霓虹灯光控定时器开关电路设计(编辑修改稿)

霓虹灯光控定时器开关电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

器有双管串接的升压式（ BuckBoost） DC/DC 转换器。 四管 DC/DC 转换器常用的是全桥 DC/DC 转换器（ FullBridge Converter）。 隔离式 DC/DC 转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用 变压器 来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。 北京化工大 学北方学院毕业设计（论文） 11 在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。 所以开关管数越多， DC/DC 转换器的输出功率越 大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的 1/4。 非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具各的一些特性。 按能量的传输来分， DC/DC 转换器有单向传输和双向传输两种。 具有双向传输功能 的 DC/DC 转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。 DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。 借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （ Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。 他控式 DC/DC 转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制 电路 产生的。 按照开关管的开关条件， DC/DC转换器又可以分为硬开关（ Hard Switching）和软开关（ Soft Switching）两种。 硬开关 DC/DC 转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（ Switching loss）。 当转换器的工作状态一 定时开关 损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中 还会激起电路分布 电感 和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关 DC/DC 转换器的开关频率不能太高。 软开关 DC/DC 转换器的开关管，在开通或关 断 过 程 中 ， 或 是 加 于 其 上 的 电 压 为 零 ， 即 零 电 压 开 关（ ZeroVoltageSwitching， ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（ ZeroCurrentSwitching ， ZCS）。 这种软开关方式可以显着地减小开关损耗， 以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。 功率 场效应管 （ MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。 它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前 不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。 为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式（ ZVS）。 绝缘栅双极性 晶体管 （ Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一种复合开关器件 ，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此 IGBT 宜采北京化工大 学北方学院毕业设计（论文） 12 用零电流（ ZCS）关断方式。 IGBT 在 零电压条件 下关 断，同样也能减小关断损耗，但是 MOSFET 在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。 谐振转换器（ ResonantConverter ， RC）、准谐振转换器（ QunsiTesonant Converter，QRC）、多谐振转换器（ Mu1tiResonantConverter， MRC）、零电压开关 PWM 转换器（ ZVS PWM Converter）、零电流开关 PWM转换器（ ZCS PWM Converter）、零电压转换（ ZeroVo1tageTransition， ZVT） PWM转换器和零电流转换（ Zero Vo1tageTransition， ZVT） PWM 转换器等，均属于软开关直流转换器。 电力 电子 开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了 高频开关电源 的发展 [5]。 开关电源其优点就是工作稳定，电流输出大，由于其体积相对比较大，在我们的电路我没有考虑使用，下面看下变压器降压电路，变压器是一种很多设备里面常用的，成本比较低的一种方案。 变压器供电 图 电源变压器 变压器 (Transformer)是利用 电磁感应 的原理来改变交流 电压 的装置，主要构件是初级 线圈 、次级线圈和铁心（磁芯）。 在电器设备和无线 电路 中，常用作升降电压、匹配 阻抗 ，安全隔离等。 在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。 变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，北京化工大 学北方学院毕业设计（论文） 13 电流和阻抗的器件。 变压器的功能主要有：电 压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。 变压器就是将大电压，转变成小电压，提供个设备所需要的电能， 变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。 变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。 如果采用变压供电，还需要选用一定的原件，组成交流转直流的电路，即整流电路，与电源滤波电路，经过这两个电路，才能给电路提供稳定的直流电能，否 则电不是温恒的，是脉动的，这样是不行的，下面我们看下常用的整流滤波电路。 图 桥式整流电路 上图为常用的桥式整流电路。 桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。 其工作原理是 ： 桥式整流电路的工作原理如下： e2 为正半周时，对 D D3加正向电压， Dl、D3 导通；对 D D4 加反向电压， D D4 截止。 电路中构成 e D Rfz 、 D3通电回路，在 Rfz 上形成上正下负的半波整流电压， e2为负半周时，对 D D4北京化工大 学北方学院毕业设计（论文） 14 加正向电压， D D4 导通；对 D D3 加反向电压， D D3 截止。 电路中构成e D2Rfz 、 D4通电回路，同样在 Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。 如此重复下去，结果在 Rfz 上便得到全波整流电压。 其波形图和全波整流波形图是一样的。 从图 中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。 经过以上电路的分析，与电路考虑，开关电源由于我们不需要很大电流，而变压器由于体积大，变压器又是必不可少的原件，这样无疑增大了我们的体积，所以在电路中， 我选用了电容降压电路，而没有采用开关电源，变 压器供电， 因为其结构简单，电流需求小，所以电容降压电路 完全能够胜任，电容降压子在很多电器中都有采用过，这里我们看下其原理： 工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。 例如 ,在 50Hz 的工频条件下 ,一个 1uF的电容所产生的容抗约为 3180Ω。 当 220V 的交流电压加在电容器的两端 ,则流过电容的最大电流约为 70mA。 虽 流过电容的电流有 70mA,但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容 ,则流过电容的电流为虚部电流 ,它所作的功为无功功率。 根据这个特点 ,我们如果在一个 1uF 的电容 器上再串联一个阻性元件 ,则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。 例如 ,我们将一 110V/8W 的灯泡与一个 1uF 的电容串联 ,在接到 220V/50Hz 的交流电压上 ,灯泡被点亮 ,发出正常的亮度而不会被烧毁。 因为 110V/8W 的灯泡所需的电流为 8W/110V=72mA,它与 1uF电容所产生的限流特性相吻合。 同理 ,我们也可以将 5W/65V 的灯泡与 1uF电容串联接到 220V/50Hz 的交流电上 ,灯泡同样会被点亮 ,而不会被烧毁。 因为5W/65V 的灯泡的工作电流也约为 70mA。 因此 ,电容降压 实际上是利用容抗限流。 而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的 角 色 [6]。 采用电容降压电路有几点需要注意的事项 ： （ 1） 根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容 ,而不是依据负载的电压和功率。 （ 2） 限流电容必须采用无极性电容 ,绝对不能采用电解电容。 而且电容的耐压须在 400V 以上。 最理想的电容为铁壳油浸电容。 （ 3） 电容降压不能用于大功率条件 ,因为不安全。 （ 4） 电容降压不适合动态负载条件。 北京化工大 学北方学院毕业设计（论文） 15 （ 5） 同样 ,电容降压不适合容性和感性负载。 （ 6） 当需要直流工作时 ,尽量 采用半波整流。 不建议采用桥式整流， 因为全波整流产生浮置的地，并在零线和火线之间产生高压，造成人体触电伤害。 而且要满足恒定负载的条件。 容降压式简易电源的基本电路如图 ， C1为降压电容器， VD2 为半波整流二极管， VD1 在市电的负半周时给 C1 提供放电回路， VD3 是稳压二极管， R1 为关断电源后 C1 的电荷泄放电阻。 在实际应用时常常采用的是图 的所示的电路。 电容电压可以应用在电流小的电路中，因为我们的电路没有强负载，所以采用了电容降压电路，减少成本，提高效率。 下面我们看下在我的电路中构成电容降压的电 路： 图 电容降压电路 图中 C1， R2，组成了阻容降压电路， D2 是 9v稳压管，也就是说当电压大于9v 时， D2两端的电压不变稳定保持在 9v，位后续电路提供温恒电能， D1为整流二极管，与 c3配合即完成了我们整个电路的供电工作，在 C3 两端，就是温恒的直 流电了，注意整个电不可以接大负载，因为上述说明了，这里不在叙述。 北京化工大 学北方学院毕业设计（论文） 16 第 节 光控开关电路设计 光控开关由感光元件（光敏电阻）采集信号 ， 555 电路做延时控制输出与检测。 图 NE555 NE555及施密特触发器 NE555 （ Timer IC）为 8脚时基 集成电路 ，大约在 1971年由 Sigics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的 Timer IC，在往后的 30年中非常普遍被使用，且延伸出许多的应用 电路，后来基于 CMOS 技术版本的 Timer IC 如 MOTOROLA 的MC1455 已被大量的使用，但原规格的 NE555 依然正常的在市场上供应，尽管新版 IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。 芯片简介 ： NE555 是属于 555 系列的计时 IC 的其中的一种型号， 555 系列 IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频 率也不大相同；而 555 是一个用途很广且相当普遍的计时 IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。 NE555由于 只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。 其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久 ， 它的操作电源范围极大，可与 TTL，CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这 些系列逻辑电路的高、低电平匹配 ， 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载 ， 它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜 ，所以在本电路中，采用 555这个器件，由于 555的组合电路相当之多，在这里我们采用由 555组成的施密特触发电路，下面我们看下什么是施密特触发电路。 北京化工大 学北方学院毕业设计（论文） 17 图 施密特出发电 路 门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。 施密特 触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈 值电压和负向阈值电压。 在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。 正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。 它是一种阈值开关电路，具有突变输入 —— 输出特性的门电路。 这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。 利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。 输入的信号只要幅度大于 vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。 当输入电压由低向高增加，到达 V+时，输出电压发生突变，而输入电压 Vi由高变低，到达 V，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的。 从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。 当传输线上。