关键词：声光控制；照明；电路；设计
近些年来，节能减排是我国倡导的发展观念。而避免资源浪费不仅是我国各行业企业需要做的工作，还应该落实及贯彻到各类生活场景中。过去阶段，我国学校、工厂、小区等场所因为夜晚照明灯常亮造成大量电能损失。而手控照明灯的引用虽然有效降低了夜晚照明灯使用的电能，但存在一定的不变。随着科学技术的不断发展，现如今已经研发出一种声光控制照明电路，该电路的设计突破了传统的照明控制方法，并带来了质的飞跃。
1声光控制照明电路设计意义
过去阶段，我国公共照明灯一般都采用手动式的开关方式。如在住宅小区的楼梯过道中，夜晚居民想要打开灯光还需触碰开关装置，这样就会给夜晚视力不好的居民带来一些困扰。还有在一些厂区、学校等地，夜晚路灯彻夜不关，这就会带来能源上的浪费。再到后来，出现了声控灯，这种照明电路的设计虽然为夜晚行人带来了方便，但其存在一个弊端，就是白天时候也受声音影响而开灯。人们为解决这一问题只好定时定点的开关总电源，这样一来，虽然起到了节能目的，但为加大了管理负担。而声光控制照明电路的设计，可有效改善上述所有问题。通过声源和光源的双重控制，为照明设备的使用和管理带来很大便捷。同时，该照明电路应用范围也很广泛，只要不是封闭场所，大多都可以使用。
2基于电子技术的声光控制照明电路总方案设计
声光照明电路总方案设计的原理：首先，在该电路接收到声信号时，会由声电装换装置把声信号改变为电信号。此时的电信号相对薄弱且频率不一致，所以会经过放大电路和处理电路的加工，使之成为频率一致且适用于控制电路的控制信号。其次，在这一过程中，当电路接收到的光信号相对薄弱时，该部分的控制会打开，且受光信号的影响一直处于恒定状态。此时，该电路的整体开关就受到声源的影响。反之，若处于白天时，电路接收到的光信号强烈，会关闭光控部分，此时声控部分则无法发挥控制作用。所以，该电路的原理是以光信号作为基础条件，以声信号来进行控制。声光控制照明电路的的设计刚好满足使用者对声光控制照明设备的使用需求.即在白天或太阳光较亮时，人们可视性较高，则不需要照明。这时，电路受光源影响处于限制状态，不会因为接受来的声音而亮灯。在夜晚太阳光微弱时，人们视力受黑暗的影响，看不清周围食物，所以这时需要照明设备。该电路在夜晚时处于可触发状态，受声音影响开关，人们只需要发出脚步声或其他声音，就可以打开照明设备。在没有声音时及开启一定时间之后，该设备自动关闭。
3各电路设计
3.1电源电路电流电路的设计需要保证电路正常工作及满足声光控制照明电路工作原理，同时还需要保证电流电路整体结构简单化，不可过于复杂。要满足以上条件，可从电流电路中降压器、稳压器、整流器以及滤波器这四个装置的选用着手。其中降压装置选用的是稳压二极管。在输出稳压直流后需要经过降压电容器（C1）、全桥整流器（QD）以及滤波电容（C2）后，在经过稳压二极管（DW）进行稳压，从而得到稳定的、满足照明电路需要的电压。电源电路的各类元器件及参数的选择需要结合电路的实际需求。首先，通过计算得出，全桥整流器（QD）应该选用型号为1A300V的二极管。其次稳压二极管的选用可根据声光控制照明电路稳压直流电源电压，该电压而+9V，所以可选用型号为2CW57的稳压二极管，这个型号的稳压二极管稳定电压为8.5V到9.5V，所以符合电路需求。再次，降压电容器（C1）的选用型号需要根据电源电压。合理情况下，降压电容器的耐压值应该是电源电压的两倍以上，如400V及400V以上耐压的电容器则可适用。最后，滤波器的型号选择可根据RC时间常数大于3到5倍电源半周期这一原理进行选择。3.2信号放大电路信号放大线路的设计可分为拾音器和放大器两个部分。在压电蜂鸣器（拾音装置）选择上，要保证内部压电陶瓷片灵敏性较高，并且价格不贵，从而保证整体电路的灵敏。拾音器可选用电压蜂鸣器HTD35A-1这个型号的装置，该型号装置采集到声音之后，会通过压电陶瓷片的绕曲变形产生微弱的电效应。这时，电信号在通过电路进入直藕式音频放大器，使这个电信号放大。同时，再经过T3时，对产生倒向放大，从而触发单稳态电路。3.3控制电路声光控制照明电路的控制电路图。555是时基电路，它的四角受到光敏三极管不同阻抗的改变来控制高低电平，而光敏三极管阻抗的变化受光源强弱的影响，具体可分为以下两种情况：（1）强制复位状态。在白天光敏三极管感受较大光照时，单稳态触发器会应较大阻抗的影响，造成输出低电平，这就就处于强制复位状态。在强制复位状态下，555不会产生翻转置位，所以声光控制照明不会发亮。（2）在夜晚光敏三极管感受光照小，则单稳态触发器受到的阻抗就小，则输出高电平，555处于单稳态触发状态。而如果此时拾音器接收到了声音，产生了声信号，通过加工形成极大电流，并触发单稳触发器，改变555状态，产生翻转置位，使可控硅触发倒通，这样一来声光控制照明就会亮，并保持一定时间段，即120S。在该电路中，各类元器件的选择要符合声光控制照明电路的特点，所以单稳态触发电路中的定时原件应该满足灯光持续120S这一需求。而三极管可选用型号3DK2。改电路电容为滤波电容，所以C9应按选用小电容，如0.01μ。3.4光电传感器电路光电传感器电路设计也要满足该照明电路的需求。如对光源的敏感程度、光谱响应范围灯，只有贴切实际选用最为合适的，才能使声光控制照明设备正常使用。如光敏三极管的选用型号可为3DU5，该型号的光敏三极管的光谱响应范围正好符合需求，电压工作范围也在6V到8V之间。
4总结
声光控制照明电路为人们夜间生活带来很大便捷，并发挥着节省电能源的作用。并且，声光控制照明电路可完全自动化开关，节省了人力。这种自动化的操作模式及节省能源的设计理念，正是二十一世纪时展的产物。该电路的设计过程需要结合声光控制原理及电路特性，各元器件的选择也要满足实际需求，只有这样，才能确保声光控制照明电路能够正常使用。
参考文献
[1]贺廉云.基于电子技术的声光控制照明电路设计[J].电子世界,2014,(21):27-27,32.
[2]李素平.声光控制延时开关电路系统设计[J].电子世界,2016,(13):197,199.
[3]李桂兰.声光控制路灯电路的设计[J].电子制作,2013,(7):17.
[4]黄程云,韩哲.智能照明节电控制新技术[J].节能技术,2013,31(6):572-574.
[5]李桂兰.声光控制路灯电路的设计[J].电子制作,2013,(6):23.
【关键词】开关电源；双闭环反馈；稳压；稳流
1.前言
高频开关电源在二十世纪八十年代进入我国后，由于其具有体积小、重量轻、效率高、噪音低等优点，大量地进入我国邮电通讯、电力部门及其它领域，其发展迅速，市场潜力巨大，取代了许多传统的中小功率可控硅整流电源。而在传统的工矿企业，如电解电镀、电化、电火花、电池充电、水处理、热处理、焊接、冶炼等诸多领域，目前还在大量使用传统的可控硅整流电源，不符合国家环保节能的政策。目前市场上的单台高频开关电源功率受到器件的约束及其它因素的限制，难以在大功率（50KW以上）场合实用需要。为了把功率做大，简单的方法就是把许多单台高频开关电源，将其输出简单并联，形成扩流输出。但这种方法有一个局限性，那就是并联后的系统只能是稳流输出，而不能适应稳压输出的应用场合。本文设计思想就是在上述简单并联后的基础上，再单独设计一个输出电压负反馈系统，利用电压反馈系统的输出来控制各台高频开关电源，形成双闭环反馈，从而达到并联系统的稳压输出。由于单台高频开关电源的工作原理众所周知，故以下着重从自动控制系统原理方面介绍并联系统的工作原理。
2.系统控制原理图
并联系统的自动控制原理如图1所示。
在自动控制电机直流调速系统中，有一种转速、电流双闭环反馈系统，又称串级系统。外环是转速反馈，内环是电流反馈。任何系统内外扰动或电网电流变化造成的转速变化，都能通过外环或内环的反馈系统调节，达到稳定的转速输出。本文正是基于此设计思想，设计了如图1的高频开关电源双闭环反馈并联自动控制系统。图中各台高频开关电源本身就是可以独立工作的，且内部形成电压或电流负反馈系统。并联系统电压反馈属于外环，内环由高频开关电源内部形成。这种并联系统之所以简单，就是在单立工作的电源基础上，把输出端简单并联在一起。而输入端的给定由外环统一加到各立的高频开关电源。
图1中虚线框内1#、2#、……、N#为各台高频开关电源，其内部自动控制原理图简化为一阶系统比例积分环节，所以各台高频开关电源的稳流或稳压精度很高。图中它们工作在稳流状态下。
3.系统工作设计原理
3.1单台高频开关电源设计及总体框图
单台高频开关电源的技术指标：
输入电压：380V，50HZ
输出电压：DC18V
输出电流：DC800A
限流值：850A
限压值：18.5V
保护：过流保护、热保护、过压保护、欠压保护
转换效率：>80%
单台高频开关电源总体框图如图2所示。整机电路可分为变换主回路和控制电路两大部分。交流380V电压经输入电源滤波器、输入直流整流滤波得到550V左右的直流电压，供给脉宽调制器，它有两组IGBT模块、高频变压器及输出整流滤波组成。
由PWM控制电路提供交变脉冲经驱动电路来控制IGBT模块的通断，将直流电压变换成交变的20KHZ脉冲电压，经高频变压器隔离变换成所需的电压，再经输出整流二极管全波整流，得到平均幅值为18V的直流电压。
控制电路由PWM控制电路、驱动电路、反馈取样电路、限流限压电路及辅助电源组成。PWM控制电路输出两路彼此相位差180?，并有一定死区的脉冲，经驱动电路放大，控制主回路IGBT模块的通断。为了得到稳定的输出电压或电流，对输出电压或电流进行采样、反馈，与基准值比较、放大，控制PWM电路的脉冲宽度，调整IGBT的占空比来实现稳压或稳流。同时通过软启动、过流过压保护、短路保护及限压限流电路对电源本身实施保护措施。
单台高频开关电源构成一个电流负反馈控制系统，简称内环。自动控制原理如图3所示。
图3中采用了PI调节器的单闭环电流负反馈控制系统，既保证了动态稳定性，又能做到无静差，很好地解决了动、静态的矛盾。其调节原理：在电流给定值不变的情况下，当负载变动或电源内部原因造成了电源输出电流变动时，自动控制调节过程为：
通过以上的调节过程，可以保证单台高频开关电源输出稳定的电流。这样，把各个单独工作的高频开关电源输出并联在一起，且工作在稳流状态下，接受同一的电流给定值，就可保证各台高频开关电源输出同样大小的电流。从而实现并联系统的扩流输出。为了提高系统的整体可靠性，还可根据系统的要求，增加N+1冗于设计。这种简单的组合在一起，当某台高频开关电源出现故障，可立即把其关电退出运行并断开输出连接，把备份的高频开关电源通电投入运行即可。从而把处理故障的时间减少到最小。
3.2系统自动控制原理
双闭环并联系统自动控制原理如图4所示。
图4中在高频开关电源系统外增加了一个比例积分调节器，用来调节并联系统的电压。把并联系统的输出电压反馈和并联系统给定值进行比较，其差值经信号放大，作为高频开关电源系统电流给定值，而高频开关电源系统根据不断变化的电流给定值来调节自身的输出电压，以此保证自身的输出电流根据给定值变化而变化。从而也保证了并联系统输出电压稳定。从闭环反馈的结构上看，电流调节环在高频开关电源系统内部，是内环；电压调节环在外面，成为外环。二者之间实行串级连接，即以电压调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为并联系统输出电压的控制，那么两种调节器作用就能互相配合，相辅相成了。这就形成电压、电流双闭环反馈控制系统。为了获得良好的静、动态性能，两个调节器一般都采用PI调节器。
当由于负载扰动，造成了并联系统电压输出变动，则系统自动控制调节过程为：
上述电压调节过程可以保证并联系统在稳压工作状态下，输出电压稳定。若系统要工作在稳流状态下，只需通过系统内部的选择开关，把外环电压反馈单元关闭，直接把电压给定信号加到各台高频开关电源，由于各台高频开关电源本身工作在稳流状态下，从而可以保证并联系统的每台高频开关电源输出同等大小电流。
从动态稳定性上看，在设计过程中，先把单台高频开关电源设计调整好，使之能稳定的输出额定电流。然后把各台并联连接在一起，加上电压反馈外环，再按系统设计要求并调整外环，使系统输出电压保持稳定。需要注意的是：内环根据其设计指标要逐一开启和外环连调，等所有的内环调整好后，再把所有内环开启，与外环一同调节系统的输出电压和电流。
4.实验与结论
应用以上原理，制作了一台组合式并联的72KW高频开关电源。具体参数为：AC380V±10%，稳压输出18VDC；限流电流4100ADC；稳流输出4000ADC；限压电压18.5VDC。该并联系统由五台单独的高频开关电源并联组合，每台高频开关电源都输出同等的800A/18V。系统在稳压工作时，即使输出短路也能限流在4100A稳定工作；稳流工作时，输出端开路能实现限压而稳定工作。若为了提高并联系统的可靠性，还可增加一台备份。该电源在电镀行业镀铬工艺中现场运行已有近两年，基本上达到了设计要求，用户反应良好。
参考文献
1．1包装线码垛吊具结构
近年来，为了迎合高速包装生产线的发展需求，吊具结构以适应包装线产品的码垛方式、排列方式和低质量为设计准则，各种方案层出不穷［2］。本文所设计的电路控制系统所应用的码垛吊具。吊具主要工作过程为当产品被推送到指定位置后两侧气缸夹紧，压板电机启动，带动压板夹紧，吊具移动到码垛位置后，主轴电机启动，带动卷帘滚子两侧分开，产品下落到指定位置后，气缸、压板和卷帘滚子回到初始位置。
1．2包装线码垛吊具控制要求
包装线码垛吊具和其工作过程，控制系统的控制执行元件分为主轴电机、压板电机和侧夹紧气缸。在多数包装生产线中，为了节省生产空间，包装运输线和码垛时候的实垛运输线1—包边;2—主梁;3—侧板;4—夹紧气缸;5—输送链;6—卷帘滚子;7—细梁;8—主轴电机;9—压板电机;10—压板图1包装线码垛吊具结构是两条运行方向相反的平行线，码垛机器人将码垛层旋转90°，从实垛线转移到运输线垛架之上。综合吊具结构和码垛运输方式，吊具控制时序为:码垛过程，码垛产品到达指定位置压板箱电机夹紧侧夹紧气缸夹紧码垛机器人码垛。卸垛过程，码垛机器人到达指定位置主轴电机打开卷帘侧夹紧气缸松开压板箱电机松开主轴电机关闭卷帘。
2包装线码垛吊具控制系统硬件设计
控制系统设计主要包含硬件设计和软件设计两部分，硬件设计分为核心模块、控制执行模块、信号采集模块和信号转换隔离模块。软件设计主要是通过编程的手段控制硬件部分，使得执行部件按照码垛生产线的实际需求运作。
2．1核心模块设计
核心模块为单片机微处理器，其是执行元件的控制中心，本文所用的STC公司生产的STC89C52单片机［3］，采用上电复位方式，晶振频率为11．0592Hz。单片机的工作电平为5V，电源供电模块既要满足单片机的工作电压需求，同时也要满足后续电路电压需求。电源供电模块将220V交流电转化为24V直流电，再通过电源转换芯片降低电压。供电模块由变压器、全桥整流电路、滤波电路和直流稳压电路组成，。变压器输入端经过熔断器连接供电电源，变压器后接由4个二极管组成的桥式整流电路，整流后得到一个电压波动很大的直流电源，再通过电容滤波电路和稳压电路得到24V直流电。本文选用LM7805三端稳压器，能够稳定输出24V直流电，内置过载和过流保护电路，且带有散热片保护。信号采集端采用较高的输送电压，能够保证采集的可靠性，本文采用电源转换芯片，使用电源分步转换的方式防止芯片过热，并在转换过程中考虑到外部的稳压滤波，保证了电源的稳定性。电源转换芯片为M20－24S12和M20－12S5，分别将电源电压由24V转换为12V及将12V转换为5V。
2．2开关信号采集电路设计
在吊具工作过程中，单纯地靠时间控制各个执行元件误差较大，不能达到工作要求，因此将各个执行部件的触发通过行程开关来实现，单片机检测开关信号，然后控制执行元件。由于采用低电平实现控制指令要比高电平好得多［4］，因而采集时采用高电平，在单片机引脚接口处转换成TTL电平，且高电平和TTL电平之间采用光耦隔离。
2．3执行电路控制设计
电机控制分为主轴电机控制和压板箱电机控制，硬件电路部分主要是为了实现电机的正反转控制。本文采用固态交流继电器来实现交流电机的正反转，固态交流继电器可以与单片机直接相连，单片机的各引脚输出高低不同的电平，选择性地链接各个固态继电器，从而达到控制电机正反转的目的。气缸控制电路主要实现对两个侧夹紧气缸的控制，侧夹紧气缸的控制又可以归结为对电磁阀的控制，其控制电路如图7所示。
3包装线码垛吊具控制系统软件设计
软件所要实现的功能是让单片机接受信号采集电路所采集的开关信号，同时发出指令对两台电机和电磁阀进行控制。包装线码垛过程分为码垛过程和卸垛过程，本文采用C语言编程。
4结束语
关键词:电涡流测功机;直流线性稳压;二级电压控制;模拟故障
中图分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)10-189-04
NewTypeofHigh-powerLinearDCVoltage-stabilizedPower
SourceinEddyCurrentDynamometer
ZHANGXukai,ZHANGWenming,ZHOUHaiyong
(ShanghaiInternalCombustionEngineResearchInstitute,Shanghai,200438,China)
Abstract:Anewtypeofpowersourceusedforexcitationvoltagecontrolineddycurrentdynamometerindesigned.BasedontheSCRrectificationcircuitandanalogtechnology,usingthefullythreephasepositioncontrolledbridgeofSCRandpowerMOSFETregulationtooutputlinearDCvoltage.Over-loadprotectioncircuit,open-phaseprotectioncircuitandthermal-shutdowncircuitaredesignedforequipmentreliability.ExperimentalresultsshowthattheequipmentcanoutputlinearDCvoltageandthevoltagestabliltyfulfiltheneedsofeddydynamometer.Theequipmentalsocanquicklyshutdownwhenatfaultstatussuchasover-loads,open-phaseandoverheat.ThepowersourcedesignedbythefullythreephasepositioncontrolledbridgeofSCRandpowerMosfetregulationcanfulfiltheneedsofvoltageofeddydynamometer.
Keywords:eddydynamometer;DClinearvoltagecd
stabilized;secondaryvoltagecontrol;analogfault
测功机是发动机台架检测系统中重要的组成部分,用于测量发动机的有效功率。对测功机来讲,为了满足发动机所有转速和负荷范围内都保持稳定运转工况,并且可以平顺且精细地调节负荷,需要一个稳定的加载器来满足发动机实验的要求,需要对加载器提供稳定且可线性变化的电源。在电涡流测功机中,需要对励磁电机提供的直流电源进行驱动,以完成发动机台架检测。
由于电涡流测功机励磁电机要求磁场恒定,故要求电源提供的负载电压恒定不变,而且磁场一般都是稳定的,还要求有较好的电压稳定度,即要求即使输入电压发生一定变化时,输出电压应保持不变。
为了达到平顺调节负荷的目的,输出电压应有适当的线性调节范围,并且还要有一定的保护措施。根据设计需要,该电源输出电压的变化范围为0～180V,要求最大负载功率为5.4kW,输出电压稳定度应优于1%。
1工作原理
由于要求的电压调节范围较宽,要求的功率较大,目前电涡流测功机励磁加载电源采用较多的方法是可控整流器,在此通过控制晶闸管的导通角进行调压。其工作原理是对晶闸管的控制极进行控制,通过改变晶闸管的导通角,可以在输出端获得平均值和有效值都随导通角变化而变化的直流脉动电压。采用该原理设计的电源可以达到很高的输出功率,但是电压稳定性差,而且控制呈显著的非线性,不适合电涡流测功机对电压的要求。因此,该电源采用晶闸管三相桥式移相控制和功率MOSFET调整两个控制环联合控制的方法,使输出电压可以满足大功率、高稳定度和可宽范围线性调节的要求。
1.1系统方框图
由于该电源要求功率较大,并且对电压稳定度也有较高的要求,所以采用如图1所示的电源方框图。
1.2可控整流原理
如图2所示,通过控制晶闸管的导通角,可以在整流电路输出端获得随控制电压变化的电压。
可控整流电路是指在输入交流电压的波形和幅值一定时,输出电压的平均值可以通过调节晶闸管的导通角进行调节。采用可控整流电路可以提高变压器的初、次级利用率,具有较大的功率因数和较小的脉动率,因此选作为主回路。
由于采用整流滤波电路以及稳压电路构成两级控制环。因此选择对整流滤波电路要考虑两点:考虑调整管的工作状态,确保调整管能工作在线性放大区;考虑交流电网波动的影响。交流电网的波动会反映到整流滤波电路的输出电压上。按照国家有关规定,在没有特定说明的情况下,一般按变化±10%来考虑。这就要求当电网电压变化±10%时,调整管要处于线性放大区,从而使稳压电路能保持正常工作。在该电源设计中,由于负载容量较大,使用单相电源会造成三相电网的不平衡,影响电网中其他设备的正常工作,所以采用的是三相桥式全控整流调节方式。三相可控整流的脉动频率比单相高,纹波因数显著低于单相。三相全控桥式整流电路电路可以在负载上得到比三相半控桥式整流电路更为均匀的波形。
采用市场上常见的三相整流功率模块,集成了晶闸管三相桥式整流电路以及触发电路,通过对模块的输入电压进行控制,即可完成整流与调相功能。通过在功率模块输入端连接三相隔离变压器,将输出电路与交流输入隔离。隔离变压器具有电压变换功能及有源滤波抗干扰功能。隔离变压器在交流电源输入端的特点为:若电网三次谐波和干扰信号比较严重,采用隔离变压器,可以去掉三次谐波和减少干扰信号;
采用隔离变压器可以产生新的中性线,避免由于电网中性线不良造成设备运行不正常;非线性负载引起的电流波形畸变(如三次谐波)可以隔离而不污染电网。
隔离变压器在交流电源输出端的特点为:防止非线性负载的电流畸变影响到交流电源的正常工作及对电网产生污染,起到净化电网的作用;在隔离变压器输入端采样,使得非线性负载电流的畸变不影响取样的准确性,得到能反应实际情况的控制信号。
对于小功率或者中等功率的使用场合,可以采用单相桥式半控的方法作为其整流主回路。电路组成可以选择晶闸管模块作为主回路,使用KC04芯片作为晶闸管模块的移相触发电路。通过调节KC04的控制电压控制晶闸管的导通角,从而得到随控制电压变化的直流脉动电压。
1.3串联反馈晶体管电路
可控整流输出的电压经电容整形滤波后的电压仍然具有较大的纹波,波动很大,而且很容易受电网电压的影响,并且单纯控制晶闸管的导通角得到的输出电压呈明显的脉动和非线性。这就要求系统在可控整流电压输出端添加串联反馈调整电路,使输出电压达到设计要求。其稳压原理是调整元件的动态电阻,它是随输出电压的变化而自动变化的。当负载电阻变小使输出电压降低时,调整元件的动态电阻便会自动变小,从而使调整元间两端的压降降低,确保输出电压趋近原来的数值。串联反馈调整电路的框图如图3所示,包括调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器等部分。输入电压经过调整元件调节后,变成稳定的输出电压,取样电路与基准电压相比较,并把比较后的误差信号送入放大器,增强反馈控制效果。采用串联反馈调整型稳压电路,输出电压范围不受调整元件本身耐压的限制,而且各项技术指标均可以做得很高。但是过载能力差,瞬时过载会使调整元件损坏,需要添加过载保护电路。
1.4调整元件控制电路设计
在该电源系统中,采用大功率MOSFET作为调整元器件,与三相桥式移向控制一起组成输出电压控制环。
1.4.1三相调压模块的控制
由于采用三相调压模块,所以只需对调压模块进行控制,即可完成整流输出功能。尽管三相模块中控制电压与晶闸管的导通角呈线性关系,如图2所示,晶闸管的输出电压与晶闸管导通角的变化却呈非线性关系;同时,为了保证电源功率输出调整管集-射级之间的电压差基本稳定,便于控制功耗,提高电源安全性,需要使电源功率调整管的输入电压基本呈线性变化。这里采用对控制电压进行非线性处理后,再输入到三相整流模块控制端的方法。控制输入电压经过二极管后作用到运算放大器,利用二极管的非线性特性与三相模块的非线性进行匹配,基本上可以使计算机输出的控制电压与晶闸管整流输出的电压呈现线性比例关系。电压输入/输出特性如图4所示,线路如图5所示。
1.4.2功率MOSFET的控制
该电源选用功率MOSFET作为调整元件,为电压控制型器件,在驱动大电流时无需驱动级,具有高输入阻抗,工作频率宽,开关速度高以及优良的线性区。为了保证电源的可靠性与安全性,需要将强电控制部分与弱电控制部分进行隔离。在此采用光电耦合器完成地的隔离,具体过程如图6所示。
MOSFET的控制电压由计算机提供,经过F/V变换器、光电耦合器、V/F变换器变换后与取样电路取来的电压信号同时作用在比较放大器的输入端,通过与基准电压进行比较,比较放大器将输出相应的电压去控制MOSFET,以稳定输出电压。由于负载电流较大,因此MOSFET需采用并联连接方式,增加输出电流,确保在大电流情况下电源的正常工作。并联运用时,各管的参数尽量一致,可以在发射极串联均流电阻,利用负反馈减小电流分配的不均匀。电路如图7所示。
2监控管理设计
2.1电源保护电路
由于采用串联反馈型稳压电路作为电压控制环,因此在测功机发生短路或者过载时会有很大的电流流过调整管MOSFET,并且所有输入电压几乎都加在调整管的集-射级之间,很容易将其烧坏,因此添加保护电路是必需的。常用的过电流保护电路有限流型、截止型和减流型。这里采用晶体管截止型保护电路,其原理是当负载电流达到限流值,过电流保护电路使稳压电源进人截止状态,并不再恢复,使稳压电源与负载得到有效的保护。其优点是:这时的电源调整管功耗为零,最大缺点是:属冲击性负载时,容易误动作,使稳压电源进人过流保护
状态,且一旦进入过电流保护状态后,即使过电流状态解除,也不能自动复位。具体线路如图8所示,当电流超过额定负载时,采样电阻R4两端电压上升,使晶闸管SCR导通,晶体管NPN1导通,NPN2截止,这时MOSFET的栅级输入电压(即R3处的电压)被强制拉底,使MOSFET输出为零;同时,串联在过载保护线路中的光耦导通,使三相功率整流模块的控制信号输入端接地,串联反馈稳压线路的输入电压为零,起到保护元件的作用。
由于电网自身原因或者电源输入接线不可靠,电源有可能会运行在缺相的情况下,而且掉相运行不易被发现。当电源缺相运行时,整流桥上的电流会不平衡,容易造成损毁,因此必须加入缺相保护电路,以进行缺相保护。电路原理图如图9所示,当ABC三相有一相发生缺相时,其对应的电源指示灯熄灭,缺相指示灯亮起,并且通过光耦输出信号到继电器驱动,此时继电器吸合,将三相功率模块的控制输入与地短接,使可控整流输出为零,起到保护电源的作用。
2.3过热保护
在电源处于长时间大电流工作状态或者工作环境比较恶劣时,电源的内部温度很高,会影响电源的可靠性。有资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%,这就意味着温度升高50℃时的工作寿命只有温度升高25℃时的1/6。因此,为了避免功率器件过热损坏,必须对电源的温度进行控制。通过控制MOSFET的管压降可以控制MOSFET上的功率,从而减少发热量,降低温度的升高。
在电路设计中增加一个光电耦合器反馈可以完成这个目的,当MOSFET两端管压降过高时,光耦导通,光耦输出信号反馈至三相调压模块的控制输入,使其输出的控制电压降低,从而降低MOSFET两端的管压降,在保证电源正常工作的前提下,使MOSFET的功率保持在额定范围以内。
当使用环境较为恶劣或者出现电路故障时,即使对MOSFET两端电压进行控制,MOSFET的管芯也可达到很高的温度,这就需要对MOSFET进行散热处理,并在MOSFET附近安装温度继电器;当温度高于温度继电器的额定值时,温度继电器导通,通过一个光耦将导通信号传递到三相功率模块的输入端,使其输入为零,从而使电源功率调整管的输入电压为零,起到保护调整元件的作用。当温度回到正常时,电路可自动恢复工作。
各种保护电路与主回路的关系如图10所示。
3结语
经连续负载试验,该设备各项指标均达到技术要求。经过不断的完善和改进,使其性能稳定,工作可靠。采用晶闸管三相桥式移相控制和功率MOSFET调整两个控制环联合控制,可以有效提高电源的稳定度,降低电源的纹波;采用三相隔离变压器接入电网,可以提高电源的安全性,降低对电网功率的要求;采用集成三相功率调压模块,减少了电路的复杂程度;通过添加各种保护电路,在设备出现不正常运转时,及时切断三相输入,保护元件不受到损坏。由于采用截止型保护电路,电源不能自动复位,所以在环境条件允许的情况下,可以采用开关型过电流保护,解决了限流型的高功率损耗,减流型的锁定效应和截止型的手动复位等问题。该电源主要用于需要大功率线性调压的场合,也可用作大功率高稳定度线性稳压电源使用。
参考文献
[1]TimWilliams.电路设计技术与技巧.周玉坤,靳济方,徐宏,等译.北京:电子工业出版社,2006.
[2]关强,杜丹丰.小型发动机测功机现状研究.森林工程,2006,22(4):24-25.
[3]陈之勃,陈永真.0~200V连续可调线性稳压电源.电子设计应用,2008(1):124-128.
[4]傅胤荣.大功率数控直流稳压电源的设计.船电技术,2008(3):170-171.
[5]崔树清.一种新型交流稳压电源的设计.通信电源技术,2007,24(5):63-64.
[6]邹雪城,涂熙,骞海荣.低压差稳压电源的折返式限流保护电路的设计.通信电源技术,2007,24(4):31-32.
[7]莫怀忠.直流稳压电源的简化设计.电子制作,2007(7):61-62.
[8]王贺明,哈剑波.可控整流中晶闸管参数的选择及应用.河北软件职业技术学院学报,2005,7(4):53-55.
[9]王翠珍,唐金元.可调直流稳压电源电路的设计.中国测试技术,2006,32(5):113-115.
关键词：直流稳压电源；生产过程；项目；任务
中图分类号：TM44-4文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.03.056
1教材分析
通过本课程的学习，使学生掌握电子技术公共的基础知识和基本技能，培养和提高学生运用所学专业基础与技能分析问题、解决问题的能力，以及继续学习专业课程的能力，为学生职业生涯的发展奠定基础。
教学内容选自第一章和第四章的整流器、滤波器和稳压器三部分内容。它们是模拟电路的基本电路，也是模拟电路应用的基础，因此在电子技术中占有非常重要的地位。
教材上的对三部分内容上的设计是独立分离的，对理论知识依然偏重。为了体现体现“三以一化”课程理念，本人对教材进行项目课例开发，打破传统的教学模式，开发了基于生产过程的《直流稳压电源电路的设计与制作》项目，融合了多门学科（电子CAD课程、仿真软件课程和电子技能课程），由单一能力培养转变为综合职业能力的提升。
2教学目标及重点
2.1知识与技能目标
①理解整流、滤波和稳压电路的原理；②熟悉桥式整流电路、电容滤波电路和稳压器的作用并能正确应用；③掌握直流稳压电源电路的设计与制作并能实现+5V、+15V、-15V、+18V和-18V稳压电源功能；④掌握检测元器件、使用常用仪器仪表、装配和调试直流稳压电源电路的能力；⑤会用Multsim仿真软件验证直流稳压电源电路功能；⑥会用Protel2004软件设计直流稳压电源电路板；⑦掌握资料检索、信息收集、制定方案及撰写报告的能力。
2.2方法和过程目标
①学会自主探究、尝试性学习的方法；②学会小组分工合作、团队协作学习的方法；③学会在相互讨论、评价中提高能力；④通过对任务要求的解读，提高分析问题和解决问题的能力。
2.3情感和态度价值观目标
①培养学生自信、勤奋、乐于动脑、严谨治学的学习态度和精神；②培养学生利用网络学习环境主动获取信息的意识；③通过探索、自主学习，体验成功的喜悦和实现自我价值；④培养学生良好的职业道德、团队精神、组织协调能力及创新意识。
根据课程标准和职业学校人才培养要求，确立本项目的教学重点为：①桥式整流电路、电容滤波电路和三端集成稳压器的工作原理；②直流稳压电源电路的设计和制作方法和过程。
3教学过程设计
关键词：LM317；可调；稳压电源
直流稳压电源一般由电源变压器，整流，滤波电路及稳压电路所组成。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
1LM317简介
LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。其主要性能参数如下。
输出电压：1.25～37VDC；输出电流：5mA～1.5A；芯片内部具有过热、过流、短路保护电路；最大输入-输出电压差：40VDC，最小输入-输出电压差：3VDC；使用环境温度：-10～+85℃。
2性能指标要求
（1）输出电压可调：UO=+3V～+9V。
（2）最大输出电流：I0max=800mA。
（3）输出电压变化量：Vop_p5mV。
（4）稳压系数：Sv3×10-3。
3电路图如下
元件清单如下：二极管都是IN4007，电阻22KΩ一个，200Ω一个，2KΩ可调一个，LED灯一个，LM317稳压模块一个，电解电容1000U一个，220U一个，瓷片电容103一个，鳄鱼夹二个，电源线一根，PCB万能板一块，变压器一个。
4总体设计思路
本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并实现电压可在3-9V之间可调。LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压.它能连续可调正负电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路。
（1）电源变压器：电源变压器是降压变压器，它的作用是将220V的交流电压变换成整流滤波电路的需要的交流电压。
（2）整流电路：整流采用桥式整流电路，用4个IN4007二极管对交流电进行整流，使之成为脉冲直流电。其构成原则就是保证在变压器副边电压u2的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。为达到这一目的，就要在u2的正、负半周内正确引导流向负载电流。设压器副边两端分别为A和B，则A为“+”、B为“-”时应有电流流出。A为“-”、B为“+”时应有电流流入A点；相反A为“+”、B为“-”时应有电流流入B点，A为“-”、B为“+”时应有电流流出B点；因而A和B点应分别接两只二极管的阴极和阳极，以引导电流；当U2为正半周期时，电流由A点流出，经D1、RL、D3流入B点，因而负载电阻RL上的电压等于变压器的副边电压，即UO=U2，D2和D4管承受的反向电压为-U2。当U2为负半周时，电流由B点流入，经D2、RL、D4流入A点，负载电阻上的电压等于-U2，即UO=-U2，D1、D3承受的反向电压为U2。
这样，由于D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通，使得负载电阻RL上在U2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压为UO=|√2U2sinωt|。
（3）滤波电路：滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流波纹成分大部分滤除，输出波纹较小的直流电压。当变压器副边电压U2处于正半周并且数值大于电容两端电压Uc时，二极管D1、D3导通，电流一路经负载电阻RL，另一路对电容C充电。因为在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压Uc与U2相等。当U2上升到峰值以后开始下降，电容通过负载电阻RL，其电压Uc也开始下降，趋势与U2基本相同。但是由于电容按指数规律放电，所以当U2下降到一定数值以后，Uc的下降速度小于U2的下降速度，使Uc大于U2从而导致D1、D3反向偏置而变为截止。此后电容C继续通过RL放电，Uc按指数规律缓慢下降。
当U2的负半周幅值变化到恰好大于Uc时，D2、D4因加正向电压变为导通状态，U2再次对C充电，Uc上升到U2的峰值后又开始下降，下降到一定值时D2、D4变为截止，C对RL放电，Uc按指数规律缓慢下降；放电到一定值时D1、D3变为导通，重复上述过程
（4）稳压电路：这里是选用LM317稳压模块对电路进行稳压。它是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。
5产品的安装与调试
根据电路图进行安装与调试，接入220V市电，用万用表对电源各波段的电压进行测试，通过对电压的测试检测产品是否合格。
参考文献
1中国计量出版社组编.新编电子电路大全[M].北京：中国计量出版社，2001
2童诗白，华成英主编.模拟电子基础[M].北京：高等教育出版社，2006