IV目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 51.1研究目的和意義 51.2國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀 51.3主要研究內(nèi)容 5第2章單相SCR直流調(diào)壓原理 82.1概述 82.2可控硅的工作原理和特性 92.2.1可控硅的的工作原理 92.2.2可控硅的特性 92.3單相可控硅整流原理 12本章小結(jié) 12第3章系統(tǒng)方案設(shè)計以及硬件實現(xiàn) 143.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計 143.1.1整體方案 143.1.2關(guān)鍵器件選型 143.2功能模塊設(shè)計與實現(xiàn) 153.2.1整流模塊設(shè)計與實現(xiàn) 153.2.2過零脈沖產(chǎn)生電路 163.2.3同步電路 173.2.4鋸齒波產(chǎn)生電路 183.2.5觸發(fā)角調(diào)節(jié)電路 193.2.6555定時器電路 193.2.7驅(qū)動信號產(chǎn)生電路 203.2.8SCR驅(qū)動電路 21本章小結(jié) 23第4章硬件調(diào)測 244.1整流模塊電路調(diào)測 244.2過零脈沖電路調(diào)測 244.3鋸齒波電路調(diào)測 244.4555定時電路調(diào)測 25本章小結(jié) 25結(jié)論 26致謝 28參考文獻 29附錄1英文參考資料 31哈爾濱華德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）哈爾濱華德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）緒論1.1研究的目的及意義19世紀(jì)末，托馬斯愛迪生成功地采用了直流輸電的方式點亮了電燈泡，但因為能量損失巨大，所以直流輸電的效率非常低。后來尼古拉特斯發(fā)明了交流輸電，從而取代了直流輸電。在實際供配電的情況下，電壓可以很容易地通過變壓器進行電壓升高或降低，而且傳輸電能可以進行非近距離發(fā)散。工業(yè)交流用電從圖左方輸入，交流輸電電壓通過圖中間的變壓器被轉(zhuǎn)換成各種設(shè)備所需的電壓，次級電壓此時還是交流電，只是電壓通過匝數(shù)比進行降低，然后通過橋電路進行取直，最終通過AD-DC以及濾波電容進行最終轉(zhuǎn)換成直流電壓，提供給后級電路供電。但是，由于只是通過變壓器來轉(zhuǎn)換電壓，所產(chǎn)生的直流電可能會因為設(shè)備負(fù)載的當(dāng)前狀態(tài)而有波動變化。由于近年來的設(shè)備對于電源的要求是具有高精密度并能提供穩(wěn)定的電壓，所以主要采用開關(guān)電源電路。早期橋式整流后，通過幾千赫茲的高速開關(guān)將所合成電壓轉(zhuǎn)換為高頻率的矩形脈沖波。隨后，該脈沖產(chǎn)生的波將被傳遞至高頻變壓器，二級側(cè)的輸出將通過二極管和濾波電容器進行整流操作，并將產(chǎn)生的直流電源提供至負(fù)載。整流電路即AC-DC電路，是出現(xiàn)較早的電子電力電路，其功能是將交流形式電整流成為直流形式電，并且在整流的同時對直流側(cè)的電壓與電流進行調(diào)節(jié)，此時的電能轉(zhuǎn)換技術(shù)由于輸出電壓較低、脈動大、電能利用率不高改進為單相橋式整流型電路，它通常有電路設(shè)計較為簡單，輸出直流電較高等優(yōu)點，使用十分廣泛。但是單項SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)中輸出電壓一旦固定，輸出也就固定，而有些電器往往需要電壓大小可調(diào)的直流電源，因此如何把單項SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)改進為輸出可調(diào)是很多學(xué)者專業(yè)的研究方向。而通過利用可控硅單向的可控制導(dǎo)電的性能，通過觸發(fā)信號控制它的導(dǎo)通角，可以把交流電信號變成可調(diào)節(jié)的直流電信號，這種控制方式的控制電路叫做單相橋式可控硅整流電路。1.2國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀電子信息科技的快速發(fā)展，使得各種電器對整流式電路的要求也逐漸提高，如怎樣提高整流電路輸入的功率大小、優(yōu)化電壓輸出的穩(wěn)定性、擴大整流電路的功能，如何使整流電路輸出電壓高且大小可調(diào)，已經(jīng)成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)十分重要的研究問題之一。針對這個問題，很多專家學(xué)者們對單項SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)作了改進——利用可控硅來代替普通二極管，來實現(xiàn)整流電路的輸出電壓可調(diào)，這一改進取得了很好的效果。目前，一些發(fā)達國家在電子信息研究方面的研究已經(jīng)較為成熟了。國外研究設(shè)計的CuK電路、Buck電路和BO0sk電路都已經(jīng)寫入我國和世界專業(yè)教導(dǎo)書中。我國在此領(lǐng)域做出杰出貢獻的龔秋聲先生創(chuàng)造了龔氏橋全可控整流電路，這一技術(shù)奠定了我國在這一電源領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。晶閘管的發(fā)明使電力電子器件作為基礎(chǔ)元件進入電氣傳動領(lǐng)域成為可能，并得以快速發(fā)展，也成為當(dāng)前變流技術(shù)的前沿技術(shù)。1.3主要研究內(nèi)容整流電路在電力電子技術(shù)中是最為重要、應(yīng)用最為廣泛的電路，它是將交流電能變換為直流電能的電路。整流電路的電路類型有很多，如全橋整流、半橋整流等，其中單相SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)電路在目前的實際應(yīng)用中得到了極大的普及，因為它具有結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，控制方便等特點。整流器的主要用途是將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。因為所有的電子設(shè)備都需要使用直流電，但是電力公司提供交流電源，所以除非使用電池，否則整流器在所有電子設(shè)備的電源供應(yīng)中都是必不可少的。直流電源電壓的轉(zhuǎn)換要復(fù)雜得多。DC-DC轉(zhuǎn)換的一種方法是先將電源轉(zhuǎn)換為AC(使用一種稱為反向轉(zhuǎn)換器的設(shè)備)，然后使用變壓器改變AC電壓，最后再將其整流回DC電源。整流器也用于AM無線電信號檢測。信號可以在檢測前放大。如果沒有放大，必須使用非常低的壓降二極管。使用整流器解調(diào)時，電容器和負(fù)載電阻必須仔細(xì)匹配。如果電容太小，高頻分量會發(fā)射太多，如果電容太大，信號會被抑制。在當(dāng)今的電源整流技術(shù)中，通過對單項SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)的設(shè)計，不僅可以進行電力電子電路理論方面的學(xué)習(xí)，還可以通過對單項SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)下的工作情況進行對比分析和整合研究，對工程實踐的應(yīng)用也具有預(yù)測和指導(dǎo)作用。單相SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)在日常的使用中很是常見，常用于功率控制如調(diào)光調(diào)速等。本次設(shè)計的研究目的是為了熟練掌握電力電子領(lǐng)域中的晶閘管控制器技術(shù)，并能結(jié)合實際生產(chǎn)生活中常見的交流轉(zhuǎn)直流技術(shù)有更深入的了解和研究，本次研究方法采用理論結(jié)合實際電路設(shè)計的方法進行，最后，將對硬件產(chǎn)品進行焊接和調(diào)測，以此驗證設(shè)計的可靠性與正確性。對單相SCR直流調(diào)壓系統(tǒng)進行研究和設(shè)計，有必要對單相SCR直流調(diào)壓原理進行闡述和研究。流程圖如圖1.1所示。圖1.1電路流程圖單相SCR直流調(diào)壓原理為了熟練掌握電力電子領(lǐng)域中的晶閘管控制器技術(shù)，我們將對單相SCR直流調(diào)壓系統(tǒng)進行研究和設(shè)計，同時在設(shè)計中對單相SCR直流調(diào)壓原理進行闡述和研究。2.1概述可控硅(SCR)也稱晶閘管，是一種用于開關(guān)和控制大電流負(fù)載的半導(dǎo)體器件。晶閘管本質(zhì)上是一個電流控制器，它依靠外部提供的觸發(fā)電壓來開啟。可控硅器件還具有一個預(yù)設(shè)的保持電流值，低于該值即使打開也不會導(dǎo)通。這允許控制設(shè)備何時打開以及它將通過的最小電流。可控硅整流器通常用于大電流、高電壓的應(yīng)用，盡管它們經(jīng)常出現(xiàn)在低壓系統(tǒng)中，如燈調(diào)光器。超臨界電阻由四層p和n半導(dǎo)體材料交替構(gòu)成。外部引線(稱為柵極)連接到第二p層。柵極用于提供觸發(fā)電壓，從而使可控硅導(dǎo)通并開始導(dǎo)電。半導(dǎo)體晶片形成包含在鉬或鎢外殼中的致密顆粒。外殼的一端裝有一個螺紋螺柱，以便將散熱器與位于另一端的柵極和主輸入引線連接起來。硅控整流器將保持不活動或打開，直到收到預(yù)定的門或觸發(fā)脈沖，此時設(shè)備將打開并允許電流通過。一旦接通，柵極電壓可能被移除，只要電流不低于預(yù)設(shè)水平，晶閘管將繼續(xù)導(dǎo)通。這個預(yù)設(shè)的最小值被稱為設(shè)備的保持電流;即使晶閘管接收到門脈沖，如果主電源電流低于這個水平，它也不會打開。這些特性使得可控硅成為電流開關(guān)的理想元件。整流器的柵極電壓也是其工作中的一個可變函數(shù)。每個可控硅整流器都有一個額定閾值門極電壓，低于該電壓設(shè)備將不會激活。這一特性使電路設(shè)計者在整流器開關(guān)條件下具有額外的控制和靈活性。柵極控制電路通常裝有一個稱為緩沖器的保護裝置。這可以防止施加到整流器的電壓突然增加，從而導(dǎo)致柵極中的電容耦合，并無意中將其打開。可控硅通常用于具有很高電流和電壓值的電路中。現(xiàn)代開關(guān)電容器可以輕松地切換超過一百萬瓦的額定功率，并已成為高壓交流電(AC)到直流電(DC)轉(zhuǎn)換的一個組成部分。這些重型變型通常是水冷的，懸掛在輸電設(shè)施天花板上的巨大煙囪中。晶閘管也可以在家用應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，利用低得多的功率水平，如電機控制器、加熱控制器和大型調(diào)光器。2.2可控硅的工作原理和特性2.2.1可控硅的的工作原理可控硅，過去被簡稱為可控硅，現(xiàn)在也稱為晶閘管，同時又被人們稱做可控硅整流器。晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，其具備三個極:控制極、陽極和陰極;可控硅整流器具有硅整流器件的屬性，可以在較高電壓、大電流的環(huán)境下工作，且可以被不同程度的控制其工作過程、被充分運用于無觸點式電子開關(guān)、可控整流、交流調(diào)壓、逆變及變頻等電子電路中。單向可控硅是一種半導(dǎo)體開關(guān)器件，它具有功率較大的特性，類似于一個二極管，但比二極管多了一個控制極G，它的導(dǎo)通可以控制，單向，經(jīng)過可控硅兩主極的電流只能朝某一個單方向流動.因此當(dāng)電流朝向相反的方向流動時，可控硅就阻塞，雙向，就是經(jīng)過可控硅兩主極的電流可以任意朝向兩個不同方向流動.所以當(dāng)電流反方向流動的時候，可控硅仍能導(dǎo)通。圖2.1單相晶閘管結(jié)構(gòu)示意圖2.2.2可控硅的特性可控意味著可以從關(guān)閉狀態(tài)打開設(shè)備，也可以從打開狀態(tài)關(guān)閉。晶閘管的導(dǎo)通是指晶閘管觸發(fā)，通過增加流過晶閘管的陽極電流來開啟晶閘管。陽極電流的增加可以通過多種方式實現(xiàn)。電壓晶閘管觸發(fā):這里施加的正向電壓逐漸增加，超過一個pt，稱為正向過電壓VBO和門保持打開。這種方法是不可取的，因為在晶閘管導(dǎo)通過程中，它與大電壓、大電流有關(guān)，會造成巨大的功率損耗，并可能損壞器件。熱晶閘管觸發(fā):如果晶閘管溫度高，會導(dǎo)致電子空穴對增加，從而增大泄漏電流α1和α2。再生作用趨向于增加(α1+α2)到單元，晶閘管可能被打開。這種類型的開啟不是首選，因為它可能導(dǎo)致熱關(guān)閉，因此可以避免。光晶閘管觸發(fā):允許這些光線照射晶閘管的接頭，這導(dǎo)致電子空穴對的數(shù)量增加，晶閘管可能被打開。用這種方法觸發(fā)光激活的scr(激光器)。dv/dt觸發(fā):如果陽極到陰極電壓的上升率很高，通過電容結(jié)的充電電流就足以打開晶閘管，充電電流的高值可能會損壞晶閘管，因此必須保護裝置不受高dv/dt的影響。門極觸發(fā):這種晶閘管觸發(fā)方法被廣泛采用，因為晶閘管的門極觸發(fā)易于控制，使我們可以隨時控制晶閘管。在這里，我們對晶閘管施加?xùn)艠O信號，正向偏壓晶閘管在門極信號作用下會導(dǎo)通。一旦晶閘管開始導(dǎo)通，柵極就失去對器件的控制，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。這是因為當(dāng)應(yīng)用門極信號時，晶閘管內(nèi)發(fā)生再生動作。當(dāng)晶閘管正向偏置時，通過在柵極和陰極端子之間施加正柵極電壓注入柵極信號，然后接通晶閘管。晶閘管的柵極特性為我們提供了一個簡單的思路，使我們能夠在施加?xùn)艠O電壓和電流的安全范圍內(nèi)操作晶閘管或晶閘管。所以這是晶閘管的一個非常重要的特性。在制造時，每個SCR或晶閘管被指定具有最大柵極電壓限制(Vgmax)、柵極電流限制(Igmax)和最大平均柵極功耗極限(PGAV)。不應(yīng)超過這些限值以保護晶閘管免受損壞，晶閘管的正常運行還應(yīng)有規(guī)定的最小電壓(Vgmin)和最小電流(Igmin)。圖2.2晶閘管的伏安特性晶閘管具有如下伏安特性：開通過程1.由于晶閘管內(nèi)部的機制，其陽極電流的增長不可能是剎時的。2.tr上升時間在0.5~3μs之間，td延長時間在0.5~1.5μs之間，導(dǎo)通的時間即為tgt=td+tr3.延長的時間隨門極電流的增大而變小，上升時間不僅表現(xiàn)晶閘管本身特性外，還受到外部電路電感的深度影響。提高陽極電壓，延遲時間和上升時間都可顯著減少。圖2.3晶閘管的開通過程波形關(guān)斷過程1.由于外部電路電感的存在，原處于流通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)承受電壓突然由正方向轉(zhuǎn)換為反方向時，其陽極電流在衰退時必然也是有變化過程的。2.正向切斷恢復(fù)時間tgr，反方向切斷恢復(fù)時間trr，斷開時間則可以表示為tq=trr+tgr。3.斷開的時間大概有幾百us。4.在正方向切斷恢復(fù)的時間之內(nèi)如果重新對晶閘管增加正方向的電壓，晶閘管會重新正向流通，而不是受門極電流的控制而被流通。圖2.4晶閘管的關(guān)斷過程波形2.3單相可控硅整流原理橋式整流器是由四片二極管作為橋式連接，并用絕緣材料封裝而成。大功率橋式整流器的外絕緣層采用鋅金屬外殼封裝，以增強散熱效果。需要指出的是，作為整流元件的二極管應(yīng)根據(jù)不同的整流方式和負(fù)載大小來選擇。如果選擇不當(dāng)，可能會導(dǎo)致工作不安全，甚至燒壞管道;也可能浪費大量材料。在橋式整流電路中，只需要把兩個二極管換成可控硅整流器就能構(gòu)成全波可控整流電路了。為了實現(xiàn)整流電路輸出電壓“可控”，需要在可控整流電路中控制角α和導(dǎo)通角θ均相等，就必須使晶閘管承受正向電壓的每半個周期內(nèi)，觸發(fā)電路發(fā)出第一個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，這種相互配合的工作方式，稱為觸發(fā)脈沖與電源同步。通常來說，直流電源電壓的轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜，DC-DC轉(zhuǎn)換的一種方法是先將電源轉(zhuǎn)換為AC(使用一種稱為反向轉(zhuǎn)換器的設(shè)備)，然后使用變壓器改變AC電壓，最后再將其整流回DC電源。本章小結(jié)本章首先對單相SCR直流調(diào)壓進行了初步的介紹，其次分析了關(guān)鍵器件可控硅的工作原理和特性，可控意味著從關(guān)閉狀態(tài)打開設(shè)備。晶閘管的導(dǎo)通是指晶閘管觸發(fā)。通過增加流過晶閘管的陽極電流來開啟晶閘管。陽極電流的增加可以通過多種方式實現(xiàn)。電壓晶閘管觸發(fā):這里施加的正向電壓逐漸增加，超過一個pt。稱為正向過電壓VBO和門保持打開。這種方法是不可取的，因為在晶閘管導(dǎo)通過程中，它與大電壓、大電流有關(guān)，會造成巨大的功率損耗，并可能損壞器件。最后介紹了單相可控硅的整流原理，但同時需要注意的是使用整流器解調(diào)時，電容器和負(fù)載電阻必須仔細(xì)匹配。如果電容太小，高頻分量會發(fā)射太多，如果電容太大，信號會被抑制。系統(tǒng)方案設(shè)計以及硬件實現(xiàn)單相SCR直流調(diào)壓原理在上章進行了詳細(xì)的介紹，基于對該電路調(diào)壓遠(yuǎn)離的進一步研究和驗證的需要，下面對系統(tǒng)方案的設(shè)計以及硬件實現(xiàn)進行整體介紹。3.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計單相SCR直流調(diào)壓需要從交流取電通過橋電路以及觸發(fā)電路對交流進行取直，達到輸出可調(diào)直流電壓的目的。3.1.1整體方案單相SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)由整流電路、SCR驅(qū)動電路、驅(qū)動信號生成電路、同步電路、鋸齒波產(chǎn)生電路、過零脈沖產(chǎn)生電路、PWM方波電路以及電源濾波和指示電路。系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D如圖3.1所示，220V交流輸入通過可控的橋電路將交流進行取直，在橋式整流電路中，把相應(yīng)位置的二極管變?yōu)榫чl管，利用晶閘管的可控性，實現(xiàn)全波可控整流電路。圖3.1系統(tǒng)主電路拓?fù)鋱D3.1.2關(guān)鍵器件選型在本次設(shè)計中考慮到實際常用器件獲取的便利性以及通用性，主要IC選型主要用到了LM353運放芯片、LM339電壓比較器芯片、74LS04、74LS08邏輯門芯片、NE555芯片以及一些電容電阻等器件。在下面的章節(jié)中將展開對這些IC器件的功能描述。3.2功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)該章節(jié)對單相SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)的各主要構(gòu)成部分的子電路的硬件設(shè)計原理進行詳細(xì)說明。3.2.1整流模塊設(shè)計與實現(xiàn)整流模塊的主要用途是將交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源。因為所有的電子設(shè)備都需要使用直流電，但是電力公司提供交流電源，所以除非使用電池，否則整流器在所有電子設(shè)備的電源供應(yīng)中都是必不可少的。直流電源電壓的轉(zhuǎn)換要復(fù)雜得多，DC-DC轉(zhuǎn)換的一種方法是先將電源轉(zhuǎn)換為AC(使用一種稱為反向轉(zhuǎn)換器的設(shè)備)，然后使用變壓器改變AC電壓，最后再將其整流回DC電源。本次設(shè)計中不對變壓器電路進行細(xì)致闡述。典型的整流電路如下圖3.2所示。圖3.2橋式整流電路從圖3.2中可以看出，二極管D1、D2、D3、D4組成橋式整流電路，當(dāng)接上交流市電后，通過變壓器觸頭經(jīng)D1、D2、D3、D4進行正負(fù)半周期的翻轉(zhuǎn)整流。本次硬件實現(xiàn)上采用如下電路圖，本次設(shè)計選擇由集成化運放組件、二極管等構(gòu)成的如圖3.3所示整流電路，對較弱的信號進行精密化整流操作。在關(guān)鍵器件選型上，本次設(shè)計選用LM358集成運放。LM358是經(jīng)常使用到的一類雙運算模式放大器。其內(nèi)部構(gòu)成包含有兩個高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)摹ⅹ毩⒌倪\算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，同時雙電源工作模式也同樣適用，在較優(yōu)的工作條件下，電路中電源電壓與流經(jīng)電路的電源電流無關(guān)。它的適合場景主要有直流增益模塊、傳感放大器和其他全部能夠用單一電源即可供電的使用運算放大器的情況。圖3.3整流電路設(shè)計圖整流電路選擇LM358運放以及外圍元器件構(gòu)成，通過運放的特點，將正弦非直流電轉(zhuǎn)換為直流電。電路輸入的方式可以用公式表示，輸出的方式能夠使用公式表示。該整流電路理論輸出的電壓信號如圖3.4所示。圖3.4整流理論輸出電壓3.2.2過零脈沖產(chǎn)生電路220V交流電的電壓大小是隨時間的變化而不斷變化的，一個周期的時間是0:02秒，在各種控制電路中為了實現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)光、調(diào)溫或調(diào)速的目的，需要一個基準(zhǔn)點作為起點，這個起點就是當(dāng)交流點流經(jīng)電路時，產(chǎn)生的電源電壓為0的瞬間。過零電路檢測意思是當(dāng)交流電壓變?yōu)?的時候向控制回路發(fā)出一個信號，科技被叫做過零信號。此部分由一個LM339及其外圍電路構(gòu)成，LM339元器件是比較常見的一種差動比較器，具有四路高壓數(shù)字邏輯門電路。利用LM339可以快速的構(gòu)成各種常見的邏輯電路，如電壓比較器電路和振蕩器電路。在本次設(shè)計中，LM339的作用是當(dāng)輸入電壓小于1/11VCC時輸出高電平，其余輸出低電平，即當(dāng)輸入的正弦波經(jīng)過0點時產(chǎn)生一個脈沖。圖3.5電路圖及效果3.2.3同步電路觸發(fā)晶閘管要和晶閘管所處的電源相位一致，這就叫同步。比如，電源A相的晶閘管，觸發(fā)脈沖就要與A相同相位，這就是同步觸發(fā)。本次設(shè)計中同步電路部分主要構(gòu)成為一個LM358的電壓比較器和一個LM339及其相關(guān)的元器件組成的電壓比較器構(gòu)成，完成的功能為在輸入為正向時正半周同步信號輸出，輸入為負(fù)向時負(fù)半周同步信號輸出，設(shè)計原理圖如圖3.6所示。LM339對比其他器件來講，比較接近于增益不能夠調(diào)整變化的運算放大器。它有有兩個in端和一個out端。兩個in端其一叫做同相輸入端，用"+"表示，其二為反相輸入端，通常用符號"-"表示。兩端被用來進行差分比較，當(dāng)其中一端作為基準(zhǔn)時，根據(jù)同相還是反相，來進行輸出阻斷或?qū)ǎ诓罘蛛妷哼_到一定的門限10mv時，這兩種狀態(tài)的切換可以很穩(wěn)定的進行。LM339在實際使用中類似于不接集電極的三極管。圖3.6同步電路3.2.4鋸齒波產(chǎn)生電路通過對三角波發(fā)生電路中上升和下降斜率的調(diào)整，就可以產(chǎn)生鋸齒形狀的鋸齒波，鋸齒波是三角波的特殊表現(xiàn)形式，通過正向積分電路和反向積分電路的差異化來達到形成鋸齒波的目的，為了達到差異化，可以使兩個通路的路徑不同，如圖3.7所示。本次鋸齒波產(chǎn)生電路由一個LM358及其外圍電路組成的一個積分電路，作用是產(chǎn)生周期性鋸齒波電路。圖3.7鋸齒波產(chǎn)生電路3.2.5觸發(fā)角調(diào)節(jié)電路如果三角波能夠觸發(fā)電路，那么其一定是同相位內(nèi)的三角波，這樣，輸入一個可變的直流信號，與三角波比較，即可實現(xiàn)理論上0-180度的交流電壓移相脈沖，使可控硅(晶閘管)在同相位的電源上實現(xiàn)從0至最大的觸發(fā)角移相調(diào)節(jié)。就像水龍頭的截門，從0開到最大一樣。可控硅(晶閘管)的同步移相觸發(fā)也是把電流從0開到滿。本次設(shè)計中，觸發(fā)角調(diào)節(jié)電路由一個LM339電壓比較器電路組成，經(jīng)過對閾值電壓進行調(diào)整與鋸齒波所示電路進行比較，能夠獲得一個占空比可調(diào)的方波脈沖信號，具體的原理設(shè)計如圖3.8所示。圖3.8觸發(fā)角調(diào)節(jié)電路3.2.6555定時器電路555定時器是一種高度集成的IC，它能夠產(chǎn)生日常需要使用的各種數(shù)字模擬信號，在實際使用中555集成芯片常作為定時器使用。555幾種典型的應(yīng)用電路可以構(gòu)成各類具有實際使用價值的電子電路設(shè)計，例如定時器、分頻器、頻率變換電路和元器件參數(shù)等。圖3.9為555定時器的電路主要構(gòu)成及其工作原理圖。圖3.9555定時器的電路結(jié)構(gòu)本次設(shè)計中，555定時器電路主要是由555芯片為主要構(gòu)件，同時配合外圍電路從而構(gòu)成了一個多諧振蕩器，并且生成了頻率為10KHz的方波，具體的設(shè)計如圖3.10所示。圖3.10555定時器電路圖3.2.7驅(qū)動信號產(chǎn)生電路本次設(shè)計驅(qū)動信號生成電路由74LS08邏輯電路構(gòu)成，作用是將前面的對應(yīng)觸發(fā)信號生成為SCR驅(qū)動信號來觸發(fā)晶閘管的切換動作。74LS08，具備與門電路特性，更詳實的描述它就是4二輸入與門，也就是在一片74LS08芯片內(nèi)部，由四路二個輸入端的與門共同組成，邏輯原理以及真值表如圖3.11所示，具體的驅(qū)動信號生成電路原理圖如圖3.12所示。圖3.1174LS08引腳圖和真值表圖3.12驅(qū)動信號電路圖3.2.8SCR驅(qū)動電路微弱的觸發(fā)信號不具備驅(qū)動后面的功率元件動作，需要對觸發(fā)信號進行功率增強，本次設(shè)計中，SCR驅(qū)動電路由脈沖變壓器及整流電路構(gòu)成，作用是將驅(qū)動信號生成電路生成的驅(qū)動信號變換為SCR的觸發(fā)脈沖，關(guān)鍵的器件是脈沖變壓器，具體的驅(qū)動原理圖如圖3.13所示。圖3.13SCR驅(qū)動電路圖脈沖變壓器對可控硅觸發(fā)電路是具有一定意義的，通常情況下被用在開關(guān)電源中，其主要的功能與一般的變壓器是相近的，脈沖變壓器的變壓對象一般是PWM形式的可調(diào)占空比的方波，一般的變壓器變壓對象不是方波，而是另一種波形，即正弦波，我們當(dāng)前普遍使用的PWM信號也就是脈寬調(diào)制信號。脈沖變壓器變壓的信號頻率保持在10-100K，一般的工頻變壓器頻率在50HZ左右。脈沖變壓器的效率就要遠(yuǎn)高于一般的變壓器效率，并且體積相比之下也可以變小很多，這也是開關(guān)電源比線性變壓器電源優(yōu)越性所在，但是開關(guān)電源因為需要控制PWM的輸出，需要有集成控制IC，在成本上以及穩(wěn)定性上，線性電源要稍微好一些，開關(guān)電源具有一定的危險性，因為需要對工頻電壓進行升壓。開關(guān)電源中用到了脈沖方波，就需要有對應(yīng)的控制電路，它位于變壓器的前側(cè)。它把PWM信號通過濾波、整流等一系列轉(zhuǎn)換后，變成了直流的市電信號，通過PWM將其調(diào)制成高頻的脈寬電壓，脈寬電壓通過脈沖變壓器后，發(fā)生了變壓轉(zhuǎn)換，一般是進行降壓處理，將降壓后的電壓通過濾波和整流電路變成直流電壓。變壓器的另外一個不容忽視的功能就是隔離作用，當(dāng)外部有大功率的串?dāng)_能量進入后，變壓器可進行有效的隔離，使后級電路處在保護當(dāng)中。大家在日常見到的開關(guān)電源模塊上基本都存在高頻脈沖變壓器，其在開關(guān)電源中是關(guān)鍵的部件，但是相比線性變壓器，重量以及體積都要小很多，這樣使開關(guān)電源的運輸和安裝成本都大幅下降，便于開關(guān)電源的普及應(yīng)用。本章小結(jié)本章首先對系統(tǒng)設(shè)計進行了整體方案介紹，并對起主要作用的元器件進行了仔細(xì)的考量和選型，其次對控制電路的各個功能模塊構(gòu)成進行了充分的說明和介紹，這其中包括整流模塊的設(shè)計與實現(xiàn)、過零脈沖設(shè)計與實現(xiàn)、同步電路的構(gòu)成思路與結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、鋸齒波產(chǎn)生的設(shè)計與實現(xiàn)、觸發(fā)角調(diào)節(jié)的設(shè)計與實現(xiàn)、555定時器設(shè)計與實現(xiàn)、驅(qū)動信號的設(shè)計與實現(xiàn)以及SCR驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)，首先整流電路的主要用途是將交流電變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^對該電路的設(shè)計可以對較弱的信號進行精密化整流操作；過零脈沖電路主要是在電路設(shè)計中當(dāng)交流電壓變?yōu)?的時候向控制回路發(fā)出一個信號使得后續(xù)控制回路可實現(xiàn)相關(guān)指定操作，同步電路的設(shè)計場景為當(dāng)在輸入為正向時正半周同步信號輸出，輸入為負(fù)向時負(fù)半周同步信號輸出；而鋸齒波電路可以生成鋸齒波，在電路設(shè)計中的目的是為了達到差異化，可以使兩個通路的路徑；觸發(fā)角電路能夠?qū)㈦娐冯娏鬟M行不同程度的調(diào)整，與鋸齒波電路進行比較后從而獲得一個方波脈沖信號；定時器電路對電路中產(chǎn)生的波形進行時間維度上的監(jiān)測；驅(qū)動信號產(chǎn)生電路通過把電路中的接收到的觸發(fā)信號變?yōu)轵?qū)動信號，從而達到觸發(fā)晶閘管的目的；最后驅(qū)動電路將電路中產(chǎn)生的驅(qū)動信號再次轉(zhuǎn)變?yōu)镾CR的觸發(fā)脈沖，對電路進行有效控制。通過以上不同子電路的設(shè)計，將共同構(gòu)成完整電路完成單相SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。硬件調(diào)測通過上述的設(shè)計，焊接完成電路板，需要完成電路的調(diào)測來驗證設(shè)計的正確性，通過對結(jié)果的考察來驗證是否達到了設(shè)計目標(biāo)。4.1整流模塊電路調(diào)測如圖4.1，經(jīng)過整流硬件電路，示波器抓取到整流后的波形，交流信號的負(fù)半周期進行了翻轉(zhuǎn)，為后續(xù)的直流電壓的生成提供了初始的輸入。圖4.1整流輸出4.2過零脈沖電路調(diào)測如圖4.2，經(jīng)過過零脈沖產(chǎn)生電路，輸出過零信號，經(jīng)過示波器抓取，符合設(shè)計目標(biāo)，經(jīng)驗證本次設(shè)計的過零脈沖發(fā)生電路是正確的。圖4.2過零信號4.3鋸齒波電路調(diào)測如圖4.3，經(jīng)過鋸齒波電路調(diào)測，電路輸出鋸齒波信號，經(jīng)過示波器抓取，符合設(shè)計目標(biāo)，經(jīng)驗證本次設(shè)計的鋸齒波發(fā)生電路是正確的。圖4.3鋸齒波4.4555定時電路調(diào)測如圖4.4，經(jīng)過555定時電路調(diào)測，電路輸出定時信號，經(jīng)過示波器抓取，符合設(shè)計目標(biāo)，經(jīng)驗證本次設(shè)計的555定時器發(fā)生電路是正確的。圖4.4555定時信號本章小結(jié)本章通過對幾個關(guān)鍵模塊硬件電路的調(diào)測檢查，以及示波器的信號抓取，對不同電路的波形圖進行正確性的對比和驗證，同時對系統(tǒng)的整體設(shè)計內(nèi)容也加入了多項評估和實驗論證，經(jīng)過對電路系統(tǒng)的多項驗證，驗證結(jié)果符合設(shè)計目標(biāo)。結(jié)論本設(shè)計主要是設(shè)計實現(xiàn)了一款單相SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)，單相SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)在日常的使用中很是常見，通過文獻資料查閱發(fā)現(xiàn)，在一些調(diào)節(jié)類的應(yīng)用中，如高壓鈉燈的亮度調(diào)節(jié)，直流電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)等，都需要直流電壓來進行電源的供給，這些電源需要時直流而且支持調(diào)壓。SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)在這些應(yīng)用場合中可以大顯身手，而且造價便宜，功能穩(wěn)定，系統(tǒng)組成簡單，越來越多的場合都用到這種調(diào)壓方式，在實際生成生活中得到了各種廣泛的應(yīng)用。整流電路在各種維度都具有多種形式，如全控、半控、不可控，橋式，半波電路，單相電路、三相電路等。在實際生活生產(chǎn)中，單項SCR直流調(diào)壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用最為廣泛。常用于功率控制如調(diào)光調(diào)速等。系統(tǒng)主要模塊包括整流模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，主要用途是將交流電變?yōu)橹绷麟姡ㄟ^對該電路的設(shè)計可以對較弱的信號進行精密化整流操作；過零脈沖設(shè)計與實現(xiàn)，主要是在電路設(shè)計中當(dāng)交流電壓變?yōu)?的時候向控制回路發(fā)出一個信號使得后續(xù)控制回路可實現(xiàn)相關(guān)指定操作；同步電路的設(shè)計與實現(xiàn)，當(dāng)在輸入為正向時正半周同步信號輸出，輸入為負(fù)向時負(fù)半周同步信號輸出；鋸齒波產(chǎn)生的設(shè)計與實現(xiàn)，可以生成鋸齒波，在電路設(shè)計中的目的是為了達到差異化，可以使兩個通路的路徑；觸發(fā)角調(diào)節(jié)的設(shè)計與實現(xiàn)，能夠?qū)㈦娐冯娏鬟M行不同程度的調(diào)整，與鋸齒波電路進行比較后從而獲得一個方波脈沖信號；555定時器設(shè)計與實現(xiàn)，對電路中產(chǎn)生的波形進行時間維度上的監(jiān)測與控制；驅(qū)動信號產(chǎn)生電路的設(shè)計與實現(xiàn)，通過把電路中的接收到的觸發(fā)信號變?yōu)轵?qū)動信號，從而達到觸發(fā)晶閘管的目的；以及SCR驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)，將電路中產(chǎn)生的驅(qū)動信號再次轉(zhuǎn)變?yōu)镾CR的觸發(fā)脈沖，對電路進行有效控制。在第2章節(jié)，對單相SCR直流調(diào)壓的原理進行了分析，通過第3章完成各模塊的詳細(xì)設(shè)計和硬件的實現(xiàn)，最后通過第4章的實驗，驗證了設(shè)計方案的可行性與正確性。通過研究，可控硅調(diào)壓本身就是調(diào)整到相應(yīng)的直流電壓。普通的整流器不具有調(diào)壓功能，可控硅整流器是通過調(diào)整導(dǎo)通角來控制輸出的脈動直流電壓，再經(jīng)濾波后得到相應(yīng)的直流電壓。可控硅只能觸發(fā)導(dǎo)通，不能觸發(fā)關(guān)斷，稱為半控器件。交流變直流的首要一步是需要進行整流，整流的目的是對交流進行取直，然后通過各種后續(xù)濾波等方案獲取較為純凈的直流電壓。?在本次555定時觸發(fā)電路設(shè)計中，可以用單片機等嵌入式MCU方案替代，通過軟件化的手段來進行晶閘管觸發(fā)信號的產(chǎn)生，增加系統(tǒng)調(diào)壓的靈活性和方便性，這個部分內(nèi)容是需要后續(xù)進一步研究和學(xué)習(xí)的。不過還有一種"倍壓整流電路"可以將較低的交流電壓整流得到較高(電源電壓n倍)的直流電壓。通常用于高壓生成電路。這部分內(nèi)容是需要后續(xù)進行進一步研究的內(nèi)容。致謝時光荏苒，四年的本科學(xué)習(xí)即將結(jié)束，在這重要的時間關(guān)口有幸在導(dǎo)師的親切關(guān)懷和指導(dǎo)下，完成了本次的畢業(yè)設(shè)計論文，在這期間，導(dǎo)師的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)和一絲不茍的態(tài)度，深深的感染了我，并且在日常的生活當(dāng)中也給予了我極大的關(guān)懷，在我感到困惑時，導(dǎo)師總能從心理上給我極大的開導(dǎo)和安慰，使我能克服眼前的困難。所有這些都是我以后走上工作崗位而每每回想起都會感動的，在此，謹(jǐn)向?qū)熤乱哉\摯的謝意和崇高的敬意。除此以為，和我一起并肩作戰(zhàn)，共同生活學(xué)習(xí)了四年的各位同門、同學(xué)，有了你們的幫助和支持，我才能順利完成本論文的撰寫，在論文編寫過程中，我曾多次遇到阻塞問題，一時想不到解決辦法，而你們總是在關(guān)鍵的時候能夠在旁對我的研究課題進行討論和思考，在你們的幫助下問題一一得到了解決，所以這個課題的順利完成離不開你們的幫助和支持，在這里誠摯的說一聲謝謝，你們辛苦了！參考文獻[1]楊健鷙.電子科技大學(xué)碩士論文[D].《基于FPGA的工業(yè)相機圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)》，2007：50-64[2]梁健.科技與企業(yè)[J].《大型變壓器的安裝及調(diào)試技術(shù)探討》，2008：25-27[3]王臻卓.太原理工大學(xué)碩士論文[D].《基于小波變換和分形理論的輸電線路故障檢測研究》，2012：98-112[4]申鳳琴.電工電子技術(shù)及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2001：108-137[5]朱丹.南京航空航天大學(xué)碩士論文[D].《交流固態(tài)斷路器的研制》，2010：101-123[6]申同強，天津工業(yè)大學(xué)碩士論文[D].《基于WIFI的電力管控系統(tǒng)設(shè)計研究》，2011：178-180[7]李淑芳，價值工程[J].《晶閘管直流電動機調(diào)速裝置故障及對策研究》，2005：45-60[8]胡生青.薛海芬，核能[M].學(xué)苑音像出版社，2004：33-38[9]江耀純.太原理工大學(xué)碩士論文[D].《一種具有保護裝置的雙饋發(fā)電機系統(tǒng)及其保護方法》，2008：201-215[10]趙強.華北電力大學(xué)（北京）碩士論文[D].《三相三線不平衡負(fù)載動態(tài)無功補償裝置的研制》，2012：78-97[11]林木楠.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士論文[D].《場反位形等離子體裝置的