用来对实验的多方面热分析。在上述方法中又以指零型天平中的电化学法适应性更强。发生重量变化时，天平梁发生偏转，梁中心的纽带同时被拉紧，光电检测元件的偏转输出变大，导致吸引线圈中电流的改变。在天平一端悬挂着一根位于吸引线圈中的磁棒，能通过自动调节线圈电流时天平梁保持平衡态，吸引线圈中的电流变化与样品的重量变化成正比，由计算机自动采集数据得到 TG 曲线。燃烧失重速率曲线 DTG 可以通过对曲线的数学分析得到。 热重分析原理如下图所示： 热重分析实验报告 南昌大学实验报告 学生姓名: _______ 学号: _______专业班级:__________ 实验类型:?演示?验证 ?综合?设计?创新实验日期:2013-04-09 实验成绩: 热重分析 一、实验目的 1.了解热重分析法的基本原理和差热分析仪的基本构造; 2.掌握热重分析仪的使用方法; 3.测定硫酸铜晶体试样的差热谱图,并根据所得到的差热谱图,分析样品在加热过程中发生的化学变化。 二、实验原理 热重法(TG)是在程序控制温度的条件下测量物质的质量与温度关系的一种技术。热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。最常用的测量的原理有两种，即变位法和零位法。所谓变位法，是根据天平梁倾斜度与质量变化成比例的关系，用差动变压器等检知倾斜度，并自动记录。零位法是采用差动变压器法、光学法测定天平梁的倾斜度，然后去调整安装在天平系统和磁场中线圈的电流，使线圈转动恢复天平梁的倾斜，即所谓零位法。由于线圈转动所施加的力与质量变化成比例，这个力又与线圈中的电流成比例，因此只需测量并记录电流的变化，便可得到质量变化的曲线。 热重实验仪器主要由记录天平、炉子、程序控温装置、记录仪器和支撑器等几个部分组成，其中最主要的组成部分是记录天平，它基本上与一台优质的分析天平相同，如准确度、重现性、抗震性能、反应性、结构坚固程度以及适应环境温度 变化的能力等都有较高的要求。记录天平根据动作方式可以分为两大类:偏转型和指零型，无论哪种方式都是将测量到的重量变化用适当的转换器变成与重量变化成比例的电信号，并可以将得到的连续记录转换成其他方式，如原始数据的微分、积分、对数或者其他函数等，用来对实验的多方面热分析。在上述方法中又以指零型天平中的电化学法适应性更强。发生重量变化时，天平梁发生偏转，梁中心的纽带同时被拉紧，光电检测元件的偏转输出变大，导致吸引线圈中电流的改变。在天平一端悬挂着一根位于吸引线圈中的磁棒，能通过自动调节线圈电流时天平梁保持平衡态，吸引线圈中的电流变化与样品的重量变化成正比，由计算机自动采集数据得到 TG 曲线。燃烧失重速率曲线 DTG 可以通过对曲线的数学分析得到。 热重分析原理如下图所示: 三、实验仪器及试剂 HCT-2 型 TG-DTA 综合热分析仪、镊子、五水硫酸铜晶体等 四、实验步骤 1、打开炉子，将左右两个陶瓷杆放入瓷坩埚容器，关好炉子在操作界面上调零。 2、将坩埚放在天平上称量，记下数值P1,然后将测试样放入已称坩埚中称量，记下试样的初始质量。 3、将称好的样品坩埚放入加热炉中吊盘内。 4、调整炉温，选择好升温速率。 5、开启冷却水，通入惰性气体。 6、启动电炉电源，使电源按给定的速率升温。 7、观察测温表，每隔一定时间开启天平一次，读取并记录质量数值。 8、测试完毕，切断电源，待温度降低至100摄氏度时切断冷却水。 五、实验结果及数据处理 材料分析与表征方法实验报告 热重分析实验报告 一、实验目的 1.了解热重分析法的基本原理和差热分析仪的基本构造。 2.掌握热重分析仪的使用方法。 二、实验原理 热重分析指温度在程序控制时，测量物质质量与温度之间的关系的技术。热重分析所用的仪器是热天平，它的基本原理是，样品重量变化所引起的天平位移量转化成电磁量，这个微小的电量经过放大器放大后，送入记录仪记录；而电量的大小正比于样品的重量变化量。当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。 三、实验原料 一水草酸钙CaC2O4·H2O 四、实验仪器 美国TA公司TGA55 升温与降温速率（K/min）0.1-100℃/min 天平灵敏度（μg）0.1μg 温度范围（°C）室温-1000℃ 五、操作条件 第一组：10℃／min空气条件下和20℃／min空气条件下，对TG和DTG 曲线进行对比。 第二组：10℃／min空气条件下和10℃／min氮气条件下，对DSC进行对比。 第三组：10℃／min氮气条件下，得到TG、DTG、DSC曲线。 六、结果与讨论 含有一个结晶水的草酸钙(242CaC.OHO)在100℃以前没有失重现象,其热重曲线呈水平状,为TG曲线的第一个平台。DTG曲线在0刻度。 在100℃和200℃之间失重并出现第二个平台。DTG曲线先升后降，在108.4℃达到最大值，即失重速率的最大值。DSC曲线先降后升，在188.4℃达到最小值，即热功率的最小值。这一步的失重量占试样总质量的12.47%，相当于每mo CaC2O4·H2O失掉1mol H2O,其热分解反应为： CaC2O4·H2O CaC2O4 + H2O 在400℃和500℃之间失重并开始呈现第三个平台,DTG曲线先升后降，在 差热分析 近代物理实验 一.实验目的 1?掌握差热分析的基本原理及测量方法。 2?学会差热分析仪的操作，并绘制CuSO4 5H2O等样品的差热图。 3?掌握差热曲线的处理方法，对实验结果进行分析。 二.实验原理 1、差热分析基本原理 物质在加热或冷却过程中，当达到特定温度时，会产生物理或化学变化，同时产生吸热和放热 的现象，反映了物质系统的焓发生了变化。在升温或降温时发生的相变过程，是一种物理变化，一般来说由固相转变为液相或气相的过程是吸热过程，而其相反的相变过程则为放热过程。在各种化学变化中，失水、还原、分解等反应一般为吸热过程，而水化、氧化和化合等反应则为放热过程。差热分析利用这一特点，通过对温差和相应的特征温度进行分析，可以鉴别物质或研究有关的转化温度、热效应等物理化学性质，由差热图谱的特征还可以用以鉴别样品的种类，计算某些反应的活化能和反应级数等。 在差热分析中，为反映微小的温差变化，用的是温差热电偶。在作差热鉴定时，是将与参比物 等量、等粒级的粉末状样品，分放在两个坩埚内，坩埚的底部各与温差热电偶的两个焊接点接触，与两坩埚的等距离等高处，装有测量加热炉温度的测温热电偶，它们的各自两端都分别接人记录仪的回路中在等速升温过程中，温度和时间是线性关系，即升温的速度变化比较稳定，便于准确地确定样品反应变化时的温度。样品在某一升温区没有任何变化，即也不吸热、也不放热，在温差热电偶的两个焊接点上不产生温差，在差热记录图谱上是一条直线，已叫基线。如果在某一温度区间样 品产生热效应，在温差热电偶的两个焊接点上就产生了温差，从而在温差热电偶两端就产生热电势差，经过信号放大进入记录仪中推动记录装置偏离基线而移动，反应完了又回到基线。吸热和放热效应所产生的热电势的方向是相反的，所以反映在差热曲线图谱上分别在基线的两侧，这个热电势的大小，除了正比于样品的数量外，还与物质本身的性质有关。 将在实验温区内呈热稳定的已知物质与试样一起放入一个加热系统中，并以线性程序温度对它们加热。如以AI2O3为参比物，它在整个试验温度内不发生任何物理化学变化，因而不产生任何热 四川教育学院应用电子设计报告 课程名称：Protel99 电路设计系部：物理与电子技术系专业班级：应用电子技术0901 学生姓名：x x x 学号： 指导教师： 完成时间： 开关电源电路设计报告 一. 设计要求： 直流稳定电源主要包括线性稳定电源和开关型稳定电源，由于开关稳压电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠，适用性强，故选择设计可调开关稳压电源，其具体设计要求如下： （1）．所选元器件和电路必须达到在一定范围内输出电压连续可调，输出电压U0=+6V —— +9V连续可调，输出额定电流为500mA； （2）．输出电压应能够适应所带负载的启动性能,且输出电压短路时，对各元器件不会产生影响； （3）．电路还必须简单可靠，有过流保护电路，能够输出足够大的电流。 二.方案选择及电路的工作原理 方案一： 首先用一个桥式整流电路将输入的交流电压变成直流电压，然后经过电容滤波，然后在经过一个NPN型三级管Q1调整管，最后整过电路形成一个通路，达到最终的效果。 方案二： 开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）兼有场效 应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件[6]。IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几μs至几十μs。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。 为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。 在短路电流出现时，为了避免关断电流的过大形成过电压，导致IGBT 锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。 在设计降栅压保护电路时，要正确选择降栅压幅度和速度，如果降栅压幅度大（比如7.5V），降栅压速度不要太快，一般可采用2μs下降时间的软降栅压，由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断；如果降栅压幅度较小（比如5V以下），降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。 为了使电源在短路故障状态不中断工作，又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，采用降栅压保护即可不必在一次短路保护立即封锁电路，而使工作频率降低（比如1Hz左右），形成间歇“打嗝”的保护方法，故障消除后即恢复正常工作。下面是几种IGBT短路保护的实用电路及工作原理。 利用IGBT的Vce设计过流保护电路 综合热分析法测定草酸钙 【实验目的】 （1）掌握热重-差热分析原理和ZCT-A型综合热分析仪的操作方法，了解其应用范围。 （2）对草酸钙进行热重及差热分析，测量化学分解反应过程中的分解温度。 （3）测量物质在加热过程中所发生的物理化学变化，绘制相应曲线，从而研究材料的反应过程。 【实验原理】 热分析是物理化学分析的基本方法之一。综合热分析研究物质在加热过程中发生相变或其他物理化学变化时所伴随的能量、质量和体积等一系列的变化，可以确定其变化的实质或鉴定矿物。热分析技术种类很多，比较常用的方法有（1）差热法（DTA），（2）热重法（TG）[包括微分热重（DTG）]，（3）差示扫描量热法（DSC）。 （1）热重分析 热重分析是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术。热重法实验得到的曲线称为热重（TG）曲线。TG曲线以温度作横坐标，以试样的失重作纵坐标，显示试样的绝对质量随温度的恒定升高而发生的一系列变化。这些变化表征了试样在不同温度范围内发生的挥发组分的挥发，以及在不同温度范围内发生的分解产物的挥发。如图1、图2 CaC2O4·H2O的热重曲线，有三个非常明显的失重阶段。第一个阶段表示水分子的失去，第二个阶段表示CaC2O4分解为CaCO3，第三个阶段表示CaCO3分解为CaO。当然，CaC2O4·H2O的热失重比较典型，在实际上许多物质的热重曲线很可能是无法如次明了地区分为各个阶段的，甚至会成为一条连续变化地曲线。这时，测定曲线在各个温度范围内的变化速率就显得格外重要，它是热重曲线的一阶导数，称为微分热重曲线[图1也现示出了CaC2O4·H2O的微分热重曲线（DTG）]。微分热重曲线能很好地显示这些速率地变化。 第十届TI杯电子设计竞赛培训实 习报告 日8月7年2012 1.开关稳压电源 1.1工频变压器 工频变压器作为本电源降低电压的核心。它把有效值为220V的交流市电降低为20V的交流电压。为后级稳压环节输入一个低的直流电压做了准备。 1.2整流滤波 本电源整流采用4安的集成整流桥堆。前级滤波采用三个电容进行。如图1示，分别为C12，C14，C15。C14是一个1000uF的铝电解电容，它可以很好地滤除低频脉动成分，使整流输出波形变得很平滑。电容的高频小信号模型为电感、电容、电阻的串联。铝电解电容，由于其内部结构决定了它的高频等效电感比较大。再加之铝电解电容的容值比较大，这就导致它的自身谐振频率比较低。这样它可以很好地滤除低频杂波成分，但是对于高频杂波成分，它的滤除效果不是很好。这就需要给他并联一个0.1uF的瓷片电容C15，这样滤波器的带宽就会大大提高，可以滤除掉更多的杂波成分。C12是作为LM2576的输入滤波的，以保证输入LM2576的交流杂波成分更小。 1.3稳压 本电源稳压环节采用LM2576开关降压（Buck）型集成稳压芯片。其内部集成了52KHz的振荡器，功率管，PWM调制器和反馈环路。LM2576输出最大电流可以保证3A，输入最大电压40V。D4是一个肖特基二极管，型号为MBR20200。它是作为Buck电路的续流二极管使用的。电感L2是一个用铁粉磁环绕制的100uH 的大功率电感，它是Buck电路的储能电感。L2和C13共同组成了一个LC滤波器。R12，R10是一个电阻串联分压网络。LM2576的4脚在分压网络分压点采集电压反馈给其内部误差放大器，控制PWM调制器改变PWM波的脉宽，从而控制功 南京大学物理系实验报告 题目实验10.7 差热分析 姓名吕寿亭 2016年3月24日学号 131120180 摘要 本实验报告阐述了差热分析实验的基本原理、实验及数据处理方法：以三氧 化二铝（Al 2O 3 ）作为参照物,分别测量了五水合硫酸铜（CuSO 4 ?5H 2 O）和锡（Sn） 样品的差热曲线并对其进行了分析，最后对实验结果进行了讨论。 关键词：差热曲线三氧化二铝锡五水合硫酸铜 一、引言 差热分析是在程序控制下测量物质和参比物之间的温度差与温度(或时间)关系的一种技术。描述这种关系的曲线称为差热曲线或DTA曲线。由于试样和参比物之间的温度差主要取决于试样的温度变化，因此就其本质来说，差热分析是一种主要与焓变测定有关并借此了解物质有关性质的技术。 二、实验目的 1、了解差热分析的基本原理和实验基本步骤。 2、测量五水硫酸铜和锡的差热曲线,并简单计算曲线峰的面积。 三、实验原理 3.1 差热曲线的形成及差热分析的一般特点 物质在加热或冷却过程中会发生物理变化或化学变化，与此同时，往往还伴随吸热或放热现象。伴随热效应的变化，有晶型转变、沸腾、升华、蒸发、熔融等物理变化，以及氧化还原、分解、脱水和离解等化学变化。另有一些物理变化，虽无热效应发生但比热容等某些物理性质也会发生改变，这类变化如玻璃化转变等。物质发生焓变时质量不一定改变，但温度是必定会变化的。差热分析正是在物质这类性质基础上建立的一种技术。 若将在实验温区内呈热稳定的已知物质(参比物)和试样一起放入加热系统中（图1），并以线性程序温度对它们加热。在试样没有发生吸热或放热变化且与程序温度间不存在温度滞后时，试样和参比物的温度与线性程序温度是一致的。 一、实验目的 1.了解热分析法的种类、仪器装置及使用方法。 2.掌握几种热分析法的基本原理、测试技术及影响测量准确性的因素。 3.掌握热分析法在聚合物结晶中的分析原理，并能对实验结果做出解释。 二、方法简介： 1. 热重分析法 热重分析法（ TG ）是在程序温度控制下，测量物质的质量随温度变化的一种实验技术。一般有静态法和动态法两种类型：静态法是在恒温下测定物质质量变化与温度的关系，将试样在各给定温度加热至恒重，该法用来研究固相物质热分解的反应速率和测定反应速度常数。动态法是在程序升温下测定物质质量变化与温度的关系，采用连续升温连续称重的方式。 由热重分析记录的质量变化对温度的关系曲线称为热重曲线（ TG 曲线）。 曲线横坐标为温度，纵坐标为质量，如热分解反应 A(s) → B(s)+ C(g) 的热重 曲线如图 1 所示。图中 T i 为起始温度，即累积质量变化达到热天平可检测的温度； Tf 为终止温度，即累积质量变化达到最大值时的温度；热重曲线上质量基本不变的部分称为基线或平台。若试样初始质量为 W0 ，失重后试样质量为 W1 ，测失重百分数为 2.差示扫描量热法（DSC） DSC的技术方法是按照程序改变温度，使试样与标样之间的温度差为零。测量两者单位时间的热能输入差。就是说，使物转移过程中的温度和热量能够加以定量物质在加热过程中会在某温度下发生分解、脱水、氧化、还原和升华等一系 列的物理化学变化而出现质量变化，发生质量变化的温度及质量变化百分数随物 质的结构和组成而异，因此可以利用物质的热重曲线来研究物质的热变化过程，推测反应机理及产物。 将实验以一定的升温速度加热至熔点以上，恒温一定时间，以充分消除试样的热历史，然后，迅速降温至测试温度进行等温结晶。由于结晶时放出结晶潜热，所以出现一个放热峰，见图。基线开始向放热方向偏离时，作为开始结晶的时间（t0），重新回到基线时，作为结晶结束的时间（t＝t∞），则t时刻的结晶程度为 式中 xt、x∞是结晶时间为t及无限大时非晶态转变为晶态的分数；At、A∞为0～t时间及0～∞时间DSC曲线所包含的面积。热重分析实验报告
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