張星 冶艷艷

摘? 要：根據(jù)燈光控制需要，設(shè)計(jì)了基于交流調(diào)壓電路的燈光控制電路，介紹了控制電路的工作原理。利用Multisim軟件對(duì)不同情況下的阻抗角和控制角關(guān)系進(jìn)行了仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析、對(duì)比和計(jì)算，結(jié)果證明，基本參數(shù)一定的情況下通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的相位角，可得到可調(diào)的0-220V交流輸出電壓，滿足燈光控制需要。

關(guān)鍵詞：燈光控制;Multisim;晶閘管

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）27-0102-02

Abstract： According to the needs of lighting control， the lighting control circuit based on AC voltage regulating circuit is designed， and the working principle of the control circuit is introduced. The relationship between impedance angle and control angle under different conditions is simulated using Multisim software， and the simulation results are analyzed， compared and calculated. The results show that by adjusting the phase angle of thyristor under certain basic parameters， an adjustable AC output voltage of 0 to 220V can be obtained to meet the needs of lighting control.

Keywords： lighting control; Multisim; thyristor

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，不管是道路照明還是室內(nèi)舞臺(tái)燈光都應(yīng)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)要求也越來(lái)越高，隨之帶來(lái)的是電力資源的消耗也越來(lái)越大，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的燈光控制電路是十分必要的事情，燈光控制電路的設(shè)計(jì)主要采用電力電子技術(shù)中的交流調(diào)壓電路。此電路在我們?nèi)粘Ｉ钪校鐒≡何枧_(tái)的調(diào)光、城市街道的照明等，同時(shí)在異步電機(jī)的軟啟動(dòng)和調(diào)速方面也有很重要的應(yīng)用[3]。在一些電流比較小電壓比較高的直流電源中[1-2]，如果采用傳統(tǒng)的單相或三相整流電路，則晶閘管的數(shù)量需要很多，同時(shí)需要將這些晶閘管串聯(lián)或者并聯(lián)，隨之帶來(lái)的缺陷一是需要多個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，二是會(huì)增加很多損耗，三是會(huì)增加成本，因此也大多也采用交流調(diào)壓電路來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺失[4]。

1 電路設(shè)計(jì)

1.1 控制電路設(shè)計(jì)

燈光控制的核心在于對(duì)電壓的控制。交流調(diào)壓電路是采用相位控制方式交流電力控制電路，通常是將兩個(gè)晶閘管（SCR）反向并聯(lián)，使之交替導(dǎo)通。交流輸出電壓是在基本參數(shù)一定的情況下，在不同時(shí)刻使晶閘管導(dǎo)通，即控制晶閘管不同的相位得到的，通過(guò)相位調(diào)節(jié)可以得到不同的電壓，從而可調(diào)節(jié)不同的燈光效果，具有較快的響應(yīng)速度[6]，基于交流調(diào)壓的燈光控制電路如圖1所示。

對(duì)于純電阻負(fù)載，穩(wěn)定情況下，分別對(duì)正負(fù)半周的晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行控制，便可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。某時(shí)刻使晶閘管導(dǎo)通即可得到與輸入電壓一致的波形。純電阻負(fù)載下，晶閘管控制角的移相范圍為0°到180°，控制角最小為0°的時(shí)候，晶閘管處于一直導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載上的輸出電壓達(dá)到最大值，即為輸入電壓，當(dāng)控制角慢慢增大，負(fù)載上的輸出電壓逐漸減小，直到控制角達(dá)到最大的移相范圍180°時(shí)，負(fù)載上的輸出電壓達(dá)到最小值0。

（1）？琢<？漬時(shí)，？漬的值在電路中較大，則輸出電流過(guò)零的時(shí)刻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于輸出電壓，SCR處于長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)通的狀態(tài)，若SCR的觸發(fā)方式為在wt=？琢?xí)r刻導(dǎo)通的窄脈沖，由于脈沖寬度不夠，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)VT1導(dǎo)通時(shí)間大于半個(gè)周期，即在一個(gè)周期內(nèi)VT2觸發(fā)脈沖到來(lái)但是并不能使之導(dǎo)通，直到VT1通過(guò)的電流過(guò)0，但此時(shí)VT2已失去脈沖，最終導(dǎo)致電路一直只有一個(gè)SCR導(dǎo)通，輸出電流會(huì)出現(xiàn)只有正或者只有負(fù)的情況，這種電路的工作情況是不正常的。因此，此種情況下的電路中，對(duì)于SCR的觸發(fā)方式應(yīng)選用脈沖列或?qū)捗}沖，才能保證每個(gè)晶閘管都能可靠、穩(wěn)定的工作，并保證有可調(diào)的輸出電壓。（2）？琢=？漬時(shí)，負(fù)載電流io的波形為滯后電源電壓？漬角的純正弦函數(shù)的波形，此種情況下在整個(gè)周期內(nèi)VT1和VT2交替導(dǎo)通，即每個(gè)SCR導(dǎo)通半個(gè)周期，負(fù)載的電壓和電流不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的情況，VT1和VT2相當(dāng)于兩個(gè)不可控元件二極管，即相當(dāng)于一個(gè)不可控電路，所以此種情況無(wú)法進(jìn)行調(diào)壓。（3）？琢>？漬時(shí)，在ui的正半周某時(shí)刻，給VT1一個(gè)導(dǎo)通的觸發(fā)脈沖，SCR導(dǎo)通后負(fù)載的輸出電壓uo即刻等于電源的輸入電壓，負(fù)載的輸出電流大小從0開始慢慢升高，但是由于負(fù)載阻抗角的存在，當(dāng)負(fù)載的輸出電壓過(guò)0時(shí)候負(fù)載的輸出電流仍然為一個(gè)正值，之后開始減小，直到降為0時(shí)VT1才被關(guān)斷。

1.2 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

觸發(fā)電路要保證SCR可靠的導(dǎo)通，所以要滿足足夠?qū)挼拿}沖寬度、足夠大的脈沖幅度和不超過(guò)SCR門極的額定值的脈沖電壓、電流，同時(shí)要保證安全的電氣隔離和一定的抗干擾性和穩(wěn)定性。為滿足此要求可以用KJ004芯片構(gòu)成觸發(fā)電路，此觸發(fā)電路不僅可以調(diào)壓也可實(shí)現(xiàn)調(diào)功功能[5]，電路如圖2所示。調(diào)節(jié)12腳相連接的電阻R2的阻值和電容C1的容值，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)功;調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R11則可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。

2 仿真分析

2.1 仿真軟件簡(jiǎn)介

Multisim是一款非常成熟且功能性非常全的電路設(shè)計(jì)和仿真軟件，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI公司）研發(fā)。可方便的用于用戶對(duì)電路的設(shè)計(jì)以及PCB板制作等，使用簡(jiǎn)便易懂，分析能力較為豐富。特別適合于電力電子電路和模擬、數(shù)字電路的搭建、測(cè)試和仿真。

Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電力電子教育。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電力電子教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。

2.2 仿真分析

本設(shè)計(jì)參數(shù)選擇電源工頻為380/220V，阻性負(fù)載R=4Ω，晶閘管觸發(fā)電路中觸發(fā)脈沖的頻率選擇與電源頻率相等，參數(shù)設(shè)置為50Hz，由周期和頻率的關(guān)系可設(shè)置觸發(fā)脈沖的周期參數(shù)為0.02s。為使晶閘管可靠導(dǎo)通設(shè)置足夠的脈沖幅值和脈沖寬度，參數(shù)分別設(shè)為12和0.05，觸發(fā)時(shí)間分別為0.005s和0.015s，即觸發(fā)角α為90°。

在波形圖上從上到下的參數(shù)分別為：輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、正相觸發(fā)脈沖、負(fù)相觸發(fā)脈沖。由已知參數(shù)計(jì)算可得輸出電壓的有效值U0、晶閘管電流有效值為IVT和電路功率因數(shù)為？姿分別為：

由以上分析可得，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的相位角，可得到可調(diào)的0-220V交流輸出電壓，滿足燈光控制需要。

3 結(jié)論

本文采用晶閘管為核心控制器件設(shè)計(jì)了燈光控制電路和晶閘管觸發(fā)電路，并利用Multisim軟件分別對(duì)？琢<？漬、？琢=？漬、？琢>？漬三種情況進(jìn)行了仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析、對(duì)比和參數(shù)計(jì)算。通過(guò)分析，該電路可針對(duì)電阻性負(fù)載、阻感負(fù)載和容性負(fù)載進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行，可得到可調(diào)的0-220V交流輸出電壓，滿足燈光控制需要。燈光控制電路可廣泛應(yīng)用于日常生活如智能家居、舞臺(tái)效果、街道照明等，并可有效的節(jié)省資源。

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