电力电子技术课程设计---电子调光电路的设计.doc

电力电子技术课程设计说明书 电子调光电路 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 蔡 俊 指导教师： 职称 讲师 专 业： 自动化 班 级： 自本0801 学 号： 完成时间： 2011-6-1 电力电子技术课程设计任务书系：电气与信息工程系 年级：大三 专业： 自动化 指导教师姓名学生姓名蔡俊课题名称电子调光电路的设计内容及任务一、 设计任务和要求训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。二、设计内容制作一个电子调光电路，通过对电路上旋钮的调节，来调节灯泡亮度的目的,灯泡功率为30w，可调范围为20w30w。三、技术指标在灯泡额定电压范围内对灯泡亮度进行调节，最大亮度时，此时的功率的额定功率，电压为额定电压。功率能够向下调节10w。进度安排起止日期设计内容5.17根据设计要求设计电路5.18-5.21对电路中元件进行参数设置5.22对元件参数进行验证5.23-5.27原理图的绘制5.28整理文档主要参考资料王兆安.电力电子技术.第五版北京：机械工业出版社，2009.5答辩成绩指导教师评阅意见目 录1 绪论11.1 晶体管的发展11.2 电子调光电路的作用21.3 电子调光电路对大学生的意义21.4 设计思路22 设计目的及设计要求与设计指标32.1 设计目的32.2 设计要求和技术指标33 理论分析43.1 电子调光电路原理43.2 电子调光电路功能框图53.3 方案的选择73.4 理论分析74 设计内容84.1 电子调光电路原理框图84.2 单元电路的设计94.2.1 电源变压器94.2.2 整流电路104.2.3 滤波电路124.2.4 斩波电路的设计124.2.5 电路设计图134.3 电路的仿真174.4 电子调光电路的性能指标185 心得体会19参考文献20附录a 元件清单211 绪论1.1 晶闸管的发展晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用直流发电机组来变流.。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命晶闸管是一种半控型器件，晶闸闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（scr）。1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化； 晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的，从而开辟了电力电子技术发展和广泛应用的崭新时代，其标志就是以晶闸管为代表的电力半导体器件的广泛应用，有人称之为继晶体管发明和应用之后的又一次电子技术革命。自20世纪80年代以来，晶闸管的地位开始被各种性能更好的全控型器件所取代，但是由于性所能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子技术器件是最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管这个名称往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管。但从广义上讲，晶闸管还包括许多类型的派生器件。1.2 电子调光电路的作用电子调光电路应用非常广泛，尤其是一般市售台灯调光电路上。基本都采用电子式的调光电路，有的高档台灯能实现无级调光，普通台灯则是有级调光，可见电子调光在一些灯具上面用途是非常广泛的。给我们的生活带来了方便。由此可见电子调光的电路的商业潜在价值也是很大的。1.3 电子调光电路对大学生的意义 作为大学生的我们，在很多制作过程之中很多东西都需要用一些特定的调压电路作为驱动装置。因此，电子调光电路对我们而言都是一个非常常见而且必需的电路，以故自己便选择制作电子调光电路。而且，在我们刚接触的课程设计之中，电子调光电路的制作相对简单些，也为我们以后制作实物做个铺垫。同时，也为我们今后制作培养兴趣，不至于很讨厌甚至于害怕。1.4 设计思路市电一般是220v交流电，但是电子调光电路中选用的是低电压直流灯泡，故此电路中需要变压器和整流电路，另外需要控制灯泡的亮度，所以需要一个控制电路，从而对输出电压占空比进行调节，这里还需一个斩波电路，从而来控制灯泡亮度。电子调光电路课程设计综合了电子电子技术中的许多理论知识，它使理论知识得到了更好的巩固，并使理论知识与实际问题相联系。其中主要用到的基础知识有升降压斩波电路和整流电路的工作原理和应用，晶闸管的应用，滤波电容的分析方法和应用等。在设计的过程中还涉及到了应用protel99制作原理图一些基础知识。对于综合运用所学过的知识有一定的帮助。本课程设计的编写是以实验研究为主线，以科学实验研究所运用的实验技术为主要内容，按照实验是什么，为什么，干什么，怎么干的逻辑思维体系和实验的构成要素（主体，手段，对象和目的）为教材内容展开。在加强学生基础理论学习的同时，还要加强实验技术的训练。实践动手能力和课堂理论知识是相辅相成的。将理论知识、课题内容的作业、讨论与技能训练相结合，融为一体，使能力培养贯穿于整个教学过程 。通过本课题的设计，培养学生掌握电子技术的科学实验规律，实验技术，测量技术等实验研究方法，使其具有独立实验研究的能力，以便在未来的工作中开拓创新。2 设计目的及其设计要求与技术指标2.1 设计目的1）学习电子调光电路的设计方法；2）研究电子调光电路的设计方案；3）掌握sg2535升降压斩波电路结构和工作原理，参数设定方法；2.2 设计要求和技术指标1）技术指标：在灯泡额定电压范围内对灯泡亮度进行调节，最大亮度时，此时的功率的额定功率，电压为额定电压。功率能够向下调节10w。2）设计基本要求：a) 设计一个能进行调光的电子调光电路；b) 拟定设计步骤和测试方案； c) 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；d) 要求绘出原理图；e) 观察最大亮度时灯泡的功率；f) 测量电子调光电路的输出电压稳压系数、纹波电压；3 理论分析31 电子调光电路原理电子调光电路主要由变压器,滤波电路,升降压斩波电路构成，采用不同的控制电路和斩波电路可以设计出不同的设计方案。其原理图大致可以以如下图来表示：图31 电子调光电路的功能框图3.2 电子调光电路功能框图原理可用四个过程来表示：1） 变压过程：为了得到输出电压的额定范围, 此过程主要是由变压器来完成。所以,变压器的主要作用是将电网电压转为所需的交流电压,同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。根据电压器的原副级的电压比的原理公式有 ： v1:v2=n:1 （321）其中，v1为电源的输入端输入的交流电压，v2为变压后的变压器的输出端的输出电压，n为变压器原副级线圈匝数比。此过程本实验采用n=4,故v1:v2=4:12） 整流过程：整流电路的任务是将交流电变换成直流电。本过程主要是利用二极管的单向导电性实现的，一次二极管是本过程的关键元件。根据二极管的数量及连接方式可以形成以下几种电路：单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本实验为了使整理效果更佳采用电桥全波整流连接方式。本过程主要是用这集成整流桥实现。3） 滤波过程:滤波电路用于滤去整流输出电压的纹波，一般由电抗元件组成，滤波电路可分为电容滤波电路和电压电路。由于电抗元件具有储能作用，并联的电容器c在电源供给的电压升高时，能将部分能量储存起来，当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，即电容c具有平波作用,l也有平波作用,原理和电容相同。本试验将采用并联电容的方式来做滤波电路。根据以上理论分析及实验设计要求，可设计电路图如图32所示。图32 电子调光电路主电路和控制电路protel原理图3.3 方案的选择 根据电子调光电路的构造，在设计电子调光电路时各组成部分有多种方案可以选择，但考虑各个方面，只有一个最优方案。整流电路的选择：整流电路主要有单相半波、全波、桥式和位压整流电路，考虑到成本已及性能等原因，在这里选用单相桥式整流。四个二极管集成在一个模块上。滤波电路的选择方案一：电容滤波的原理：电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压uc=q/c。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量从滤波效果看，滤波电容c容量大些好，但太大将使电源体积增大，成本提高。通常都选用电解电容方案二：电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，电感器l把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感l有平波作用,它的优点是整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。缺点是存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合,故在这里选用电容滤波。斩波电路的选择方案一：升压斩波电路升压斩波电路使用一个全控型器件、一个电感、电容和二极管，控制性能较好，但要求电容和电感值较大，而且效率较低，电压可调范围较小，电压只能向上调节。因此在本实验中此方案不适合。方案二：降压斩波电路降压电路最大的优点是电路简单，使用器件很少，故电路的可靠性很高。但是降压斩波电路效率也较低而且在有些情况下会出现负载断流的情况。而且电压只能向下调节，因此在本实验中此方案不适合。方案三：升降压斩波电路升降压斩波电路使用的器件不多，电路比较简单，而且电压利用率比一般电路稍高，电压能够上下调节，电路的损耗主要集中在二极管和可控开关上面，在实际中二极管和可控开关损耗很小。因此在本实验采用此方案。方案四：cuk斩波电路此三种电路调节性好，电压能够实现上下调节，而且电压利用率较高，但是和升降压电路相比，使用的器件更多，这无疑会增加设计成本。控制电路的选择：在电子调光电路中采用的是由芯片sg3525组成的控制电路，由于这种芯片功耗较低，性能稳定，且价格相对便宜，使用方便，而且对芯片的部分数据已测得。所以选用sg3525芯片。电路是负载采用的是额定功率为30w的灯泡。3.4 理论分析任务书要求输入220v的交流电，负载为额定功率为30w的灯泡，则首先应该进行降压处理，然后要对降压后的交流电进行整流，再其次是对含有交流成分的脉动直流电进行滤波处理，然后对直流点进行最后的变流处理，最后通过控制电路对电路占空比进行调节。电源的原理可以分为以下四个阶段：降压、整流、滤波、变流。（一）降压的过程，直接选用实物降压器进行降压，并且要根据电路中所需的合适电压适当选择降压器，具体情况根据实际需求而定。在此次我们选用的是55v变压器。（二）整流过程，自然而然选择了优点突出的桥式整流电路，在此采用整流桥，连接方法此不做说明，在以后的原理图中将做详细的说明。 （三）滤波过程，我用电容滤波电路来实现，它的方法是在桥式整流电路输出端并联一个较大的电容c来构成一个电容滤波电路。（四）变流电路，在此选择了升降压斩波电路，主要由可控开关和控制电路组成，控制电路则是由sg3525构成的脉冲触发器。另外，由于220v交流电经过4：1的变压器变压后电压仍然较大，为55v左右，超出人体能够承受的电压36v，故在操作时应注意安全。4 设计内容4.1 电子调光电路原理框图电子调光电路一般由电源变压器t、整流滤波电路及斩波电路所组成，基本框图如图4-1所示。各部分的作用：图4-1 直流稳压电源基本框图(1)变压器:一般的电子设备所需的直流电压与交流电网提供的220v电压相差较大,为了得到输出电压的额定范围,就需要将电网转换到合适的数值。此次课程设计本人选择了原副线圈比为4：1的变压器，使得输出电压约为55v。所以,变压器的主要作用是将电网电压转为所需的交流电压,同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用，有效地避免了因为直接接触高电压而造成的伤害。(2)整流电路:利用单向导电器件二极管将交流电压转换成脉动的直流电压，本次设计采用整流桥2cw10，整流桥将交流电转换为比较稳定的直流电压，达到一个初步将交流电转换为直流电的效果。(3)滤波电路: 利用储能元件电容把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。此次设计用了2200uf电容一个，以此获得相对平坦的直流电。4.2 单元电路设计4.2.1 电源变压器电源变压器有很多种：有降压的、有升压的，在这次的设计中选用的是降压变压器，它的作用是将来自电网的220v交流电压u1变为整流电路所需要的交流电压u2。变压器副边与原边的功率比为 = p2/ p1 (4-2-1) (4-2-2) 其中：是变压器副边的功率，是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表1所示：表1 小型变压器的效率副边功率效率0.60.70.80.85 因此，当算出了副边功率后，就可以根据上表算出原边功率。根据稳压器的输入电压，确定电源变压器副边电压u2的有效值u2；根据稳压电源的最大输出电流i0max，确定流过电源变压器副边的电流i2和电源变压器副边的功率p2；变压器的副边的输出电压v2与稳压器输入电压vi的关系vi=（1.11.2）v2的关系。v2的值不能取大，v2越大，稳压器的压差越大，功耗也就越大。一般取v2vimax/1.1，i2iomax。取v2=55v。变压器副边电流： ，取，则变压器副边输出功率，由表1知变压器的效率，所以变压器原边输入功率，为留有余地，选用功率为45w的变压器。本实验电压源输出为55v。4.2.2 整流电路整流电路将交流电压ui变换成脉动的直流电压。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。在小功率整流电路中（1kw以下），常用的整流电路有全波整流（图4-2-1）、桥式整流(图4-2-2)等。这里采用单相桥式整流电路，采用2cw10整流桥。图4-2-1 全波整流电路 图4-2-2 桥式整流电路 整流元件参数的计算负载中的平均值vl vl=0.9v2 (4-2-1)每只整流二极管承受的最大反向电压vrm vrm=v2 (4-2-2)通过每只二极管的平均电流id id=0.5il=0.45v2/rl (4-2-3)4.2.3 滤波电路从上面的分析可以看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波。电容滤波的原理：电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压uc=q/c。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。确定整流二极管的正向平均电流id、整流二极管的最大反向电压和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容 图4-2-3 电容滤波电路 v1 v2 图4-2-4 示波器所示电容滤波电路部分波形图4-2-3和图图4-2-4分别是桥式整流电容滤波电路和它的部分波形。这里假设t0时，电容器c已经充电到交流电压v2的最大值（如波形图所示）。由于电容的储能作用，使得输出波形比较平滑，脉动成分降低输出电压的平均值增大。当c值一定,rl=时,vlo=1.4v2 (4-2-4)当c=0时,即无电容时,vlo=0.9v2 (4-2-5)由于电容的储能作用，使得输出波形比较平滑，脉动成分降低输出电压的平均值增大。电容放电的时间=rlc越大,放电过程越慢，输出电压中脉动（纹波）成分越少，滤波效果越好。一般取（35）t/2，t为电源交流电压的周期。由于，。而整流二极管1n4001的极限参数为，额定工作电流。满足要求，所以整流二极管选用1n4001。根据公式 sv=（vo/vo）/（vi/vi） (4-2-6) (4-2-7)滤波电容： (4-2-6)把参数ui，vop-p和sr代入式中，求出c。从滤波效果看，滤波电容c容量大些好，但太大将使电源体积增大，成本提高。通常都选用电解电容，所以选用2200uf电解电容。电容的耐压要大于，故滤波电容c取容量为，耐压为的电解电容。输入电压为220v交流电，经过桥式整流后的电压为u24.2.4 斩波电路的设计设升降压斩波电路的占空比为，斩波电路的输入电压为ui,输出电压为uo，则ui和uo的关系为 (4-2-7) 在这个调光电路的设计中，负载功率为30w，负载额定电压为30v，向下调节范围为10w，故额定电压调节范围为20v30v，这个范围即的范围。通过前面的计算，可知的值为49.5v，计算最大和最小值，即当=20v，根据公式计算出为25.7%。同理计算出当=30v时为37.7%。故可知的范围。4.2.5 电路设计图根据以上理论分析及实验设计要求，可设计电路图如图4-2-4所示。图4-2-4 电子调光电路主电路和控制电路protel原理图4.3 电路的仿真由于protues仿真软件在仿真过程中出现的种种局限，在这个电路在仿真时采用matlab软件仿真。仿真原理图与波形图如下。打开仿真窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-03，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.1s，控制脉冲周期设置为0.01s，占空比分别为28%，30%，32%。参数设置完成后，启动仿真。得到如下结果。 图4-2-4 matlab仿真原理图1) 当=28%时，脉冲信号、输出电压和输出电流的仿真波形2) 当=30%时，脉冲信号、输出电压和输出电流的仿真波形3) 当=32%时，脉冲信号、输出电压和输出电流的仿真波形4.4 电子调光电路的性能指标 电子调光电路技术指标分为两种：一种是规格指标，用来表示电子调光电路的规格，包括输入电压、输出直流电压、输出直流电流、输出功率及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。1、稳压系数sr:又称电压调整特性。其定义为在负载不变时，稳压电路的输出电压相对变化量与输入电压的相对变化量之比，即 sr=(vo/vo)/io|io=0100% (4-5-1)sr越小，输出电压越稳定。2、电压调整率sv：一般指vi/vi=10%时的sr.3、电流调整率si:当输出电流从0变化到最大额定值时，输出电压的相对变化量，即 si=(vo/vo)/io|vi=0100% (4-5-2)该指标反映了负载变化对输出电压稳定性的影响。4、输出电阻ro:其定义为输入电压vi不变时，输出电压变化量与负载电流变化量之比，即 ro=|vo/io|vi=0 (4-5-3)ro越小，当负载电流变化时，在内阻上产生的压降越小，输出电压越稳定，表示带负载能力越强。5、纹波抑制比sr:其定义为输入电压交流纹波峰峰值uip_p与输出电压交流纹波峰