交流调压器

课程设计说明书

题目UC3842斩控式单相交流调压电路

（院）系

专业班级学号

学生姓名

指导教师姓名

完成日期

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称：电力电子技术

题目：UC3842斩控式单相交流调压电路

专业班级：

学生姓名：学号：

指导教师：

审批：

任务书下达日期2020年06月13日

设计完成日期2020年06月24日

设计内容与设计要求

一．设计内容：

1．电路功能：

1）用斩控方式实现交流调压，功率因数高，谐波小，输出波形好。

2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：主电力电子开

关与续流管。控制电路主要环节：脉宽调制PWM电路、电压电流

检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。

3）主电路电力电子开关器件采用GTR、IGBT或MOSFET。

4）系统具有完善的保护

2.系统总体方案确定

3.主电路设计与分析

1）确定主电路方案

2）主电路元器件的计算及选型

3）主电路保护环节设计

4.控制电路设计与分析

1）检测电路设计

2）功能单元电路设计

3）触发电路设计

4）控制电路参数确定

二．设计要求：

1．用UC3842产生脉冲。

2．设计思路清晰，给出整体设计框图；

3．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；

4．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分

析。

5．绘制总电路图

6．写出设计报告；

主要设计条件

进度安排

1．设计依据主要参数

1）输入输出电压：单相（AC）220（1+15%）、0~160V（AC）

2）最大输出电流：200A

3）功率因数：≥

2.可提供实验与仿真条件

说明书格式

1．课程设计封面；

2．任务书；

3．说明书目录；

4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；

5．单元电路设计（各单元电路图）；

6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。

7．总结与体会；

8．附录（完整的总电路图）；

9．参考文献；

11、课程设计成绩评分表

第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；

星期二:总体电路方案确定

星期三:主电路设计

星期四:控制电路设计

星期五:控制电路设计；

第二周星期一:控制电路设计

星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等

星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；

星期五下午:答辩及资料整理

目录

第一章设计整体思路

1.1交流斩波调压的大体原理

1.2交流斩波调压的框图

第二章单元电路设计

2.1主电路

2.2反馈电路

2.2.1封装

要紧参数

2.2.3光耦采纳PC817

2.3过零检测电路

2.4操纵电路

第三章故障分析与电路改良、实验及仿真

第四章总结与体会

附录完整的原理图

参考文献

第一章设计整体思路

交流调压的操纵方式有三种：

①整周波通断操纵整周波操纵调压——适用于负载热时刻常数较大的电

热操纵系统。晶闸管导通时刻与关断时刻之比，使交流开关在某几个周波持续导

通，某几个周波持续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图所示。

改变导通的周波数和操纵周期的周波数之比即可改变输出电压。为了提高输出电

压的分辨率，必需增加操纵周期的周波数。为了减少对周围通信设备的干扰，晶

闸管在电源电压过零时开始导通。但它也存在一些缺点那确实是：在负载容量专

门大时，开关的通断将引发对电网的冲击，产生由操纵周期决定的奇数次谐波，

这些谐波引发电网电压转变，造成对电网的污染。

图整周波操纵的电压波形

②相位操纵。相位操纵调压——利用操纵触发滞后角α的方式,操纵输出电

压。晶闸管经受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角α。在有效

移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数

不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。图是阻性负载时相控方式的交

流调压电路的输出电压波形。相控交流调压电路输出电压包括较多的谐波分量，

当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还会引发

电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波阻碍，可在电源侧和负载侧别离加滤

波网络。

图相位操纵的电压波形

③斩波操纵。斩波操纵调压——使开关在一个电源周期中多次通断，将输入

电压切成几个小段，用改变段的宽度或开关通断的周期来调剂输出电压。斩控调

压电路输出电压的质量较高,对电源的阻碍也较小。图为斩波操纵的交流调压电

路的输出电压波形。在斩波操纵的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续

流通路，除串联的双向开关S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。当开关S1

导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时,输出电压

为零。操纵开关导通时刻与关断时刻之比即能操纵交流调压器的输出电压。开关

S1、S2动作的频率称斩波频率。斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,

滤波较容易。当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生谐波。

当斩波频率较低时，谐波含量较多，对负载产生不良的阻碍。将斩波信号与电源

电压锁相，可排除谐波。斩波操纵的交流调压电路的功率开关元件必需采纳功率

晶体管或其他自关断元件，因此本钱较高。

图1.3斩波操纵交流调压电路的输出波形

斩波操纵方式时，晶闸管要带有强迫关断电路或采纳IGBT、MOSFET等可自

关断器件，在每一个电压周波中，开关元件多次通断，使电压斩波成多个脉冲，

改变导通比即可实现调压。本课程设计采纳斩控式单相交流调压方案。

图1.4斩控式交流调压电路原理图

斩控式交流调压电路的原理图如图所示，一样采纳全控型器件作为开关器

件。其大体原理和直流斩波电路有类似的地方，只是直流斩波电路的输入是直

流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在图斩控式交流调压

电路流电源u1的正半周，用V1进行斩波操纵，用V3给负载电流提供续流通道；

在u1的负半周，用V2进行斩波操纵，用V4给负载电流提供续流通道。设载

波器件（V1或V2）导通时刻为ton，开关周期为T，那么导通比a=ton/T。和

直流斩波电路一样，也能够通过改变a来调剂输出电压。图给出了电阻性负载

时负载电压u0和电源电流i1(也确实是负载电流)的波形。能够看出，电源电

流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。另外，通过傅里叶级

数分析可知，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波。

这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这时电路的功率因数接近1。

交流通过滤波后电流通过主电路由Q1、Q2、Q3组成。D1和Q2和Q1和D2

是用来实现电流续流的。当在电流的正半周的时候Q2导通，然后通过D1续流。

当在负半周的时候就能够够实现续流功能。Q3是用于调剂电流的开通和断开的

也确实是UC3842所产生的PWM波形是在Q3上表现出来的。通过调剂占空比使输

出电压降低，以实现调压的目的。可是为了实现实时的操纵电压的输出故采纳闭

环操纵，在输出端接有变压器和整流电路，再通过电阻的分压给TL431提供一个

电压，然后和内部的参考电压进行比较，以操纵光偶的发光二极管的发光，光耦

是实现电路的隔离。UC3842的2脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大

器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而操纵脉冲宽度。

1.1交流斩波调压的大体原理

交流斩波调压的原理波形如图所示。由图可知，它是用一组频率恒定、占空

比可调的脉冲，对正弦波电压进行调制后，取得边缘为正弦波、占空比可调的电

压波形。该电压的调制频率f0，其大体谐波频率为土50Hz。改变占空比，即可

改变输出电压。利用具有自关断能力的电力半导体器件就可方便地组成交流斩

波调压电路。

图1.5交流斩控调压的原理波形图

1.2交流斩波调压的框图

滤波

UC3842控制

电路

主电路

反馈电路

滤波

反馈

控

制

220VAC

降压交流

输出

图1.6总框图

第二章单元电路设计

2.1主电路

220V的交流通过插座J1、J2输入电路。为了是电路在平安值之内工作故第

一电流通过一个保险丝。然后通过C1和L1和L2共模扼流线圈进行滤波以排除

电网带来的阻碍。交流通过滤波后电流通过主电路由Q1、Q2、Q3组成。D1和Q2

和Q1和D2是用来实现电流续流的。当在电流的正半周的时候Q2导通，然后通

过D1续流。当在负半周的时候就能够够实现续流功能。R1、C2、D3、D4、C4、

R7是用爱惜MOSFET的，作为吸收电路。当Q3出于关断的时候将Q1、Q2依照是

在交流的的正半周仍是负半周将Q2或Q1导通。

图2.1主电路

2.2反馈电路

TL431是一个有良好的热稳固性能的三端可调分流基准源。他的输出电

压用两个电阻就能够够任意的设置到从Verf（2.5V）到36V范围内的任何

值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用顶用它代替齐纳二极管，

例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。

2.2.1封装

TL431的封装和引脚散布

TL431是一种并联稳压集成电路。因其性能好、价钱低，因此普遍应用

在各类电源电路中。其封装形式与塑封三极管9013等相同，如图2.2（a）

所示。同类产品还有图2.2（b）所示的双直插外形的。

2.2.2要紧参数

三端可调分流基准源

可编程输出电压:2.5V~36V

电压参考误差：±0.4％，典型值@25℃（TL431B）

低动态输出阻抗:0.22Ω(典型值)

等效全范围温度系数：50ppm/℃（典型值）

温度补偿操作全额定工作温度范围

稳压值送从2.5--36V持续可调，

参考电压原误差+-1.0%，

低动态输出电阻，

欧姆，

输出电流1.0--100毫安。

全温度范围内温度特性平坦，

典型值为50ppm，

低输出电压噪声。

封装：TO-92,PDIP-8,Micro-8，SOIC-8,SOT-23

最大输入电压为37V

最大工作电流150mA

内基准电压为2.5V

输出电压范围为2.5~36V

应用领域:电源

内部结构

TL431的内部结构

TL431的具体功能能够用图的功能模块示意。由图能够看到，VI是一

个内部的2.5V的基准源，接在运放的反向输入端。由运放的特性可知，只

有当REF端（同向端）的电压超级接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一

个稳固的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小转变，通过三极管

图1的电流将从1到100mA转变。固然，该图绝不是TL431的实际内部结

构，但可用于分析明白得电路。

2.2.3光耦采纳PC817

PC817的结构图

一、大体信息

品处置信号：数字信号制作工艺：半导体集成导电类型：双极型集

成程度：小规模规格尺寸：231（mm）工作温度：-40~85（℃）静态功

耗：3（ｍＷ）

二、要紧特点

PC817光电耦合器普遍用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，

影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，

使之前端与负载完全隔离，目的在于增加平安性，减小电路干扰，简化电

路设计。

1.电流传输比(CTR:MIN.50%atIF=5mA,VCE=5V)

2.高隔离电压:5000V有效值

3.紧凑型双列直插封装,PC817为单通道光耦,PC827为双通光光

耦,PC837为三通道,PC847为四通道光耦.

3、要紧参数

光电耦合器

电流传输比：50%（最小值）

高隔离电压：5000V（有效值）

符合UL标准

极限参数

正向电流：50mA

峰值正向电流：1A

反向电压：6V

功耗：70mW

集电极发射极电压：35V

发射极集电极电压：6V

集电极电流：50mA

集电极功耗：150mW

总功耗：200mW

工作温度：－30℃～+100℃

集电极发射极饱和电压：0.1V（典型值）

截止频率：80kHz

电流传输比：50%～600%

封装：DIP-4

输出电压通过变压器T2转换成20V的交流然后通过整流桥编程直流。L4和

C5和C6滤波以后给光耦提供电压，同时通过R8和R20分压为TL431提供电压，

该电压与TL431内部的电压比较然后操纵光耦的导通和导通程度。R9是光耦

PC817的限流电阻。R22和C14是TL431的补偿电路。光耦PC817依照电流的大

小使三极管导通的程度不一样，如此来反馈输出电压的大小。

图反馈电路

2.3过零检测电路

为了是此刻Ｑ３关断的时候，Ｑ１、Ｑ２依照电流所处的正负半周交替导通

就需要一个过零检测电路以实现对Ｑ１和Ｑ２的正确触发。通过变压器Ｔ１进行

降压，假设果在电流的正半周，Ｕ１工作，通过Ｒ２和Ｒ４限流使光耦工作。光

耦的三极管工作。因为在三级管的集电极有上啦电阻因此Ｕ８的一个引脚是低电

平，因为要在Ｑ３关断的时候开通Ｑ２因此与Ｑ３相或，输出为低电平，再取反。

输出高电平用来驱动Ｑ２；假设果在电流的负半周，Ｕ４工作，通过Ｒ３和Ｒ１

０限流使光耦工作。光耦的三极管工作。因为在三级管的集电极有上拉电阻因此

Ｕ７的一个引脚是低电平，因为要在Ｑ３关断的时候开通Ｑ１因此与Ｑ３相或，

输出为低电平，再取反。输出高电平用来驱动Ｑ１

图过零检测电路

2.4操纵电路

UC3842大多采纳DIP-8封装以下图为UC3842内部框图和引脚图，UC3842采

纳固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，共有8个引脚，各脚功能如下：①脚

是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；

②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比

较，产生误差电压，从而操纵脉冲宽度；③脚为电流检测输入端，当检测电压

超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；④脚为按时端，内部振荡器

的工作频率由外接的阻容时刻常数决定，f=1.8/(RT×CT)；⑤脚为公共地端；⑥

脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时刻仅为50ns驱动能力为±1A；

⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；⑧脚为5V基

准电压输出端，有50mA的负载能力。

图2.7引脚功能图

图2.8UC3842内部原理框图

UC3842是一种性能优良、应用普遍、结构较简单的PWM开关电源集成操纵

器，由于它只有一个输出端，因此要紧用于音端操纵的开关电源。

UC38427脚为电压输入端，其启动电压范围为16-34V。在电源启动时，VCC

＜16V，输入电压施密物比较器输出为0，现在无基准电压产生，电路不工作；

当Vcc＞16V时输入电压施密特比较器送出高电平到5V蕨稳压器，产生5V基准

电压，此电压一方面供销内部电路工作，另一方面通过⑧脚向外部提供参考电压。

一旦施密特比较器翻转为高电平（芯片开始工作以后），Vcc能够在10V-34V范

围内转变而不阻碍电路的工作状态。当Vcc低于10V时，施密特比较器又翻转为

低电平，电路停止工作。

当基准稳压源有5V基准电压输出时，基准电压检测逻辑比较器即达出高电

平信号到输出电路。同时，振荡器将依照④脚外接Rt、Ct参数产生f=/的振荡

信号，此信号一路直接加到图腾柱电路的输入端，另一路加到PWM脉宽市制RS

触发器的置位端，RS型PWN脉宽调制器的R端接电流检测比较器输出端。R端为

占空调节操纵端，当R电压上升时，Q端脉冲加宽，同时⑥脚送出脉宽也加宽（占

空比增多）；当R端电压下降时，Q端脉冲变窄，同时⑥脚送出脉宽也变变窄（占

空比减小）。UC3842各点时序如下图，只有当E点为高电平常才有信号输出，

而且a、b点全为高电平常，d点才送出高电平，c点送出低电平，不然d点送出

低电平，c点送出高电平。②脚一样接输出电压取样信号，也称反馈信号。当②

脚电压上升时，①脚电压将下降，R端电压亦随之下降，于是⑥脚脉冲变窄；反

之，⑥脚脉冲变宽。③脚为电流传感端，通常在功率管的源极或发射极串入一小

阻值取样电阻，将流过开关管的电流转为电压，并将此电压引入境脚。当负载短

路或其它缘故引发功率管电流增加，并使取样电阻上的电压超过1V时，⑥脚就

停止脉冲输出，如此就能够够有效的爱惜功率管不受损坏。概述与特点

UC3842是开关电源用电流操纵方式的脉宽调制集成电路。与电压操纵

方式相较在负载响应和线性调

整度等方面有很多优越的地方。

该电路要紧特点有：

内含欠电压锁定电路

低起动电流（典型值为0.12mA）

稳固的内部基准电压源

大电流推挽输出（驱动电流达1A）

工作频率可到500kHz

自动负反馈补偿电路

双脉冲抑制

较强的负载响应特性

图2.9操纵电路

第三章故障分析与电路改良、实验及仿真

设计中的注意事项：

1、起动电路的设计

电路中电容C12贮存的能量要能知足电源开始正常工作的需要，使得

UC3842第7脚有稳固、充沛的输入供给。即电容C12的放电时刻要大于UC3842

输出脉冲的高电平持续时刻。不然，电源将显现打嗝现象。因此，电容C2的容

量和质量的选取超级重要。笔者在实际设计进程中，C12曾用100μF铝电解电

容，常常发觉电源打嗝；测量反馈端电压，老是太低，以至于反馈端的整流二

极管都没有工作，说明反馈端电压幅度不够。缘故在于C12容量不够，不能提

供足够的能量来使UC3842充分工作，因此，容量最好在100μF以上。

2、反馈绕组的设计

当UC3842启动后，假设反馈绕组不能提供足够的UF，电路就会不断地起动，

显现打嗝现象。另外，依照笔者的体会，假设UF大于时，也会引发UC3842工

作异样，致使输出脉冲占空比变小，输出电压变低。故而反馈绕组匝数的选取

及其缠绕是超级重要的，一样可按13～15V设计，使UC3842正常工作时，7脚

的电压维持在13V左右。

UC3842为固定工作频率脉宽调制方式，输出电压或负载转变时仅调整占空

比，操纵场效应管的导通时刻。反馈电压输入2脚，此脚电压与内部基准进行比

较，产生操纵电压，从而操纵脉冲宽度；输出脉冲的频率由4脚外接按时电阻

Rt及按时电容Ct决定，f的单位取kΩ，Ct取μF。3脚为电感

电流传感器端，当取样超过1V时，缩小导通脉宽，使电源处于间隙工作状态；6

脚，输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时刻仅50ns，驱动能力为±1A；7

脚，供电输入，起振后工作电压为10～13V，低于10V停止工作，功耗为15mW；

8脚，内部基准5V(50mA)。

3、过流爱惜原理

当负载电流超过额定值或短路时，场效应管电流增加，R16上的电压反馈至

3脚(电压大于1V)，通过内部电流放大器使导通宽度变窄，输出电压下降，直至

使UC3842停止工作，没有触发脉冲输出，使场效应管截止，达到爱惜功率管的

目的。短路现象消失后，电源自动恢复正常工作。

4、过压爱惜原理

当因某种缘故使输出电压太高时，由反馈绕组形成的电压也高，从而使2

脚的电压太高，内部爱惜电路起动，使6脚输出脉冲高电平常刻变短，或不输出

高电平使开关管截止。

开关管爱惜电路

第四章总结与体会

这次课程设计有两周的时刻，在第一周，咱们要紧进行相关课题资料的搜

集，确信设计方案。斩波那个课题说简单不简单说难也不难，由于有事请假因

此第一周的工作就勉勉强强完成了，接下来第二周的任务比较艰巨，要紧有主

电路的设计和操纵电路设计和波形分析、调试仿真等。

本以为情形会顺利进行，但后来才发觉，确实不简单，遇上了很多麻烦。

老是显现大大小小的错误，更正这一个下一个又有问题，弄的头都大了。只是

仍是黄天不负有心人，最后总算是完成了。

通过本次课程设计，对斩波有更深切的了解，感觉以后仍是要增强动手

实践的练习。俗语说：“熟能生巧”。同时还我意识到要学好咱们专业课的重要

性，不但要上课认真听讲，把握讲义知识，而且咱们还需要常常勤与动手，勤

于做实验，把理论知识和实践技术充分的合理的结合起来。只有理论和实践相

结合才能更深切的了解讲义知识，才能更深刻的了解专业知识的内涵和外延。

也只有如此，知识才能在理论和实践中贯通。

附录完整的原理图

参考文献

1

J2

1

J1

F120A

C1

L1INDUCTORL2INDUCTOR

T2TRANS3

Q12SK15

59

Q2

2SK15

59

D1DIODE

D3DIODE

D2DIODE

D4DIODE

C2

222

R1100

k

L3INDUCTOR

C3

0.1uF/100V

C4222

R7100

K

OUT1

OUT2

Q1Q2

1

2

3

4

D5

IN4

007X4

A1A2

1

2

3

4

D6

IN4

007x

4

L4INDUCTOR

+

C5

C60.01uF

T1TRANS3

R247KΩ

R4330

Ω

R347kR10330

R1110k

R510k

12

43

U1Q817

12

43

U4Q817

VCC

VCC

U2

NOT

Q1

Q2

A1A2

R810k

R94.7K

R2247K

R2110K

R201K

C14100

nF

23

1

U6TL43

1

12

43

U3Q817

A3A4

C80.1uF

C120.01uF

C13222

R1522

R161K

R1710K

R180.33

R19100

K/1W

Vi

7

VFR

2

Vco

m

p

1

Vref

8

Rt/Ct

4

Vo

6

Ics

3

GND

7UC3842

Q4

2SK15

59

D7DIODE

U5NOT

OUT1

OUT2

+15

C110.1uF

R14608

C1022n

F

R1310K

R124.7K

C7104

Q3C181

5

R61K

+

C947u

F/16

V

A3A4

9:5

1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，1998

2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000

3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000

4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000

5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996

6．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996

7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995

8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999

电气信息学院课程设计评分表

项目

评价

优良中及格差

设计方案合理性与创造性（10%）

硬件设计及调试*情况（20%）

参数计算及设备选型情况*(10%)

设计说明书质量(20%)

答辩情况(10%)

完成任务情况(10%)

独立工作能力(10%)

出勤情况(10%)

综合评分

指导教师签名：________________

日期：________________

注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、

评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。