重庆大学信息专业电子课程设计报告保健灯自控电路.docx
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重庆大学信息专业电子课程设计报告保健灯自控电路
课程设计指导教师评定成绩表
项目
分值
优秀
（100>x≥90）
良好
（90>x≥80）
中等
（80>x≥70）
及格
（70>x≥60）
不及格（x<60）
评分
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
参考标准
学习态度
15
学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作
学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务
学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作
学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务
学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度
技术水平与实际能力
25
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信
设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信
设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信
设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错
设计不合理，理论分析与计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题
创新
10
有重大改进或独特见解，有一定实用价值
有较大改进或新颖的见解，实用性尚可
有一定改进或新的见解
有一定见解
观念陈旧
论文（计算书、图纸）撰写质量
50
结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰
结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰
结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰
结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整
内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰
指导教师评定成绩：
指导教师签名：
2012年6月日
重庆大学本科学生课程设计任务书
课程设计题目
保健台灯自控电路
学院
光电工程学院
专业
信息工程1班
年级
2009
设计要求和已知参数：
设计一个具有阅读区光照恒定、无工频闪光及可提示阅读时间的调光台灯电路。
具体要求如下：
1、阅读区光照值由光照设定旋钮设定，阅读区光照值不受环境光变化影响。
2、我国工频为50Hz，当用工频电源直接点亮灯泡时，其产生的工频闪光对人眼不利。
要求所设计的光频闪对人眼的影响小。
3、阅读时间设置由旋钮完成，采用小蜂鸣器发出一短音作为时间到提示音。
4、方案应有较佳的性能价格比。
5、技术指标
调光设定：
0—100%；
光变化率：
<5%
光频率：
2000Hz±10%；
提示阅读时间范围：
20—100min±5min；
供电电源：
AC220V。
灯参数：
AC220V、50W白炽灯；
学生应完成的工作：
写出设计说明书,正文包括以下内容:
1、总体设计（包含方案选择及分析、指标确定、原理框图）
2、各组成部分工作原理介绍（应有必要的插图说明）
3、单元电路的设计及计算（包含元器件的选择、参数计算）
4、画出总电路原理图（按制图标准用CAD作图,A4幅面,要求标出所有元器件的序号、型号及参数）
5、设计PCB图（选作）
6、计算机仿真
7、设计小结（收获体会和改进意见）
目前资料收集情况（含指定参考资料）：
[1]杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].第二版.北京:
高等教育出版社,1998
[2]阎石.数字电子技术基础[M].第四版.北京:
高等教育出版社,1998
‥‥‥等等
课程设计的工作计划：
17周星期一：
布置任务、查阅资料。
星期二：
查阅资料、方案设计。
星期三：
进度检查。
星期四：
方案设计。
星期五：
进度检查，单元电路设计。
18周星期一：
进度检查。
星期二：
总电路设计，星期三：
进度检查。
星期四：
写设计说明书，星期五：
提交设计说明书。
任务下达日期2012年6月8日
完成日期年月日
指导教师（签名）
学生（签名）
一、总体设计
1.1方案选择及分析
方案
电路模块
方案一
方案二
变压（降压）
10:
1变压（降压）器
无
整流、滤波
MDA3504全桥整流
1G4B42全桥整流
稳压
02DZ4.7稳压二极管
LM7815CT（3端稳压芯片）
定时
555定时器接成的单稳态触发器
555定时器接成的多谐振荡器
脉冲发生
对称式多谐振荡器
555定时器接成的多谐振荡器
变压（升压）
1:
10变压（升压）器
无
逆变
三极管接成的单相半桥逆变器
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）接成的单相全桥逆变器
调光
高压调光
双向可控硅触发的低压调光电路
表1.1
在使用变压器方面，方案一使用了两个变压器用来升压降压，而方案二没有使用变压器，所以方案二的成本比前者低很多；
在使用的稳压器件方面，方案一使用的稳压元件是稳压二极管，可稳压二极管输出电压才接近5V，由于整体电路的功率比较高，所以电路的电流比较大，可能造成后面的低压控制电路烧坏；而方案二使用的是三端稳压芯片，内部集成了放大电路、保护电路等，可以稳定地输出15V直流电压，而且后面的元器件都承受得了15的电压，所以方案二的稳压模块比较可靠。
在使用定时器方面，两个方案都用到了555定时器，不同的是，方案一使用555定时器接成的单稳态触发器来定时，但是单稳态触发器只外接单个电容和电阻，长时间定时需要超大值的电阻和电容；而方案二使用的555定时器接成的多谐振荡器外接了两个电阻、一个电位器和一个电容，可以满足定时的需求。
而且该电路还能确定蜂鸣器报警的时间，所以方案二的定时模块比较可靠。
在脉冲发生器方面，方案一使用了对称式多谐振荡器，含有丰富的高次谐波成分，只能近似地调整振荡频率；而方案二用555定时器接成的多谐振荡器，可调节输出占空比为1:
1的脉冲方波，而且方波的频率计算了也很精确，所以方案二的脉冲发生器比较可靠。
在使用逆变电路方面，方案一使用NPN三极管接成的单相半桥逆变器，半桥逆变器输出电压比全桥低一半，且NPN三极管不太稳定；而方案二绝缘栅双极型晶体管（IGBT）接成的单相全桥逆变器，IGBT能承受高压，而且输出较稳定，所以方案二的逆变电路比较可靠。
在使用调光电路方面，方案一使用高压调光，安全系数比较低，极易发生危险；而方案二双向可控硅触发的低压调光电路，安全可靠，所以方案二的调光电路比较可靠。
综上所述，方案二比较可行，所以选择方案二作为设计方案。
1.2指标确定
调光设定：
0—100%；
光变化率：
<5%
光频率：
2000Hz±10%；
提示阅读时间范围：
20—100min±5min；
供电电源：
AC220V。
灯参数：
AC220V、50W白炽灯；
1.3原理框图
图1.3
二、单元模块工作原理介绍
2.1整流滤波电路
2.1.1整流电路
二极管具有单向导电性，因此可以利用二极管的这一特性组成整流电路，将交流电压变成单向直流电压，本方案采用的是单相全桥电路，原理图如下：
图2.1.1
在u2正半周时，D2、D4反偏截止，D1、D3正向导通。
电流流过RL时产生的电压极性是上正下负。
在u2负半周时，D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。
电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。
因此在负载上得到一个单方向的脉动电压。
2.1.2滤波电路
整流电路的输出电压都含有较大的脉动成分，通常在整流电路后面还要加上一定的滤波电路。
电容和电感都是基本的滤波元件，利用他们的储能作用，在二极管导电时将一部分能量储存在电场或电感中，然后再逐渐释放出来，从而在负载上得到比较平滑的波形。
本方案采用的是电容滤波电路。
其原理图如下：
图2.1.2
将一个大电容C与负载并联，即可组成电容滤波电路，在e2的正半周，除了有一个电流流向负载RL之外，还有一个电流向电容C充电，电容电压的极性上正下负，当e2达到最大之后开始下降，此时电容开始放电而两端的电压逐渐下降。
在e2的负半周时，同理。
因此，由于电容的储能作用，输出波形比较平滑。
2.2稳压电路
通过整流和滤波后，输出的电压和理想的电压还有些差距，为了得到更加稳定的直流电压，需要在整流滤波之后再加上稳压电路。
本方案采用的是三端集成稳压器LM7815CT，稳定输出15V直流电压。
其内部原理图如下：
图2.2
2.2.1内部电路组成
基准电源，输出电压与基准电压是成正比关系，基准电压的稳定性直接影响稳压电路输出电压的稳定性。
误差放大器，电路组态为共射接法，可以获得较高的电压放大倍数。
调整管，调整管为几个三极管组成的复合管。
这种结构要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。
取样点路，取样电路有两个分压电阻组成，它对输出电压进行采样，并送入放大电路的输入端。
2.2.2电路接法
图2.2.2
为改善纹波电压，常在输入端接入电容Ci。
同时，在输出端接上电容Co，以改善负载的瞬态响应，两个电容均直接接在集成稳压器的引脚处。
2.3定时电路
采用555定时器可以很方便的接成多谐振荡器，其原理图和波形图如下。
图2.3
充电时间：
放电时间：
所以通过改变R和C的值就可以改变充放电的时间，从而实现定时的功能。
2.4脉冲发生电路
脉冲发生器也是用555定时器接成的多谐振荡器，与定时电路不一样的地方是电容的充电时间和放电时间相等，即输出脉冲的占空比为1:
1。
电路图如下：
图2.4
由于接入二极管D1和D2，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只留经R1，放电电流只留经R2，因此
电容C充电时间为：
电容C放电时间为：
输出脉冲的占空比为：
若取R1=R2,则q=50%
2.5逆变电路
逆变电路是与整流电路相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。
逆变电路模块为白炽灯提供交流电压，本方案采用单相全桥式逆变电路。
其原理图如下：
图2.5
该变换电路共有4个桥臂，可以看成2个半桥电路组合而成。
T1、T4和T2、T3交替导通，输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，其幅值高出半桥变换电路1倍。
改变直流电压E就可改变输出交流有效值，输出功率大。
四个二极管D1、D2、D3、D4的作用是当开关管截止的时候，由于电感储能，其上的电流不能突变，所以会产生一个反向电动势，且往往比电源电压高许多倍。
这么大的电压加在开关管上，会将其反向击穿，所以加上一个蓄流二极管，既可以保护开关管，即钳位开关管的反向电压，也可以使电感储能尽快释放，并使负载在开关管截止时依然有能量提供。
2.6自动调光电路
自动调光模块由双向可控硅、可触发单结晶体管、光敏电阻、电位器组成，实现台灯的光照值由旋钮设定、阅读区的光照值不受外界环境影响的功能。
其原理图如下：
图2.6
电桥后的电路是一个弛张振荡器，由R1-R4、电位器RV1、光敏电阻LCR1、可触发单结晶体管Q1、电容C1组成，弛张振荡器，为双向可控硅U2提供脉冲触发信号，使其导通，灯泡L1点亮。
在环境光偏弱时，光敏电阻LCR1内阻变大，使双向可控硅门U2极触发控制电压上升，U2导通角增大，灯泡L1的亮度增强；若环境光偏弱时，LCR1内阻变小，使U2导通角减小，灯泡L1的亮度减弱。
三、单元电路的设计及计算
3.1整流滤波电路
3.1.1单元电路图
图3.1
3.1.2元器件的选择
元件元件
名称
型号及规格
数量
备注
D5
整流电桥
1G4B42
1
C1
电容
陶瓷电容1mF
1
耐高压
表3.1.2
3.2稳压电路
3.2.1单元电路图
图3.2.1
3.2.2元器件的选择
元件代号
名称
型号及规格
数量
备注
U7
LM7809CT
1G4B42
1
C1
电容
陶瓷电容1mF
1
耐高压
C2
电容
陶瓷电容500uF
1
耐高压
表3.2.2
3.3定时电路
3.3.2元器件的选择
图3.3.2
3.3.2参数的计算
要定时20min=1200s,即充电时间：
即
设定蜂鸣器提示时间为10s,即放电时间：
即
为了满足长时间的定时，所以C比较大，取C=3.3mF,则
仿真测试时
比较合适，则
，仿真测试时取
比较合适。
要定时20min以上，100min以下时，即充电时间：
即
3.3.3元器件的选择
元件代号
名称
型号及规格
数量
备注
U1
555芯片
LM555CN
1
C2
电容
陶瓷电容3.3mF
1
耐高压
C3
电容
陶瓷电容1uF
1
R1
电阻器
523k
1
R2
电阻器
4.42k
1
R3
电位器
2M
1
U2A
反相器
74S04D
1
TTL反相器
U2
蜂鸣器
YMD12096
1
频率最大值2300+-300Hz
表3.3.3
3.4脉冲发生电路
3.4.1单元电路图
图3.4.1
3.4.2参数的计算
电容C充电时间为：
电容C放电时间为：
输出脉冲的占空比为：
若取R1=R2，则q=50%
振荡周期为：
所以
，当我们取C=1mF
，但实际仿真时C=0.91mF，即910nF。
3.4.3元器件的选择
元件代号
名称
型号及规格
数量
备注
U1
555芯片
LM555CN
1
C1
电容
陶瓷电容910nF
1
耐高压
C2
电容
陶瓷电容1uF
1
R1、R2
电阻器
360
2
D1、D2
二极管
1n3595
1
-65—+200°C
表3.4.3
3.5逆变电路
3.5.1单元电路图
图3.5.1
3.5.2元器件的选择
元件代号
名称
型号及规格
数量
备注
Q1、Q2、Q3、Q4
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
IRGPH50M
4
Vces=1200V
Ft=10KHz
D1、D2、D3、D4
二极管
1n5061
4
Vrrm=600V
表3.5.2
3.6自动调光电路
3.6.1单元电路图
图3.6.1
3.6.2元器件的选择
元件代号
名称
型号及规格
数量
备注
R1
电阻器
47k
1
R2
电阻器
8k
1
R3
电阻器
200
1
R4
电阻器
390
1
RV1
电位器
500k
1
C1
电容
0.022uF
1
-65—+200°C
U2
双向可控硅
2N6165
1
Vdrm=600V
LCR1
光敏电阻
LXD5528
1
-30—+70°C
Q1
单结晶体管
2N6028
1
-50—+100°C
L1
白炽灯
JB-001
1
220V,50W
表3.6.2
四、Multisim仿真
4.1整流滤波
图4.1.1整流后的电压图4.1.2整流前后的波形的对比
正弦波为整流前的波形
直线为整流后的波形
4.2稳压
图4.2.1稳压后的电压图4.2.2稳压后的波形
4.3脉冲发生器
图4.3.1脉冲发生器输出频率
图4.3.2输出波形
4.4逆变电路
图4.4.1逆变器负载端的频率
图4.4.2负载两端的电压值（交流值）
图4.4.3白炽灯两端电压波形
五、设计小结
5.1收获体会
回顾起此次电类课程设计，感慨颇多，的确，从接到题目到确定方案，从绘制单元电路图到绘制总电路图，从模拟仿真到完成设计报告。
这个过程本身就是从理论到实践的一个过程，在整整两星期的日子里，可以说得是苦多于甜。
由于第一个星期还有两门考试，所以但耽搁很多时间，所以时间很紧，但最终经过那么多天的奋战，终于完成了原来确定的目标。
在这个过程中，暴露了很多问题，比如某些基础知识掌握得不扎实；前期在仿真时没有考虑到要查询元器件的数据手册来了解它的详细参数；还有电路的整体规划上没有考虑到在实现功能不受影响的情况下，尽量缩减元器件的数量。
总之在设计中遇到了很多问题。
最后在老师的指导下，有了思路，纠正错误后，这些问题终于游逆而解。
在今后学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，勤于思考，善于思考，然后才能解决问题。
只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦。
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升,一门辨思课，给了我很多思，也给了我莫大的空间。
同时，设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
通过这次课程设计，我掌握了电阻电容等元器件的识别和测试；熟悉了电子电路CAD作图的方法；了解了电路测试仿真的方法；以及如何提高电路的总体性能等等。
5.2改进意见
整体上，方案所需的元器件和芯片还是偏多了些，显得有点冗杂，电路整体上不够简洁。
在不影响电路功能的情况下，应该尽可能地减少所需元器件的数目。
还有一点，就是有些元器件没有详细了解它的参数，虽然软件上仿真没有多大的问题，但是可能出在实际环境中，某些器件工作或者响应就没有想象中的那么理想。
所以此方案还要结合实际的测试才能更加完善。
六、参考文献
【1】杨素行.模拟电子技术基础简明教程【M】.第二版.北京：
高等教育出版社，1998
【2】阎石.数字电子技术基础【M】.第四版.北京：
高等教育出版社，1998
【3】张庆双.家用控制与保护实用电路【M】.第一版.北京：
机械工业出版社，2007
【4】张庆双.娱乐与保健实用电路【M】.第一版.北京：
机械工业出版社，2007
【5】曲学基.逆变技术基础与应用【M】.第一版.北京：
电子工业出版社，2007
七、附录
（总电路图）
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