霓虹燈光控定時器開關電路設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 器有雙管串接的升壓式（ BuckBoost） DC/DC 轉換器。四管 DC/DC 轉換器常用的是全橋 DC/DC 轉換器（ FullBridge Converter）。 隔離式 DC/DC 轉換器在實現輸出與輸入電氣隔離時，通常采用 變壓器 來實現，由于變壓器具有變壓的功能，所以有利于擴大轉換器的輸出應用 范圍，也便于實現不同電壓的多路輸出，或相同電壓的多種輸出。 北京化工大 學北方學院畢業設計（論文） 11 在功率開關管的電壓和電流定額相同時，轉換器的輸出功率通常與所用開關管的數量成正比。所以開關管數越多， DC/DC 轉換器的輸出功率越 大，四管式比兩管式輸出功率大一倍，單管式輸出功率只有四管式的 1/4。 非隔離式轉換器與隔離式轉換器的組合，可以得到單個轉換器所不具各的一些特性。 按能量的傳輸來分， DC/DC 轉換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能 的 DC/DC 轉換器，既可以從電源側向負載側傳輸功率，也可 以從負載側向電源側傳輸功率。 DC/DC轉換器也可以分為自激式和他控式。借助轉換器本身的正反饋信號實現開關管自持周期性開關的轉換器，叫做自激式轉換器，如洛耶爾 （ Royer）轉換器就是一種典型的推挽自激式轉換器。他控式 DC/DC 轉換器中的開關器件控制信號，是由外部專門的控制 電路 產生的。 按照開關管的開關條件， DC/DC轉換器又可以分為硬開關（ Hard Switching）和軟開關（ Soft Switching）兩種。硬開關 DC/DC 轉換器的開關器件 是在承受電壓或流過電流的情況下，開通或關斷電路的，因此在開通或關斷過程中將會產生較大的交疊損耗，即所謂的開關損耗（ Switching loss）。當轉換器的工作狀態一 定時開關 損耗也是一定的，而且開關頻率越高，開關損耗越大，同時在開關過程中 還會激起電路分布 電感 和寄生 電容的振蕩，帶來附加損耗，因此，硬開關 DC/DC 轉換器的開關頻率不能太高。軟開關 DC/DC 轉換器的開關管，在開通或關 斷 過 程 中 ， 或 是 加 于 其 上 的 電 壓 為 零 ， 即 零 電 壓 開 關（ ZeroVoltageSwitching， ZVS），或是通過開關管的電流為零，即零電流開關（ ZeroCurrentSwitching ， ZCS）。這種軟開關方式可以顯著地減小開關損耗， 以及開關過程中激起的振蕩，使開關頻率可以大幅度提高，為轉換器的小型化和模塊化創造 了條件。功率 場效應管 （ MOSFET）是應用較多的開關器件，它有較高的開關速度，但同時也有較大的寄生電容。它關斷時，在外電壓的作用下， 其寄生電容充滿電，如果在其開通前 不將這一部分電荷放掉，則將消耗于器件內部，這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗，功率場 效應管宜采用零電壓開通方式（ ZVS）。絕緣柵雙極性 晶體管 （ Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一種復合開關器件 ，關斷時的電流拖 尾會導致較大的關斷損耗，如果在關斷前使流過它的電流降到零，則可以顯著地降低開關損耗，因此 IGBT 宜采北京化工大 學北方學院畢業設計（論文） 12 用零電流（ ZCS）關斷方式。 IGBT 在 零電壓條件 下關 斷，同樣也能減小關斷損耗，但是 MOSFET 在零電流條件下開通時，并不能減小容性開通損耗。諧振轉換器（ ResonantConverter ， RC）、準諧振轉換器（ QunsiTesonant Converter，QRC）、多諧振轉換器（ Mu1tiResonantConverter， MRC）、零電壓開關 PWM 轉換器（ ZVS PWM Converter）、零電流開關 PWM轉換器（ ZCS PWM Converter）、零電壓轉換（ ZeroVo1tageTransition， ZVT） PWM轉換器和零電流轉換（ Zero Vo1tageTransition， ZVT） PWM 轉換器等，均屬于軟開關直流轉換器。電力 電子 開關器件和零開關轉換器技術的發展，促使了 高頻開關電源 的發展 [5]。 開關電源其優點就是工作穩定，電流輸出大，由于其體積相對比較大，在我們的電路我沒有考慮使用，下面看下變壓器降壓電路，變壓器是一種很多設備里面常用的，成本比較低的一種方案 。 變壓器供電 圖 電源變壓器 變壓器 (Transformer)是利用 電磁感應 的原理來改變交流 電壓 的裝置，主要構件是初級 線圈 、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設備和無線 電路 中，常用作升降電壓、匹配 阻抗 ，安全隔離等。在發電機中，不管是線圈運動通過磁場或磁場運動通過固定線圈，均能在線圈中感應電勢，此兩種情況，磁通的值均不變，但與線圈相交鏈的磁通數量卻有變動，這是互感應的原理。變壓器就是一種利用電磁互感應，變換電壓，北京化工大 學北方學院畢業設計（論文） 13 電流和阻抗的器件。變壓器的功能主要有：電 壓變換；電流變換，阻抗變換；隔離；穩壓（磁飽和變壓器）等。 變壓器就是將大電壓，轉變成小電壓，提供個設備所需要的電能， 變壓器是變換交流電壓、交變電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。 變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。 如果采用變壓供電，還需要選用一定的原件，組成交流轉直流的電路，即整流電路，與電源濾波電路，經過這兩個電路，才能給電路提供穩定的直流電能，否 則電不是溫恒的，是脈動的，這樣是不行的，下面我們看下常用的整流濾波電路。 圖 橋式整流電路 上圖為常用的橋式整流電路。 橋式整流器是利用二極管的單向導通性進行整流的最常用的電路，常用來將交流電轉變為直流電。 其工作原理是 ： 橋式整流電路的工作原理如下： e2 為正半周時，對 D D3加正向電壓， Dl、D3 導通；對 D D4 加反向電壓， D D4 截止。電路中構成 e D Rfz 、 D3通電回路，在 Rfz 上形成上正下負的半波整流電壓， e2為負半周時，對 D D4北京化工大 學北方學院畢業設計（論文） 14 加正向電壓， D D4 導通；對 D D3 加反向電壓， D D3 截止。電路中構成e D2Rfz 、 D4通電回路，同樣在 Rfz 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。 如此重復下去，結果在 Rfz 上便得到全波整流電壓。其波形圖和全波整流波形圖是一樣的。從圖 中還不難看出，橋式電路中每只二極管承受的反向電壓等于變壓器次級電壓的最大值，比全波整流電路小一半。 經過以上電路的分析，與電路考慮，開關電源由于我們不需要很大電流，而變壓器由于體積大，變壓器又是必不可少的原件，這樣無疑增大了我們的體積，所以在電路中， 我選用了電容降壓電路，而沒有采用開關電源，變 壓器供電， 因為其結構簡單，電流需求小，所以電容降壓電路 完全能夠勝任，電容降壓子在很多電器中都有采用過，這里我們看下其原理： 工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流。例如 ,在 50Hz 的工頻條件下 ,一個 1uF的電容所產生的容抗約為 3180Ω 。當 220V 的交流電壓加在電容器的兩端 ,則流過電容的最大電流約為 70mA。雖 流過電容的電流有 70mA,但在電容器上并不產生功耗，因為如果電容是一個理想電容 ,則流過電容的電流為虛部電流 ,它所作的功為無功功率。根據這個特點 ,我們如果在一個 1uF 的電容 器上再串聯一個阻性元件 ,則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性。例如 ,我們將一 110V/8W 的燈泡與一個 1uF 的電容串聯 ,在接到 220V/50Hz 的交流電壓上 ,燈泡被點亮 ,發出正常的亮度而不會被燒毀。因為 110V/8W 的燈泡所需的電流為 8W/110V=72mA,它與 1uF電容所產生的限流特性相吻合。同理 ,我們也可以將 5W/65V 的燈泡與 1uF電容串聯接到 220V/50Hz 的交流電上 ,燈泡同樣會被點亮 ,而不會被燒毀。因為5W/65V 的燈泡的工作電流也約為 70mA。因此 ,電容降壓 實際上是利用容抗限流。而電容器實際上起到一個限制電流和動態分配電容器和負載兩端電壓的 角 色 [6]。 采用電容降壓電路有幾點需要注意的事項 ： （ 1） 根據負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當的電容 ,而不是依據負載的電壓和功率。 （ 2） 限流電容必須采用無極性電容 ,絕對不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在 400V 以上。最理想的電容為鐵殼油浸電容。 （ 3） 電容降壓不能用于大功率條件 ,因為不安全。 （ 4） 電容降壓不適合動態負載條件。 北京化工大 學北方學院畢業設計（論文） 15 （ 5） 同樣 ,電容降壓不適合容性和感性負載。 （ 6） 當需要直流工作時 ,盡量 采用半波整流。不建議采用橋式整流， 因為全波整流產生浮置的地，并在零線和火線之間產生高壓，造成人體觸電傷害。而且要滿足恒定負載的條件。 容降壓式簡易電源的基本電路如圖 ， C1為降壓電容器， VD2 為半波整流二極管， VD1 在市電的負半周時給 C1 提供放電回路， VD3 是穩壓二極管， R1 為關斷電源后 C1 的電荷泄放電阻。在實際應用時常常采用的是圖 的所示的電路。 電容電壓可以應用在電流小的電路中，因為我們的電路沒有強負載，所以采用了電容降壓電路，減少成本，提高效率。 下面我們看下在我的電路中構成電容降壓的電 路： 圖 電容降壓電路 圖中 C1， R2，組成了阻容降壓電路， D2 是 9v穩壓管，也就是說當電壓大于9v 時， D2兩端的電壓不變穩定保持在 9v，位后續電路提供溫恒電能， D1為整流二極管，與 c3配合即完成了我們整個電路的供電工作，在 C3 兩端，就是溫恒的直 流電了，注意整個電不可以接大負載，因為上述說明了，這里不在敘述。 北京化工大 學北方學院畢業設計（論文） 16 第 節 光控開關電路設計 光控開關由感光元件（光敏電阻）采集信號 ， 555 電路做延時控制輸出與檢測 。 圖 NE555 NE555及施密特觸發器 NE555 （ Timer IC）為 8腳時基 集成電路 ，大約在 1971年由 Sigics Corporation發布，在當時是唯一非常快速且商業化的 Timer IC，在往后的 30年中非常普遍被使用，且延伸出許多的應用 電路，后來基于 CMOS 技術版本的 Timer IC 如 MOTOROLA 的MC1455 已被大量的使用，但原規格的 NE555 依然正常的在市場上供應，盡管新版 IC在功能上有部份的改善，但其腳位勁能并沒變化，所以到目前都可直接的代用。 芯片簡介 ： NE555 是屬于 555 系列的計時 IC 的其中的一種型號， 555 系列 IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩定度、省電、可產生的振蕩頻 率也不大相同；而 555 是一個用途很廣且相當普遍的計時 IC，只需少數的電阻和電容，便可產生數位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號 。 NE555由于 只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久 ， 它的操作電源范圍極大，可與 TTL，CMOS 等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發電平，均能與這 些系列邏輯電路的高、低電平匹配 ， 其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載 ， 它的計時精確度高、溫度穩定度佳，且價格便宜 ，所以在本電路中，采用 555這個器件，由于 555的組合電路相當之多，在這里我們采用由 555組成的施密特觸發電路，下面我們看下什么是施密特觸發電路。 北京化工大 學北方學院畢業設計（論文） 17 圖 施密特出發電 路 門電路有一個閾值電壓，當輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時電路的狀態將發生變化。 施密特 觸發器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾 值電壓和負向閾值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態發生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態發生變化的輸入電壓稱為負向閾值電壓。正向閾值電壓與負向閾值電壓之差稱為回差電壓。 它是一種閾值開關電路，具有突變輸入 —— 輸出特性的門電路。這種電路被設計成阻止輸入電壓出現微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。 利用施密特觸發器狀態轉換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于 vt+，即可在施密特觸發器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。 當輸入電壓由低向高增加，到達 V+時，輸出電壓發生突變，而輸入電壓 Vi由高變低，到達 V，輸出電壓發生突變，因而出現輸出電壓變化滯后的現象，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的 。 從傳感器得到的矩形脈沖經傳輸后往往發生波形畸變。當傳輸線上