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文檔簡介
1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 電子調(diào)光電路 系 、 部: 電氣與信息工程系 學生姓名: 蔡 俊 指導教師: 職稱 講師 專 業(yè): 自動化 班 級: 自本0801 學 號: 完成時間: 2011-6-1 電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書系:電氣與信息工程系 年級:大三 專業(yè): 自動化 指導教師姓名學生姓名蔡俊課題名稱電子調(diào)光電路的設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)一、 設(shè)計任務(wù)和要求訓練學生綜合運用學過的變流電路原理的基礎(chǔ)知識,獨立進行查找資料、選擇方案、設(shè)計電路、撰寫報告,進一步加深對變流電路基本理論的理解,提高運用基本技能的能力,為今后的學習和工作打下堅實的基礎(chǔ)。二、設(shè)計內(nèi)容制作一個電子調(diào)光電路,通過對電路上旋鈕的調(diào)節(jié)
2、,來調(diào)節(jié)燈泡亮度的目的,燈泡功率為30w,可調(diào)范圍為20w30w。三、技術(shù)指標在燈泡額定電壓范圍內(nèi)對燈泡亮度進行調(diào)節(jié),最大亮度時,此時的功率的額定功率,電壓為額定電壓。功率能夠向下調(diào)節(jié)10w。進度安排起止日期設(shè)計內(nèi)容5.17根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計電路5.18-5.21對電路中元件進行參數(shù)設(shè)置5.22對元件參數(shù)進行驗證5.23-5.27原理圖的繪制5.28整理文檔主要參考資料王兆安.電力電子技術(shù).第五版北京:機械工業(yè)出版社,2009.5答辯成績指導教師評閱意見目 錄1 緒論11.1 晶體管的發(fā)展11.2 電子調(diào)光電路的作用21.3 電子調(diào)光電路對大學生的意義21.4 設(shè)計思路22 設(shè)計目的及設(shè)計要求與
3、設(shè)計指標32.1 設(shè)計目的32.2 設(shè)計要求和技術(shù)指標33 理論分析43.1 電子調(diào)光電路原理43.2 電子調(diào)光電路功能框圖53.3 方案的選擇73.4 理論分析74 設(shè)計內(nèi)容84.1 電子調(diào)光電路原理框圖84.2 單元電路的設(shè)計94.2.1 電源變壓器94.2.2 整流電路104.2.3 濾波電路124.2.4 斬波電路的設(shè)計124.2.5 電路設(shè)計圖134.3 電路的仿真174.4 電子調(diào)光電路的性能指標185 心得體會19參考文獻20附錄a 元件清單211 緒論1.1 晶閘管的發(fā)展晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。1904年出現(xiàn)了電子管,它能在真空中對電子流進行控制,
4、并應(yīng)用于通信和無線電,從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。20世紀30年代到50年代,水銀整流器廣泛用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動,甚至用于直流輸電。這一時期,各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時期,也應(yīng)用直流發(fā)電機組來變流.。1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管,引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命晶閘管是一種半控型器件,晶閘閘管是晶體閘流管的簡稱,又稱作可控硅整流器(scr)。1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品,并于1958年將其商業(yè)化; 晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能,使之很快就取代了水銀整流器和旋
5、轉(zhuǎn)變流機組,并且其應(yīng)用范圍也迅速擴大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的,從而開辟了電力電子技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代,其標志就是以晶閘管為代表的電力半導體器件的廣泛應(yīng)用,有人稱之為繼晶體管發(fā)明和應(yīng)用之后的又一次電子技術(shù)革命。自20世紀80年代以來,晶閘管的地位開始被各種性能更好的全控型器件所取代,但是由于性所能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子技術(shù)器件是最高的,而且工作可靠,因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管這個名稱往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管。但從廣義上講,晶閘管還包括許多類型的派生器件。1.2 電子調(diào)光電路的作用電子調(diào)光
6、電路應(yīng)用非常廣泛,尤其是一般市售臺燈調(diào)光電路上?;径疾捎秒娮邮降恼{(diào)光電路,有的高檔臺燈能實現(xiàn)無級調(diào)光,普通臺燈則是有級調(diào)光,可見電子調(diào)光在一些燈具上面用途是非常廣泛的。給我們的生活帶來了方便。由此可見電子調(diào)光的電路的商業(yè)潛在價值也是很大的。1.3 電子調(diào)光電路對大學生的意義 作為大學生的我們,在很多制作過程之中很多東西都需要用一些特定的調(diào)壓電路作為驅(qū)動裝置。因此,電子調(diào)光電路對我們而言都是一個非常常見而且必需的電路,以故自己便選擇制作電子調(diào)光電路。而且,在我們剛接觸的課程設(shè)計之中,電子調(diào)光電路的制作相對簡單些,也為我們以后制作實物做個鋪墊。同時,也為我們今后制作培養(yǎng)興趣,不至于很討厭甚至于害
7、怕。1.4 設(shè)計思路市電一般是220v交流電,但是電子調(diào)光電路中選用的是低電壓直流燈泡,故此電路中需要變壓器和整流電路,另外需要控制燈泡的亮度,所以需要一個控制電路,從而對輸出電壓占空比進行調(diào)節(jié),這里還需一個斬波電路,從而來控制燈泡亮度。電子調(diào)光電路課程設(shè)計綜合了電子電子技術(shù)中的許多理論知識,它使理論知識得到了更好的鞏固,并使理論知識與實際問題相聯(lián)系。其中主要用到的基礎(chǔ)知識有升降壓斬波電路和整流電路的工作原理和應(yīng)用,晶閘管的應(yīng)用,濾波電容的分析方法和應(yīng)用等。在設(shè)計的過程中還涉及到了應(yīng)用protel99制作原理圖一些基礎(chǔ)知識。對于綜合運用所學過的知識有一定的幫助。本課程設(shè)計的編寫是以實驗研究為主
8、線,以科學實驗研究所運用的實驗技術(shù)為主要內(nèi)容,按照實驗是什么,為什么,干什么,怎么干的邏輯思維體系和實驗的構(gòu)成要素(主體,手段,對象和目的)為教材內(nèi)容展開。在加強學生基礎(chǔ)理論學習的同時,還要加強實驗技術(shù)的訓練。實踐動手能力和課堂理論知識是相輔相成的。將理論知識、課題內(nèi)容的作業(yè)、討論與技能訓練相結(jié)合,融為一體,使能力培養(yǎng)貫穿于整個教學過程 。通過本課題的設(shè)計,培養(yǎng)學生掌握電子技術(shù)的科學實驗規(guī)律,實驗技術(shù),測量技術(shù)等實驗研究方法,使其具有獨立實驗研究的能力,以便在未來的工作中開拓創(chuàng)新。2 設(shè)計目的及其設(shè)計要求與技術(shù)指標2.1 設(shè)計目的1)學習電子調(diào)光電路的設(shè)計方法;2)研究電子調(diào)光電路的設(shè)計方案;
9、3)掌握sg2535升降壓斬波電路結(jié)構(gòu)和工作原理,參數(shù)設(shè)定方法;2.2 設(shè)計要求和技術(shù)指標1)技術(shù)指標:在燈泡額定電壓范圍內(nèi)對燈泡亮度進行調(diào)節(jié),最大亮度時,此時的功率的額定功率,電壓為額定電壓。功率能夠向下調(diào)節(jié)10w。2)設(shè)計基本要求:a) 設(shè)計一個能進行調(diào)光的電子調(diào)光電路;b) 擬定設(shè)計步驟和測試方案; c) 根據(jù)設(shè)計要求和技術(shù)指標設(shè)計好電路,選好元件及參數(shù);d) 要求繪出原理圖;e) 觀察最大亮度時燈泡的功率;f) 測量電子調(diào)光電路的輸出電壓穩(wěn)壓系數(shù)、紋波電壓;3 理論分析31 電子調(diào)光電路原理電子調(diào)光電路主要由變壓器,濾波電路,升降壓斬波電路構(gòu)成,采用不同的控制電路和斬波電路可以設(shè)計出不
10、同的設(shè)計方案。其原理圖大致可以以如下圖來表示:圖31 電子調(diào)光電路的功能框圖3.2 電子調(diào)光電路功能框圖原理可用四個過程來表示:1) 變壓過程:為了得到輸出電壓的額定范圍, 此過程主要是由變壓器來完成。所以,變壓器的主要作用是將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)為所需的交流電壓,同時還可以起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用。根據(jù)電壓器的原副級的電壓比的原理公式有 : v1:v2=n:1 (321)其中,v1為電源的輸入端輸入的交流電壓,v2為變壓后的變壓器的輸出端的輸出電壓,n為變壓器原副級線圈匝數(shù)比。此過程本實驗采用n=4,故v1:v2=4:12) 整流過程:整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。本過程主要是利用二極管的
11、單向?qū)щ娦詫崿F(xiàn)的,一次二極管是本過程的關(guān)鍵元件。根據(jù)二極管的數(shù)量及連接方式可以形成以下幾種電路:單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本實驗為了使整理效果更佳采用電橋全波整流連接方式。本過程主要是用這集成整流橋?qū)崿F(xiàn)。3) 濾波過程:濾波電路用于濾去整流輸出電壓的紋波,一般由電抗元件組成,濾波電路可分為電容濾波電路和電壓電路。由于電抗元件具有儲能作用,并聯(lián)的電容器c在電源供給的電壓升高時,能將部分能量儲存起來,當電源電壓降低時,就把能量釋放出來,使負載電壓比較平滑,即電容c具有平波作用,l也有平波作用,原理和電容相同。本試驗將采用并聯(lián)電容的方式來做濾波電路。根據(jù)以上理論分析及實驗設(shè)計要求,可設(shè)計電
12、路圖如圖32所示。圖32 電子調(diào)光電路主電路和控制電路protel原理圖3.3 方案的選擇 根據(jù)電子調(diào)光電路的構(gòu)造,在設(shè)計電子調(diào)光電路時各組成部分有多種方案可以選擇,但考慮各個方面,只有一個最優(yōu)方案。整流電路的選擇:整流電路主要有單相半波、全波、橋式和位壓整流電路,考慮到成本已及性能等原因,在這里選用單相橋式整流。四個二極管集成在一個模塊上。濾波電路的選擇方案一:電容濾波的原理:電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷,兩極板之間就有電壓uc=q/c。在電容量不變時,要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷,而電荷改變的速度,取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大,電荷改變得越慢,則電壓變化也越慢,即交流分量
13、越小,也就“濾除”了交流分量從濾波效果看,濾波電容c容量大些好,但太大將使電源體積增大,成本提高。通常都選用電解電容方案二:電感濾波電路利用電感器兩端的電流不能突變的特點,把電感器與負載串聯(lián)起來,以達到使輸出電流平滑的目的。從能量的觀點看,電感器l把能量存儲起來;而當電流減小時,又把能量釋放出來,使負載電流平滑,所以電感l(wèi)有平波作用,它的優(yōu)點是整流二極管的導電角大,峰值電流小,輸出特性較平坦。缺點是存在鐵心,笨重、體積大,易引起電磁干擾,一般只適應(yīng)于低電壓、大電流的場合,故在這里選用電容濾波。斬波電路的選擇方案一:升壓斬波電路升壓斬波電路使用一個全控型器件、一個電感、電容和二極管,控制性能較好
14、,但要求電容和電感值較大,而且效率較低,電壓可調(diào)范圍較小,電壓只能向上調(diào)節(jié)。因此在本實驗中此方案不適合。方案二:降壓斬波電路降壓電路最大的優(yōu)點是電路簡單,使用器件很少,故電路的可靠性很高。但是降壓斬波電路效率也較低而且在有些情況下會出現(xiàn)負載斷流的情況。而且電壓只能向下調(diào)節(jié),因此在本實驗中此方案不適合。方案三:升降壓斬波電路升降壓斬波電路使用的器件不多,電路比較簡單,而且電壓利用率比一般電路稍高,電壓能夠上下調(diào)節(jié),電路的損耗主要集中在二極管和可控開關(guān)上面,在實際中二極管和可控開關(guān)損耗很小。因此在本實驗采用此方案。方案四:cuk斬波電路此三種電路調(diào)節(jié)性好,電壓能夠?qū)崿F(xiàn)上下調(diào)節(jié),而且電壓利用率較高,
15、但是和升降壓電路相比,使用的器件更多,這無疑會增加設(shè)計成本??刂齐娐返倪x擇:在電子調(diào)光電路中采用的是由芯片sg3525組成的控制電路,由于這種芯片功耗較低,性能穩(wěn)定,且價格相對便宜,使用方便,而且對芯片的部分數(shù)據(jù)已測得。所以選用sg3525芯片。電路是負載采用的是額定功率為30w的燈泡。3.4 理論分析任務(wù)書要求輸入220v的交流電,負載為額定功率為30w的燈泡,則首先應(yīng)該進行降壓處理,然后要對降壓后的交流電進行整流,再其次是對含有交流成分的脈動直流電進行濾波處理,然后對直流點進行最后的變流處理,最后通過控制電路對電路占空比進行調(diào)節(jié)。電源的原理可以分為以下四個階段:降壓、整流、濾波、變流。(一
16、)降壓的過程,直接選用實物降壓器進行降壓,并且要根據(jù)電路中所需的合適電壓適當選擇降壓器,具體情況根據(jù)實際需求而定。在此次我們選用的是55v變壓器。(二)整流過程,自然而然選擇了優(yōu)點突出的橋式整流電路,在此采用整流橋,連接方法此不做說明,在以后的原理圖中將做詳細的說明。 (三)濾波過程,我用電容濾波電路來實現(xiàn),它的方法是在橋式整流電路輸出端并聯(lián)一個較大的電容c來構(gòu)成一個電容濾波電路。(四)變流電路,在此選擇了升降壓斬波電路,主要由可控開關(guān)和控制電路組成,控制電路則是由sg3525構(gòu)成的脈沖觸發(fā)器。另外,由于220v交流電經(jīng)過4:1的變壓器變壓后電壓仍然較大,為55v左右,超出人體能夠承受的電壓3
17、6v,故在操作時應(yīng)注意安全。4 設(shè)計內(nèi)容4.1 電子調(diào)光電路原理框圖電子調(diào)光電路一般由電源變壓器t、整流濾波電路及斬波電路所組成,基本框圖如圖4-1所示。各部分的作用:圖4-1 直流穩(wěn)壓電源基本框圖(1)變壓器:一般的電子設(shè)備所需的直流電壓與交流電網(wǎng)提供的220v電壓相差較大,為了得到輸出電壓的額定范圍,就需要將電網(wǎng)轉(zhuǎn)換到合適的數(shù)值。此次課程設(shè)計本人選擇了原副線圈比為4:1的變壓器,使得輸出電壓約為55v。所以,變壓器的主要作用是將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)為所需的交流電壓,同時還可以起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用,有效地避免了因為直接接觸高電壓而造成的傷害。(2)整流電路:利用單向?qū)щ娖骷O管將交流電壓轉(zhuǎn)換
18、成脈動的直流電壓,本次設(shè)計采用整流橋2cw10,整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)換為比較穩(wěn)定的直流電壓,達到一個初步將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的效果。(3)濾波電路: 利用儲能元件電容把脈動直流電轉(zhuǎn)換成比較平坦的直流電。此次設(shè)計用了2200uf電容一個,以此獲得相對平坦的直流電。4.2 單元電路設(shè)計4.2.1 電源變壓器電源變壓器有很多種:有降壓的、有升壓的,在這次的設(shè)計中選用的是降壓變壓器,它的作用是將來自電網(wǎng)的220v交流電壓u1變?yōu)檎麟娐匪枰慕涣麟妷簎2。變壓器副邊與原邊的功率比為 = p2/ p1 (4-2-1) (4-2-2) 其中:是變壓器副邊的功率,是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1
19、所示:表1 小型變壓器的效率副邊功率效率0.60.70.80.85 因此,當算出了副邊功率后,就可以根據(jù)上表算出原邊功率。根據(jù)穩(wěn)壓器的輸入電壓,確定電源變壓器副邊電壓u2的有效值u2;根據(jù)穩(wěn)壓電源的最大輸出電流i0max,確定流過電源變壓器副邊的電流i2和電源變壓器副邊的功率p2;變壓器的副邊的輸出電壓v2與穩(wěn)壓器輸入電壓vi的關(guān)系vi=(1.11.2)v2的關(guān)系。v2的值不能取大,v2越大,穩(wěn)壓器的壓差越大,功耗也就越大。一般取v2vimax/1.1,i2iomax。取v2=55v。變壓器副邊電流: ,取,則變壓器副邊輸出功率,由表1知變壓器的效率,所以變壓器原邊輸入功率,為留有余地,選用功
20、率為45w的變壓器。本實驗電壓源輸出為55v。4.2.2 整流電路整流電路將交流電壓ui變換成脈動的直流電壓。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔?,因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中(1kw以下),常用的整流電路有全波整流(圖4-2-1)、橋式整流(圖4-2-2)等。這里采用單相橋式整流電路,采用2cw10整流橋。圖4-2-1 全波整流電路 圖4-2-2 橋式整流電路. 整流元件參數(shù)的計算負載中的平均值vl vl=0.9v2 (4-2-1)每只整流二極管承受的最大反向電壓vrm vrm=v2 (4-2-2)通過每只二極管的平均電流id id=0.5il=0.45v2/r
21、l (4-2-3)4.2.3 濾波電路從上面的分析可以看出,整流電路輸出波形中含有較多的紋波成分,與所要求的波形相去甚遠。所以通常在整流電路后接濾波電路以濾去整流輸出電壓的紋波。濾波電路常有電容濾波。電容濾波的原理:電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷,兩極板之間就有電壓uc=q/c。在電容量不變時,要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷,而電荷改變的速度,取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大,電荷改變得越慢,則電壓變化也越慢,即交流分量越小,也就“濾除”了交流分量。確定整流二極管的正向平均電流id、整流二極管的最大反向電壓和濾波電容的電容值和耐壓值。根據(jù)所確定的參數(shù),選擇整流二極管和濾波電容 圖4-
22、2-3 電容濾波電路 v1 v2 圖4-2-4 示波器所示電容濾波電路部分波形圖4-2-3和圖圖4-2-4分別是橋式整流電容濾波電路和它的部分波形。這里假設(shè)t0時,電容器c已經(jīng)充電到交流電壓v2的最大值(如波形圖所示)。由于電容的儲能作用,使得輸出波形比較平滑,脈動成分降低輸出電壓的平均值增大。當c值一定,rl=時,vlo=1.4v2 (4-2-4)當c=0時,即無電容時,vlo=0.9v2 (4-2-5)由于電容的儲能作用,使得輸出波形比較平滑,脈動成分降低輸出電壓的平均值增大。電容放電的時間=rlc越大,放電過程越慢,輸出電壓中脈動(紋波)成分越少,濾波效果越好。一般?。?5)t/2,t為
23、電源交流電壓的周期。由于,。而整流二極管1n4001的極限參數(shù)為,額定工作電流。滿足要求,所以整流二極管選用1n4001。根據(jù)公式 sv=(vo/vo)/(vi/vi) (4-2-6) (4-2-7)濾波電容: (4-2-6)把參數(shù)ui,vop-p和sr代入式中,求出c。從濾波效果看,濾波電容c容量大些好,但太大將使電源體積增大,成本提高。通常都選用電解電容,所以選用2200uf電解電容。電容的耐壓要大于,故濾波電容c取容量為,耐壓為的電解電容。輸入電壓為220v交流電,經(jīng)過橋式整流后的電壓為u24.2.4 斬波電路的設(shè)計設(shè)升降壓斬波電路的占空比為,斬波電路的輸入電壓為ui,輸出電壓為uo,則
24、ui和uo的關(guān)系為 (4-2-7) 在這個調(diào)光電路的設(shè)計中,負載功率為30w,負載額定電壓為30v,向下調(diào)節(jié)范圍為10w,故額定電壓調(diào)節(jié)范圍為20v30v,這個范圍即的范圍。通過前面的計算,可知的值為49.5v,計算最大和最小值,即當=20v,根據(jù)公式計算出為25.7%。同理計算出當=30v時為37.7%。故可知的范圍。4.2.5 電路設(shè)計圖根據(jù)以上理論分析及實驗設(shè)計要求,可設(shè)計電路圖如圖4-2-4所示。圖4-2-4 電子調(diào)光電路主電路和控制電路protel原理圖4.3 電路的仿真由于protues仿真軟件在仿真過程中出現(xiàn)的種種局限,在這個電路在仿真時采用matlab軟件仿真。仿真原理圖與波形
25、圖如下。打開仿真窗口,選擇ode23tb算法,相對誤差設(shè)置為1e-03,開始仿真時間設(shè)置為0,停止仿真時間設(shè)置為0.1s,控制脈沖周期設(shè)置為0.01s,占空比分別為28%,30%,32%。參數(shù)設(shè)置完成后,啟動仿真。得到如下結(jié)果。 圖4-2-4 matlab仿真原理圖1) 當=28%時,脈沖信號、輸出電壓和輸出電流的仿真波形2) 當=30%時,脈沖信號、輸出電壓和輸出電流的仿真波形3) 當=32%時,脈沖信號、輸出電壓和輸出電流的仿真波形4.4 電子調(diào)光電路的性能指標 電子調(diào)光電路技術(shù)指標分為兩種:一種是規(guī)格指標,用來表示電子調(diào)光電路的規(guī)格,包括輸入電壓、輸出直流電壓、輸出直流電流、輸出功率及輸
26、出電壓調(diào)節(jié)范圍等;另一種是質(zhì)量指標,用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度,包括穩(wěn)壓系數(shù)(或電壓調(diào)整率)、輸出電阻(或電流調(diào)整率)、紋波電壓(紋波系數(shù))及溫度系數(shù)。1、穩(wěn)壓系數(shù)sr:又稱電壓調(diào)整特性。其定義為在負載不變時,穩(wěn)壓電路的輸出電壓相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比,即 sr=(vo/vo)/io|io=0100% (4-5-1)sr越小,輸出電壓越穩(wěn)定。2、電壓調(diào)整率sv:一般指vi/vi=10%時的sr.3、電流調(diào)整率si:當輸出電流從0變化到最大額定值時,輸出電壓的相對變化量,即 si=(vo/vo)/io|vi=0100% (4-5-2)該指標反映了負載變化對輸出電壓穩(wěn)定性的影響。4、輸出電阻ro:其定義為輸入電壓vi不變時,輸出電壓變化量與負載電流變化量之比,即 ro=|vo/io|vi=0 (4-5-3)ro越小,當負載電流變化時,在內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降越小,輸出電壓越穩(wěn)定,表示帶負載能力越強。5、紋波抑制比sr:其定義為輸入電壓交流紋波峰峰值uip_p與輸出電壓交流紋波
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