基于交流調壓的燈光控制電路設計與仿真

張星 冶艷艷

摘? 要：根據燈光控制需要，設計了基于交流調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軟件對不同情況下的阻抗角和控制角關系進行了仿真，并對仿真結果進行了分析、對比和計算，結果證明，基本參數一定的情況下通過調節(jié)晶閘管的相位角，可得到可調的0-220V交流輸出電壓，滿足燈光控制需要。

關鍵詞：燈光控制;Multisim;晶閘管

中圖分類號：TP273? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：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

隨著我國經濟發(fā)展，不管是道路照明還是室內舞臺燈光都應用越來越廣泛，技術要求也越來越高，隨之帶來的是電力資源的消耗也越來越大，設計一個合理的燈光控制電路是十分必要的事情，燈光控制電路的設計主要采用電力電子技術中的交流調壓電路。此電路在我們日常生活中，如劇院舞臺的調光、城市街道的照明等，同時在異步電機的軟啟動和調速方面也有很重要的應用[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，則晶閘管的數量需要很多，同時需要將這些晶閘管串聯(lián)或者并聯(lián)，隨之帶來的缺陷一是需要多個驅動電路，二是會增加很多損耗，三是會增加成本，因此也大多也采用交流調壓電路來彌補這個缺失[4]。

1 電路設計

1.1 控制電路設計

燈光控制的核心在于對電壓的控制。交流調壓電路是采用相位控制方式交流電力控制電路，通常是將兩個晶閘管（SCR）反向并聯(lián)，使之交替導通。交流輸出電壓是在基本參數一定的情況下，在不同時刻使晶閘管導通，即控制晶閘管不同的相位得到的，通過相位調節(jié)可以得到不同的電壓，從而可調節(jié)不同的燈光效果，具有較快的響應速度[6]，基于交流調壓的燈光控制電路如圖1所示。

對于純電阻負載，穩(wěn)定情況下，分別對正負半周的晶閘管的觸發(fā)角進行控制，便可調節(jié)輸出電壓的大小。某時刻使晶閘管導通即可得到與輸入電壓一致的波形。純電阻負載下，晶閘管控制角的移相范圍為0°到180°，控制角最小為0°的時候，晶閘管處于一直導通狀態(tài)，此時負載上的輸出電壓達到最大值，即為輸入電壓，當控制角慢慢增大，負載上的輸出電壓逐漸減小，直到控制角達到最大的移相范圍180°時，負載上的輸出電壓達到最小值0。

（1）？琢<？漬時，？漬的值在電路中較大，則輸出電流過零的時刻遠遠滯后于輸出電壓，SCR處于長時間導通的狀態(tài)，若SCR的觸發(fā)方式為在wt=？琢時刻導通的窄脈沖，由于脈沖寬度不夠，此時會出現VT1導通時間大于半個周期，即在一個周期內VT2觸發(fā)脈沖到來但是并不能使之導通，直到VT1通過的電流過0，但此時VT2已失去脈沖，最終導致電路一直只有一個SCR導通，輸出電流會出現只有正或者只有負的情況，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，對于SCR的觸發(fā)方式應選用脈沖列或寬脈沖，才能保證每個晶閘管都能可靠、穩(wěn)定的工作，并保證有可調的輸出電壓。（2）？琢=？漬時，負載電流io的波形為滯后電源電壓？漬角的純正弦函數的波形，此種情況下在整個周期內VT1和VT2交替導通，即每個SCR導通半個周期，負載的電壓和電流不會出現斷續(xù)的情況，VT1和VT2相當于兩個不可控元件二極管，即相當于一個不可控電路，所以此種情況無法進行調壓。（3）？琢>？漬時，在ui的正半周某時刻，給VT1一個導通的觸發(fā)脈沖，SCR導通后負載的輸出電壓uo即刻等于電源的輸入電壓，負載的輸出電流大小從0開始慢慢升高，但是由于負載阻抗角的存在，當負載的輸出電壓過0時候負載的輸出電流仍然為一個正值，之后開始減小，直到降為0時VT1才被關斷。

1.2 觸發(fā)電路設計

觸發(fā)電路要保證SCR可靠的導通，所以要滿足足夠寬的脈沖寬度、足夠大的脈沖幅度和不超過SCR門極的額定值的脈沖電壓、電流，同時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芯片構成觸發(fā)電路，此觸發(fā)電路不僅可以調壓也可實現調功功能[5]，電路如圖2所示。調節(jié)12腳相連接的電阻R2的阻值和電容C1的容值，就可以實現調功;調節(jié)滑動變阻器R11則可以實現調壓。

2 仿真分析

2.1 仿真軟件簡介

Multisim是一款非常成熟且功能性非常全的電路設計和仿真軟件，由美國國家儀器（NI公司）研發(fā)。可方便的用于用戶對電路的設計以及PCB板制作等，使用簡便易懂，分析能力較為豐富。特別適合于電力電子電路和模擬、數字電路的搭建、測試和仿真。

Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電力電子教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計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計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。

2.2 仿真分析

本設計參數選擇電源工頻為380/220V，阻性負載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，參數設置為50Hz，由周期和頻率的關系可設置觸發(fā)脈沖的周期參數為0.02s。為使晶閘管可靠導通設置足夠的脈沖幅值和脈沖寬度，參數分別設為12和0.05，觸發(fā)時間分別為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分別為：輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、正相觸發(fā)脈沖、負相觸發(fā)脈沖。由已知參數計算可得輸出電壓的有效值U0、晶閘管電流有效值為IVT和電路功率因數為？姿分別為：

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

3 結論

本文采用晶閘管為核心控制器件設計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？琢<？漬、？琢=？漬、？琢>？漬三種情況進行了仿真，對仿真結果進行了分析、對比和參數計算。通過分析，該電路可針對電阻性負載、阻感負載和容性負載進行穩(wěn)定運行，可得到可調的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用于日常生活如智能家居、舞臺效果、街道照明等，并可有效的節(jié)省資源。

參考文獻：

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[3]胡中華，許昕.無人飛行器用交流發(fā)電機調壓器原理研究[J].自動化與儀表，2018，33（11）：100-103+108.

[4]鄧妍.認識智能家居系統(tǒng)中關鍵環(huán)節(jié)淺談智能照明系統(tǒng)[J].家庭影院技術，2019（06）：96-97.

[5]王嘉儀，胡凡，趙永安，等.教室燈光自動控制系統(tǒng)設計[J].電子測試，2019（12）：25-26.

[6]向羽曦，曹夢凡，趙許鋼，等.業(yè)余場館燈光控制平臺系統(tǒng)研究[J].自動化應用，2019（05）：17-19.