调光台灯电路设计

摘要为了节能和保护视力，市场上出现各种各样的调光台灯，也有很多的人研究更节能的调光方法。通过multisim10.0仿真，设计出一种调光台灯，通过控制单向晶闸管的导通角来改变灯泡的亮度。CD4017的输出接不同的电阻，高电平经过这些不同大小的电阻对电容进行充电，充电的快慢不一样，单向向晶闸管的触发脉冲移动，导通角发生变化，从而达到调光的目的。关键词：Multisim；调光；CD4017十进制计数译码器；单向晶闸管；单相桥式整流电路调光台灯电路设计2目录一设计任务........................................................31.1设计目的和意义...............................................31.1.1目的...................................................31.1.2意义...................................................31.2初始参数和要求...............................................31.2.1初始参数...............................................31.2.2要求...................................................3二系统设计.........................................................42.1系统工作原理.................................................42.1.1CD4017工作原理..........................................42.1.2单向晶闸管.............................................62.1.3单相桥式整流电路.......................................72.1.4调光台灯电路原理.......................................82.2器件选择....................................................92.3电路设计.....................................................92.4电路仿真测试...............................................13三总结............................................................143.1结论........................................................143.2优点与不足..................................................143.3心得与体会.................................................15参考文献...........................................................15调光台灯电路设计3一设计任务1.1设计目的和意义1.1.1目的1、熟悉和学会multisim的使用；2、学会进行设计电路的方法；3、通过查资料了解各种元件的功能、参数等；4、了解调光电路的工作原理并进行设计；5、以节能和保护视力为目的设计调光台灯电路。1.1.2意义1、学会并熟练掌握multisim的使用；2、培养创新的能力；3、使台灯可以达到节能的目的；4、学会应用已经学过的知识。1.2初始参数和要求1.2.1初始参数CD4017的输出端所接的电阻在10Ω-100Ω之间分散取，以达到多级的调光目的；电源选择220V50Hz的交流电源；灯泡选用230V的，由于电源电压是220V，所以灯泡选择230V的可避免灯泡烧坏。触发电路的电阻阻值为100Ω，电容为47μF,起保护LED灯作用的电阻阻值为300Ω。1.2.2要求每次按动按钮开关，CD4017的10个输出就变换输出高电平“1”，并影响灯泡的亮度。调光台灯电路设计4二系统设计2.1系统工作原理2.1.1CD4017工作原理CD4017是调光电路中实现调光功能的主要执行者，它控制着调光的级数和各级的亮度，其引脚图和方框图如图(1)和图（2）所示。图（1）CD4017引脚图调光台灯电路设计5图（2）CD4017方框图数字电路CD4017是十进制计数／分频器，它的内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、…、Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。CD4017有10个输出端（Q0～Q9）和1个进位输出端～Q5-9。每输入10个计数脉冲，～Q5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平，其余输出端（Q1～Q9）均为低电平。CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。调光台灯电路设计62.1.2单向晶闸管单向晶闸管与CD4017组成调光电路的主体部分，CD4017控制晶闸管的触发电路，改变晶闸管的导通角。晶体闸流管简称晶闸管，也称为硅可控元件，是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关。图（3）晶闸管的结构晶闸管的内部结构示意图如图（3）（a）所示，它有四层半导体材料组成，四层材料有P型半导体和N型半导体交替组成，分别为P1、N1、P2和N2，它们的接触面形成三个PN结，分别为J1、J2和J3，故晶体管也称为四层器件或PNPN器件。P1区的引出线为阳极A，N2区的引出线为阳极C，P2区的引出线为控制极G0。为了更好的理解晶闸管的工作原理。常将其N1和P2两个区域分解成两部分，使得P1-N1-P2构成一只PNP型管，N1-P2-N2构成一只NPN型管，如图（b）所示；用晶体管的符号表示，如图（c）所示；晶闸管的符号如图（d）所示。晶闸管的工作原理：当晶闸管的阳极A和阴极C之间加上正向电压且控制极和阴极之间也加上正向电压时，如图（4）所示，J3处于导通状态。若T2管的基极电流为iB2，则其集电极电流为β2iB2；T1管的基极电流iB1等于T2管的集电极电流β2调光台灯电路设计7iB2，，因而T1管的集电极电流iC1为β1β2iB2；该电流又作为T2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内，两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。晶闸管一旦导通，控制极就失去导通作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。晶闸管导通后，阳极和阴极之间的电压一般为0.6-1.2V，电源电压几乎全部加载负载上；阳极电流iA因型号不同可达几十~几千安。（a）(b)图（4）晶闸管的工作原理（a）实际电路（b）等效电路2.1.3单相桥式整流电路单相桥式整流电路在调光电路中的作用是为CD4017调光器提供电压。一般的家庭用电是220V的交流电，所以需要单相桥式整流电路变交流为直流，并且降压。调光台灯电路设计8图（5）单相桥式整流电路的波形图设变压器副边电压u2=√2·U2·sinωt，U2为其有效值。当u2为正半周时，电流由A点流出，经D1、RL、D3流入B点，因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压，即u0=u2，D2和D4管承受的反向电压为-u2.当u2为负半周时，电流由B点流出，经D2、RL、D4流入A点，负载电阻Rl上的电压等于-u2，即u0=-u2，D1、D3承受的反向电压为u2。由于D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通，致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压u0=\√2·U2·sinωt\。上图所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。2.1.4调光台灯电路原理调光台灯电路的主体组成由以上介绍的三部分构成。CD4017十进制计数译码器高电平“1”输出到不同大小的电阻，给电容充电，充电的快慢改变晶闸管的导通角，从而改变灯泡的亮度。220V的交流电通过单相桥式整流电路变成10V的直流，再经5V的稳压调光台灯电路设计9管稳定在5V，接入到CD4017的VDD，为调光器供电。2.2器件选择1、选择CD4017作为调光器，用CD4017十进制计数译码器集成电路制作的调光台灯，具有寿命长、安全、可靠性强和调光级数多并级数细的有点。它省掉了电位器，因而可以防止因电位器磨损而产生的台灯故障；2、选择一个控制脉冲次数的开关，来控制CD4017的输出；3、所有的二极管都选用1N4001。选择一个红色的LED灯作为变换亮度的指示灯；4、单向晶闸管选用BT169；用双向晶闸管也可以，但是由于需要用单结晶体管BT32来触发双向晶闸管，而multisim元件库中没有BT32，所以用单向晶闸管和单向晶闸管触发电路；5、稳压管用稳压值为5V的1N4689；6、电源选用220V的交流电源；7、5V1KHz的时钟信号发生器，来给CD4017输入脉冲信号。2.3电路设计1、单相桥式整流稳压电路电源是220V的交流电源，变压器是10：220的电压器，将220V的电压变为10V，再经过整流管进行整流，整流后稳压二极管将电压稳定在5V。这样整个电路的电源供给设计完成。调光台灯电路设计10图（6）单相桥式整流稳压电路设计2、CD4017的工作电路V2为一个脉冲发生器，它输出脉冲信号。CD4017有2个时钟脉冲输入端，设置2个时钟输入端，级联时比较方便。CLK1接脉冲信号输入，CLK2和R接地。当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，为控制高电平的输出，不让其一直连续依次输出高电平，所以加入一个碰触开关J1，按一下J1就发出一次脉冲。图（7）CD4017工作电路3、CD4017的输出电路CD4017的十个输出端接不同阻值的电阻，按下J1后Q0输出高电平，电阻R2调光台灯电路设计11接通，再次按下时，Q1输出高电平，电阻R3接通，依次类推，连续按动J1使高电平在Q0`~Q9之间依次输出。电阻前串联二极管来控制电流通过已导通的电阻为晶闸管触发电路的电容充电。图（8）CD4017输出电路4、单向晶闸管触发电路电流整流过来之后的电压是一个个相连的向上拱的波形，当刚接电的时候C1是相当于导线，这时候要是Q9输出高电平的话，就可以触发单向晶闸管，这时候就是最亮的状态；当Q3输出高电平的时候，刚通电的瞬间C1还是相当于导线接地，这时候要慢慢充电，等到到了一定的电压的时候就触发单向晶闸管，这时候导通已经是从波调光台灯电路设计12图（9）单向晶闸管触发电路的上升的过程中开始，所以通过灯泡的有效值就减小了，灯泡就暗了！一旦导通单向晶闸管就短路了，电容就立即放电，为下一周期做准备！5、电路的总体设计图（10）调光台灯完整电路将以上的各部分电路设计组合到一起就可以组成一个调光台灯的电路。交流电通过变压器变压整流，经过LED与稳压二极管稳压在5V左右，供给调光器。CD4017构成脉冲上升沿触发、Q0~Q9端依次的“1”电平的计数译码电路。当按钮J1接通时，CD4017相当于输入一正向脉冲，若设此时输出端Q4为“1”电平，其余都为低电平，则“1”电平通过二极管、R6向电容充电，通