鄧文婷 朱 靜

電子電路實(shí)踐教學(xué)探索

鄧文婷 朱 靜

（廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心， 廣州 510006）

基于多年的電類實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的理念，本文在教學(xué)方法上作了一些新的嘗試，提出了一種將電工電子學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合的新方法——“解剖”電子產(chǎn)品的實(shí)踐教學(xué)方法，并通過一個(gè)電子鎮(zhèn)流器的實(shí)例來說明了整個(gè)教學(xué)方法的實(shí)施過程。該方案已應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

創(chuàng)新；實(shí)踐教學(xué)；鎮(zhèn)流器；電子產(chǎn)品

電子電路課程是一門工程性和靈活性都很強(qiáng)的課程，隨著自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)及電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，該課程不僅顯得更加重要，同時(shí)它的教學(xué)內(nèi)容也變得越來越豐富。其中，實(shí)踐教學(xué)是鞏固理論知識(shí)和加深對(duì)理論理解的有效途徑，一個(gè)電路的開發(fā)設(shè)計(jì)，電路參數(shù)的設(shè)定，元器件選型，以及合理性、安全性等各方面都需要通過實(shí)踐才能真正領(lǐng)會(huì)和掌握。

為了將理論課程中抽象的電子電路知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)驗(yàn)室一般采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，即采用成套的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備來對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行驗(yàn)證和測(cè)試，這種實(shí)驗(yàn)方法在幫助學(xué)生理解和掌握基本理論知識(shí)以及學(xué)生動(dòng)手能力方面發(fā)揮了一定作用。但是這種實(shí)驗(yàn)手段的局限性在于，學(xué)生往往無法接觸到真正的電子產(chǎn)品，大部分學(xué)生甚至不能把課程中所學(xué)的知識(shí)與實(shí)際的電子產(chǎn)品對(duì)接。

1 實(shí)踐教學(xué)方案

根據(jù)我校的CDIO工程教育理念，即將理論課程中抽象的電子電路知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，并將工程實(shí)踐項(xiàng)目貫穿實(shí)訓(xùn)的整個(gè)過程，打通教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，本文提出了一種通過實(shí)際“解剖”電子產(chǎn)品的方法來實(shí)現(xiàn)電子課程的實(shí)踐教學(xué)。實(shí)踐過程如圖1所示。

2 案例分析——熒光燈電子鎮(zhèn)流器的電路剖析與改進(jìn)

2.1 了解研究對(duì)象及基本組成電路

指導(dǎo)老師指定某一類電子產(chǎn)品作為當(dāng)次的研究對(duì)象，由學(xué)生自行查閱圖書資料，了解其電路原理及基本構(gòu)造。

本次，我們的研究對(duì)象是熒光燈電子鎮(zhèn)流器。熒光燈是一種氣體放電燈，在燈管內(nèi)的氣體放電前，熒光燈呈現(xiàn)高阻特性，通常近似為開路，在起動(dòng)時(shí)需要一定的時(shí)間對(duì)燈絲進(jìn)行預(yù)熱，然后用一個(gè)高電壓觸發(fā)，使得燈管內(nèi)的氣體放電并點(diǎn)燃燈。當(dāng)燈點(diǎn)燃后燈管將穩(wěn)定在一定的工作頻率，這時(shí)燈電阻可用一個(gè)純電阻來代替［1］。

熒光燈電子鎮(zhèn)流器的主要功能是利用高頻開關(guān)變換技術(shù)，將燈的電流限制到需要的值。熒光燈電子鎮(zhèn)流器工作原理［2］：將220V 50Hz市電經(jīng)EMI濾波后，再由AC-DC變換器將市電電源轉(zhuǎn)換為平滑的直流電壓，接著進(jìn)行功率因數(shù)校正，再經(jīng)DC-AC逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為高頻交流電，來為熒光燈供電。其特點(diǎn)是燈管點(diǎn)燃前高頻高壓，燈管點(diǎn)燃后高頻低壓（燈管工作電壓）。目前，最廣泛使用的是具有電壓饋電半橋式逆變器類型的電子鎮(zhèn)流器。

圖1 “解剖”電子產(chǎn)品流程

圖2 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)圖

2.2 選型及購(gòu)置產(chǎn)品

要求學(xué)生進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，通過調(diào)查和對(duì)比后，按照當(dāng)次的實(shí)踐要求來購(gòu)買一款具體的電子產(chǎn)品，型號(hào)、規(guī)格由學(xué)生自己來定，難易程度由自己掌控，如果準(zhǔn)備工作較充足，且具有較好的基礎(chǔ)，可以選擇較為復(fù)雜的產(chǎn)品，如果能力一般，可選擇較簡(jiǎn)易的產(chǎn)品。

本次，購(gòu)入的是一款市面上常見的熒光燈電子整流器，如圖，這是一款額定功率為30W的電子鎮(zhèn)流器。

圖3 電子鎮(zhèn)流器實(shí)物圖

打開外蓋之后，可以看到其內(nèi)部電路。

圖4 電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部電路圖

2.3 繪制具體電路圖

要求學(xué)生根據(jù)實(shí)物來繪制具體電路圖。這一步往往考驗(yàn)學(xué)生的細(xì)心和耐心，往往一點(diǎn)點(diǎn)小疏忽就可能造成電路的“全盤”皆錯(cuò)，對(duì)下一步的分析造成極大阻礙。

下圖是本次購(gòu)買產(chǎn)品的內(nèi)部電路原理圖。

圖5 電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部原理圖

2.4 分析電路原理

要求學(xué)生根據(jù)之前查閱的相關(guān)資料，剖析產(chǎn)品電路的各部分功能電路原理，并形成文字說明。

a、EMI濾波器

L1、C1、F0構(gòu)成了EMI濾波器，作用是對(duì)來自電網(wǎng)的電磁干擾進(jìn)行充分衰減，同時(shí)阻擋電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的電磁干擾侵入電網(wǎng)。

b、橋式整流器

D1的四個(gè)整流二極管構(gòu)成了橋式整流器，將50HZ的市電電源轉(zhuǎn)換為平滑的直流電壓。

c、無源功率因數(shù)校正（PFC）電路

由三個(gè)二極管D5、D6、D7和兩個(gè)電容C2、C3組成部分濾波無源PFC電路。該電路利用電容的“不完全即部分平滑”來延長(zhǎng)整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間，使二極管的導(dǎo)通角約達(dá)120度，電流為零的死區(qū)時(shí)間縮短到半周期的1/3。

d、DC-AC半橋逆變器

電阻R1、R2、電容C5、雙向二極管D13及二極管D8組成自振蕩啟動(dòng)電路；Q1、Q2為作為開關(guān)使用的功率晶體管；T1為可飽和脈沖變壓器；L2為電感器，它與電容C4、C9組成了LC串聯(lián)諧振電路。

加電后，直流總線電壓通過R1、R2對(duì)電容C5充電，當(dāng)C5上的電壓被充電到D13的擊穿電壓值時(shí)，D13雪崩擊穿而導(dǎo)通，通過D13的電流注入到Q1的基極，使Q1導(dǎo)通。此時(shí)的電流流向?yàn)椋篊4-上燈絲-C9-下燈絲-L2-T1b-Q1-R5-地。電流對(duì)C9充電。

在Q1導(dǎo)通后，C5通過D8和Q1放電，其電壓下降，不能再使D13導(dǎo)通，啟動(dòng)電路對(duì)Q1不會(huì)再產(chǎn)生作用。振蕩建立后的維持依靠T1繞組間耦合產(chǎn)生正反饋實(shí)現(xiàn)。

在Q1導(dǎo)通后，其集電極電流從0開始增大的過程中，會(huì)在磁環(huán)變壓器初級(jí)繞組T1b和兩個(gè)次級(jí)繞組T1a、T1c中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其極性為同名端為負(fù)，致使Q1的基極電位升高，其集電極的電流進(jìn)一步增大，直至Q1進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，變壓器T1飽和。T1達(dá)到飽和后，各個(gè)繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)急劇下降，Q1的基極電位降低，集電極電流減小，T1c產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)試圖阻止Q1集電極電流的減小，其極性是同名端為正，致使Q1的基極電位加快了降低速率，Q2的基極電位則升高。這種連鎖式的正反饋迅速使Q1截止，Q2進(jìn)入Q2飽和導(dǎo)通狀態(tài)。C9在飽和導(dǎo)通時(shí)，C9放電，電流路徑為：C9-上燈絲-C4-Q2-R6-T1b-L2-下燈絲-C9。

一旦T1的磁芯進(jìn)入飽和，連鎖式的正反饋很快使Q2退出飽和并進(jìn)入到截止?fàn)顟B(tài)，而Q1從截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入飽和狀態(tài)。如此周而復(fù)始，Q1和Q2輪流飽和導(dǎo)通，半橋在Q1和Q2的中間點(diǎn)輸出近似方波的脈沖，通過燈啟動(dòng)電容C9的電流方向交替變化，使L2和C9等組成的LC串聯(lián)電路發(fā)生諧振，在C9兩端產(chǎn)生一個(gè)高諧振電壓脈沖并施加到燈管兩端，將燈管擊穿、點(diǎn)亮。

在Q1與Q2導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間存在一個(gè)電流為0的死區(qū)時(shí)間，以避免兩個(gè)晶體管發(fā)生“直通”而損壞，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，與Q2并聯(lián)的電容C8起到了續(xù)流作用，從而可保證流過燈管的電流連續(xù)。

e、熒光燈輸出電路

輸出級(jí)采用LC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，C4為交流耦合電容，并起到隔直流的作用。L2和C9組成了LC串聯(lián)電路，當(dāng)其發(fā)生諧振時(shí)，在C9兩端產(chǎn)生一個(gè)高壓并施加到燈管兩端，使燈管擊穿而引燃，燈一旦被點(diǎn)亮，扼流圈L2僅起到了穩(wěn)流作用。當(dāng)燈管被啟動(dòng)之后，LC電路的固有頻率主要由L2和C9來決定。而電子鎮(zhèn)流器的工作頻率則由DC-AC逆變器的振蕩頻率決定。

電磁干擾（EMI）［3-4］是因電磁波造成設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)的性能降低的一種電磁現(xiàn)象。EMI以輻射和傳導(dǎo)兩種方式進(jìn)行傳播。電路設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是傳導(dǎo)干擾。

電子鎮(zhèn)流器的傳導(dǎo)干擾方式可分為兩類：即共模干擾（CM）和差模干擾（DM）。共模干擾是指相線L以及中線N與地GND之間存在相位相同，幅度相等的干擾信號(hào)。差模干擾是指在相線L與中線N之間存在幅度相等，相位相反的干擾信號(hào)，它與地線無關(guān)。

我們的改良部分主要是在EMI電路部分。如圖7示

圖6 改良的EMI電路

這種EMI電路稱為復(fù)合型濾波器。在元件參數(shù)上，T1a=T1b，C1=C2，C3=C4。C1和C2為X電容器，它們對(duì)差模干擾信號(hào)起衰減作用，C3和C4為Y電容器，用于抑制共模干擾信號(hào)。X電容器采用金屬化聚酯膜固定電容器，Y電容器采用高壓瓷介電容器。T1是共用一個(gè)磁芯的兩個(gè)電感，線圈匝數(shù)相同，對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，對(duì)差模干擾信號(hào)和電源電流呈現(xiàn)低阻抗。R1為X電容的放電電阻。

2.6 電路測(cè)試

根據(jù)改進(jìn)后的電路圖由學(xué)生自行購(gòu)買所需的電子元器件，用萬用板搭建一塊或多塊小的副板，來對(duì)原電路進(jìn)行改良。電路測(cè)試過程中可能會(huì)遇到各種問題，而選用的元器件規(guī)格和參數(shù)等也需要在測(cè)試中進(jìn)行不斷調(diào)整。

本次改進(jìn)電路的參數(shù)取值：C1=C2=0.47μF，C3=C4=3.3 nF，T1a=T1b=0.68 mH。用線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）［5］測(cè)量改進(jìn)前和改進(jìn)后電子鎮(zhèn)流器的共模和差模噪聲電平VCM和VDM，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的EMI濾波器效果良好，共模和差模噪聲電平都有所下降，電路改進(jìn)成功。

3 結(jié)語(yǔ)

通過“解剖”電子產(chǎn)品的方法，學(xué)生對(duì)實(shí)際的電子產(chǎn)品進(jìn)行了深入研究和分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電路缺陷部分進(jìn)行了改良，如果把PCB板設(shè)計(jì)、產(chǎn)品參數(shù)測(cè)量和工藝設(shè)計(jì)部分加入進(jìn)去，整個(gè)實(shí)踐過程其實(shí)就是一個(gè)“新”產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。

很多學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，完成了老師布置的作業(yè)，上實(shí)驗(yàn)課也能很好地完成，考試也能高分通過，可是到實(shí)訓(xùn)階段時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)自己所學(xué)的東西還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，實(shí)際動(dòng)手能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不行。通過實(shí)訓(xùn)，學(xué)生從原來的“依葫蘆畫瓢”，到自己仿制一個(gè)電子產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了從“量”到“質(zhì)”的變化。

通過此類實(shí)訓(xùn)，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)真正地應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，并且能了解到自身的學(xué)習(xí)缺陷，能夠在今后的學(xué)習(xí)中去不斷完善。由于本次的實(shí)訓(xùn)時(shí)間有限，并沒有包含后面的幾個(gè)部分，今后將會(huì)不斷完善，通過分工合作的方式，爭(zhēng)取讓學(xué)生一次性體驗(yàn)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。

［1］ 謝陳躍，謝斌盛.電工電子基礎(chǔ)實(shí)習(xí)［M］.北京：中國(guó)大地出版社，2008.

［2］ 毛興武，祝大衛(wèi).新型電子鎮(zhèn)流器電路原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2008：41-66.

［3］ 陳誠(chéng)，馮卓民.電子鎮(zhèn)流器EMI的濾波器的設(shè)計(jì)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2008，19（2）：78-83.

［4］ 董海濱.熒光燈電子鎮(zhèn)流器的EMI濾波器設(shè)計(jì)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2012，32（5）：112-116.

［5］ 王曉輝.LISN在電力電子設(shè)備EMI測(cè)試中的應(yīng)用［J］.微波學(xué)報(bào)，2010（8）：131-133.

Exploration of Practice Teaching of Electronic Circuit Course

DENG Wen-ting ZHU Jing

（Lab Center，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

The author puts forward a practical teaching method of″dissecting″e(cuò)lectronic products which can combine theoretical and experimental teaching together，showing its whole process of the implementation through an example of fluorescent lamp electronic ballast.

creative；the practical teaching；electronic ballast；electronic products

G424；TN710

A

1009-0312（2014）03-0109-05

2013-12-18

2013年廣州大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目（JYY201318）：基于CDIO理念電工電子實(shí)習(xí)平臺(tái)建設(shè)與探索。作者簡(jiǎn)介：鄧文婷（1983—），女，湖南武岡人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事電工電子類實(shí)踐課程的教學(xué)與管理。