畢業(yè)設計（論文）采用時控開關實現(xiàn)電源階梯式升降的控制電路設計

1、采用時控開關實現(xiàn)電源階梯式升降的控制電路設計指導老師： 摘 要通常負載在接通或斷開電源的時候，會有個電流突變的過程，本電路通過建立時鐘控制電路，改變雙向可控硅的導通角，從而使負載電流呈階梯式上升或下降，有效控制了電流突變現(xiàn)象，保護了負載。關鍵字：電流突變，階梯式，控制電路，雙向可控硅abstractusually load at the time of connect or breaking to open the power supply , there will be a process of electric current mutation , this electric circui

2、t passes to build up the clock controt electric circuit , the chang the crystal switch to lead a cape , thus make load the electric current to present the stairs type rising to desceng perhaps , effectively controled the electric current mutation phenomenon , protected the loadkeywards：current break

3、、ladder ceremony、control circuit 、crystal switch前 言跨入新世紀，控制電路技術正在迅速發(fā)展，新的產(chǎn)品層出不窮，應用領域不斷擴大。自動控制系統(tǒng)在各行各業(yè)發(fā)揮不可替代的作用。控制電路技術在科研項目，工礦產(chǎn)業(yè)，以至日常生活都有著重要的作用?，F(xiàn)在生活和工業(yè)生產(chǎn)中，用電器的安全使用與保護一直是值得關注的問題。在電源接通和斷開的瞬間，電流會產(chǎn)生很大的變化，這將導致用電器件的損壞。例如白熾燈泡在開燈的瞬間變的很亮，然后燒毀燈絲，電動機由于接通電源時瞬時電流過大而燒毀內(nèi)部電路等等。日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中此類事故屢見不鮮。本實驗設計通過建立時鐘控制電路，有效地控制了

4、接通和斷開時的電流控制，實現(xiàn)了電流階梯式升降，成功的保護了負載。以白熾燈為例，此開關的過程不僅能安全的保護好燈具，其燈光新穎獨特的節(jié)奏變化亦會使個人有另一番感受。第一章 時控電路原理框圖第1.1節(jié) 控制電路的作用通常負載在接通或斷開電源電壓的時候，是一個突變過程。對于一些用電器來說電流的變化量太大或太快，容易造成不利影響，如輕則燒毀保險絲，重則使白熾燈等瞬間損壞的現(xiàn)象也常見。本設計的目的是使電源在開啟與關閉時以階梯式上升或階梯式下降的方式進行，從而對用電設備起到有效的保護作用。第1.2節(jié) 控制作用原理本控制電路主要是由無穩(wěn)態(tài)時鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號，激發(fā)計數(shù)器依次輸出高電平信號。高平信號經(jīng)過

5、限流電阻陣列接入觸發(fā)電路，由觸發(fā)電路觸發(fā)可控硅，以改變雙向可控硅的導向角，從而實現(xiàn)電流的階梯式升降。電路如圖：圖1.1 開 關 電源電路可控硅同步電路觸發(fā)電路限流電阻矩陣計數(shù)器及脈沖分配計數(shù)器及脈沖分配時鐘發(fā)生器圖1圖1.1控制電路框圖第1.3節(jié)時鐘發(fā)生器部分本電路中用一只555時基電路來構成無穩(wěn)態(tài)時鐘脈沖發(fā)生器，作為計數(shù)器的信號源。555定時器是一種將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件。該電路使用靈活，方便，只需要少量阻容組件就可以構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等多種電路。因此555定時器在工業(yè)控制、定時、檢測、報警等方面有廣泛應用。555定時器的內(nèi)部電路由分壓器（由三個等值

6、電阻構成）、比較器c1和c2、簡單r-s鎖存器、放電開關管t以及緩沖器g4組成，其內(nèi)部結構如圖1.2所示。圖1.2 555定時器內(nèi)部結構圖3個5k的電阻串聯(lián)成分壓器，為比較器c1、c2提供參考電壓。當控制電壓5懸空時（可對地接上0.01uf左右的濾波電容），比較器c1和c2的基準電壓分別為2/3vcc和1/3vcc。vr1是比較器c1的信號輸入端，稱為閾值輸入端。vr2是比較器c2的信號輸入端，稱為觸發(fā)輸入端。如果控制端5外接電壓vco，則比較器c1、c2的基準電壓就變?yōu)関co和1/2vco。比較器c1和c2的輸出控制sr鎖存器和放電三極管t的狀態(tài)。放電三極管t為外接電路提供放電通路，在使用定

7、時器時，該三極管的集電極（7腳）一般都要外接上拉電阻。rd為直接復位輸入端，當rd為低電平時，不管其它輸入端的狀態(tài)如何，輸出端vo即為低電平。當vi12/3vcc,vi21/3vcc時，比較器c1輸出低電平，比較器c2輸出高電平，簡單sr鎖存器q端置0，放電三極管t導通，輸出vo為低電平。當vi12/3vcc,vi21/3vcc時，比較器c1輸出高電平，比較器c2輸出低電平，簡單sr鎖存器q端置1，放電三極管t截止，輸出vo為高電平。當vi11/3vcc時，簡單sr鎖存器r=1,s=1,鎖存器狀態(tài)不變，電路保持原狀態(tài)不變。在本電路中，我們用555定時器（如圖1.3.1）構成多諧振蕩器（多諧振蕩

8、器是一種無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，接通電源后，不需外加觸發(fā)信號，就能產(chǎn)生矩形波輸出。由于矩形波中含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發(fā)生器，觸發(fā)器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)生的）來作為時鐘脈沖信號源，連接方式如圖1.3.2所示，定時電阻為r1和r2，其中r2為滑動變阻器，其阻值范圍在0k100k之間，通過調(diào)節(jié)r2可以控制信號的震蕩周期。c為定時電容器，當接通電源+5v時，電容c開始充電，當c上電壓達到vcc的三分之二時，內(nèi)部觸發(fā)器被復位，輸出翻轉為低電平，dis端內(nèi)部導通，使c放電。當c上電壓降到vcc的三分之一時，內(nèi)部觸發(fā)器被置位，輸出又翻轉成高電平，dis內(nèi)

9、部截止，一個周期結束，新的周期又開始。圖1.3.22/3uccrd = 0sd = 1q = 0q = 1uc1/3ucc0trd = 1sd = 0q = 1q = 0tp1tp2t導通c放電t截止c充電圖1.3.3uo0t表 1第1.4節(jié)計數(shù)器及脈沖分配電路計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中用的較多的基本邏輯器件，它不僅能記錄輸出時鐘脈沖的個數(shù)，完成時間測量，頻率測量，計數(shù)等功能，還可以實現(xiàn)分頻、定時、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等。在本電路中使用的是cd4017十進制/時序譯碼電路。如圖1.4，clk端口在輸入時鐘脈沖信號的上升沿開始計數(shù)，始終允許端ena為0時允許時鐘脈沖輸入信號，為1時禁止時鐘脈沖信號輸入

10、。在輸入時鐘脈沖信號的作用下，q0q9十個輸出端依次為高電平，r為復位端，當r=1時，計數(shù)器清零，q0=0，其余q1q9全為0.co為進位輸出端，本電路中未使用。q1q9依次輸出的高電平通過限流電阻列陣的限流作用，在輸出端輸出了階梯式上升或者下降的電流信號，以控制觸發(fā)電路的運作。+5v開關+5v圖1.4r9 r8 r7 r6 r5 r4 r3 r2 r1 脈沖信號 clk ena rstcd 4017q9 q8 q9 q8 q7 q6 q5 q4 q3 q2 q1 clk ena rstcd 4017q9 q8 q7 q6 q5 q4 q3 q2 q1+5v+5v+5v第1.5節(jié)同步電路、觸發(fā)

11、電路與可控硅電路的同步觸發(fā)部分主要由4n33光耦合觸發(fā)二極管構成，電路如圖1.5光耦合器是將發(fā)光器件和光敏器件組合在一起構成的。它是以光為媒介，把輸入端的電信號耦合到輸出端，從而完成對電路的。實現(xiàn)了電光電的轉換。4n33光耦合器內(nèi)部電路如圖1.6.其六引腳的光耦合器的1腳為發(fā)光二極管的正極，2腳為發(fā)光二極管的負極，3腳是空腳，4腳是光敏晶體管的集電極，5腳是光敏晶體管的發(fā)射極，6腳是光敏晶體管的基極。同步電路是由兩個4n33光耦合搭成過零檢測電路，通過這個電路，每當交流電壓在通過正負半波零點時，2只光耦合器均呈截止狀態(tài)，使晶體管t1導通，vc為零，觸發(fā)電路中的cd上存儲的電荷釋放完畢。零點過后

12、t1截止，vc又為1，可控硅又可以出發(fā)，c0又能充電。本電路中用來觸發(fā)雙向晶閘管。可控硅又稱晶體閘流管，實驗電路中通過限流電阻列陣限流后的電流信號呈階梯式上升或下降，可控硅的導通角也隨之增大或減小。這樣的變化有效地限制了接通或斷開電源的瞬間加在負載上的電壓，從而控制了電流突變現(xiàn)象，保護了負載。圖1.5同步觸發(fā)電路圖圖1.6 4n33內(nèi)部電路圖第二章 整體電路工作原理實驗電路中的電源電路是由交流電220v接入，經(jīng)過220v-9v變壓器降壓后用二極管整流。整流后的電流由mc7805k輸出5v的直流電供電路其它部分使用。圖2.1 cd4017引腳圖電路中用一只555時基電路來構成無穩(wěn)態(tài)時鐘脈沖發(fā)生器

13、，作為計數(shù)器的信號源。其頻率f=1。44（ra+2rb）c。依照圖2.2中的組件參數(shù)，調(diào)節(jié)rb可使振蕩周期在幾十毫秒至數(shù)秒范圍內(nèi)變化，這個周期決定了負載電流變化的周期。計數(shù)器ic1、ic2由兩只cd4017十進制/時序譯碼電路組成。cd4017是5位johnson計算器，如圖2.1所示，具有10個譯碼輸出端，cp，cr，inh輸入端。時鐘輸入端的斯密特觸發(fā)器具有脈沖整形功能，對輸入時鐘脈沖上升和下降時間無限制。inh為低電平時，計算器在時鐘上升沿計數(shù)；反之，計數(shù)功能無效。cr為高電平時，計數(shù)器清零。johnson計數(shù)器，提供了快速操作，2輸入譯碼選通和無毛刺譯碼輸出。防鎖選通，保證了正確的計數(shù)

14、順序。譯碼輸出一般為低電平，只有在對應時鐘周期內(nèi)保持高電平。在每10個時鐘輸入周期co信號完成一次進位，并用作多級計數(shù)鏈的下級脈動時鐘。當開關打到“開”位置的時候，ic1計數(shù)器的cp端由于得到了時鐘脈沖信號而開始計數(shù)，其輸出端依次出現(xiàn)高平信號“1”，這個邏輯高電平在每個輸出端延遲的時間，都是一個時鐘振蕩周期的長度。q1q9外接的電阻r1r9，構成了一個阻值由大到小排列的限流電阻列陣，所以在計數(shù)過程中，q1q9順序為“1”，在提供給后面觸發(fā)電路中c0的充電電流也是由小到大且成階梯式上升趨勢。這些變化導致可調(diào)單結晶管put發(fā)出觸發(fā)脈沖的時刻相應分階段前移，隨之引起雙向可控硅導通程度階躍式擴大，直至

15、計數(shù)到q9為“1”時，供給c0的充電電流為最大值，可控硅的導通角也為最大，同時q9端的“1”電平也加至ena端，致使ic1停止計數(shù)而維持現(xiàn)狀不變，至此，整個“開”過程結束。圖2.2 整體電路工作原理圖當開關打到“關”位置的時候，ic2計數(shù)器的cp端由于得到了時鐘脈沖信號而開始計數(shù)，其輸出端q1q9依次出現(xiàn)高平信號“1”，在計數(shù)過程中，q1q9順序為“1”時，由于它的輸出端q1q9外接電阻位置是從小到大順序排列的，與ic1正好相反，所以提供給電容c0的充電電流是由大到小且呈階梯式下降趨勢。這樣的變化引起雙向可控硅導通程度階躍式縮小，直至計數(shù)到q9為“1”時，供給c0的充電電流為最小值，可控硅的導

16、通角也為最小，當ic2的q9端為“1”時，它一方面通過阻值較大的r10最終截止可控硅導通，使負載電壓為0；一方面接到ena端使ic2停止計數(shù)而維持現(xiàn)狀。由于r1r9是按每一階梯電壓上升到25v左右取值的，所以負載上得到的電壓每一個階梯上升幅度大體相等。其波形如圖2.3。為了使開關可以反復操作有效，每次都在ic1,ic2各自開始計數(shù)時，就給對方復位，他們的連接都是各自的q1端通過一只二極管連接到對方復位端r來實現(xiàn)的。電路在加電初始時刻，由于c1電壓不能突變以給出ic1，ic2的r端一個正脈沖復位信號。使他們復位，他們的q0端無外接，將雙向可控硅置于關閉狀態(tài)。 圖2.3 電壓波形圖第三章 結束語在

17、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，因電流變化量過大導致的電器損壞現(xiàn)象非常常見，采用時控開關實現(xiàn)電源階梯式升降的控制電路可以有效的解決電流突變的問題，使電流在電源接通與斷開的瞬間以階梯式上升或下降，對負載起到很好的緩沖保護作用。本實驗的控制電路就是就是為解決這個電流突變而設計的，在實驗和時間中都有較明顯的效果。在遇到困難的時候培養(yǎng)了我的意志和決心。這種用自己雙手去體驗知識的方法，更能讓我對這一科目有了更深層次的理解，通過本次實驗電路設計，極大地提高了我動手解決問題的能力，把平時學習中的理論知識成功的在實踐中運用出來，并看到了自己努力地成果，對自己的能力有了自我的肯定。參考文獻梁廷貴，王裕琛，王瑞山.現(xiàn)代集成電路實用手冊m.北京：科學技術文獻出版社，2002陳汝全主編電子技術常用器件應用手冊康華光主編電子技術基礎（模擬部分、數(shù)字部分）蘇州大學物理系出版電子技術實驗基礎指導用書 孟貴華主編電子元器件選用入門北京：機械工業(yè)出版社，2004致謝首先感謝學校給我這次設計實踐的機會，使我能把學到的理論知識在實踐中應用出來。感謝邱國平老師在我學習期間不僅傳授了我做學問的秘訣，還