利用可控開關(guān)控制電風(fēng)扇轉(zhuǎn)速.doc

一、直流電源的產(chǎn)生1.1、變壓變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種靜止電器，它的主要用途是進(jìn)行電壓變換，用它可把某一電壓的交流電能變換同頻率的另一種電壓的交流電能。變壓器除了在電力上來改變電壓外，還有改變電流、阻抗的作用。變壓原理一句話概括:電生磁。磁生電。它的基本原理是：一次線圈和二次線圈繞在同一個(gè)鐵芯上，當(dāng)一次線圈通電后，在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通，（電生磁）該交變磁通穿過二次線圈，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將在二次線圈中產(chǎn)生交變電勢(shì)，（磁生電）由于一二次側(cè)線圈的匝數(shù)不等，因此，二次側(cè)的電壓也就不等。如圖說明1.2、整流整流電路的作用: 將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。 整流原理：利用二極管的單向?qū)щ娦哉髟ǘO管）1、二極管的結(jié)構(gòu)點(diǎn)接觸型二極管的特點(diǎn)是PN結(jié)面積小，不能通過大電流，但等效電容小，適用于高頻工作及小信號(hào)整流。面接觸型PN結(jié)面積大，允許通過的正向電流大，但等效電容大，常用做整流管，適用于再較低頻率下工作。平面型二極管，結(jié)面積較小的管子，等效電容小，適于做脈沖數(shù)字電路中的開關(guān)管；結(jié)面積較大的管子，可通過較大電流，適用于大功率整流。2、二極管的伏安特性圖所示為二極管端電壓與電流的關(guān)系曲線，稱為伏安特性當(dāng)二極管正向電壓大于Uon，二極管導(dǎo)通。當(dāng)二極管所加正向電壓比較小時(shí)，由于外電場(chǎng)還不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所造成的阻力，正向電流非常小，二極管呈現(xiàn)出較大電阻，所以常稱這個(gè)區(qū)域?yàn)樗绤^(qū)。稱使二極管正向?qū)ǖ亩穗妷簽殚_啟電壓Uon, 也稱為死區(qū)電壓。當(dāng)外加反向電壓增大到一定數(shù)值UBR時(shí)，外電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力足以使共價(jià)鍵中的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子，使少數(shù)載流子的數(shù)目急劇增加，反向電流驟然增大，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。UBR稱為反向擊穿電壓。二極管反向擊穿后往往造成永久性損壞。3、二極管的主要參數(shù)（1）最大平均整流電流IF IF是二極管長(zhǎng)期運(yùn)行允許通過的最大正向平均電流，由PN的面積與散熱條件決定。當(dāng)正向電流超過IF時(shí)，管子會(huì)因過熱而損壞。（2）最高反向工作電壓UR 即管子長(zhǎng)期運(yùn)行允許在兩端的最大反向電壓，指峰值。為保二極管安全工作，UR常為0.5UB。（3）反向電流IR IR是二極管的質(zhì)量指標(biāo)之一，單向?qū)щ娤蛐栽胶?。反向電流是一個(gè)受溫度影響較大的參數(shù)，使用時(shí)應(yīng)注意。（4）工作頻率 其數(shù)值決定于PN結(jié)的等效電容的大小。當(dāng)實(shí)際頻率超過此值時(shí)，二極管就不能很好地體現(xiàn)單向?qū)щ娦?。?）零偏壓電容 指二極管端電壓為零時(shí)的等效電容，一般開關(guān)管的零偏壓電容只有幾個(gè)pF。工作原理當(dāng)u2正半周時(shí)，1點(diǎn)電位為正，2點(diǎn)的電位為負(fù)。二極管D1、D3外加正向電壓，因而處于導(dǎo)通狀態(tài)；D2、D4外加反向電壓，因而處于截止?fàn)顟B(tài)。電流由1點(diǎn)流出，經(jīng)D1、RL、D3回到2點(diǎn)如圖所示。負(fù)載電阻RL上的電壓uL等于變壓器二次電壓u2，VD2、VD4管呈受的反向電壓也為u2.當(dāng)u2負(fù)半周時(shí)，1點(diǎn)電位為負(fù)，2點(diǎn)電位為正。二極管D2、D4外加正向電壓，因而處于導(dǎo)通狀態(tài)；D1、D3外加反向電壓，因而處于截止?fàn)顟B(tài)。電流2點(diǎn)流出，經(jīng)過D2、RL、D4回到1點(diǎn)，如圖所示。負(fù)載電阻RL上的電壓uL等于-uL等于-u2，D1與D3管所加反向電壓u2。這樣，由于D1、D3和D2、D4兩兩交替導(dǎo)通，所以，負(fù)載電阻上載u2的整個(gè)周期內(nèi)都有電流通過，且方向不變，故輸出為當(dāng)方向脈動(dòng)電壓。圖所示為單相橋式整流電路各部分的電壓波形。1.3、濾波 整流電路的輸出電壓，雖然方向不變，但是脈動(dòng)較大，含有較大的交流成分，不能適應(yīng)大多數(shù)電子線路及設(shè)備的需要。因此，一般在整流以后，還需利用濾波電路將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。濾波原理：濾波電路利用儲(chǔ)能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。電容濾波電路就是在整流電路的輸出端并聯(lián)一個(gè)電容，如圖所示。利用電容的充放電作用，使負(fù)載電壓趨于平滑。給出了電容濾波電路在帶電阻負(fù)載后的工作情況。接通交流電源后，二極管導(dǎo)通，整流電源同時(shí)向電容充電和向負(fù)載提供電流,輸出電壓的波形是正弦形。在時(shí)刻，即達(dá)到u2 90峰值時(shí)，u2開始以正弦規(guī)律下降，此時(shí)二極管是否關(guān)斷，取決于二極管承受的是正向電壓還是反向電壓。先設(shè)達(dá)到90后，二極管關(guān)斷，那么只有濾波電容以指數(shù)規(guī)律向負(fù)載放電，從而維持一定的負(fù)載電流。但是90后指數(shù)規(guī)律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超過90以后有一段時(shí)間二極管仍然承受正向電壓，二極管導(dǎo)通。隨著u2的下降，正弦波的下降速率越來越快，uC 的下降速率越來越慢。所以在超過90后的某一點(diǎn)，例如圖中的t2時(shí)刻，二極管開始承受反向電壓，二極管關(guān)斷。此后只有電容器C向負(fù)載以指數(shù)規(guī)律放電的形式提供電流，直至下一個(gè)半周的正弦波來到，u2再次超過uC，如圖中的t3時(shí)刻，二極管重又導(dǎo)電。1.4、穩(wěn)壓 7805輸出正向電壓+5 7905是輸出負(fù)電壓-51、使用方法:左腳輸入，右腳輸出，中間接地。2、特性指標(biāo)（1）輸出電壓范圍符合直流穩(wěn)壓電源工作條件情況下，能夠正常工作的輸出電壓范圍。該指標(biāo)的上限是由最大輸入電壓和最小輸入輸出電壓差所規(guī)定，而其下限由直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓值決定。（2）最大輸入輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值，其值主要取決于直流穩(wěn)壓電源內(nèi)部調(diào)整晶體管的耐壓指標(biāo)。（3）最小輸入輸出電壓差該指標(biāo)表征在保證直流穩(wěn)壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。（4）輸出負(fù)載電流范圍輸出負(fù)載電流范圍又稱為輸出電流范圍，在這一電流范圍內(nèi)，直流穩(wěn)壓電源應(yīng)能保證符合指標(biāo)規(guī)范所給出的指標(biāo)。二、直流斬波2.1、斬波原理直流斬波器的工作原理如圖所示，可控開關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開。當(dāng)S接通時(shí)，直流電源通過開關(guān)S施加到負(fù)載兩端，電源向負(fù)載提供能量。當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，中斷了供電電源向負(fù)載提供能量如果改變開關(guān)的動(dòng)作頻率，或改變直流電流接通和斷開的時(shí)間比例，就可以改變加到負(fù)載上的電壓、電流平均值。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式，Ts（周期）不變，改變Ton（通用，Ton為開關(guān)每次接通的時(shí)間），二是頻率調(diào)制方式，Ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。2.2、IGBT2.3、IGBT簡(jiǎn)介FGA25N120- , 耐壓 1200V, 電流容量 25 時(shí) 42A,100 時(shí) 23A, 內(nèi)部帶阻尼二極管 。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型功率管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式電力電子器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴（少子），對(duì)N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。2.4、工作特性靜態(tài)特性IGBT開通關(guān)斷條件：導(dǎo)通條件：承受正向陽極電壓（陽極電位高于陰極電位）； 加上適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓（門極電位高于陰極電位）。關(guān)斷條件：門極無電流； 陽極電流減小到某一電流以下。以下是詳細(xì)內(nèi)容：IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。 2.5、使用中的注意事項(xiàng)由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到2030V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)： 在使用模塊時(shí)，盡量不要用手觸摸驅(qū)動(dòng)端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時(shí)，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動(dòng)端子時(shí)，在配線未接好之前請(qǐng)先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。 此外，在柵極發(fā)射極間開路時(shí)，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時(shí)，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。 在使用IGBT的場(chǎng)合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(shí)(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會(huì)損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10K左右的電阻。 在安裝或更換IGBT模塊時(shí)，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時(shí)將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對(duì)散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時(shí)將報(bào)警或停止IGBT模塊工作。 2.6、保管時(shí)的注意事項(xiàng)一般保存IGBT模塊的場(chǎng)所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為535 ，常濕的規(guī)定在4575左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕; 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場(chǎng)合； 在溫度發(fā)生急劇變化的場(chǎng)所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時(shí)，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。 IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時(shí)的注意事項(xiàng)對(duì)實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。三、控制電路圖13.1、簡(jiǎn)介555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時(shí)被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制等方面。3.2、多諧振蕩器工作原理由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖(C)所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖(D)所示。設(shè)電容的初始電壓，t時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端，比較器1輸出為高電平，輸出為低電平，即，（1表示高電位，0表示低電位），觸發(fā)器置，定時(shí)器輸出此時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容充電，逐漸升高。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由翻轉(zhuǎn)為，這時(shí)，觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0t低電位高電位保持原狀態(tài)不變保持原狀態(tài)不變3.3控制電路的改進(jìn)3.4 其他元件功能介紹電路如圖 1示， 電路圖中R1、R2、D1是用來起到過壓、限流保護(hù)等。555多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)給IGBT門極，使IGBT導(dǎo)通。實(shí)踐總結(jié)電路如圖1示把交流電轉(zhuǎn)變直流電為風(fēng)扇提供電源，通過IGBT全控開關(guān)的開通和關(guān)斷控制風(fēng)扇所獲得的電能，從而調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。開關(guān)元件的開通和關(guān)斷受到柵極控制信號(hào)的控制，控制信號(hào)由555多諧振蕩器產(chǎn)生。最終通過調(diào)節(jié)方波的高低電平的時(shí)間來