优化电路

优化电路（精选9篇）

优化电路 篇1

0 引言

对于最新的无隔离光伏发电并网逆变技术, 研究其逆变方式、并网算法等等, 都具有相当大的现实意义。本文主要研究了无隔离光伏发电并网逆变系统的逆变方式、并网算法。将多电平拓扑和新式的调制策略引入太阳能光伏发电领域, 结合单片机的优势, 实现了采用单片机加大功率半导体元件的结构进行逆变的技术方案。太阳能光伏发电并网逆变系统的硬件设计过程和电路功能的实现, 并给出了硬件的性能测试数据。进一步分析了二极管箝位型三电平变流器运行工况, 并建立了数学模型, 在此基础上, 根据控制自由度组合的思想对多电平变流器SPWM调制方法进行了分析。将多电平变流器开关频率优化及SPWM方法和载波交叠式SPWM方法相结合, 实现了开关频率优化-载波交叠SPWM方法。该方法同时具有开关频率优化和载波交叠SPWM方法的优点:在较低开关频率下具有良好的谐波特性, 并有效的提高了直流电压利用率。针对并网逆变原理及并网逆变器的特殊技术要求, 并重点分析了光伏并网发电中比较特殊的两个难点:最大功率点跟踪和孤岛效应的防止。

1 技术分析

1.1 控制系统中存在缺陷

目前, 市场上的逆变器模拟控制 (重复控制) , 虽然它可以保证输出波形, 但它却有一个致命的弱点。同时由于受电磁干扰及温漂效应, , 元器分布较多;当太阳幅照度大范围变化时则无法保证良好的控制性能等因素。重复控制得到的控制指令并不是立即输出给系统, 而是滞后一个参考周期后才输出。这样, 系统内部出现干扰, 消除干扰对输出的影响至少要一个参考周期。干扰出现后的一个参考周期内, 系统对干扰并不产生任何调节作用, 这一个周期系统近乎处于开环控制状态。重复控制得到的控制指令并不是立即输出给系统, 而是滞后一个参考周期后才输出。因此, 系统的动态响应速度是非常慢的。

1.2 控制方案的可行性分析

根据PWM控制的基本原理, 可以准确地计算出各个脉冲的宽度、间隔等, 但是计算十分繁琐, 难以实用。实用的是采用调制的方法, 即把希望得到的波形作为调制信号, 把接收调制的信号作为载波, 通过对载波载波的调制得到的PWM波。通常采用等腰三角形作为载波。图2-b所示为单极性调制方式, 即在调制信号ur的半周期内, 载波只在一个方向变化。所得到的PWM波也只在一个方向变化。在一个周期内, 逆变器输出的PWM波由±Ud和0三种电平组成。图2-c所示为双极性调制方式, 在调制信号ur的半周期内, 载波在正负两个方向变化, 所得到的PWM波也是在两个方向变化, 在一个周期内, 逆变器输出的PWM波由±Ud两种电平组成。两种调制方式均可用于单向桥式PWM逆变电路, 但对于常用的三相桥式PWM逆变电路, 因其中只能输出两种电平故只能采用双极性调制方式。在PWM逆变电路中, 载波频率fc和调制信号频率fr之比N=fc/fr成为载波比。通常采用分段同步的方式, 即根据输出频率的变化对载波比N进行切换, 输出频率降低时相应地增大载波比N。载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步调制, 一般在调制信号频率变化时, 保持载波频率不变, 这样载波比N是变化的。异步调制简单易实现, 但其输出波形对称性较差, 尤其在输出频率高时, 每周期输出脉冲数量少, 输出特性差。

SPWM逆变器模拟控制的特点, 采用了一种模拟控制方案, 利用极点配王的方法设计控制系统参数, 通过仿真分析了该控制方案的可行性, 最后给出了各种条件下的实验波形。结果表明该方案设计简单、实用, 能很好地达到逆变器输出的各项性能指标要求;在PWM的基础上改变了调制脉冲方式, 脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列, 这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出。

2光伏发电系统智能控制技术调研

2.1光伏逆变器的拓扑结构

光伏逆变器的拓扑结构, 如图1所示。

2.2逆变器的快速转换

拓扑都需要快速转换的功率开关。升压级和全桥变换级需要快速转换二极管。此外, 专门为低频 (100Hz) 转换而优化的开关对这些拓扑也很有用处。对于任何特定的硅技术, 针对快速转换优化的开关比针对低频转换应用优化的开关具有更高的导通损耗。

逆变器的首要功能是把输入的DC电压转换为一稳定的值。该功能通过升压转换器来实现, 并需要升压开关和升压二极管。升压级之后是一个隔离的全桥变换器。全桥变压器的作用是提供隔离。输出上的第二个全桥变换器是用来从第一级的全桥变换器的直流DC变换成交流 (AC) 电压。, 可高效地执行非常精确的算法, 这些算法是为系统电池充电并为电网提供无损耗电源所必需的。这称为在其最大功率点执行系统操作。

2.3 光伏逆变器的控制分析

2.3.1逆变器转换成交流电力。由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压;逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。逆变器主要由晶体管等开关元件构成, 通过有规则地让开关元件重复开-关 (ON-OFF) , 使直流输入变成交流输出。

2.3.2采用高频脉宽调制 (SPWM) , 使靠近正弦波两端的电压宽度变狭, 正弦波中央的电压宽度变宽, 并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作, 这样形成一个脉冲波列 (拟正弦波) 。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。

2.3.3多单元串联大功率逆变电源的控制原理, 提出了单个功率单元的二重化控制技术与水平移相式PWM技术相结合的控制方法, 同时, 对所研究的控制方法进行了仿真, 并通过硬件实验进一步验证了控制原理及仿真结果的正确性。

本文对光伏发电系统逆变器实施数字化, 并完成了15000W太阳能光伏发电逆变系统。通过理论分析和实验结果证明, 此系统所用的方案是光伏并网发电领域的一个较佳方案在采用高频脉宽调制SPWM, 使靠近正弦波两端的电压宽度变狭, 正弦波中央的电压宽度变宽, 并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作, 这样形成一个脉冲波列拟正弦波。然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。

参考文献

g.a.smith, p.a.o n i o n s, and d.g.infield, "predicting islanding operation of grid connected pv inverters, "proc.inst.elect.eng.-power applicat., vol.147, no.1, pp.1-6, jan.2000

优化电路 篇2

教育目标：

1、知道什么是串联电路和并联电路，会画简单的串、并联电路图，理解串、并联电路连接特点，学会连接简单的串联电路和并联电路。

2、尝试根据已有知识和经验，设计简单的串、并联电路，选择实验器材根据电路图连接好电路。

3、在解决问题的过程中，能与同学交流与合作，有克服困难的信心和决心，能体验战胜困难、解决物理问题的喜悦，体会科学知识在实际生活中的应用。

教学设想：

串联电路和并联电路是电学知识的重要基础，是进行各种实际电路设计和分析的起点。本节教材虽然内容不多，但知识零碎，不利于掌握和应用，按电路图连接实物图学生易出问题。我采取了合理分组优弱结合的办法，让学生合作探究来突出重点，突破难点。

自然引入课题，目标进行层层抛出，起到导向作用。采取复习前面的知识为本节内容的学习扫清障碍，联系实际提出问题，在实际电路中用电器往往不只一个，而是两个或更多，符合学生的心理，激起了学生的探究欲望。放手让学生进行两个用电器连接方式的探究。

注重教学情境的创设，很好地体现学生的主体地位，教师的作用体现在对学生的指导和促进、激励等方面，使学生的大脑及各种感官最大限度地处于激活状态。

本节课将目标教学，探究学习，合作学习有机地溶为一体，通过巧妙地创设实验、问题、图像、生活应用等教学情境充分激活了课堂教学。在引入课题时，复习与本节课内容有关内容的基础上，结合实际给学生提出二个用电器的连接问题，较好地创设了问题的情境，起到了启动学生思维的作用。在此展开教学，随着学生一步步探究的深入，问题层层深入，并通过学生合作讨论自己动手连接电路，联系实际识别分析电路，让学生在动手、观察、动脑、合作的过程中在教师的引导下总结出本节课的知识内容，这样使学生经历了知识的探究过程，发展了学生的思维，培养了学生的创造性，体验到了探索自然规律的艰辛与成功后的喜悦，体会到了科学知识在生活中的应用，使学生对学到的知识有更深刻的认识，进一步提高了对物理的学习兴趣。课时安排：

1课时

教材分析：

这节课教材主要分了两大部分，第一部分简介串并联电路及它们各自的特点，会画串并联电路的电路图。第二部分是连接简单的串并联电路，并探究串并联电路中开关的作用。本节课的重点是认识串并联电路，会画串并联电路图，会据电路图连接实物图。

串联电路和并联电路是电学知识的重要基础，是进行各种实际电路设计和分析的起点。本节教材虽然内容不多，但知识零碎，不利于掌握和应用，按电路图连接实物图学生易出问题。我采取了合理分组优弱结合的办法，让学生合作探究来突出重点，突破难点，使学生顺利达标，收到了良好的效果。

学情分析：

学生刚接触电学内容，对于电学实验的操作还很陌生，特别是这节课又是2~3个用电器，更增加了学生操作的难度，学生的电路图画的也不是很熟练，也进一步造成了学习的困难，所以我采用边学边实验的学习方法。

教学步骤：

一、导入新课：

师：同学们，前面我们学习了第二节让电灯发光，我们组装了一个只有一个灯泡的电路，也就是说电路中只有一个用电器，可是在实际电路中，用电器往往不只是一个。象我们的教室里就有六个灯泡，这些灯泡是怎样连接的？你家里也有好多的用电器，你知道它们是怎样连接的吗？还有过节的时候，我们看到在树上或在大门口上挂了一串串的小彩灯，你知道这每一串上的小彩灯是怎样连接的吗？

生：有的说不知道，有的摇头。

师：现在我们就以小组为单位，通过你们手头的实验器材来探究一下，使这些灯泡在电路中工作，共有哪些连接方式吧。先画出电路图再连接实物。线路板每组一块，板上有干电池及电池夹各一个，开关一个，小灯泡和它的灯座各两个，带插头的导线多根。同学们，想一想，在连接电路图的过程中，要注意什么问题？

生：开关应该是断开的，电路连成后要先检查电路是否有问题，然后再试触开关，不要造成短路。

生：四个同学合作，探究完成用电器有哪些基本连接方式。

师：来回巡视指导。

师：我看同学们操作的非常认真，合作的也很好。现在请哪个组的一位同学起来说一说他们小组的探究结果？也可以把你们设计出的电路图拿来投影一下。生纷纷举手，找几个组的同学拿来电路图放到实物投影仪下，并说明连接方法。

生：其他同学看大屏幕。生：要使两个灯泡发光，共有两种连接方法。一种是两只灯泡连成一串再接入电路中，再一种是两只灯泡两端分别连在一起，然后再接入电路中。

师（生）：这些同学说的很好，那么我们给我两种方法起个名字吧？两只灯泡连成一串连接起来接在电路中我们就叫串联，把两只灯泡两端分别连在一起，然后再接入电路中就叫并联。

师：串联和并联是电路连接的两种基本的方法，任何复杂的电路都是以串联和并联为基础的。这节课我们就来研究一下串联电路和并联电路。

二、新授：

[板书]

连接串联电路和并联电路

师：现在我们总结一下，什么样的电路是串联电路？

生：把灯泡连成一串后再接入电路，用这种连接方式连成的电路叫串联电路。

师：很好，我们再说的一般些就是，把用电器连成一串后再接入电路，用这种方式连成的电路叫做串联电路。

师：我们再总结一下什么是并联电路。

生：把用电器的两端分别连在一起，然后再接入电路，这种电路就叫并联电路。

[板书]串联电路

定义：把用电器连成一串接入电路，这种电路叫串联电路。

并联电路

定义：把用电器的两端分别连在一起，然后再接入电路中，这种电路叫并联电路。

师：前面我们总结出了什么是串联电路、什么是并联电路，大家再总结一下看看串联电路和并联电路的连接特点各是什么？小组的同学们可以交流一下。讨论好的举手。

生：交流讨论。后纷纷举手。

师：一生起来回答。

生：串联电路连接特点是用电器连成一串，并联电路连接特点是用电器两端分别连在一起。

师：说的很好，大家掌声鼓励。

生：鼓掌。

师：板书。

[板书]

连成一串

两端分别连在一起

师：下面我们再一起来探究一下串联电路和并联电路各有什么特点。大家先用手头的器材组装一个串联电路，研究一下串联电路的特点：

生：各组分别连好一个串联电路，教师巡回检查指导。

师：连好后，检查无误，闭合开关，看两灯的工作情况，断开开关看两灯的工作情况。

师：请同学们观察，开关闭合时，哪个灯亮？

生：两灯都亮。

师：哪个灯先亮？

生：同时亮。

师：（打开课件，在大屏幕上显示出串联电路的电路图，）请大家回忆，电路中的电流是怎样流的？

生：电流从电源正极出发经过用电器回到负极。

师：（指着大屏幕上的电路图）从电源正极出发，经过开关、通过第一个灯泡的同时，电流也全部通过第二个灯泡，回到负极，因此两灯同时亮。请大家思考，串联电路中，电流的路径有几条？

生：一条。

师：很好。当断开开关时，大家观察一下，有什么现象？

生：两灯同时熄灭。

师：同学们思考一下，在这个串联电路中，开关控制哪个灯？

生：两灯都控制。

师：换句话说，也就是……

生：在串联电路中开关控制全部用电器。

师：如果其中一只灯泡坏了或者是取下来，另一只灯泡还会亮吗？同学们做一下。

生：（操作，并回答，）另一只灯不亮了。

师：这说明，在串联电路中各用电器能不能独立工作？

生：不能。

师：将开关换一下位置，作用会改变吗？

生：不会。

师：同学们实验观察分析的很好。现在我们再一起把串联电路的特点总结一下：

[板书]

电流路径：只有一条

开关控制：全部电路，不受位置的影响

用电器工作情况：一个用电器开路，其它用电器不能工作

师：同学们你们能举出串联电路的例子吗？

生：节日小彩灯每一串上的小彩灯都是串联的。

师：你是怎样判断出来的？

生：它们是连成一串接入电路中的。

师：好，还有别的判断方法吗？

生：一只灯坏了，其他的灯也不亮了。

师；很好，这也就是依据了电流的路径只有一条。

师：现在我们来做几个小题，（由全体学生共同订正）。

生：口答。

[课堂训练题一]

1、电路有两种基本的连接方法，就是

串联 和 并联。把用电器连成一串_连接起来的电路叫串联电路, 把用电器

两端分别连在一起

连接起来的电路叫并联电路.2、从电流的走向来看，在串联电路中电流只有

一

条路。

3、在串联电路里,开关可以控制所有用电器,开关的位置改变了,它的控制作用

不变

.4、经常用来做装饰用的小彩灯是 串联的。

师：找学生口答。

生：其他学生来订正。

师：好，同学们掌握的不错。

L2

S1

S

L1

S2

师：现在我们再来探究一下并联电路的特点。（操作课件在大屏幕上打出并联电路的电路图，）同学们用手头的器材按如图所示的电路图组成一个并联电路，然后操作一下各个开关，观察一下灯泡的工作情况。

生：积极操作。

师：巡回指导。注意到同学们都做完了。

师：哪组找一个代表说一说他们小组观察到的现象？

生：若断开S1，上面的灯L1不亮，但是L2仍然亮，若是断开S2下面的灯L2不亮，但L1仍然亮；

师：还有吗？坐下考虑一下，哪个小组的同学起来补充一下？

生：若断开S，无论S1与S2是否闭合，L1和L2都不亮了。

师：回答的很好。根据前面我们的研究，同学们再思考一下，这个并联电路中有几条电流的路径？

生：两条。

师：很好。

师：哪两条？

生：一条是经过灯L1的，一条是经过灯L2的。

师：很好。电流分别通过的L1和L2这两条路，我们就叫它们支路也有多个支路的。同学们看这一部分电路从电源出发一直到分支点，它象一棵树的树干。

师：这一部分电路我们就叫它干路。也就是说并联电路的电流路径分干路和支路，干路只有一条，支路可能有多条。而串联电路呢，它只有一条电流的路径，不分干路和支路。

师：我们再看，干路上的开关控制哪个灯泡？

生：全部电路的灯泡。

师：很好，那么支路上的开关呢？

生：控制各个支路上的灯泡。

师：在串联电路中，开关的位置改变，控制作用不变。在并联电路中开关的位置不同，控制作用如何？

生：不同。

师：并联电路的各个灯泡的工作相互影响吗？

生：不互相影响。

师：同学们总结一下，不管是在串联电路中还是在并联电路中各个开关与用电器是怎样连的？

生：串联的。

师：很好，现在我们总结一下并联电路的特点：

生：齐答。

[板书]

电流路径：多条，分干路和支路

开关控制：干路开关控制全部电路

支路开关控制所在的支路

用电器工作：互不影响

师：同学们想一下，刚上课时我们提出的问题，我们教室里的这六个灯泡是怎样连接的？说出理由。可以交流一下。

生：是并联的，因为如果我们关了前面的两个灯，后面的四个还照常亮，它们工作互不影响。

师：正确，谁还别的看法？

生：这六个灯是并联的，上一周的周二，有一个灯闪了不亮了，其他的灯还亮。

师：同学们回答的很好。

师：同学们再想一下，我们村里有哪么多路灯，它们是怎样连接的？

生：并联的。

师：完全正确，我们家里的各个用电器呢？

生：并联的。

师：对。若是它们是串联的，有一个用电器坏了，其它的全都不能工作了，我们家里出现过这种情况吗？ 生：没有。

师：我们来完成训练二。

生：（口答）

[课堂训练题二]

1、每当夜晚, 用成千只灯泡装点起来, 能映出建筑物轮廓的灯泡是 并联 的, 家庭的用电器连接是

并联 , 夜晚的路灯,灯与灯之间是

并联的.2、从电流的走向来看，在串联电路中电流只有

一

条路，而在并联电路中电流有

多

条路可走，这若干条路叫做 支 路。

3、在并联电路里,干路的开关控制整个

电路 ,支路开关只控制支路的用电器

.4、教室里共有12盏电灯，其连接方法是：

(B)

(A)串联；(B)并联；

(C)可能是串联也可能是并联。（D）无法确定

5、马路上的路灯如果有一盏坏了(例如灯丝断了)，其它的灯还能照常亮。根据这个现象你能不能判出路灯是串联的还是并联的？为什么？

三、小结：

师：下面，我们回想一下，我节课我们学到了什么本领？

生：我们学到了什么是串联电路，什么是并联电路，知道了我们教室里的电路是并联电路。

师：哪位同学还有补充？

生：我学会了串联电路和并联电路的特点，会区分串联电路和并联电路。

师：很好，谁还有补充？

生：我会画串联电路和并联电路的电路图了，我会连接串联电路和并联电路了。

师：同学们说的很好。前面我们通过实验探究观察分析对比，概括总结出了串联电路和并联电路的特点，并初步进行了应用解决了一些实际问题，希望同学们在课后用我们学到的这些知识到解决更多的问题。

师：请同学们打开课本，对照目标看一看50至52页，将所学的知识巩固一下。（学生看书，复习消化所学知识。）

四、检测：（口答笔答结合）

师：（操作微机将检测题打在大屏幕上。）

生：看题口答。每题一个学生。全体学生共同评价，由学生共同订正。

1、一切能够随时把用电器与电源接通或切断的设备装置叫

开关

。在电路中它必须与用电器

串

联。

2、经常用来做装饰用的小彩灯是 串联的, 而每当夜晚, 用成千只灯泡装点起来, 能映出建筑物轮廓的灯泡是

并联的,家庭的用电器连接是

并联, 夜晚的路灯,灯与灯之间是

并联 的.3、电路有两种基本的连接方法，就是 串联 和 并联。把用电器 连成一串 连接起来的电路叫串联电路, 把用电器 两端分别连在一起 连接起来的电路叫并联电路.4、从电流的走向来看，在串联电路中电流只有 一 条路，而在并联电路中电流有 多 条路可走，这若干条路叫做 支

路。

5、在串联电路里,开关可以控制所有的 用电器 ,开关的位置改变了,它的控制作用 不变.6、在并联电路里,干路的开关控制整个 电路 ,支路开关只控制支路的用电器

.7、用一个电键同时控制电路中两个小灯泡的发光和熄灭，这两个灯泡：(CD)

(A)只能串联

(B)可采用并联

(C)只能并联(D)可采用串联

(E)无法判断

8、对于串联电路,下列说法正确的是(AC)

(A)电流无支路

(B)电流有支路

(C)电路中的用电器为灯泡时, 一盏电灯灭, 其他灯也不发光.(D)电路中的用电器为灯泡时, 一灯灭, 其他灯照常发光.9、如下图属于并联电路的有：(B C)

10、画出如图所示电路的电路图。（画在练习本上）画好后，拿几个同学的进行实物投影。

五、回扣目标进行知识小结：

师：好，同学们对这节课的内容掌握的不错，现在再让我们对照学习目标，来检查一下目标的完成情况。（投影学习目标）

师：本节课我们的学习重点是认识串并联电路，会画串并联电路图，会根据电路图连接实物图，下面我们回答一下串联电路的特点：

生：齐答串联电路的特点（教师引导掌握节奏）

电流路径：只有一条

开关控制：全部电路，不受位置的影响

用电器工作情况：一个用电器开路，其它用电器不能工作

师：很好！请同学们一起回答并联电路的特点。

生：齐答并联电路的特点（教师引导掌握节奏）

电流路径：多条，分干路和支路

开关控制：干路开关控制全部电路

支路开关控制所在的支路

用电器工作：互不影响

师：同学们回答的很熟练，下面这些目标你们完成了吗？

生：完成了。

附：教学目标：

知识与技能方面，知道什么是串联电路和并联电路，会画简单的串并联电路图，理解串并联电路的连接特点，会连接串并联 电路。

过程与方法方面，尝试根据已有的知识和经验，设计简单的串并联电路，选择实验器材根据电路图连接好电路。

情感态度与价值观方面，在解决问题的过程中，能与同学进行交流与合作，有克服困难的信心与决心，能体验战胜困难、解决物理问题的喜悦，体会科学知识在生活中的应用。

六、布置作业：

师：课本P52，对照1、2两小题的实物图画出电路图。

预习下节课的内容。

师：这节课就上到这里，下课。

生：老师再见！

师：同学们再见！

附：板书计划

第三节、连接串联电路和并联电路

串联电路

并联电路

定义

把用电器连成一串接入电路，这种电路叫串联电路。

把用电器的两端分别连在一起，然后再接入电路中，这种电路叫并联电路。

连接特点

连成一串

两端分别连在一起

电流的路径

只有一条

多条，分干路和支路

开关控制作用

全部电路，不受位置的影响

干路开关控制全部电路

支路开关控制所在的支路

用电器相互影响情况

一个用电器开路，其它用电器不能工作

互不影响

教学反思：

连接串联电路和并联电路教学反思

这节课是在新课程标准下的物理课堂教学尝试，新课程标准强调知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三位一体。要求教学过程中改变过去单一重视知识的状况，从培养学生学习兴趣和乐于探索自然界的奥秘着手，以物理知识和技能为载体，让学生经历物理概念、物理规律的形成过程，体验探索自然规律的艰辛与喜悦，感悟物理思想和物理学研究方法。

强调学生的感受和对过程的经历与体验，不是对过去课堂教学方式的否定，而是对传统教学方式的扬弃，是在继承的前提下改变过去的一些过分的行为。在这方面我对自己的教学过程各个方面进行了大胆的改革与继承。物理新课程标准还指出：教师要密切联系学生的生活环境，从学生的经验和已有的知识出发，创设生动的物理情境……既然物理来源于生活，那么我们的物理教学就应该将课堂与生活紧密联系起来，体现物理来源于生活，寓于生活，用于生活，引导学生把物理知识用到生活实际中去，使他们充分认识到物理来源于生活又是解决生活问题的基本工具。

在教学的过程中，我也注意到了教师角色的改变，由知识的传授者向文化的传播者转变；由学生的管理者向学生发展的指导者、促进者转变；由被动执行者向新课程的创造者转变；由简单的裁判者向激励者转变。

这节课教材主要分了两大部分，第一部分简介串并联电路及它们各自的特点，会画串并联电路的电路图。第二部分是连接简单的串并联电路，并探究串并联电路中开关的作用。本节课的重点是认识串并联电路，会画串并联电路图，会据电路图连接实物图。

串联电路和并联电路是电学知识的重要基础，是进行各种实际电路设计和分析的起点。本节教材虽然内容不多，但知识零碎，不利于掌握和应用，按电路图连接实物图学生易出问题。我采取了合理分组优弱结合的办法，让学生合作探究来突出重点，突破难点，使学生顺利达标，收到了良好的效果。

本节课的教学目标：知识与技能方面，知道什么是串联电路和并联电路，会画简单的串并联电路图，理解串并联电路的连接特点，会连接串并联电路。过程与方法方面，尝试根据已有的知识和经验，设计简单的串并联电路，选择实验器材根据电路图连接好电路。情感态度与价值观方面，在解决问题的过程中，能与同学进行交流与合作，有克服困难的信心与决心，能体验战胜困难、解决物理问题的喜悦，体会科学知识在生活中的应用。目标的制定详细，符合新课程标准的要求，又适合学生实际，三维目标俱全，达标效果好。训练题目的设计从识别电路、分析电路连接方式，到连接实物电路图，由易到难，梯度合理，符合目标要求，大胆放手让学生自己合作探究，为了保证取得良好的效果，我把原课本中的三灯泡改为两个，既降低了难度，又防止学生连成混联电路。

本节课课题引入自然，目标不是机械地给出，而是层层抛出，起到了很好地导向作用。采取复习前面的知识为本节内容的学习扫清障碍，联系实际提出问题，在实际电路中用电器往往不只一个，而是两个或更多，提得及时，符合学生的心理，激起了学生的探究欲望。放手让学生进行两个用电器连接方式的探究，从课堂教学效果上看，多数学生都能探究出两种基本连接方式，马上引导学生认定目标，过渡自然，效果好。

注重了教学情境的创设，学生的主体地位得到了很好地体现，教师的作用体现在对学生的指导和促进、激励等方面，使学生的大脑及各种感官最大限度地处于激活状态。

教学方法我主要用了实验探究法，合作学习法，练习法，少量地应用了讲解法，本节课将目标教学，探究学习，合作学习有机地溶为一体，通过巧妙地创设实验、问题、图像、生活应用等教学情境充分激活了课堂教学。在引入课题时，复习与本节课内容有关内容的基础上，结合实际给学生提出二个及多个用电器的连接问题，较好地创设了问题的情境，起到了启动学生思维的作用。在此展开教学，随着学生一步步探究的深入，问题层层深入，并通过学生合作讨论自己动手连接电路，联系实际识别分析电路，让学生在动手、观察、动脑、合作的过程中在教师的引导下总结出本节课的知识内容，这样使学生经历了知识的探究过程，发展了学生的思维，培养了学生的创造性，体验到了探索自然规律的艰辛与成功后的喜悦，体会到了科学知识在生活中的应用，使学生对学到的知识有更深刻的认识，进一步提高了对物理的学习兴趣。如在通过串联电路中的开关控制作用对比分析并联电路中的开关控制作用时，由串联电路中开关的控制作用与位置无关，提出疑问，通过改变并联电路中开关的位置，让学生分析得出结论。

在本节的教学中，反馈矫正及时有效。针对根据电路图进行实物电路连接这一难点，我首先在学生连接前讲明连接过程中应注意的问题，在学生操作过程中，针对出现的具体情况加以矫正。

本节课的教学板书设计采用了表格式，既有利于对两种电路的对比联系，又有利于学生的掌握。课堂小结回扣教学目标，由学生来总结得出，加深了学生的印象。在整个教学过程中，微机辅助教学起到了非常好的作用。

总之，这节课的课堂教学设计严密，环节过度自然，师生情感交流融洽，探究、合作、讨论贯穿始终，知识与技能，过程与方法，情感态度与价值观三维目标达成度高，不但使学生掌握了知识，锻炼了动手能力、交流合作能力，还培养了学生的探究能力、自学能力，得到了成功的体验，增强了学习物理的兴趣。

光电转换电路的设计与优化 篇3

光电技术是将传统的光学技术与现代电子技术与计算机技术相结合的一种高新技术[1].以光电转换电路为核心的光电检测技术已经被广泛地应用到军事、工业、农业、环境科学、医疗和航天等诸多领域.所谓的光电转换是以光电二极管为基础器件,通过将照射于二极管上光通量的改变量转化为相应的光电流,再经过前置放大、主放大等后续电路进一步优化有用信号,最后实现与上位机与相应算法的连接.由此可见,任何光电检测系统中,光电转换电路的设计与优化都是重中之重,它性能的稳定以及相关参数的合理性将决定着整个检测系统的设计成败.

1 光电转换-前置放大电路的设计

光电二极管在受到光照时,会产生一个与照度成正比的小电流,因此是很好的光-电传感器.光电二极管可以在2种模式下工作,一是零偏置的光伏模式;一是反偏置的光导模式[3],具体电路如图1所示.在光伏模式时,光电二极管可以非常精确地线性工作; 而在光导模式时,光电二极管能够实现较高的切换速度,但要牺牲线性;同时,反偏置模式下的光电二极管即使在无光照条件下也会产生一个极小的暗电流,暗电流可能会引入输入噪声.因此选用光伏模式.

理想的光电二极管有恒流源的特性,当其负载电阻为零时输出特性较好,而由理想放大器构成的前置放大电路又有“虚短、虚断”的概念,其输入阻抗Rin=Rf/(1+A),式中,A为运算放大器的开环增益,Rf为反馈电阻.一般而言,A≥106,所以Rin≈0;即保证了光电二极管在光伏模式下的线性工作特性.通过反馈电阻将光电二极管与运算放大器相连接,将其产生的微弱电流通过较大的反馈电阻Rf形成压降,从而实现光通量的改变——光电流——电压的I/V前置放大转换.

光电二极管的选择依据:

图2中Isc为光电流;Rd为二极管内阻;Cd为二级管结电容;Ins为二级管的散粒噪声电流;Ind为二极管内阻的热噪声电流.光电二极管与后续的理想运放构成前置放大电路时,影响其性能参数的因素主要是以下几点:

(1)反馈电阻Rf;反馈电阻越大,输出电压越大,通常取几百千伏或几十兆伏,但反馈电阻的选择也存在上限,因为前置放大与后续处理电路相连时会受到输入电压匹配的限制,同时过大的反馈电阻会使电路产生自激震荡;

(2)设计合理的通频带;通过电容Cs与反馈电阻Rf的并联,构成低通滤波电路,其上限截止频率为1/2∏·Cs·Rf.上限截止频率越小,信号输出信噪比越好;但较小的上限截止频率会使信号产生频率失真,具体使用时要根据实际情况调试而定;

(3)光电转换产生的光电流越大,前置放大得到的输出电压越大,因此要尽可能选用灵敏度高的二极管,同时提高光信号的照射功率以增大光电流;

(4)选用内阻较大,结电容较小的光电二极管,同时保证工作温度恒定,减小因环境温度升高而带来的额外的输入噪声.

2 主放大电路的设计

由于前置放大只是将微弱的光电流转换为电压信号,在进行实际处理时还要进一步放大,因此设计第二级主放大电路,通过阻容耦合与前置放大电路相连.

由仿真结果可以看出光电二极管产生的微安级的弱光电流经前置放大电路可输出毫伏级的电压,所以仍需通过主放大电路进行后续处理.主放大电路如图4所示;R1～R5电阻可实现电压放大倍数的多档可调,即所谓的灵敏度调节.

3 电路的优化设计

在实际光电测试系统中,还应对光电转换电路进行诸如降噪、滤波、去耦等优化处理,以实现较大的信噪比、信号稳定性以及高灵敏度等特点.具体的优化措施有以下几点:

(1)由于运算放大器是双电源器件,通过合理的选择偏置电阻使光电转换前置放大电路的输出电压达到合适的幅值(即设置适当的静态工作点),以获得最大的电压摆幅,避免饱和失真.如图6电路所示,电压输出设置于-4 V左右,避免因强烈的环境光造成的饱和失真.

该放大电路经过仿真以后从波形中可以观察到输出电压被拉低到-4 V左右,实现了合理设置静态工作点的目的;

(2)正负电压由运算放大器的4、7管脚引入,同时设置旁路电容构成滤波电路,消除电源纹波的干扰,降低输入噪声,提高信号信噪比;

(3)考虑到不同光电检测系统的使用环境,对于那些有强环境光干扰的测试场所,可以在电路设计之初就运用双光电二极管,使其中一个暴露于测试环境中并与前置放大器反接,达到消除杂散环境光干扰的作用;

(4)在电路的制板过程中还会因为器件排列、布线、线宽以及制作工艺等诸多因素引入噪声,对测试结果产生一定的影响;针对这些因素对PCB板的设计提出以下几点建议:

a.要求PCB出图时光电转换器件与前置运放间的信号线尽可能短;

b.VCC、GND等特殊网络的线宽要超过其他网络的线宽,推荐50 mil左右;

c.如果电路比较复杂,还应设计专门的电源层与接地层;

d.布线时两条走线之间应保持一定间距,避免产生电容效应,且走线以水平方向与竖直方向为最佳;

e.敷铜设计时最好将电源与运放隔开,不要整板敷铜,避免噪声干扰;

(5)在电路板的使用过程中要采取一定的屏蔽措施,如添加金属外壳(避免空气中高频电磁波的干扰),或接地(消除噪声)等;

基于以上设计原则,设计光电转换放大电路并制板,以玩具气枪模拟真实弹丸验证该测试系统,搭建400 mm×10 m的有效靶面,分别从有效靶区范围内0、5、10 m处在400 mm光幕的上、中、下3个不同光强区域验证弹丸过靶信号;噪声稳定保持在100 mV左右,而最弱区域有用信号达到2 V上下,性能较为稳定,信噪比好,能够满足测试需求.

4 结 束 语

文中对光电转换电路设计中可能遇到影响其性能参数的诸多因素作出了详尽的分析与讨论,通过合理的选择调试器件参数,可以使检测系统的性能趋于最佳,对于较为微弱的光信号也有探测能力.在实际应用当中,还应根据具体问题具体分析,才能设计出满足不同需求的光电转换电路测试系统.

摘要：通过对光电转换电路的前置放大及主放大电路设计的详细分析研究,给出了电路放大、滤波、降噪等优化处理方法,实现了将有用信号从噪声中分离并输出的目的.对光电转换电路从原理设计到最终制板过程中影响其性能参数及稳定性的因素进行了深入的探讨,提出了对电路器件选择、排列、布线以及降噪等方法的选择标准和依据.

关键词：光电转换,前置放大,光电二极管

参考文献

[1]刘斌,张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报,2003,27(3):194-196.

[2]李威,罗春华,杨臻.基于光电信号转换原理与单片机的弹丸测速系统[J].机械管理开发,2008,23(6):29-30.

[3]刘卫东,刘延冰,刘建国.检测为弱光信号的PIN光电检测电路设计[J].电测与仪表,1994(4):28-30.

初中物理动态电路与电路故障知识 篇4

经典例题

“三个代表”突破电路故障问题

其实故障电路常爱与“三个代表”一起考。“三个代表”指电流表，电压表和灯泡。当某个灯泡变得不正常时，根据以下步骤轻松诊断“病根”：

1、根据电流表判断故障类型：电流表示数变大(包括从无到有)——短路。电流表示数变小或者不变——断路。

2、判断短路、断路之后，根据电压表决定故障位置：如果是短路问题——示数变小的电压表所测量的对象为故障用电器。如果是断路问题——示数变大的电压表所测量的对象为故障用电器。(并联电路中要注意根据支路电流的变化来判断哪条支路有问题)

经典例题：

结合上面的内容，是不是觉得电路故障问题容易了一些?但是，如果电路中只有一种电表，那该怎么做?同样，我们也可以运用上面的方法来解决：

经典例题：

动态电路分析攻略动态电路实际上考查了电压电流规律和欧姆定律的综合运用……听起来很难?别担心，当电路中的某个器件发生变化时，我们只要先判断电阻变化，然后判断电流变化，最后得出电压变化：

当然，在运用技巧之前，首先得判断串并联，然后找到各电表的测量对象，并且要清楚电路特点：

OTN帧头定位电路优化研究 篇5

在ITU-T G.709协议中, ITU-T规定了OTN的网络帧结构。OTN使用了和SDH类似的帧结构, 帧定位信号 (Frame Alignment Signal) 也是相同的。但是由于OTN的信号速率非常高, 如OTU2的速率达到10Gbps以上, OTU3速率达到43Gbps以上, 不能直接使用SDH的帧定位电路。以OTU2为例, 在Serdes将串行信号变为并行信号后, 如果还按照8bit的数据宽度, 则信号速率需要达到1.25Gbps左右, 这无论对于FPGA处理还是ASIC, 速率都是过高而不能处理的, 所以需要将数据宽度进一步加大, 以降低信号速率。在本项目中, 使用了64位的数据宽度, 这时的信号速率为167Mbps。对于这样高速而且宽位数的数据处理, 如果还按照传统的帧头定位电路来处理, 电路的速度上不去, 会导致电路处理不能达到要求, 所以需要简化帧头定位电路, 以达到高速率、高位宽的信号处理要求。

传统的帧定位处理方法

OTN帧结构

在ITU-T的G.709协议中, ITU-T规定了OTN的帧结构, 如图1所示。

OTUk帧结构是4行, 4080列的结构。在每一帧的开始处, 首先是帧定位信号 (FAS) , 然后是复帧定位信号 (MFAS) 和其它开销字节。详细如图2所示。

在OTUk帧数据中, FAS信号是不经过扰码的, 除FAS信号外的信号, 都是经过扰码的。所以只要在整个数据中, 只要找到了FAS (即0x F6F6F6282828) 信号, 就将整个帧头找到了, 整个帧的结构就随之确定了。

OTUk帧结构是以字节为定位基准的。但是在Serdes将串行数据转换为64bit并行数据后, 只是将64个bit随机的放在一起, 并不是按字节对齐的, 所以在Serdes电路后边, 紧跟着的是一个将64bit随机排列的数据按字节对齐的方式重新处理的电路。

传统的帧定位方法

在Serdes后边的并行数据侧, 48bit的FAS信号, 可能处于一个时钟周期的64个bit内, 也可能处于两个连续的64个bit数据中, 所以需要在连续的两个64个bit内, 查找FAS信号。然后在这128个bit内, 使用64个48bit的比较器来和FAS信号进行比较。如图3所示。

在电路处理时, 首先把第一个时钟周期的64bit数据缓存, 再与下一个周期的64bit组合成为图3中的128bit数据。在此128bit数据中, 需要64个48bit的比较器, 第一个比较器比较第1bit到第48bit的数据是否和FAS相同, 第二个比较器比较第2bit到第49bit的数据是否和FAS相同, 依此类推, 第64个比较器比较第64bit到第112bit的数据是否和FAS相同。在下一个时钟周期时, 上述128bit的第65到128bit移动到图3的第1到第64bit, 重复上述过程。

在上述比较过程中, 当某个比较器的输入数据和FAS相同时, 给出指示信号。后续电路以输出指示信号的比较器的第一个bit, 作为整个输出64bit的第1个bit, 将上述输入的128bit数据重新排列, 送往下级电路。到此, 整个帧定位电路的工作完成了。

从上述描述中, 可以看到, 传统的帧定位电路, 需要64个48bit的比较器同时工作, 电路的规模大, 功耗大。所以, 需要对上述传统帧定位电路进行优化, 以降低电路规模, 减小电路功耗, 提高电路工作速率。

优化的帧定位方法

寻找F A S的过程, 其实就是在并行的1 2 8 b i t数据中寻找0x F6F6F6282828的过程, 对帧定位过程进行优化, 可以考虑对48位的比较器进行优化。

本文提出了一种优化的帧定位处理方法, 原理框图如图4所示。

首先, 输入进来的64bit先延时一拍, 再和下一周期来的数据组合起来, 成为128bit数据。在此128bit数据中, 使用64个24位比较器, 每个比较器和0x F6F6F6进行比较。第1个比较器接128bit数据的第1到第24位, 第2个比较器接第2位到第25位……, 第64个比较器接第64位到87位。当其中任何一个比较器找到0x F6F6F6时, 给出指示信号, 后边的数据重排电路, 根据给出指示信号的比较器的位置, 对数据进行重新排列, 将此比较器输入的第1bit作为整个输出数据的第1bit, 依次排列64bit数据进行输出。

在数据重排电路输出的64bit数据后, 需要再连接一个24bit的比较器, 这个比较器, 对重新排列后的数据的第25到48bit进行比较, 看数据是否为0x282828。当前面的比较器和后一个比较器同时给出指示信号时, 即表示同时找到了0x F6F6F6和0x282828, 并且这两个数据是相连接的。即找出了FAS信号, 此时给出帧头指示信号。

仿真验证

对以上描述的过程使用Modelsim进行仿真, 仿真图如图5所示。

从图5可以看出, 在输入数据Data In中含有FAS信号时, 24bit比较器给出了指示信号Sel Bus, Sel Bus由原来的全0变化为其中一个bit变为1, 此时数据重排电路已开始工作, 将输出的数据按Sel Bus指示信号进行输出重排, 并且在重排后, 对数据排列的顺序进行锁定。在下一个时钟周期中, 后续的比较器对重排的数据的第25bi开始进行比较, 比较正确后, 输出了FAS指示信号

结束语

随着通信技术的发展, 数据传输的速率越来越高, 电路规模越来越大。而大规模的电路要同时进行高速运行时, 无论对于FPGA还是ASIC, 都是巨大的挑战, 有时甚至不能成功, 所以就需要对电路的规模进行优化以降低电路规模。本文提出的帧定位电路, 对原有的帧定位电路有很大的优化。

摘要：在OTN帧结构中, Serdes在从高速的串行数据中恢复出数据后, 数据只是按顺序以64bit为宽度重新放置, 并没有按字节对齐, 所以后续电路无法直接使用这样的数据。需要帧头定位电路找到帧头后, 把所有的数据按字节对齐。但是将OTN数据转换为并行的数据后, 存在着数据速率高, 位宽大的问题。在ASIC或FPGA中, 大量的大位宽的数据, 是不容易运行在较高的速率下的。所以需要对帧定位电路进行简化, 以使得电路在大位宽时, 仍然能够进行高速运行。研究了OTN数据的帧结构后, 提出了一种适合于高速率的、大位宽的处理电路。电路比传统电路规模小了近一半, 能够提高电路运行的速度。

关键词：OTN,帧头,定位

参考文献

[1]ITU-T.G.709/Y.1331.Interfaces for the Optical Transport Network[S].2012

[2]吕瑾, 徐东明, 张云军.SDH传输系统中帧定位电路设计[J].中国集成电路, 2010, (10)

[3]孟李林.用流水线技术实现STM-16帧定位电路设计[J].光通信研究, 2008, (1)

第三轨受流电路优化设计 篇6

目前, 国内城轨车辆的牵引供电制式主要有两种:DC1500V及DC750V供电。DC750V供电主要采用第三轨受流的方式, 不影响城市景观, 且受风速影响较小, 运营可靠性高、寿命长。第三轨受流由于是多点受流, 所以, 车辆受电的离线率非常低, 跟随性好。

随着城市轨道交通系统的发展, 列车加速度、运营速度、噪声等各项性能要求提高, 导致车辆负载功率增加, 车辆地板隔音效果要求提高, 底架设备空间以及底架地板与转向架间隙减少, 原有车辆系统的受流电路到了需要合理配置、优化的阶段。

1 受流器配置

按照现有列车配置多为以下几种方式:两动两拖、三动三拖、四动两拖、五动三拖、六动两拖等。按照常规设计, 一般拖车配置两套受流器, 动车配备四套受流器, 即拖车的1位端受流器每侧配备一套受流器, 动车每个动力转向架每侧配备一套受流器。受流器配置如下:

Tn:列车拖车数量

Mn:列车动车数量

CCS:受流器BHB:母线断路器箱SIV:辅助逆变器箱HV Box:高压箱VVVF:牵引逆变器F:熔断器

图1为经典的四动两拖列车编组受流器配置图, 列车配置受流器20套, 每侧10套, 每个受流器通过第三轨受流, 通过车体底架的接线箱并入到牵引母线, 可以通过母线断路器箱控制单元内牵引母线通断。

2 受流器熔断器容量计算

由于受线路条件影响, 第三轨受流在交叉路口、联络线等存在相应的间隙, 在正线上受线路设计、施工等空间影响也可能导致受流轨中断、不连续。因而第三轨受流线路在车辆设计时必须考虑受流轨无电区的存在, 针对第三轨受流线路正确设计受流电路, 首先, 必须根据实际需求和线路条件选择相应的保护熔断器, 在实际应用中一般受流器与熔断器一一对应。熔断器选型过程中, 一般基于两个条件选择, 即车辆的车辆运行的最大有效值 (RMS) 和最大峰值电流。

2.1 熔断器额定电流计算

受流器一般布置在车辆转向架构架边梁的正中部, 且熔断器安装在密闭的箱体内, 车辆运营的环境温度也不尽相同。所以在选型过程中必须考虑以上各种因素。基于以上因素大致可以确定熔断器允许通过电流值:

Ib熔断器允许通过电流

In熔断器额定电流

Kt熔断器环境温度修正系数

(环境温度为45℃, Kt取0.88)

Ke1连接熔断器的铜排的电流密度, 影响的修正系数

(假定电流密度为2A/mm2, 取0.9)

Ke2熔断器安装在较小的空间里, 需额外给出一个修正系数0.8

则:选择熔断器的额定容量:

2.2 熔断器最大负载峰值校算

根据车辆牵引特性曲线所示, 峰值负载持续一般约4~5 s, 我们在做峰值校算时一般按5 s计算。车辆过最大断电区时, 一个受流器搭接在第三轨上的距离最大不超过23 m (按A型车, Tc车1位端到M1车1位端距离) 。国内80 km/h列车牵引/制动时, 线路电流最大时, 速度均在30 km/h以上。因此, 保守计算车辆最大线路电流出现在30 km/h, 单受流器工作的时间为:

考虑熔断器老化、设计余量等因素, 一般余量可放宽10 s左右, 即列车单受流器工作时, 能确保在最大电流情况下, 工作12.76 s不跳熔断器, 满足峰值负载要求。

以武汉市轨道交通2号线车辆为例, 车辆为两单元, 牵引母线不管穿, 单元供电最大电流约在3 700 A左右。若考虑熔断器需选择额定容量需在1 100 A左右, 目前, 有成熟应用最大的熔断器为900 A, 所以需要考虑双熔断器并联, 熔断器选定为2个700 A熔断器并联。按照经验受流器配置如图1所示。

3 受流电路优化设计

3.1 优化整列车受流器布局

目前, 国内大部分地铁列车采用进口受流器, 车辆受流器采购成本居高不下。可以通过受流器合理布局来减少车辆受流器安装数量, 从而降低车辆生产成本。在原来传统的受流器布置的基础上, 根据车辆运营线路条件, 将Tc车 (带司机室的拖车) 受流器布置为4套, 即每个转向架每侧均布置1套受流器, 取消6节编组动车M1车的受流器, 在M2车上布置4套受流器, 这样每列车可以节省4套受流器。具体布置如图2所示。

通过受流器配置优化可以减少受流器滑块数量, 从而降低车辆日常运营的配件和耗材成本;而滑块数量减少可以有效的减少第三轨的磨耗量, 延长第三轨使用寿命和维护周期, 降低运营成本。

3.2 双侧熔断器并联优化受流电路

随着轨道交通的发展, 车辆噪声、舒适性等要求越来越高, 因而, 武汉市轨道交通2号线采用了双层地板设计, 降低可是噪声。这样会导致车辆底架地板与车辆转向架间隙减少25 mm以上。按图1方案配置受流器, 则每个受流器必须2根或者1根线径足够大的电缆从转向架侧部连接到车体底架接线箱, 如果选择1根电缆, 线径越大则电缆弯曲半径越大, 转向架与车体底架间隙不能满足电缆弯曲半径要求;若采用2根电缆并联的形式, 2根电缆一般布置为同一敷设路径, 由于列车运行过程中, 车辆与转向架之间会产生相对运动, 因而该处电缆为活动连接, 2根电缆间距过小在运动过程中可能会产生接磨现象, 接磨时间过长可能会导致电缆绝缘层破裂, 影响车辆运营安全。

基于以上现象我们在武汉市轨道交通2号线车辆受流电路设计时, 提出了双侧熔断器并联方案, 即将两侧的受流器熔断器输入端通过一根电缆连接, 每侧受流器熔断器输出端通过一根较小线径的电缆连接到车体底架接线箱, 从而满足弯曲半径和单根电缆敷设的要求, 无论哪侧受流器受电, 两个熔断器都将同时有电流通过, 由于两个熔断器在受流过程中电缆长度不一致, 因而在计算熔断器容量时, 需考虑受流不均衡系数ke3, 按照经验我们取该值1.1。具体电路如图3所示。

从图3可知, 车辆配置的熔断器将减少一半 (即20个/列) , 这样可以降低车辆生产成本;由于受流器熔断器的减少, 可以减少受流器支架的体积, 从而更好地满足转向架受流器安装空间的需求。

4 结语

本文阐述了目前传统的第三轨受流电路设计, 对车辆设计的一些优化案例进行了描述。目前, 受流器优化配置的方案已经在昆明地铁项目实施, 而熔断器并联布置的方案也在武汉市轨道交通2号线和4号线上实施。综合现有两个优化设计案例可以得出更合理的优化方案, 即在受流器优化配置的基础上, 通过双侧受流器熔断器并联, 若该方案在以后的车辆设计时候使用, 能够使受流电路更精简。大大减少车辆生产成本, 满足车辆设备布置空间要求, 提升第三轨使用效率。

参考文献

优化电路 篇7

近年来, 由于电网中大量非线性负载的接入以及对绿色电源的苛求, 功率因数校正技术 (PFC) 有了长足发展。平均电流控制的Boost APFC电路以其独特的优势而逐步被广泛采用[1]。由它的原理可知, 整个APFC电路可看作是一个双环控制系统:内环为电流环, 使Boost变换器的输入电流与全波整流电压波形相同;外环为电压环, 使Boost变换器输出稳定的直流电压。双环的控制均依靠开关管占空比d的变化来实现[2]。

1 Boost APFC电路的小信号模型

采用电流注入等效电路法建立Boost APFC电路, 它的完整的小信号模型如图1所示[3]。可通过图1为依据设计电流环和电压环, 并优化其参数, 使变换器有良好的动态特性和稳定性。

图1中, He (s) 为电流采样传递函数[4]:

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式中:ωS=π/TS=πfS;QS=-2/π。

在平均电流控制[5]下, PWM比较器调制增益:

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式中:Se是外加三角波的斜率, S′n是电感电流在电流误差放大器输出端的斜率, 因为Se≫S′n, 所以调制增益可近似为:

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式中:ΔV为锯齿波电压的峰-峰值。

按Vorperian的简化模型[6], 功率级传递函数:

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RMO为乘法器输出电阻;gC为乘法器小信号模型undefined;Hi (s) 和Hv (s) 分别为电流环和电压环反馈补偿网络传递函数。

电流环的开环传递函数为:

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在电流环增益求出之后, 当频率低于电流环交越频率时, 可近似得到控制电压到输出电压的小信号传递函数为:

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电压环的开环传递函数为:

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2 Boost APFC电路反馈补偿网络的优化设计

为了使PFC电路有较好的稳定性和动态性能, 必须对电流环和电压环进行反馈综合, 通过适当的补偿网络, 合理配置零极点, 改善电路特性。

2.1 优化设计数学模型的建立

2.1.1 电流环补偿网络的优化数学模型

APFC电路的内环为电流控制环, 必须具有较高的增益、较宽的频带、合理的相角裕度, 并具有抑制开关噪声的能力。电流环反馈补偿网络采用单零点双极点的网络[7], 如图2所示。补偿网络的小信号传递函数为:

式中:

将式 (8) 代入式 (7) , 得到电流环的开环传递函数为:

选择设计变量为X=[x1, x2, x3, x4]=[RCI, CCP, RCZ, CCZ], 则可求出电流环的开环传递函数与设计变量之间的关系式:

选择电流环传递函数Ti (s) 的开环穿越频率ωC最大为优化目标, 定义ωC=f (x1, x2, x3, x4) , 则目标函数可表示为:

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为保证稳定性, 取相位裕量不小于45°, 增益裕量不小于6 dB, 可分别表示为:

为使反馈环节抑制开关噪声, 应使其对开关频率ωS呈现一定的衰减特性, 即undefined根据实际情况选定。显然, 不等式左边也是x1, x2, x3, x4的函数, 表示为:

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由式 (11) ～式 (14) 可得电流环反馈补偿网络优化设计的数学模型为:

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2.1.2 电压环补偿网络的优化数学模型

由于电压环带宽与开关频率相比非常小, 因此保持输入电流失真最小成为设计电压环时考虑的主要因素[8]。

本设计中, 电压环补偿网络结构如图3所示[7], 其小信号传递函数为:

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电压环的开环传递函数为:

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选择设计变量为X=[x1, x2, x3]=[RVI, CVF, RVF], 则可求出电压环的开环传递函数与设计变量之间的关系式为:

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选择线纹波电压增益最小为优化目标, 设目标函数为:

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式中:ω2L为线纹波角频率。显然G可表示为:

如果电压环带宽太大, 电感电流波形易畸变;带宽太小, 则电压环动态响应慢。电压环带宽的典型值为10～20 Hz[8]。带宽可用电压环交越频率ωb表示, ωb可由式 (16) 计算出来。带宽约束条件可表示为2π×10≤ωb (X) ≤2π×20, 即:

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为保证稳定性, 取相位裕量不小于45°, 增益裕量不小于6 dB, 可分别表示为:

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由式 (19) ～式 (23) , 得出电压环优化设计的数学模型:

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2.2 优化设计数学模型的求解

Boost APFC电路反馈补偿网络的优化属于非线性约束优化问题, 求解的算法主要有:可行方向法、惩罚函数法、二次规划算法和遗传算法等[9]。其中, 遗传算法对目标函数和约束条件的限制较少, 并能较好地处理实际优化问题中存在的目标函数具有多个局部极值点或在某一局部不连续、不可微等病态情况, 是当前较为成功地应用于复杂工程优化设计的算法之一[10]。

2.3 优化设计实例

Boost APFC电路有关参数如下:P0=500 W, Uin=220 V, U0=400 V, L=1.1 mH, RS=0.2 Ω, ΔV=5.2 V, ωS=π×105 rad/s, QS=-2/π, RMO=1.6 kΩ, C0=660 μF。

借助Matlab 6.5的优化工具箱, 采用遗传算法对Boost APFC电路反馈补偿网络优化设计数学模型进行求解 (设δ=-10 dB) [11]。优化设计前后电流环的变量值和性能指标见表1和表2, 噪声抑制情况如图4所示。电压环的变量值、性能指标见表3和表4, 纹波抑制情况如图5所示。

从上述优化设计结果可见, 经过优化后, 电流环的增益裕量和相位裕量都增大了, 电流环的稳定性能得到了改善, 开关噪声抑制能力明显优于优化前;电压环的相位裕量增大了, 带宽明显减小, 纹波抑制能力远远优于优化前。

3 结 语

在平均电流控制的Boost APFC电路中, 电流环和电压环反馈补偿网络对电路的稳定性和动态性能起着至关重要的作用。通过对补偿网络进行优化设计, 合理选择变量值, 不仅可以节省传统设计时反复调试的时间, 缩短设计周期, 而且可以使电路获得较好的性能指标。

参考文献

[1]李爱文, 张承惠.现代逆变技术及应用[M].北京:科学技术出版社, 2000.

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叉车启动控制器电路的优化设计 篇8

这台叉车的启动电路包括点火开关、启动继电器和控制器3个部分,如图1所示。正常情况下,只有将点火开关旋到Start位置时,启动继电器才得电控制启动机工作。

分别对点火开关及启动继电器进行测试,均未发现异常,初步分析问题最有可能出现在控制器上。经对控制器拆解检查,发现其内部的三极管T已经损坏,一直处于导通状态。正是因为该三级管损坏,使该叉车在已经停止启动的情况下使启动机再次旋转,将控制器中的三级管更换后,再旋转点火开关检查,启动机工作恢复正常。

叉车控制器电路由单片机控制,通过挡位识别电路实现叉车只能在空挡位置才能启动。其控制过程如下:点火开关置于Start位置时,如叉车处于空挡,单片机便输出控制信号控制三级管T导通。三级管T导通后,继电器K线圈吸合工作,随后启动继电器和启动机相继通电工作。

此控制电路存在以下缺陷:一是继电器K的线圈及触点全部接到点火开关ON位置,如继电器发生触点粘连现象,则点火开关只要置于ON位置,启动机便可运转。二是三级管T损坏导通后,只要点火开关置于ON位置,启动机便旋转。三是如果单片机与三极管T和继电器K之间电路接触不良,或存在较大电磁干扰导致单片机误判断,都可造成点火开关在ON位置启动机旋转。

经对原启动电路进行分析后,决定对其进行改进。具体方法如下:将继电器K的线圈和触点的电源端全部接到点火开关Start位置,如图2所示。电路经改进后,即便发生三级管、继电器K损坏以及单片机因干扰出现误判断现象,只要点火开关没有旋到Start位置,启动继电器和启动机便不会工作。

传感器信号调理电路的噪声优化 篇9

在信息技术不断发展的今天, 获取准确可靠的信息成为做好一切工作的前提。最近2 0多年传感器技术获得了长足的进步, 在国民经济相关领域中应用日益广泛, 作为信息的采集和信息的转换的重要部件, 是测量和控制系统的首要环节, 成为测试计量和工业自动化智能化的关键技术。传感器是一种能按一定规律将各种非电量转换为电信号的装置。而随着模数转换器和数模转换器分辨率的提高以及电源电压的降低, 最低有效位 (L S B) 变得更小, 使得信号调理变得更加困难。由于信号大小更接近于本底噪声, 因此, 必须对外部和内部噪声源 (如Johnson噪声、散粒噪声、宽带噪声、闪烁噪声和EMI噪声) 进行处理来减小系统噪声, 处理传感器产生的小信号, 而不引起信号失真。

2 解决途径

图1所示的是典型信号调理电路中的噪声源:

总的输出噪声, 即折合到输入端噪声 (R T I) 由电阻噪声、运算放大器电压和电流噪声组成, 公式如下:

在反相和同相配置中, 噪声增益 (即噪声增大的倍数) 都等于1+R 2/R 1.B W是频带宽度。输出端噪声 (R T O) =输入端噪声 (RTI) ×噪声增益 (G) 。

一般噪声大小是以输入端噪声 (R T I) 来衡量的, 可以从器件及其特征噪声、阻抗、响应方面考虑, 实现最低的折合到输入端噪声 (RTI) , 优化信噪比 (S N R) 。

为了实现传感器信号调理电路的低噪声, 需考虑放大器的工作区:宽带或1/f, 挑选合适的有源器件, 以及在放大器周围放置无源器件, 并限制带宽。分析非噪声需求, 如输入阻抗、开环增益和电源电流。可以通过以下途径对传感器信号调理电路的噪声进行优化。

2.1 运算放大器的选择

某些情况下, 运算放大器的宽带噪声为20 nV/rt-Hz可能优于宽带噪声为10nV/rt-Hz的器件。当传感器工作在极低的频率下, 具有低1/f噪声的放大器可能是最好的。

2.2 无源元件的选择

放大器选择好之后, 应在放大器周围放置合适的电阻和电容, 而这些元件也有噪声。图2所示的是在增益都是1000情况下使用不同电阻值所造成的影响。输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增大, 所以应选用合适的电阻值。

若忽略R1和R2的噪声, 而只考虑源阻抗R3的噪声时, 则R3值较小时, 放大器的电压噪声占主导地位;当R3值为中等大小时, 电阻R3的John噪声占主导;当R3值较大时, 流入电阻R3的放大器电流噪声的占主导地位。因此, 低输出阻抗的传感器应使用低电压噪声的运算放大器和小电阻。除此之外, 电容也能用于补偿和减小噪声。虽然电抗 (电容和电感) 元件不会增加噪声, 但流经它们的噪声电流将产生噪声电压。总之, 应在放大器周围使用低阻抗来降低热噪声、电流噪声和电磁干扰 (EMI) 噪声带来的影响。

2.3 带宽选择

在选择好放大器以及相关的电阻和电容后, 需要设计合理的频率带宽 (BW) 。带宽不应设计过宽, 足够通过基频和重要的谐波即可。选择具有足够带宽的放大器, 在其后放置R C滤波器。放大器和电阻在带宽范围内都有噪声, 因此, 带宽越大, 输出噪声越大, 信噪比 (SNR) 越低。图3所示的是在具有相同配置的电路中使用具有不同带宽的放大器时, 放大器带宽与噪声之间的关系。为限制附加的噪声, 带宽应该尽可能的窄。

在传感器之后使用R C滤波器来限制带宽。如图4所示, 放大器带宽为300MHz, 输入噪声电压频谱密度为和ADC具有170μV rms的噪声。在运算放大器之后增加R C滤波器后 (R=50Ω, C=100pf) , 将产生50MHz的有效带宽, 能把噪声降低到70μV rms。

B W (噪声带宽) =

图5是实际运用中采用三个运算放大器构成的高精度传感器的接口电路:

3 结语

传感器是采集和信息的转换的重要部件。每个传感器都有其噪声、阻抗和响应特性。应了解噪声源, 合理选择器件, 带宽, 分析非噪声需求。实现传感器信号调理电路的低噪声, 获得最佳S N R, 处理传感器产生的小信号获得高分辨率。

参考文献

[1]王雪文, 张志勇.传感器原理及应用.北京航空航天大学出版社.2004.

[2]李希文, 赵建.传感器与信号调理技术.西安电子科技大学出版社.2008.