利用可控开关控制电风扇转速.doc

一、直流电源的产生1.1、变压变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器，它的主要用途是进行电压变换，用它可把某一电压的交流电能变换同频率的另一种电压的交流电能。变压器除了在电力上来改变电压外，还有改变电流、阻抗的作用。变压原理一句话概括:电生磁。磁生电。它的基本原理是：一次线圈和二次线圈绕在同一个铁芯上，当一次线圈通电后，在铁芯中产生交变磁通，（电生磁）该交变磁通穿过二次线圈，根据电磁感应定律，将在二次线圈中产生交变电势，（磁生电）由于一二次侧线圈的匝数不等，因此，二次侧的电压也就不等。如图说明1.2、整流整流电路的作用: 将交流电压转变为脉动的直流电压。 整流原理：利用二极管的单向导电性整流元件（二极管）1、二极管的结构点接触型二极管的特点是PN结面积小，不能通过大电流，但等效电容小，适用于高频工作及小信号整流。面接触型PN结面积大，允许通过的正向电流大，但等效电容大，常用做整流管，适用于再较低频率下工作。平面型二极管，结面积较小的管子，等效电容小，适于做脉冲数字电路中的开关管；结面积较大的管子，可通过较大电流，适用于大功率整流。2、二极管的伏安特性图所示为二极管端电压与电流的关系曲线，称为伏安特性当二极管正向电压大于Uon，二极管导通。当二极管所加正向电压比较小时，由于外电场还不足以克服内电场对扩散运动所造成的阻力，正向电流非常小，二极管呈现出较大电阻，所以常称这个区域为死区。称使二极管正向导通的端电压为开启电压Uon, 也称为死区电压。当外加反向电压增大到一定数值UBR时，外电场产生的电场力足以使共价键中的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，使少数载流子的数目急剧增加，反向电流骤然增大，这种现象称为反向击穿。UBR称为反向击穿电压。二极管反向击穿后往往造成永久性损坏。3、二极管的主要参数（1）最大平均整流电流IF IF是二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流，由PN的面积与散热条件决定。当正向电流超过IF时，管子会因过热而损坏。（2）最高反向工作电压UR 即管子长期运行允许在两端的最大反向电压，指峰值。为保二极管安全工作，UR常为0.5UB。（3）反向电流IR IR是二极管的质量指标之一，单向导电向性越好。反向电流是一个受温度影响较大的参数，使用时应注意。（4）工作频率 其数值决定于PN结的等效电容的大小。当实际频率超过此值时，二极管就不能很好地体现单向导电性。（5）零偏压电容 指二极管端电压为零时的等效电容，一般开关管的零偏压电容只有几个pF。工作原理当u2正半周时，1点电位为正，2点的电位为负。二极管D1、D3外加正向电压，因而处于导通状态；D2、D4外加反向电压，因而处于截止状态。电流由1点流出，经D1、RL、D3回到2点如图所示。负载电阻RL上的电压uL等于变压器二次电压u2，VD2、VD4管呈受的反向电压也为u2.当u2负半周时，1点电位为负，2点电位为正。二极管D2、D4外加正向电压，因而处于导通状态；D1、D3外加反向电压，因而处于截止状态。电流2点流出，经过D2、RL、D4回到1点，如图所示。负载电阻RL上的电压uL等于-uL等于-u2，D1与D3管所加反向电压u2。这样，由于D1、D3和D2、D4两两交替导通，所以，负载电阻上载u2的整个周期内都有电流通过，且方向不变，故输出为当方向脉动电压。图所示为单相桥式整流电路各部分的电压波形。1.3、滤波 整流电路的输出电压，虽然方向不变，但是脉动较大，含有较大的交流成分，不能适应大多数电子线路及设备的需要。因此，一般在整流以后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性, 滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。电容滤波电路就是在整流电路的输出端并联一个电容，如图所示。利用电容的充放电作用，使负载电压趋于平滑。给出了电容滤波电路在带电阻负载后的工作情况。接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。在时刻，即达到u2 90峰值时，u2开始以正弦规律下降，此时二极管是否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。先设达到90后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是90后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过90以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着u2的下降，正弦波的下降速率越来越快，uC 的下降速率越来越慢。所以在超过90后的某一点，例如图中的t2时刻，二极管开始承受反向电压，二极管关断。此后只有电容器C向负载以指数规律放电的形式提供电流，直至下一个半周的正弦波来到，u2再次超过uC，如图中的t3时刻，二极管重又导电。1.4、稳压 7805输出正向电压+5 7905是输出负电压-51、使用方法:左脚输入，右脚输出，中间接地。2、特性指标（1）输出电压范围符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。该指标的上限是由最大输入电压和最小输入输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。（2）最大输入输出电压差该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。（3）最小输入输出电压差该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入输出之间的电压差值。（4）输出负载电流范围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，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。二、直流斩波2.1、斩波原理直流斩波器的工作原理如图所示，可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开。当S接通时，直流电源通过开关S施加到负载两端，电源向负载提供能量。当开关S断开时，中断了供电电源向负载提供能量如果改变开关的动作频率，或改变直流电流接通和断开的时间比例，就可以改变加到负载上的电压、电流平均值。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式，Ts（周期）不变，改变Ton（通用，Ton为开关每次接通的时间），二是频率调制方式，Ton不变，改变Ts（易产生干扰）。2.2、IGBT2.3、IGBT简介FGA25N120- , 耐压 1200V, 电流容量 25 时 42A,100 时 23A, 内部带阻尼二极管 。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型功率管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。2.4、工作特性静态特性IGBT开通关断条件：导通条件：承受正向阳极电压（阳极电位高于阴极电位）； 加上适当的正向门极电压（门极电位高于阴极电位）。关断条件：门极无电流； 阳极电流减小到某一电流以下。以下是详细内容：IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 2.5、使用中的注意事项由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到2030V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点： 在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸； 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。 此外，在栅极发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。 在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10K左右的电阻。 在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。 2.6、保管时的注意事项一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为535 ，常湿的规定在4575左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿; 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合； 在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方； 保管时，须注意不要在IGBT模块上堆放重物； 装IGBT模块的容器，应选用不带静电的容器。 IGBT模块由于具有多种优良的特性，使它得到了快速的发展和普及，已应用到电力电子的各方各面。因此熟悉IGBT模块性能，了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。三、控制电路图13.1、简介555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。3.2、多谐振荡器工作原理由555定时器组成的多谐振荡器如图(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)所示。设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为，这时，触发顺保持状态不变。所以0t低电位高电位保持原状态不变保持原状态不变3.3控制电路的改进3.4 其他元件功能介绍电路如图 1示， 电路图中R1、R2、D1是用来起到过压、限流保护等。555多谐振荡器产生脉冲信号给IGBT门极，使IGBT导通。实践总结电路如图1示把交流电转变直流电为风扇提供电源，通过IGBT全控开关的开通和关断控制风扇所获得的电能，从而调整风扇转速。开关元件的开通和关断受到栅极控制信号的控制，控制信号由555多谐振荡器产生。最终通过调节方波的高低电平的时间来