基于交流调压的灯光控制电路设计与仿真

张星 冶艳艳

摘  要：根据灯光控制需要，设计了基于交流调压电路的灯光控制电路，介绍了控制电路的工作原理。利用Multisim软件对不同情况下的阻抗角和控制角关系进行了仿真，并对仿真结果进行了分析、对比和计算，结果证明，基本参数一定的情况下通过调节晶闸管的相位角，可得到可调的0-220V交流输出电压，满足灯光控制需要。

关键词：灯光控制;Multisim;晶闸管

中图分类号：TP273        文獻标志码：A       文章编号：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

随着我国经济发展，不管是道路照明还是室内舞台灯光都应用越来越广泛，技术要求也越来越高，随之带来的是电力资源的消耗也越来越大，设计一个合理的灯光控制电路是十分必要的事情，灯光控制电路的设计主要采用电力电子技术中的交流调压电路。此电路在我们日常生活中，如剧院舞台的调光、城市街道的照明等，同时在异步电机的软启动和调速方面也有很重要的应用[3]。在一些电流比较小电压比较高的直流电源中[1-2]，如果采用传统的单相或三相整流电路，则晶闸管的数量需要很多，同时需要将这些晶闸管串联或者并联，随之带来的缺陷一是需要多个驱动电路，二是会增加很多损耗，三是会增加成本，因此也大多也采用交流调压电路来弥补这个缺失[4]。

1 电路设计

1.1 控制电路设计

灯光控制的核心在于对电压的控制。交流调压电路是采用相位控制方式交流电力控制电路，通常是将两个晶闸管（SCR）反向并联，使之交替导通。交流输出电压是在基本参数一定的情况下，在不同时刻使晶闸管导通，即控制晶闸管不同的相位得到的，通过相位调节可以得到不同的电压，从而可调节不同的灯光效果，具有较快的响应速度[6]，基于交流调压的灯光控制电路如图1所示。

对于纯电阻负载，稳定情况下，分别对正负半周的晶闸管的触发角进行控制，便可调节输出电压的大小。某时刻使晶闸管导通即可得到与输入电压一致的波形。纯电阻负载下，晶闸管控制角的移相范围为0°到180°，控制角最小为0°的时候，晶闸管处于一直导通状态，此时负载上的输出电压达到最大值，即为输入电压，当控制角慢慢增大，负载上的输出电压逐渐减小，直到控制角达到最大的移相范围180°时，负载上的输出电压达到最小值0。

（1）？琢<？渍时，？渍的值在电路中较大，则输出电流过零的时刻远远滞后于输出电压，SCR处于长时间导通的状态，若SCR的触发方式为在wt=？琢时刻导通的窄脉冲，由于脉冲宽度不够，此时会出现VT1导通时间大于半个周期，即在一个周期内VT2触发脉冲到来但是并不能使之导通，直到VT1通过的电流过0，但此时VT2已失去脉冲，最终导致电路一直只有一个SCR导通，输出电流会出现只有正或者只有负的情况，这种电路的工作情况是不正常的。因此，此种情况下的电路中，对于SCR的触发方式应选用脉冲列或宽脉冲，才能保证每个晶闸管都能可靠、稳定的工作，并保证有可调的输出电压。（2）？琢=？渍时，负载电流io的波形为滞后电源电压？渍角的纯正弦函数的波形，此种情况下在整个周期内VT1和VT2交替导通，即每个SCR导通半个周期，负载的电压和电流不会出现断续的情况，VT1和VT2相当于两个不可控元件二极管，即相当于一个不可控电路，所以此种情况无法进行调压。（3）？琢>？渍时，在ui的正半周某时刻，给VT1一个导通的触发脉冲，SCR导通后负载的输出电压uo即刻等于电源的输入电压，负载的输出电流大小从0开始慢慢升高，但是由于负载阻抗角的存在，当负载的输出电压过0时候负载的输出电流仍然为一个正值，之后开始减小，直到降为0时VT1才被关断。

1.2 触发电路设计

触发电路要保证SCR可靠的导通，所以要满足足够宽的脉冲宽度、足够大的脉冲幅度和不超过SCR门极的额定值的脉冲电压、电流，同时要保证安全的电气隔离和一定的抗干扰性和稳定性。为满足此要求可以用KJ004芯片构成触发电路，此触发电路不仅可以调压也可实现调功功能[5]，电路如图2所示。调节12脚相连接的电阻R2的阻值和电容C1的容值，就可以实现调功;调节滑动变阻器R11则可以实现调压。

2 仿真分析

2.1 仿真软件简介

Multisim是一款非常成熟且功能性非常全的电路设计和仿真软件，由美国国家仪器（NI公司）研发。可方便的用于用户对电路的设计以及PCB板制作等，使用简便易懂，分析能力较为丰富。特别适合于电力电子电路和模拟、数字电路的搭建、测试和仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电力电子教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电力电子教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

2.2 仿真分析

本设计参数选择电源工频为380/220V，阻性负载R=4Ω，晶闸管触发电路中触发脉冲的频率选择与电源频率相等，参数设置为50Hz，由周期和频率的关系可设置触发脉冲的周期参数为0.02s。为使晶闸管可靠导通设置足够的脉冲幅值和脉冲宽度，参数分别设为12和0.05，触发时间分别为0.005s和0.015s，即触发角α为90°。

在波形图上从上到下的参数分别为：输入电压、输出电压、输出电流、正相触发脉冲、负相触发脉冲。由已知参数计算可得输出电压的有效值U0、晶闸管电流有效值为IVT和电路功率因数为？姿分别为：

由以上分析可得，通过调节晶闸管的相位角，可得到可调的0-220V交流输出电压，满足灯光控制需要。

3 结论

本文采用晶闸管为核心控制器件设计了灯光控制电路和晶闸管触发电路，并利用Multisim软件分别对？琢<？渍、？琢=？渍、？琢>？渍三种情况进行了仿真，对仿真结果进行了分析、对比和参数计算。通过分析，该电路可针对电阻性负载、阻感负载和容性负载进行稳定运行，可得到可调的0-220V交流输出电压，满足灯光控制需要。灯光控制电路可广泛应用于日常生活如智能家居、舞台效果、街道照明等，并可有效的节省资源。

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]吴晓燕，张双选.MATLAB在自动控制中的应用[M]西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[3]胡中华，许昕.无人飞行器用交流发电机调压器原理研究[J].自动化与仪表，2018，33（11）：100-103+108.

[4]邓妍.认识智能家居系统中关键环节浅谈智能照明系统[J].家庭影院技术，2019（06）：96-97.

[5]王嘉仪，胡凡，赵永安，等.教室灯光自動控制系统设计[J].电子测试，2019（12）：25-26.

[6]向羽曦，曹梦凡，赵许钢，等.业余场馆灯光控制平台系统研究[J].自动化应用，2019（05）：17-19.