CN203896534U - 一种嵌入式系统控制的正弦波调光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，包括人机对话界面、嵌入式系统、IGBT驱动电路以及IGBT门电路，嵌入式系统向IGBT驱动电路输入PWM信号，通过IGBT驱动电路控制IGBT门电路，人机对话界面用于设置并显示调光器的运行参数，嵌入式系统还用于向IGBT驱动电路输入PWM信号同时控制人机对话界面显示调光器的运行参数，IGBT驱动电路将接收到的PWM信号通过两级放大后输出给IGBT门电路并控制其开启与关闭，IGBT门电路用于将正弦波交流电与IGBT驱动电路输出的载波叠加后输出给负载电路。实现了用IGBT调光器替代SCR调光器，克服了一般SCR调光器EMI大以及污染电网等缺点。

Description

一种嵌入式系统控制的正弦波调光器

技术领域

本实用新型涉及一种可由嵌入式系统控制的正弦波调光器，属于电子电器技术领域。 

背景技术

调光器通过改变220V正弦波交流电的电压(或电流)大小实现对灯具的调光功能，通常采用可控硅(SCR，反向阻断三端晶闸管简称晶闸(thyristor))半导体电力器件，如附图1中可控硅调光器的主回路原理图所示。 

Ui为输入电压(市电220V),Uo为调光器输出电压，外接灯泡。S1、S2两个可控硅或一个双向可控硅。控制电路在交流电压过零点时后延迟一个相位角去触发可控硅S1导通，直到下一个过零点被反向截止，下一个相位角再触发可控硅S2导通，直到再下一个过零点又被反向截止，这样周而复始地工作。如附图2输入电压电流随时间变化的波形及附图3可控硅调光器的输出波形所示。 

这种输出电压波形在触发点处有一个很陡的前沿，电压突然从零跳变到输入值。如果用它去控制电阻性负载或电感性负载没有什么问题，如果用它去控制具有电容性负载的灯源时，由于电容器二端电压不能实变，于是会产生峰值很高的浪涌电流，这种浪涌电流会产生电磁干扰，破坏(或污染)电网质量，甚至会损坏电气设备，一般通过串联电感性扼流线圈来降低它的上升时间，减少电磁干扰。因此可控硅调光器引入LC滤波环节。L2输出滤波电感，C2输出滤波电容(其实这个电容主要指分布电容和负载电容)。其作用是使被斩波后的波形的前沿变为圆角，但即使采用了LC滤波，可控硅调光器的电磁干扰大仍是一个克服不了的缺陷，更为严重的是随着“绿色照明工程”的推进，以及绿色环保的呼声越来越高，可控硅调光器随时都有可能被迫退出市场。 

自从可控硅(晶闸管)实用新型以来，功率半导体器件从SCR(普通晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、TRIS双向晶闸管)、BJT双极型晶体管)又称为GTR电力晶体管)、MOSFET(金属氧化物硅场效)…发展到今天的IGBT。 

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，具有MOSFET器 件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。 

正弦波形不包含谐波，没有谐波的危害，可以减少损耗并能提高效率。更进一步，电机﹑变压器和其它电气设备设计时都假定了供电电源是正弦的，从而简化了设计。利用IGBT的大电流下，整个周波可控的特点，采用PWM工作方式。使PWM调制波(载波)工作频率高达50KHz(载波频率越高，谐波含量越小，所需要的滤波电感及电容越小，输出电流和电压越逼近正弦波)，用富立叶级数展开分析可知，电源电流中不包含低次谐波，只含有和开关频率50KHz有关的高次谐波。(谐波危害主要来自低次谐波，高次谐波的危害量可忽略不计)。如附图4IGBT调光器的输出波形所示。 

IGBT多用于交流电变频，如电机变频调速、电磁炉、电炉调温、开关电源等。IGBT调光器在市场上未见，主要因为人眼对灯光中微小的闪烁和瑕疵都能察觉出来，令人们满意的调光器产品难做，技术要求高，其中IGBT的驱动电路是关键，市场上的普通IGBT驱动模块在调光器上不适用，IGBT调光器需设计自己专用的IGBT驱动模块(或电路) 

IGBT调光器中对IGBT驱动电路的控制信号为PWM(脉宽调制)，现实中的PWM相关硬件(芯片)存在一定的局限性，要体现IGBT调光器的高性能就必须具备高性能的PWM信号(梯度或分辨率等)。采用嵌入式系统的调光器，既可提供高性能PWM信号又能提高(改善)调光器的自动控制(程序控制)性能。 

实用新型内容

针对以上现有技术中的问题，本实用新型用IGBT替代SCR,消除SCR调光器：1)EMI(电磁辐射)大；2)污染电网等缺点；研制出一款适合中功率IGBT驱动电路(应用在IGBT调光器)； 

此外，本实用新型将嵌入式系统加入IGBT调光器，改变SCR调光器中单纯采用SCR调光模块，没有系统控制功能。使调光器具有：1)定时自动启动、停止功能；2)软启(缓启)、软停(缓停)功能；3)多时间段自动控制功能；4)触摸屏(解决人机对话)；5)数据查询功能。 

本实用新型所采用的具体技术方案如下： 

一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，包括人机对话界面、嵌入式系统、IGBT驱动电路以及IGBT门电路，所述的嵌入式系统向IGBT驱动电路输入PWM信号，通过IGBT驱动电路控制IGBT门电路的导通与截止，所述的人机对话界面用于设置并显示调光器的运行参数，所述的嵌入式系统用于根据人机对话界面所设置的调光器的运行参数向IGBT驱动电路输入相应的PWM信号同时控制人机对话界面显示调光器的运行参数，所述的IGBT驱动电路将接收到的PWM信号通过两级放大后输出给IGBT门电路并控制其开启与关闭，所述的IGBT门电路用于将220V的正弦波交流电与IGBT驱动电路输出的载波叠加后输出给负载电路。 

所述的调光器的运行参数包括调光率、定时开启或关闭、日期与时钟设置等。 

所述的IGBT门电路可由一个IGBT管连接四个二极管组成，所述的IGBT驱动电路可由光电耦合电路依次连接放大电路、稳压电路和保护电路构成。 

所述的光电耦合电路由限流电阻R01与光电耦合器U20连接组成，所述的放大电路包括前级放大电路和后级放大电路，所述的前级放大电路采用限流电阻R202连接场效应管Q200，滤波电容C201、电阻R203作为场效应管Q200的G极限流电阻，电阻R204为场效应管Q200的C极限流电阻，所述的后级放大电路包括场效应管Q201和场效应管Q202，电阻R205作为C极限流电阻与场效应管Q201C极连接，所述的后级放大电路还包括与场效应管Q201、场效应管Q202及电阻R205连接的蓄能电容C202、C203、C204、C205、C206、C207，所述的稳压电路由稳压二极管D1与稳压二极管D2以正对正的方式连接组成，电阻Rge为IGBT管GE极间保护电阻，电阻Rg与IGBT管的GE极间电容组成阻容震荡电路。 

所述的嵌入式系统可由ARM7或ARM9芯片构成。 

所述的限流电阻R01的阻值为200Ω，限流电阻R202阻值为350Ω，电阻R203阻值为30Ω，电阻R204阻值为200Ω，电阻R205阻值为20Ω，电阻Rg阻值为20Ω，电阻Rge阻值为10kΩ，光电耦合器U20为PS9701，场效应管Q200为IRP530，场效应管Q201为IRF530，场效应管Q202为IRP9530，所述的稳压二极管D1的击穿电压为9.1V，稳压二极管D2的击穿电压为15V。 

本实用新型的有益效果如下：实现了用IGBT调光器替代SCR调光器，克服了一般SCR调光器EMI(电磁辐射)大以及污染电网等缺点。 

本实用新型研制了一款IGBT驱动电路(应用在IGBT调光器)，且设计精炼、 成本精简、制造不难。 

本实用新型将嵌入式系统用于IGBT调光器，由于加入嵌入式系统，可将触摸屏加入调光器，这样的人机对话界面提升了使用时的便利性、操控性和产品档次。IGBT调光器因采用嵌入式控制系统，实现了： 

1)触摸屏设置和控制； 

2)实用并美观的人机对话界面； 

3)多时段自动开启和停止运行功能； 

4)缓启和缓停功能； 

5)数据存储和查询功能； 

6)断电再启动时能恢复原设置且自动运行； 

7)抗干扰功能； 

8)特定客户或特定应用场合的适用功能。 

此外，嵌入式系统配合IGBT驱动电路及IGBT门电路的设计将220V的正弦波交流电与数千赫兹的载波叠加，实现输出功率可调，以实现调光的功能。 

附图说明

图1为可控硅调光器的主回路原理图； 

图2为220V交流电输入电压电流随时间变化的波形； 

图3为可控硅调光器的输出波形； 

图4为IGBT调光器的输出波形； 

图5为本实用新型一种嵌入式系统控制的正弦波调光器的方框原理图； 

图6为本实用新型一种嵌入式系统控制的正弦波调光器实施例1中接线端子的端子电路图； 

图7为本实用新型一种嵌入式系统控制的正弦波调光器实施例1中IGBT门电路的电路图； 

图8为本实用新型一种嵌入式系统控制的正弦波调光器实施例1中IGBT驱动电路的电路图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明： 

实施例一： 

如图1所示， 

1)IGBT管型号选用G60N100中功率； 

2)嵌入式系统CPU选用ARM9(S3C2440)；IGBT管的散热面与铝合金机壳紧贴，将工作温度通过机壳表面向环境大气散发； 

3)IGBT管的G-E两端电压控制IGBT管的导通与截止，+15V导通，-15V截止；如图6-图8所示， 

1)IGBT功率输出部分原理为：用一个G40N60IGBT管配上4个BYD1200(大电流二极管)组成功率电路，这样用1个IGBT管即可解决交流电双向导通，节约1个IGBT管，且运行可靠性增加； 

2)由控制系统产生的PWM信号经光电耦合器(PS9701)耦合给驱动电路,R01为限流电阻； 

3)采用Q200场效应管IRF530作前级放大，C201滤波电容，电阻R203为IRF530的G极限流电阻，R204为IRF530的C极限流电阻，也同时保证了Q201的CG间电压差，使推挽放大的场效应管Q201与场效应管Q202工作条件满足； 

4)C202、C203、C204、C205、C206、C207为蓄能电容，以保证IGBT管高速开关时GE电场间所需的驱动电流； 

5)D1、D2为稳压二极管，以保证IGBT管G极门电压，使IGBT管能可靠地导通和截止； 

6)Rge为IGBT管GE极间保护电阻，在短路或有大的逆向电流时保护IGBT管； 

7)Rg电阻与IGBT管的GE极间电容组成阻容震荡电路，其频率很关键，直接影响驱动电路工作的安全和稳定，实际制作时需经过若干次实验和计算。 

此外，本实用新型要求输出电路的宽度(PCB线路)应保证在5mm以上，这样才有实用价值，因为一台调光器要驱动数千瓦的功率。 

IGBT管应位于调光器一侧的壁板(机箱壁板)或机箱底板，这样可直接与调光器机箱(机壳)壁接触与固定，保证散热效果。 

在本实用新型嵌入式系统的程序中： 

1)在主程序的循环中要做的工作主要是刷新液晶屏显示界面的内容，如时钟、设置内容、实时调光率等； 

2)每当点击触摸屏进行设置时，系统以AD值判断点击位置，实现使用者的设置 意图。 

3)在时间中断系统中会查询： 

(1)启动时刻是否到了； 

(2)停止时刻是否到了； 

(3)软启或软停的时长； 

(4)是手动还是自动状态； 

(5)控制调光率的实现。 

Claims (7)

1.一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，其特征在于：包括人机对话界面、嵌入式系统、IGBT驱动电路以及IGBT门电路，所述的嵌入式系统向IGBT驱动电路输入PWM信号，通过IGBT驱动电路控制IGBT门电路的导通与截止，所述的人机对话界面用于设置并显示调光器的运行参数，所述的嵌入式系统还用于根据人机对话界面所设置的调光器的运行参数向IGBT驱动电路输入相应的PWM信号同时控制人机对话界面显示调光器的运行参数，所述的IGBT驱动电路将接收到的PWM信号通过两级放大后输出给IGBT门电路并控制其开启与关闭，所述的IGBT门电路用于将220V的正弦波交流电与IGBT驱动电路输出的载波叠加后输出给负载电路，所述的调光器的运行参数包括调光率、定时开启或关闭，还包括日期与时钟设置。 

2.根据权利要求1所述的一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，其特征在于：所述的IGBT门电路由一个IGBT管连接四个二极管组成，所述的IGBT驱动电路由光电耦合电路依次连接放大电路、稳压电路和保护电路构成。 

3.根据权利要求2所述的一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，其特征在于：所述的光电耦合电路由限流电阻R01与光电耦合器U20连接组成，所述的放大电路包括前级放大电路和后级放大电路，所述的前级放大电路采用限流电阻R202连接场效应管Q200，滤波电容C201、电阻R203作为场效应管Q200的G极限流电阻，电阻R204为场效应管Q200的C极限流电阻，所述的后级放大电路包括场效应管Q201和场效应管Q202，电阻R205作为C极限流电阻与场效应管Q201C极连接，所述的后级放大电路还包括与场效应管Q201、场效应管Q202及电阻R205连接的蓄能电容C202、C203、C204、C205、C206、C207，所述的稳压电路由稳压二极管D1与稳压二极管D2以正对正的方式连接组成，电阻Rge为IGBT管GE极间保护电阻，电阻Rg与IGBT管的GE极间电容组成阻容震荡电路。 

4.根据权利要求1-3之一所述的一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，其特征在于：所述的嵌入式系统由ARM7或ARM9芯片构成。 

5.根据权利要求3所述的一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，其特征在于：所述的限流电阻R01的阻值为200Ω，限流电阻R202阻值为350Ω，电阻R203阻值为30Ω，电阻R204阻值为200Ω，电阻R205阻值为20Ω，电阻Rg阻值为20Ω，电阻Rge阻值为10kΩ，光电耦合器U20为PS9701，场效应管Q200为IRP530， 场效应管Q201为IRF530，场效应管Q202为IRP9530，所述的稳压二极管D1的击穿电压为9.1V，稳压二极管D2的击穿电压为15V。 

6.根据权利要求1-3之一所述的一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，其特征在于：所述的嵌入式系统由5V的第一开关电源(Ⅰ)供给5V的电压，所述的IGBT驱动电路由第二开关电源(Ⅱ)给前级放大电路供电5V，并给后级放大电路供给±12V的电压。 

7.根据权利要求1-3之一所述的一种嵌入式系统控制的正弦波调光器，其特征在于：所述的嵌入式系统由5V的第一开关电源(Ⅰ)供给5V的电压，所述的IGBT驱动电路由第二开关电源(Ⅱ)给前级放大电路供电5V，并给后级放大电路供给±15V的电压。