鄧文婷，陳新兵

(廣州大學(xué) 實驗中心，廣州 510006)

電子課程實踐教學(xué)方法探索

鄧文婷，陳新兵

(廣州大學(xué) 實驗中心，廣州 510006)

根據(jù)多年的電類實驗教學(xué)經(jīng)驗和培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的理念, 針對電子電路教學(xué)，提出了一種理論與實驗教學(xué)無縫結(jié)合的新方法——“解剖”電子產(chǎn)品的實踐教學(xué)方法，并通過一個熒光燈電子鎮(zhèn)流器的實例說明了整個教學(xué)方法的實施過程。該方案已應(yīng)用到實際教學(xué)中,取得了良好的教學(xué)效果。

創(chuàng)新；實踐教學(xué)；電子鎮(zhèn)流器；電子產(chǎn)品

人才培養(yǎng)是高等院校發(fā)展的關(guān)鍵因素。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國在研究應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式這一領(lǐng)域，無論是在理論研究方面還是在實踐應(yīng)用方面都取得了很大的進步，但是很多方面的探索也處于待發(fā)展階段，所以不可避免地還存在著很多問題。

實踐教學(xué)是鞏固理論知識和加深對理論理解的有效途徑,是培養(yǎng)創(chuàng)新型高素質(zhì)工程技術(shù)人才的重要環(huán)節(jié),是培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動手能力的重要平臺。深化理論教學(xué)是實踐教學(xué)的出發(fā)點。

1 理論與實踐對接研究的必要性及研究方式

電子電路課程是一門實踐性很強的課程，一個電路的開發(fā)設(shè)計，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踐才能真正領(lǐng)會和掌握。只有將理論課程中抽象的電子電路知識與實踐相結(jié)合，以強化應(yīng)用為重點，以能力培養(yǎng)為主線，以實踐、實用為原則對學(xué)生進行針對性教學(xué)，才能充分發(fā)揮以學(xué)生為主體和以教師為主導(dǎo)的教學(xué)作用，培養(yǎng)懂技術(shù)、會管理、能操作的應(yīng)用型、工藝型人才[2]。

本文提出了一種通過“解剖”電子產(chǎn)品的方法來實現(xiàn)電子課程的實踐教學(xué)，流程如圖1所示。

圖1 “解剖”電子產(chǎn)品流程

2 案例分析——熒光燈電子鎮(zhèn)流器的電路剖析與改進

2.1 了解研究對象及基本組成電路

市面上的電子產(chǎn)品很多，而且價格差異較大。指導(dǎo)老師可以指定某一類較為廉價的電子產(chǎn)品作為研究對象，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。

我們選取的研究對象是熒光燈電子鎮(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，在啟動時需要一定的時間對燈絲進行預(yù)熱，然后，用一個高電壓觸發(fā)，使得燈管內(nèi)的氣體放電并點燃燈。當燈點燃后燈管將穩(wěn)定在一定的工作頻率，這時燈電阻可用一個純電阻來代替。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)流器的工作原理[3]：將220 V、50 Hz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。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它的特點是燈管點燃前高頻高壓，燈管點燃后高頻低壓(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2 電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)圖

2.2 選型及購置產(chǎn)品

這個階段要求學(xué)生自己進行市場調(diào)查，通過調(diào)查和對比后，按照實踐要求購買一款具體的電子產(chǎn)品。型號、規(guī)格由學(xué)生自己決定，難易程度由自己掌控。如果準備工作較充足，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，可選擇較簡易的產(chǎn)品。

我們購入的是一款市面上常見的熒光燈電子整流器，額定功率為30 W。

2.3 繪制具體電路圖

要求學(xué)生根據(jù)實物先手繪出電子產(chǎn)品的原理圖，再用Altium Designer軟件完成原理圖的繪制。

Altium Designer 是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運行在Windows XP操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計者提供了全新的設(shè)計解決方案，使設(shè)計者可以輕松進行設(shè)計[4]。Altium Designer繪制原理圖的流程如圖3所示。

圖3 AD繪制原理圖流程

圖4是本次購買產(chǎn)品的內(nèi)部電路原理圖。

這一步非?？简瀸W(xué)生的細心和耐心，往往一點點小疏忽就可能造成電路的“全盤”皆錯，對下一步的分析造成極大障礙。

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。

1)EMI濾波器

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

2)橋式整流器

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

3)無源功率因數(shù)校正(PFC)電路

由三個二極管D5、D6、D7和兩個電容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”來延長整流二極管的導(dǎo)通時間，使二極管的導(dǎo)通角約達120°，電流為零的死區(qū)時間縮短到半周期的1/3。

圖4 電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部原理圖

4)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對電容C5充電，當C5上的電壓被充電到D13的擊穿電壓值時，D13雪崩擊穿而導(dǎo)通，通過D13的電流注入Q1的基極，使Q1導(dǎo)通。此時的電流流向為：C4-上燈絲-C9-下燈絲-L2-T1b-Q1-R5-地。電流對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，啟動電路對Q1不會再產(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，會在磁環(huán)變壓器初級繞組T1b和兩個次級繞組T1a、T1c中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其極性是同名端為負，致使Q1的基極電位升高，其集電極的電流進一步增大，直至Q1進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，變壓器T1飽和。T1達到飽和后，各個繞組的感應(yīng)電動勢急劇下降，Q1的基極電位降低，集電極電流減小，T1c產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢試圖阻止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進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。在Q2飽和導(dǎo)通時，C9放電，電流路徑為：C9-上燈絲-C4-Q2-R6-T1b-L2-下燈絲-C5。

一旦T1的磁芯進入飽和，連鎖式的正反饋很快使Q2退出飽和并進入到截止狀態(tài)，而Q1從截止狀態(tài)進入飽和狀態(tài)。如此周而復(fù)始，Q1和Q2輪流飽和導(dǎo)通，半橋在Q1和Q2的中間點輸出近似方波的脈沖，通過燈啟動電容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)生一個高諧振電壓脈沖并施加到燈管兩端，將燈管擊穿、點亮。

在Q1與Q2導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間存在一個電流為0的死區(qū)時間，以避免兩個晶體管發(fā)生“直通”而損壞。在死區(qū)時間內(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)。

5)熒光燈輸出電路

輸出級采用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，當其發(fā)生諧振時，在C9兩端產(chǎn)生一個高壓并施加到燈管兩端，使燈管擊穿而點亮，燈一旦被點亮，扼流圈L2僅起到了穩(wěn)流作用。當燈管被啟動之后，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。

2.5 用AD軟件繪制PCB圖

要求學(xué)生利用Altium Designer軟件繪制電子產(chǎn)品的PCB圖，設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 AD設(shè)計PCB圖流程

PCB圖設(shè)計中需要注意的是，元件的布局與走線對產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、電磁兼容都有很大的影響。一般來說應(yīng)該注意以下原則：

1)放置順序。首先，放置與結(jié)構(gòu)有關(guān)的固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關(guān)、連接件之類；然后，放置線路上的特殊元件和大的元器件，如發(fā)熱元件、變壓器、IC等；最后，放置小器件。

2)散熱問題。對于大功率電路，應(yīng)該將那些發(fā)熱元件，如變壓器等盡量靠邊分散布局放置，便于熱量散發(fā)，不要集中在一個地方，也不要離電容太近以免使電解液過早老化。

3)兩面板布線時，兩面的導(dǎo)線宜相互垂直、斜交或彎曲走線，避免相互平行，以減小寄生耦合。

4)元器件的封裝一定要與實際元器件相符，線寬及焊盤孔徑的大小要根據(jù)電氣要求進行修改。本次設(shè)計完成的PCB圖如圖6所示。

圖6 電子鎮(zhèn)流器PCB圖

3 結(jié)束語

通過“解剖”電子產(chǎn)品的方法，學(xué)生對實際的電子產(chǎn)品進行了深入研究和分析，并完成了PCB板的設(shè)計，整個實踐過程其實就是一個“新”產(chǎn)品的設(shè)計過程。通過此類實訓(xùn)，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R真正地應(yīng)用到實踐當中，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。由于本次的實訓(xùn)時間有限，并沒有將電路改良部分包含進去，今后將會不斷完善，通過分工合作的方式，爭取讓學(xué)生一次性體驗到產(chǎn)品設(shè)計的整個過程。

[1] 房國志.大學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)的探索與實踐[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(3):109-111.

[2] 謝勇,胡學(xué)龍,管旗. 建立電子信息類大學(xué)生實踐能力的標準[J]. 實驗室研究與探索,2009,28(7):135-137.

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

[4] 謝陳躍,謝斌盛.電工電子基礎(chǔ)實習(xí)[M].北京:中國大地出版社,2008.

Exploration of Practice Teaching Methods of Electronic Course

DENG Wenting, CHEN Xinbing

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

According to the concept of training creative students who could apply the theoretical knowledge they have learned to the actual objects, this paper puts forward a practical teaching method of “dissecting” electronic products which can combine theoretical and experimental teaching together. One shows the whole process of the implementation of the teaching methods through an example of fluorescent lamp electronic ballast.

innovation； practice teaching；electronic ballast；electronic products

2013-09-09；修改日期: 2014-02-13

2013年廣州大學(xué)教育教學(xué)研究基金資助項目(JYY201318)。

鄧文婷(1983-)，女，碩士，實驗師，主要從事電工電子類實踐課程的教學(xué)與管理工作。

G642.4；TN710

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.037