電力電子技術課程設計電子調光電路的設計

1、電力電子技術課程設計說明書 電子調光電路 系 、 部： 電氣與信息工程系 學生姓名： 蔡 俊 指導教師： 職稱 講師 專 業(yè)： 自動化 班 級： 自本0801 學 號： 完成時間： 2011-6-1 電力電子技術課程設計任務書系：電氣與信息工程系 年級：大三 專業(yè)： 自動化 指導教師姓名學生姓名蔡俊課題名稱電子調光電路的設計內容及任務一、 設計任務和要求訓練學生綜合運用學過的變流電路原理的基礎知識，獨立進行查找資料、選擇方案、設計電路、撰寫報告，進一步加深對變流電路基本理論的理解，提高運用基本技能的能力，為今后的學習和工作打下堅實的基礎。二、設計內容制作一個電子調光電路，通過對電路上旋鈕的調節(jié)

2、，來調節(jié)燈泡亮度的目的,燈泡功率為30w，可調范圍為20w30w。三、技術指標在燈泡額定電壓范圍內對燈泡亮度進行調節(jié)，最大亮度時，此時的功率的額定功率，電壓為額定電壓。功率能夠向下調節(jié)10w。進度安排起止日期設計內容5.17根據(jù)設計要求設計電路5.18-5.21對電路中元件進行參數(shù)設置5.22對元件參數(shù)進行驗證5.23-5.27原理圖的繪制5.28整理文檔主要參考資料王兆安.電力電子技術.第五版北京：機械工業(yè)出版社，2009.5答辯成績指導教師評閱意見目 錄1 緒論11.1 晶體管的發(fā)展11.2 電子調光電路的作用21.3 電子調光電路對大學生的意義21.4 設計思路22 設計目的及設計要求與

3、設計指標32.1 設計目的32.2 設計要求和技術指標33 理論分析43.1 電子調光電路原理43.2 電子調光電路功能框圖53.3 方案的選擇73.4 理論分析74 設計內容84.1 電子調光電路原理框圖84.2 單元電路的設計94.2.1 電源變壓器94.2.2 整流電路104.2.3 濾波電路124.2.4 斬波電路的設計124.2.5 電路設計圖134.3 電路的仿真174.4 電子調光電路的性能指標185 心得體會19參考文獻20附錄a 元件清單211 緒論1.1 晶閘管的發(fā)展晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術的史前期或黎明期。1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進行控制，

4、并應用于通信和無線電，從而開啟了電子技術用于電力領域的先河。20世紀30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經發(fā)展成熟并廣為應用。在這一時期，也應用直流發(fā)電機組來變流.。1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術的一場革命晶閘管是一種半控型器件，晶閘閘管是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（scr）。1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產品，并于1958年將其商業(yè)化； 晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋

5、轉變流機組，并且其應用范圍也迅速擴大。電力電子技術的概念和基礎就是由于晶閘管及晶閘管變流技術的發(fā)展而確立的，從而開辟了電力電子技術發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代，其標志就是以晶閘管為代表的電力半導體器件的廣泛應用，有人稱之為繼晶體管發(fā)明和應用之后的又一次電子技術革命。自20世紀80年代以來，晶閘管的地位開始被各種性能更好的全控型器件所取代，但是由于性所能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子技術器件是最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管這個名稱往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管。但從廣義上講，晶閘管還包括許多類型的派生器件。1.2 電子調光電路的作用電子調光

6、電路應用非常廣泛，尤其是一般市售臺燈調光電路上?；径疾捎秒娮邮降恼{光電路，有的高檔臺燈能實現(xiàn)無級調光，普通臺燈則是有級調光，可見電子調光在一些燈具上面用途是非常廣泛的。給我們的生活帶來了方便。由此可見電子調光的電路的商業(yè)潛在價值也是很大的。1.3 電子調光電路對大學生的意義 作為大學生的我們，在很多制作過程之中很多東西都需要用一些特定的調壓電路作為驅動裝置。因此，電子調光電路對我們而言都是一個非常常見而且必需的電路，以故自己便選擇制作電子調光電路。而且，在我們剛接觸的課程設計之中，電子調光電路的制作相對簡單些，也為我們以后制作實物做個鋪墊。同時，也為我們今后制作培養(yǎng)興趣，不至于很討厭甚至于害

7、怕。1.4 設計思路市電一般是220v交流電，但是電子調光電路中選用的是低電壓直流燈泡，故此電路中需要變壓器和整流電路，另外需要控制燈泡的亮度，所以需要一個控制電路，從而對輸出電壓占空比進行調節(jié)，這里還需一個斬波電路，從而來控制燈泡亮度。電子調光電路課程設計綜合了電子電子技術中的許多理論知識，它使理論知識得到了更好的鞏固，并使理論知識與實際問題相聯(lián)系。其中主要用到的基礎知識有升降壓斬波電路和整流電路的工作原理和應用，晶閘管的應用，濾波電容的分析方法和應用等。在設計的過程中還涉及到了應用protel99制作原理圖一些基礎知識。對于綜合運用所學過的知識有一定的幫助。本課程設計的編寫是以實驗研究為主

8、線，以科學實驗研究所運用的實驗技術為主要內容，按照實驗是什么，為什么，干什么，怎么干的邏輯思維體系和實驗的構成要素（主體，手段，對象和目的）為教材內容展開。在加強學生基礎理論學習的同時，還要加強實驗技術的訓練。實踐動手能力和課堂理論知識是相輔相成的。將理論知識、課題內容的作業(yè)、討論與技能訓練相結合，融為一體，使能力培養(yǎng)貫穿于整個教學過程 。通過本課題的設計，培養(yǎng)學生掌握電子技術的科學實驗規(guī)律，實驗技術，測量技術等實驗研究方法，使其具有獨立實驗研究的能力，以便在未來的工作中開拓創(chuàng)新。2 設計目的及其設計要求與技術指標2.1 設計目的1）學習電子調光電路的設計方法；2）研究電子調光電路的設計方案；

9、3）掌握sg2535升降壓斬波電路結構和工作原理，參數(shù)設定方法；2.2 設計要求和技術指標1）技術指標：在燈泡額定電壓范圍內對燈泡亮度進行調節(jié)，最大亮度時，此時的功率的額定功率，電壓為額定電壓。功率能夠向下調節(jié)10w。2）設計基本要求：a) 設計一個能進行調光的電子調光電路；b) 擬定設計步驟和測試方案； c) 根據(jù)設計要求和技術指標設計好電路，選好元件及參數(shù)；d) 要求繪出原理圖；e) 觀察最大亮度時燈泡的功率；f) 測量電子調光電路的輸出電壓穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓；3 理論分析31 電子調光電路原理電子調光電路主要由變壓器,濾波電路,升降壓斬波電路構成，采用不同的控制電路和斬波電路可以設計出不

10、同的設計方案。其原理圖大致可以以如下圖來表示：圖31 電子調光電路的功能框圖3.2 電子調光電路功能框圖原理可用四個過程來表示：1） 變壓過程：為了得到輸出電壓的額定范圍, 此過程主要是由變壓器來完成。所以,變壓器的主要作用是將電網(wǎng)電壓轉為所需的交流電壓,同時還可以起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用。根據(jù)電壓器的原副級的電壓比的原理公式有 ： v1:v2=n:1 （321）其中，v1為電源的輸入端輸入的交流電壓，v2為變壓后的變壓器的輸出端的輸出電壓，n為變壓器原副級線圈匝數(shù)比。此過程本實驗采用n=4,故v1:v2=4:12） 整流過程：整流電路的任務是將交流電變換成直流電。本過程主要是利用二極管的

11、單向導電性實現(xiàn)的，一次二極管是本過程的關鍵元件。根據(jù)二極管的數(shù)量及連接方式可以形成以下幾種電路：單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本實驗為了使整理效果更佳采用電橋全波整流連接方式。本過程主要是用這集成整流橋實現(xiàn)。3） 濾波過程:濾波電路用于濾去整流輸出電壓的紋波，一般由電抗元件組成，濾波電路可分為電容濾波電路和電壓電路。由于電抗元件具有儲能作用，并聯(lián)的電容器c在電源供給的電壓升高時，能將部分能量儲存起來，當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，即電容c具有平波作用,l也有平波作用,原理和電容相同。本試驗將采用并聯(lián)電容的方式來做濾波電路。根據(jù)以上理論分析及實驗設計要求，可設計電

12、路圖如圖32所示。圖32 電子調光電路主電路和控制電路protel原理圖3.3 方案的選擇 根據(jù)電子調光電路的構造，在設計電子調光電路時各組成部分有多種方案可以選擇，但考慮各個方面，只有一個最優(yōu)方案。整流電路的選擇：整流電路主要有單相半波、全波、橋式和位壓整流電路，考慮到成本已及性能等原因，在這里選用單相橋式整流。四個二極管集成在一個模塊上。濾波電路的選擇方案一：電容濾波的原理：電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓uc=q/c。在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量

13、越小，也就“濾除”了交流分量從濾波效果看，濾波電容c容量大些好，但太大將使電源體積增大，成本提高。通常都選用電解電容方案二：電感濾波電路利用電感器兩端的電流不能突變的特點，把電感器與負載串聯(lián)起來，以達到使輸出電流平滑的目的。從能量的觀點看，電感器l把能量存儲起來；而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流平滑，所以電感l(wèi)有平波作用,它的優(yōu)點是整流二極管的導電角大，峰值電流小，輸出特性較平坦。缺點是存在鐵心，笨重、體積大，易引起電磁干擾,一般只適應于低電壓、大電流的場合,故在這里選用電容濾波。斬波電路的選擇方案一：升壓斬波電路升壓斬波電路使用一個全控型器件、一個電感、電容和二極管，控制性能較好

14、，但要求電容和電感值較大，而且效率較低，電壓可調范圍較小，電壓只能向上調節(jié)。因此在本實驗中此方案不適合。方案二：降壓斬波電路降壓電路最大的優(yōu)點是電路簡單，使用器件很少，故電路的可靠性很高。但是降壓斬波電路效率也較低而且在有些情況下會出現(xiàn)負載斷流的情況。而且電壓只能向下調節(jié)，因此在本實驗中此方案不適合。方案三：升降壓斬波電路升降壓斬波電路使用的器件不多，電路比較簡單，而且電壓利用率比一般電路稍高，電壓能夠上下調節(jié)，電路的損耗主要集中在二極管和可控開關上面，在實際中二極管和可控開關損耗很小。因此在本實驗采用此方案。方案四：cuk斬波電路此三種電路調節(jié)性好，電壓能夠實現(xiàn)上下調節(jié)，而且電壓利用率較高，

15、但是和升降壓電路相比，使用的器件更多，這無疑會增加設計成本?？刂齐娐返倪x擇：在電子調光電路中采用的是由芯片sg3525組成的控制電路，由于這種芯片功耗較低，性能穩(wěn)定，且價格相對便宜，使用方便，而且對芯片的部分數(shù)據(jù)已測得。所以選用sg3525芯片。電路是負載采用的是額定功率為30w的燈泡。3.4 理論分析任務書要求輸入220v的交流電，負載為額定功率為30w的燈泡，則首先應該進行降壓處理，然后要對降壓后的交流電進行整流，再其次是對含有交流成分的脈動直流電進行濾波處理，然后對直流點進行最后的變流處理，最后通過控制電路對電路占空比進行調節(jié)。電源的原理可以分為以下四個階段：降壓、整流、濾波、變流。（一

16、）降壓的過程，直接選用實物降壓器進行降壓，并且要根據(jù)電路中所需的合適電壓適當選擇降壓器，具體情況根據(jù)實際需求而定。在此次我們選用的是55v變壓器。（二）整流過程，自然而然選擇了優(yōu)點突出的橋式整流電路，在此采用整流橋，連接方法此不做說明，在以后的原理圖中將做詳細的說明。 （三）濾波過程，我用電容濾波電路來實現(xiàn)，它的方法是在橋式整流電路輸出端并聯(lián)一個較大的電容c來構成一個電容濾波電路。（四）變流電路，在此選擇了升降壓斬波電路，主要由可控開關和控制電路組成，控制電路則是由sg3525構成的脈沖觸發(fā)器。另外，由于220v交流電經過4：1的變壓器變壓后電壓仍然較大，為55v左右，超出人體能夠承受的電壓3

17、6v，故在操作時應注意安全。4 設計內容4.1 電子調光電路原理框圖電子調光電路一般由電源變壓器t、整流濾波電路及斬波電路所組成，基本框圖如圖4-1所示。各部分的作用：圖4-1 直流穩(wěn)壓電源基本框圖(1)變壓器:一般的電子設備所需的直流電壓與交流電網(wǎng)提供的220v電壓相差較大,為了得到輸出電壓的額定范圍,就需要將電網(wǎng)轉換到合適的數(shù)值。此次課程設計本人選擇了原副線圈比為4：1的變壓器，使得輸出電壓約為55v。所以,變壓器的主要作用是將電網(wǎng)電壓轉為所需的交流電壓,同時還可以起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用，有效地避免了因為直接接觸高電壓而造成的傷害。(2)整流電路:利用單向導電器件二極管將交流電壓轉換

18、成脈動的直流電壓，本次設計采用整流橋2cw10，整流橋將交流電轉換為比較穩(wěn)定的直流電壓，達到一個初步將交流電轉換為直流電的效果。(3)濾波電路: 利用儲能元件電容把脈動直流電轉換成比較平坦的直流電。此次設計用了2200uf電容一個，以此獲得相對平坦的直流電。4.2 單元電路設計4.2.1 電源變壓器電源變壓器有很多種：有降壓的、有升壓的，在這次的設計中選用的是降壓變壓器，它的作用是將來自電網(wǎng)的220v交流電壓u1變?yōu)檎麟娐匪枰慕涣麟妷簎2。變壓器副邊與原邊的功率比為 = p2/ p1 (4-2-1) (4-2-2) 其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1

19、所示：表1 小型變壓器的效率副邊功率效率0.60.70.80.85 因此，當算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓，確定電源變壓器副邊電壓u2的有效值u2；根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流i0max，確定流過電源變壓器副邊的電流i2和電源變壓器副邊的功率p2；變壓器的副邊的輸出電壓v2與穩(wěn)壓器輸入電壓vi的關系vi=（1.11.2）v2的關系。v2的值不能取大，v2越大，穩(wěn)壓器的壓差越大，功耗也就越大。一般取v2vimax/1.1，i2iomax。取v2=55v。變壓器副邊電流： ，取，則變壓器副邊輸出功率，由表1知變壓器的效率，所以變壓器原邊輸入功率，為留有余地，選用功

20、率為45w的變壓器。本實驗電壓源輸出為55v。4.2.2 整流電路整流電路將交流電壓ui變換成脈動的直流電壓。完成這一任務主要是靠二極管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率整流電路中（1kw以下），常用的整流電路有全波整流（圖4-2-1）、橋式整流(圖4-2-2)等。這里采用單相橋式整流電路，采用2cw10整流橋。圖4-2-1 全波整流電路 圖4-2-2 橋式整流電路. 整流元件參數(shù)的計算負載中的平均值vl vl=0.9v2 (4-2-1)每只整流二極管承受的最大反向電壓vrm vrm=v2 (4-2-2)通過每只二極管的平均電流id id=0.5il=0.45v2/r

21、l (4-2-3)4.2.3 濾波電路從上面的分析可以看出，整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分，與所要求的波形相去甚遠。所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。濾波電路常有電容濾波。電容濾波的原理：電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓uc=q/c。在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量。確定整流二極管的正向平均電流id、整流二極管的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù)，選擇整流二極管和濾波電容 圖4-

22、2-3 電容濾波電路 v1 v2 圖4-2-4 示波器所示電容濾波電路部分波形圖4-2-3和圖圖4-2-4分別是橋式整流電容濾波電路和它的部分波形。這里假設t0時，電容器c已經充電到交流電壓v2的最大值（如波形圖所示）。由于電容的儲能作用，使得輸出波形比較平滑，脈動成分降低輸出電壓的平均值增大。當c值一定,rl=時,vlo=1.4v2 (4-2-4)當c=0時,即無電容時,vlo=0.9v2 (4-2-5)由于電容的儲能作用，使得輸出波形比較平滑，脈動成分降低輸出電壓的平均值增大。電容放電的時間=rlc越大,放電過程越慢，輸出電壓中脈動（紋波）成分越少，濾波效果越好。一般?。?5）t/2，t為

23、電源交流電壓的周期。由于，。而整流二極管1n4001的極限參數(shù)為，額定工作電流。滿足要求，所以整流二極管選用1n4001。根據(jù)公式 sv=（vo/vo）/（vi/vi） (4-2-6) (4-2-7)濾波電容： (4-2-6)把參數(shù)ui，vop-p和sr代入式中，求出c。從濾波效果看，濾波電容c容量大些好，但太大將使電源體積增大，成本提高。通常都選用電解電容，所以選用2200uf電解電容。電容的耐壓要大于，故濾波電容c取容量為，耐壓為的電解電容。輸入電壓為220v交流電，經過橋式整流后的電壓為u24.2.4 斬波電路的設計設升降壓斬波電路的占空比為，斬波電路的輸入電壓為ui,輸出電壓為uo，則

24、ui和uo的關系為 (4-2-7) 在這個調光電路的設計中，負載功率為30w，負載額定電壓為30v，向下調節(jié)范圍為10w，故額定電壓調節(jié)范圍為20v30v，這個范圍即的范圍。通過前面的計算，可知的值為49.5v，計算最大和最小值，即當=20v，根據(jù)公式計算出為25.7%。同理計算出當=30v時為37.7%。故可知的范圍。4.2.5 電路設計圖根據(jù)以上理論分析及實驗設計要求，可設計電路圖如圖4-2-4所示。圖4-2-4 電子調光電路主電路和控制電路protel原理圖4.3 電路的仿真由于protues仿真軟件在仿真過程中出現(xiàn)的種種局限，在這個電路在仿真時采用matlab軟件仿真。仿真原理圖與波形

25、圖如下。打開仿真窗口，選擇ode23tb算法，相對誤差設置為1e-03，開始仿真時間設置為0，停止仿真時間設置為0.1s，控制脈沖周期設置為0.01s，占空比分別為28%，30%，32%。參數(shù)設置完成后，啟動仿真。得到如下結果。 圖4-2-4 matlab仿真原理圖1) 當=28%時，脈沖信號、輸出電壓和輸出電流的仿真波形2) 當=30%時，脈沖信號、輸出電壓和輸出電流的仿真波形3) 當=32%時，脈沖信號、輸出電壓和輸出電流的仿真波形4.4 電子調光電路的性能指標 電子調光電路技術指標分為兩種：一種是規(guī)格指標，用來表示電子調光電路的規(guī)格，包括輸入電壓、輸出直流電壓、輸出直流電流、輸出功率及輸

26、出電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調整率）、輸出電阻（或電流調整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。1、穩(wěn)壓系數(shù)sr:又稱電壓調整特性。其定義為在負載不變時，穩(wěn)壓電路的輸出電壓相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比，即 sr=(vo/vo)/io|io=0100% (4-5-1)sr越小，輸出電壓越穩(wěn)定。2、電壓調整率sv：一般指vi/vi=10%時的sr.3、電流調整率si:當輸出電流從0變化到最大額定值時，輸出電壓的相對變化量，即 si=(vo/vo)/io|vi=0100% (4-5-2)該指標反映了負載變化對輸出電壓穩(wěn)定性的影響。4、輸出電阻ro:其定義為輸入電壓vi不變時，輸出電壓變化量與負載電流變化量之比，即 ro=|vo/io|vi=0 (4-5-3)ro越小，當負載電流變化時，在內阻上產生的壓降越小，輸出電壓越穩(wěn)定，表示帶負載能力越強。5、紋波抑制比sr:其定義為輸入電壓交流紋波峰峰值uip_p與輸出電壓交流紋波