学文网功率计篇1
关键字：功;功率;力
Abstract: based on the power and power of the knowledge learning, know doing work is energy into or transfer process, through the observation, the experiment, calculation and analysis, further understanding of power and power physical significance. To train the student to have the knowledge of science, ready to explore natural phenomenon and daily life physics reasonable, science and technology will be applied to daily life, social practice of consciousness.
Keyword: work; Power; force
中***分类号：TK315文献标识码：A 文章编号：
一、 做功过程的分析：
例1 在水平地面上，将重15N的木块沿直线向前推动5m, 所用推力4N，撤去推力后，木块又前进1m后停止，求：（1）推力做了多少功？（2）重力做了多少功？
解析本题考查的是对做功的两个必要因素的理解及其是否会在实际问题中计算力对物体所做的功，首先应对木块进行受力分析，画出木块受力情况的示意***。木块的运动方向跟推力方向一致，但跟重力方向垂直，所以推力做了功，重力对物体没做功。计算推力做功时，推力大小是4N，木块在此推力的方向上通过5m的距离。推力撤去后，木块向前运动了1m，但推力为0，这一段路程推力没做功，所以推力所做的功为W推=F•S=4N×5m=20J重力做的功为零 W重=0.
点拨
（1） 题目中给出的15N（木块重）是多余条件，如果概念清楚，就能排除多余条件的干扰。
（2） 功的计算步骤：
1、 进行受力分析，画出受力***；
2、 明确物体运动方向，算出物体移动距离；
3、 判断物体在所求力的方向上是否通过了一段距离；
4、 利用公式W=F•S 求功。
二、 功和功率的综合应用：
例2某人用200N的水平推力，在半分钟内将重力1000N的物体沿水平面向前推动15m，重力对物体做的功是 J，人对物体做的功是J，人做功的功率是 W。
解析 首先对物体进行受力分析：在水平面上运动的物体，在竖直方向上受重力和支持力，在水平方向上受到推力和摩擦力。
重力的方向与物体运动的方向垂直，因而重力对物体不做功，即重力做功为0.
人的推力做的功，由W=F•S 得：W=F*S=200N×15m=3000J 由P=W/t=3000J/30s=100W 计算功率可用另一种方法（P=F•v） 先求出物体运动的平均速度，由s=vt 得：v=s/t=15m/30s=0.5m/s .所以人做功的功率为P= F•v=200N×0.5m/s=100W
点拨 P=F•v是一个经常用到的公式，从公式中可以得出功率的大小与牵引力F和速度 v的关系：当功率P一定时，其运动速度v的大小与牵引力F的大小成反比。汽车上坡时，发动机的功率一定，司机可采用降低速度的方法来获得较大的牵引力。
三、 模型法计算功和功率：
例3在100m深的矿井里，每分钟积水9 m³,要想不让水留在矿井里，应该用至少多大功率的水泵抽水？
解析 每分钟泵抽起水的重力G=ρ水gv，水泵克服水的重力做功，完成这些功所需功率
P=W/t=ρ水gv/t=(1×103×9.8×100)/60 W=147000W=147Kw
点拨抽水机抽水是一个渐进的过程，本题的处理思想是这样的：将这个过程简化为一次性把所有的水匀速提到一定的高度。这样我们运用做功公式就比较容易理解了。
四、 生活中的功和功率：
例4某人的心率为75次/min，心脏收缩时的平均功率为1.6W，则心脏收缩一次做功多少J?
解析所谓心率，指心脏每分钟跳动的次数，由W=Pt可求出心脏每分钟所做的功，再计算心脏每收缩一次所做的功。心脏每分钟做功：W=Pt=1.6W×60s=96J.
心脏收缩一次所做的功：W1=W/n=96J/75=1.28J。
功率计篇2
授课地点：物理实验室
授课教师：
授课时间：1课时
仪器材料：PZ220-25、PZ220-60、2.5V 0.3A、3.8V 0.3A、学生电源、开关、电压表、电流表、导线等。
【教学目标】
1.知识与技能
（1）知道电功率是表示消耗电能的快慢，理解电功率的概念；
（2）知道电功率的单位有W和KW；
（3）会用电功率的公式进行简单的计算；
（4）了解电功率的大小是仪器的主要指标之一。
2.过程与方法
（1）通过探究电功率与用电器中电流和电压的关系，进一步学习科学研究的基本方法——控制变量法，体会探究过程和科学方法的重要性；
（2）通过电器的铭牌比较它们的功率大小，培养节能意识。
3.情感、态度和价值观
(1)通过实验探究，培养学生实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神，激发学习物理知识的兴趣；
(2)通过交流讨论，使学生学会与人交流自己的见解，学会倾听别人的见解，有与他人合作的意识，认识到交流合作的重要性；
（3）通过观察铭牌，计算电功，培养节能意识。
【教学重点】
电功率的概念、公式
【教学难点】
电功率的概念，用电功率的公式进行计算。
【教学过程】
教师活动设计
学生活动设计
一、引入新课
教师：你家装修房子采购了两种不同规格的灯泡，有60W和25W的；根据需要客厅、书房的灯要亮些，卧室、厕所里的灯要暗些，如果让同学们从中选择，你会怎么选？为什么？
同学们根据已有生活经验进行判断选择：客厅、书房安装60W的灯泡；卧室、厕所里安装25W的灯泡。
原因：60W的电灯泡比25W的更亮。
二、认识电功率
教师：演示60W和25W灯泡正常工作情况；
问1：电灯泡工作时能量是如何转化的？从刚才实验看出60W的电灯泡比25W的更亮，这说明什么问题呢？
问2：怎样来比较电流做功的快慢呢？
学生观察灯泡亮度
电能转化为光能和热能；这表明相同时间内60W的电灯泡把更多的电能转化为光能和热能。（也就是说电流做功有快慢之分。）
教师类比启发：
（1）怎样比较物体运动的快慢？
（2）怎样比较力对物体做功的快慢？
（3）可以怎样来比较电流做功的快慢呢？
学生思考并回答：
（1）利用物体单位时间内通过的路程（即速度）；
（2）利用物体单位时间内完成的功（即功率）；
（3）单位时间电流所做的功。
教师：物理学中就引进了一个十分重要的物理量来描述电流做功的快慢，它就是电功率。从刚才的比较中得出应该怎么来描述电功率呢？
电功率就是电流在单位时间内所做的功。
如果用Ρ表示电功率，用W表示电功，用t表示通电时间，用数学公式就应该这样表示：
引导学生说出其物理意义、数值和单位
教师：但在工农业生产上的用电器，如起重机上的电动机，功率往往很大，这时就要用更大的单位千瓦（kW）来表示。1kW=1000W
如农田灌溉时用来带动水泵的电动机，功率大约在几千瓦到几十千瓦之间。
电功率在数值上等于电流在单位时间内所做的功。
当电功的单位是焦（J），时间的单位是秒（S），电功率的单位就是焦/秒（J/S），常用瓦特（W）来表示。
学生熟悉电功率的常用单位。
平常我们说40W的灯泡、150W的电视机说的就是电功率。电功率是家用电器的一项重要性能指标，在各种用电器的铭牌和说明书中都有标示，请同学们仔细观察课本***7-2-2并思考讨论：
（1）该电视机正常工作时的电功率是多少？表示什么意思？（2）看两小时电视要消耗多少电能？
教师说明：计算时只要单位配套使用即可，计算日常生活中用电时消耗的电能用此方法更简便。
学生观察后回答：（1）该电视机正常工作时的电功率是140W；表示它1s消耗电能140J
（2）由公式，可得
或：
学生了解单位的配套使用
（1）P—W，t—S，W—J；
（2）P—KW，t—h，W—KWh.
教师：请同学们利用所学知识分析一下，要节约电能可以从哪些方面着手？
学生：根据公式W=Pt，可以在不改变用电时间的情况下，尽可能的减小用电器的功率；也可以在不减小用电功率的情况下，减少用电时间，如养成随手关灯的习惯等。当然可以同时考虑。
三、探究电功率跟电流、电压的关系。1.提出问题，进行猜想与假设
教师：不同的用电器工作时其电功率一般不同，请同学们猜想一下影响电功率大小的因素可能是什么？把你的猜想写下来，然后与组员讨论，提出共同猜想的影响因素。
教师在教室里巡视，引导督促学生进行猜想，避免学生盲目猜想。
学生猜想假设：
（1）可能与两端的电压有关；
（2）可能与通过的电流有关；
（3）可能与用电器的电阻有关
…………
学生各自猜想后，与小组成员进行讨论，提出小组成员共同赞成的猜想，在班级里进行交流，每个小组选出一位代表与全班同学交流本组的猜想。
教师将学生主要提出的猜想列在黑板上。帮助学生排除掉一些不必要的因素，确定出需要探究的猜想。
学生在教师的指导下，确定出可能影响的因素。明确只需探究电功率跟电压、电流的关系。
2.设计实验，进行实验
教师：以小组为单位进行讨论，设计一个验证我们提出的猜想的实验方案，画出电路***。
学生思考讨论，设计实验方案，画出电路***，各小组内进行方案交流。
教师：每组派代表与大家交流你们小组的实验方案。
教师指导学生交流，强调研究方法---控制变量法。
学生交流讨论得出实验方案。
通过观察灯泡的亮度来判断灯泡电功率的大小，操作如下：（1）将小灯泡串联，保持电流相等，测量灯泡两端的电压；（2）将小灯泡并联，保持电压相等，测量灯泡的电流。
教师：根据实验方案，选择实验仪器，分小组进行实验。
教师巡视指导学生实验。
学生进行实验。
3.收集数据、分析论证
教师：请设计表格，记录实验数据，并且进行分析。
教师对学生进行适时指导。
学生设计表格，收集数据，进行分析，得出小组结论。
4.交流讨论
教师组织、指导学生交流讨论得出实验结果。
小组选出代表汇报实验结果，全班进行交流讨论，得到结论：（1）通过用电器的电流相同时，用电器上的电压越大，电功率越大；（2）用电器两端的电压相同时，通过用电器的电流越大，电功率越大。
5.评估
教师：实验设计有没有不合理的地方？操作中有没有失误？测量数据与所得结论是否可靠？
学生审查思考
教师：进一步实验发现：电功率等于电压与电流的乘积。
即P=UI公式中I表示电流，单位是安(A)，U表示电压，单位是伏（V），P表示电功率，单位是瓦（W）．
学生领会两个计算电功率的公式：
（1）
（2）P=UI
推导出公式：W=UIt.
四、例题
教师引导学生解答课本例1；
教师：有无办法直接由电压和电功率求出电阻？
学生尝试完成例1和“自我评价”第3题。
教师引导学生解答课本例2并启发学生完成讨论交流----电流过大的原因。
学生尝试完成
五、课堂小结
本节课我们探究了电功率，知道了电功率的概念、计算公式、单位；并能利用所学知识进行计算，解决实际问题。
六、课堂练习
“发展空间”之“自我评价”剩余部分
七、课后练习
活动手册中的练习。
【实践活动】
利用电能表和秒表测某家用电器的电功率。提醒学生一定要注意安全，最好在家长的陪同下完成。
【教学反馈】
电功率的概念是本节内容重点和难点之一，要巧妙地利用前面所学“速度”和“功率”的概念进行类比，使概念的得出水到渠成。探究电功率跟电压和电流关系的实验，是一个完整的探究活动，要让学生在前面实验探究基础上进一步体会探究的各个环节，让学生在科学探究的过程中体会科学思想和科学方法，培养学生的科学探究能力。本课要根据实际情境设计问题让同学解答，在解题中激发兴趣。
功率计篇3
关键词:Boost拓扑结构;功率因数检测;UCC28019;MSP430F247
中***分类号:TP274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)12-192-03
High Power Factor Power Design
LEI Dan,LI Huizhong
(Wuchang Branch,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430068,China)
Abstract:Power factor design is the key indicator of power supply,power supply has always attached importance to developing technical problems.Power supply uses PFC control circuits that using UCC28019 of TI which can Significantly increase the power factor.The power supply consists of six parts which are AC/DC conversion circuits,DC/DC conversion circuits,power factor detection circuits,PFC control circuits,digital set,measuring circuits and protection circuits.AC/DC conversion circuits using not controlled rectifier,DC/DC conversion circuits using boost topology,which can output voltage that the value is 30~36 V.Power supply uses MSP430F247 SCM can accomplish digital set and measurement.This system has some advantage:intuitive features,good stability,improved power factor.
Keywords:boost topology;power factor test;UCC28019;MSP430F247
1 方案论证
1.1 DC/DC主回路拓扑方案
方案1:Buck型拓扑结构变换器
该方案可在隔离变压器输出端进行三倍压整流,再将直流电压通过Buck型拓扑结构进行降压变换实现。但采用Buck型变换器输入端电压偏高,驱动电路和控制电路的电源方案较麻烦,并且可靠性不高。
方案2:Cuk型拓扑结构变换器
它的输出电压极性与输入电压相反,但其值可以高于、等于或低于输入电压的值。其输入和输出电流都是连续的,经两个电感的补偿耦合,将输入和输出的波纹电流和电压抑制到零,但内部谐振使传递作用断续或在某些频率上削弱输入波纹抑制。在耦合电感线圈和变压器隔离的结构中,由于“开关导通”初期的冲击耦合电流会引起输出电压反向,并且也存在稳定性问题。
方案3: Boost型拓扑结构变换器
Boost电路的输出电压极性与输入电压相同,但总是高于输入电压。输入电流是连续的,只需要较小的输入滤波。输出电压与负载电流无关,并且输出电阻非常低,硬件上容易实现,且控制简单,技术成熟。
通过以上综合分析比较,Boost型拓扑结构变换器是DC/DC变换器的理想选择。
1.2 系统控制方案
方案1: 幅度控制方式,即通过改变开关电源输入电压的幅值而控制输出电压大小的控制方式。这种方式效率很低,当低压输出时,将造成大部分能量消耗在调整管或电阻上。
方案2:脉冲宽度控制,指功率管的开关工作频率(即开关周期)固定,是一种直接通过改变导通时间(即占空比)来控制输出电压大小的方式,它采用升压型(Boost)或降压型(Buck)拓扑结构来实现输出电压的改变。这种控制又称PWM控制。
由于PWM控制方式采用了固定的开关频率,因此,设计滤波电路时简单方便。综合比较,采用方案二作为控制方法。
2 硬件设计与主要参数计算
2.1 系统总体电路框架
根据题目的设计要求,系统由AC/DC变换电路、DC/DC变换电路、功率因数检测电路、PFC控制电路、数字设定及测量显示电路、保护电路等6大部分组成。其系统电路总体框架如***1所示。
***1 系统总体框架
2.2 DC/DC变换模块
DC/DC采用Boost变换电路,其电路结构如***2所示。
***2 boost变换电路
2.2.1 二极管参数
在功率MOSFET截止期间,VD正向偏置而导通,最大流通电流达2 A左右;在MOSFET导通期间,VD反向偏置而截止,此时二极管反向电压为Vin。为了确保电路的可靠性,故选取整流二极管MUR3060。
2.2.2 功率开关管参数
功率开关MOSFET所要承受的基本电压为截止时所承受的电压Vin,导通时所要承受的导通电流为2 A。为确保电路的可靠性,应考虑适当的安全裕量,故选取功率开关管IRFP150N,其耐压、耐流完全满足要求。
2.2.3 储能电感参数
变换器中的电感线圈在任何正常条件下不能饱和,并且为了有好的效率,线圈和磁心的损耗必须要小。理论上电感可具有任何值,大电感可具有低波纹电流,且轻载时可连续导通,但负载瞬态响应差。小的电感波纹电流大,增加了开关损耗和输出波纹。在轻载时出现不连续导通,且导致系统不稳定。可是,其瞬态响应性能好,效率高,尺寸小,所以电感的选择只能折中,通常选择使临界电流低于最小规定负
载电流的电感,或按可接受的波纹电流尽可能地以小的标准来选择。 电感量通过公式:
LRSF(min)≥VoutD(1-D)/(fSW(typ)IRIPPLE)
计算出:L≥0.07 mH。另外,输出电流达到2 A,功率较大,由于参数类型特殊,普通电感远达不到要求,故选用粗铜线与环型磁铁的自制电感。
2.2.4 输出滤波电容参数
输出滤波电容C两端电压为输出电压Vout。C的滤波使输出Vout的波形连续。对DC/DC转换器而言,工作频率越高,所要求的电容值越低。设计中选用4 700 μF的电容。
2.3 PFC控制模块
开关电源是借助开关器件的开/关(ON/OFF)实现能量交换的。输出控制由晶体管的导通时间决定。实际上PWM控制就是控制开关管导通的占空比。结合控制方式及功率因数的要求,设计中选用TI公司提供的具有功率因数校正功能的UCC28019芯片作为PFC控制模块。UCC28019 为8引脚连续电流模式(CCM) 控制器,其重要元件参数的计算如下:
C7=gmiM1/K12πf1AVG=910 pF
式中:gmi=0.95 ms;M1=0.4;K1=7;f1AVG=9.5 kHz。
C11 =(gmv fv/fPWM_PS)/(10GVLdB(f)/20×2πfv)
=3.88 μF
式中:gmv=42 μs;fv=10 Hz;fPWM_PS=1.589 Hz,10GVLdB(f)/20=100.709 0 dB/20,fv=10 Hz。
R11=1/ (2πfZEROCvCOMP)= 30.36 kΩ
式中:fZERO=1.589 Hz,CvCOMP= 3.3 MF。
C12=CvCOMP /(2πfPOLERvCOMPCvCOMP -1)=0.258 μF
式中:fPOLE=20 Hz,RvCOMP=33 kΩ,CvCOMP =3.3 MF。
PFC控制模块与各电路连接见***3。
***3 PFC控制模块与各电路连接***
2.4 显示与测量模块
数字设定及显示,功率因数检测两部分由MSP430F247单片机、键盘和128×64液晶显示器构成。与普通LED相比,液晶显示界面与操作界更友好。
2.5 过流保护模块
过电流保护是一种电源负载保护功能,以避免发生包括输出端子上短路在内的过负载输出电流对电源和负载的损坏。出现过流时,控制信号使PWM输出脉宽变窄,输出电压迅速下降,从而抑制电流。
3 软件设计流程
系统软件设计分为两大部分,包括输出检测及显示;功率因数检测。
设计流程如***4所示。
***4 设计流程
4 系统测试
4.1 测试方法
(1)设定不同输出电压值,测量实际电压输出;
(2)设定某一固定输出电压值,调节U2从15~19 V变化,测量实际电压输出。
(3)设定某一固定输出电压值和U2,调节负载,测量实际电压输出。
4.2 测试仪器
测试仪器有:单相自耦调压器;普通数字万用表;四位半数字万用表;60 MHz数字示波器(双通道)。
4.3 测试主要数据
4.3.1 输出电压
当电压U2=18 V,负载电流为0.5～2 A时,设定和实际输出的电压见表1。
4.3.2 功率因数
功率因数计算如下:
λ=U2I21cos φ1/U2I2= I21cos φ1/I2=
νcos φ1cos φ=cos 15°=0.96
式中:U2,I2分别为变压器副边的电压和电流有效值;I21为I2中的基波分量;φ1为U2和I21之间的相位差。为计算简单,这里用U2,I2之间相位差的余弦cos φ作为功率因数。
表1 输出电压的设定值和实际输出值
设定值 /V实际输出值 /V设定值 /V实际输出值 /V
3030.43434.1
3131.23535.2
3232.53636.7
3333.6
4.3.3 电压调整率
输出电压设定值为36 V,当U2=15 V,Io=2 A时,Uo=35.7 V;当U2=17 V,Io=2 A时,Uo=35.8 V;当U2=19 V,Io=2 A时,Uo=36.0 V;电压调整率σv≤0.2%。
4.3.4 负载调整率
设定U2=17 V,输出为36 V,则Io=0.2 A时,Uo=35.9 V;Io=2 A时,Uo=35.8 V;负载调整率σL≤0.3%。
5 结 语
通过测试的数据显示,该设计较好地完成了预期设计目标,功率因数高达95%以上,稳定性好。但也有一定的不足,如输出存在杂波,输出电压设定值与实际输出值的误差较大等,这些问题有待以后的研究中进一步改善。
参考文献
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功率计篇4
关键词：高效率；音频；功率放大器；PWM调制
中***分类号：TN722.75 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01
一、引言
音频功率放大器是指用于向扬声器提供功率的放大电路，是多级放大电路的最后一级。要求具有较高的输出功率和较大的输出动态范围，衡量其性能好坏的主要指标有频率特性、时间特性、信号噪声比、最大输出动态范围、最大功率和效率，其中最大输出功率和效率主要由功率放大器实现。传统的功率放大器主要有A（甲）类、B（乙）类、AB（甲乙）类和C（丙）类，一般的小信号放大都是甲类功放，其能量转换效率很低，理论效率最高才25%；乙类功放理想效率高达78.5%，但实际电路都要略加一点偏置，构成甲乙类，实际效率仅为50%左右；C类功放一般用在高频发射电路中，虽然效率可以更高，但电路复杂、音质更差，音频放大中一般都不采用。在汽车功放、笔记本电脑、手机等小型便携式音响设备的音频系统和专业超大功率功放场合，以上类型的功放因效率偏低不能令人满意。D（丁）类音频功率放大器是受高频脉宽调制（PWM）脉冲信号的控制，使其工作在开关状态，其理论效率为100%，实际可达80%～95%；其不足之处是易产生高频干扰及噪声，本文通过精心设计低通滤波器及合理选择元件参数，其音质效果完全能与A类线性功率放大器相比拟。
二、D类功放的构成
本文设计的D类功放由放大与增益控制电路、三角波发生器、比较器、开关放大电路和低通滤波器构成。输入的音频信号先经增益可变的放大器放大，并变换成大小相同、相位相反的差分信号。这两路信号分别与三角波发生器产生的三角波进行比较，比较器输出频率与三角波相同，但占空比与音频幅度对应的脉冲信号、音频信号的幅度与脉冲波的占空比成比例。两路信号驱动桥式互补高速开关电路，并用LC低通滤波器将高频成分滤除，最后在负载上实现功率合成，恢复音频信号。原理框***如***1所示。
三、基于三角波调制法的PWM调制原理
三角波调制法是建立在每个特定时间间隔能量等效于正弦波所包含能量的概念上发展起来的一种脉宽调制法。
为了得到接近于正弦波的脉宽调制波形，将正弦波的一个周期在时间上划成偶数N等份，每一等份的脉宽都是2π/N。这样就可以分别计算出在各个时间间隔中正弦波所包含的面积。在每一个时间间隔中，都可以用一个脉宽与之对应的正弦波所包含的面积相等或成比例，但其脉冲幅度都等于Um的矩形波电压脉冲来代替相应的正弦波部分。这样的N个宽度不等的脉冲就组成了一个与正弦波等效的脉宽调制波形。假定正弦波的幅值为Um，等效矩形波的幅度为Um，则各矩形脉冲波的宽度δi为：δi= = =
式中 ，i=1，2，3，…
βi是各时间间隔分段的中心角，也就是各等效脉冲的位置中心角。从中表明，由能量等效法得出的等效脉冲宽度δi与分段中心角βi的正弦值成正比。
用三角波调制，设三角波的频率f与正弦波的频率f之比为N（载波比），为使输出波形为奇函数，N应为偶函数。假定在正弦波大于三角波部分产生的脉冲中心位置在每一段脉冲的中心位置在每一段脉冲的中心位置，并以βi表示，则βi为：
上式说明，当在波比N固定，且N≥20时，在比较器输出端产生矩形脉冲，其宽度正比于正弦波和三角波幅度之比，也正比于段中心角βi的正弦值。如***2所示。
四、各功能模块的设计
传统的PWM方案是采取两路输出脉冲相位相反的方式，无信号输入时，输出负载为扬声器。不加滤波器时，零输入时的负载电流较大，导致负载上的损耗大，降低了放大器效率。而本文设计的D类功放则是使每路输出电压仍从0V至VDD，无信号输入时，两路的输出电压同相，通过负载的电压近似为0V，此时负载电流极小，从而静态功耗很小。
（一）三角波发生器电路
音频信号范围是20Hz～20KHz，如果三角波频率选择较低，对无源LC低通滤波器的元件要求就高，结构复杂。频率较高，输出波形的锯齿小，更加接近原波形，而且可以用低数值、小体积和精度要求相对差一些的电感和电容来制成滤波器，造价相应降低。但此时晶体管的开关损耗会随频率上升而上升，无源器件中的高频损耗、射频的聚肤效应都会使整机效率下降。过高的调制频率还会出现射频干扰，所以调制频率也不能高于1MHz。同时，三角波形的形状、频率的准确性和时钟信号的抖晃都会影响到以后复原的信号与原信号不同而产生失真，故取三角波的频率为150KHz。选用了双运放NE5532构成三角波发生电路，如***3所示。
U2A与R5组成施密特触发器，U2B与C组成积分电路。施密特触发器实际上由一电压比较器组成，其产生的方波高电平电压为+，低电平电压为0，积分电路的输入为方波时，输出是一上升速率与下降速率相等的三角波。对于***所示电路参数，有：
三角波输出幅度为：VOUT=VCCR2/R5=0.45V
三角波输出频率为：f=R5/（4R1R2C）=159KHz
（二）放大与增益控制电路
该电路将输入的单端音频信号转换为相位相反的双端信号，使用高精度低漂移的运放TL062来实现，如***4所示。
（三）PWM控制器
PWM控制器对音频信号的调制，是以音频信号为基准信号，与频率为150KHz左右的三角波进行比较，得到占空比随音频幅度变化的脉冲信号。为了使电路能在低电压功耗下工作，选用了LM393作为比较器，其正常工作电压可以低到2V，且功耗小，驱动能力强。LM393的3、5脚为音频信号输入端，分别输入放大与增益控制电路输出的相位相反的音频信号。输入音频信号电压为0时，输出占空比小于50%的脉冲波。输入信号电压为正时，一路输出为占空比大于50%的脉冲波，另一路输出占空比小于50%的脉冲波；输入信号电压为负时，则相反。PWM控制器在IN1输入为正时的输出脉冲波形如***5所示。
（四）高速开关H桥电路
由于工作在开关状态，输出管的功率损耗极低，效率可以达到很高。对功放管的选择主要考虑开关响应和饱和压降，饱和管压降小不但效率高，功放管的散热结构也能得到简化。电路如***6所示，经调制后的信号从IN1和IN2输入，T5～T8为前级驱动电路，选择9012、9013对管，其驱动电压较大，完全可以驱动VMOS管IRF9540及IRF540。VMOS管的开关速率极高，开启电压高，抗干扰能力强。该电路为桥式推挽输出，RL为8Ω的假负载。当音频电压为正时，OUT1、OUT2对地输出波形和负载两端电压波形如***所示。当音频信号为一正弦波时，其脉冲宽度随音频电压的增大而变宽。当音频电压为负时，VOUT1占空比小于50%，VOUT2占空比大于50%，所以为一负脉冲波，其脉冲看度随负载音频电压绝对值的增大而变宽。当音频电压为0时，VOUT1和VOUT2占空比均为50%，所以VRL=0，无电流通过。
（五）信号变换电路
电路要求增益为1，将双端变为单端输出，运放选用宽带运放NE5532，电路如***7所示，由于功放的带负载能力很强，故对变换电路的输入阻抗要求不高，选R1 = R2 = R3 = R4 = 20KΩ。其增益为Au = R3/R4 =1，其上限频率超过20KHz的指标要求。
还有一个与音质有很大关系的因数就是位于驱动输出与负载之间的无源滤波器。该低通滤波器工作在大电流下，负载就是音箱。实际证明，当失真要求在0.5%以下时，用二阶Butterworth最平坦响应低通滤波器就能达到要求。如要求更高则需用四阶滤波器，这时成本和匹配等问题都必须加以考虑。
参考文献：
[1]蔡明生.电子设计[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]黄继昌.数字集成电路应用300例[M].北京：人民邮电出版社，2001.
[3]陈国呈.PWM逆变技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2007.
功率计篇5
【关键词】频率计；等精度测量；单片机
引言
频率计和信号源是常用的电子设备，广泛应用于电子测量、通讯和教学等领域。频率计的基本功能是测量正弦信号、方波信号及其他变化的物理量在单位时间内变化的频率，而信号源的功能则是提供各种频率的函数信号。随着数字电子技术的发展，频率测量成为一项越来越普遍的工作，测频原理和测频方法的研究正受到越来越多的关注。
早期的频率计采用测频法或测周法测量频率，通常由组合逻辑电路和时序电路等硬件电路组成，产品体积大、运行速度慢、测量精度不高，而现在市面上较为流行的频率计虽然在测频性能上有很大提高，但通常价格昂贵，同时功能相对单一，如频率测量和信号源分开，存储功能不完善等，不适合广大初学者的实际需求。
1.传统频率测量方法
1.1 测频法
由控制电路产生测频所需的满足一定时序关系的闸门信号、清零脉冲信号和锁存脉冲信号。当频率计正常工作时，宽度为1s的闸门信号作为计数器的时钟使能信号，则被测信号作为计数器的时钟输入。当闸门信号为高电平时，计数器即开始计数；当闸门信号为低电平时，计数器即停止计数，则1s的闸门时间内计数器的计数值即为被测信号的频率。同时，为了保证测评准确，在每次闸门信号开通前提供给计数器一个清零脉冲信号，让计数器处于零状态，保证计数器每次都从零开始计数。
如果计数器的输出直接译码显示，则在闸门信号为高电平期间，频率计的显示将会随着计数值的增加而不断变化，不断闪烁，人眼将难以分辨。为了防止这种现象，在计数器和译码、显示 之间增加一锁存电路。只有当计数器停止计数后（闸门信号由高变低后），才将计数值锁存并译码显示。为了防止显示闪烁，锁存信号的周期必须大于人的视觉滞留时间（约为0.1s）。
1.2 测周期法
将被测量信号经过整形后转换成方波信号，利用单片机查询两个上升沿，在此期间根据晶体振荡器产生的周期为 Tc的脉冲送计数器进行计数，设计数值为N，则得被测量信号的周期值Tx=Tc×N，然后取其倒数即为被测量信号的频率。
1.3 等精度测量法
2.具体模块电路设计
（1）根据上述系统分析，本系统设计包括以下几个模块电路：单片机微处理电路、宽带信号放大电路、信号整形电路、双路切换电路、10分频电路、显示电路、存储电路、分频驱动电路1和分频驱动电路2。总体框***如***2所示。
（2）各模块设计与功能如下：
1）单片机微处理电路
本电路的主芯片是AT89S52单片机，它是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器、ISP Flash存储单元、32位I/O口线、看门狗定时器、2个数据指针、3个16位定时器/计数器和一个6向量2级中断结构，功能强大的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
2）宽带信号放大电路、信号整形电路
宽带信号放大电路的功能是对待测信号进行放大处理，降低对待测信号幅度的要求。型号整形电路是对一些不是方波的待测信号转化成方波信号，便于测量。
为了简化设计，本设计让输入信号先经过一个模拟电路进行信号的放大处理，兼顾了高频和低频信号，然后用芯片74HC14充当比较器，把信号转换为0和1的数字信号。原理***如***3所示。
3）双路切换电路
为了实现同时测量两路信号，设计了双路切换电路，如***4所示。其工作原理为：当选择端信号为低电平‘0’时，芯片74HC00的 Y1口输出为高电平‘1’，Y2口输出为信号2的非，经过与非门（A3 B3 Y3）后，Y3口输出为信号2；当选择端信号为‘1’时，Y2口输出为高电平‘1’，Y1口输出为信号1的非，经过与非门（A3 B3 Y3），Y3口输出为信号1。
4）10分频电路
10分频电路如***5所示。本电路采用74HC390异步双二―五―十进制加法计数器实现分频。内有两组计数器，每组计数器由两个计数器组成，1个一位二进制计数器和1个五进制计数器，它们可以单独计数，但清零时同时清零。 二进制计数器：A时钟，QA输出 ；五进制计数器：B时钟，QD，QC，QB输出 。信号从4端口输入，每记满五个数从6端口输出一个数送入端口12，再次记满五个数时从端口10输出一个数送入端口1，记满两次时从端口3输出一个数送入15，再次记满两次时从13口输出。即每当输入端输入5*5*2*2个数时，输出端输出一个数，也就是实现了100分频。
3.实验测试结果
此外，我们对两路信号的输出频率进行了测量，其频率分别为1K和1M，没有误差。
4.结束语
本频率计的测量范围是1Hz～10MHz，自带量程自动切换，1KHZ、1MHZ标准方波信号源功能。可以同时测量两路信号的频率。具有成本低、精度高、多功能等优点。可广泛应用于实践教学、电子制作和生产流水线。具有广阔的市场潜力。
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社.
[2]莫琳.基于FPGA的等精度频率计的设计与实现[J].现代电子技术，2004（10）：81-88.
功率计篇6
【关键词】Burg算法；AR模型；功率谱估计
1.引言
现代信号分析中，对于常见的具有各态历经的平稳随机信号，不可能用清楚的数学关系式来描述，但可以利用给定的N个样本数据估计一个平稳随机信号的功率谱密度叫做功率谱估计（PSD）。功率谱可以分为经典功率谱估计（非参数估计）和现代功率谱估计（参数估计）。
由于经典谱估计中将数据工作区以外的未知数据假设为0，这相当于数据加窗，导致分辨率降低和谱估计不稳定。而现代谱估计则不再简单地将观察区外的未知数据假设为0，而是先将信号的观测数据估计模型参数按照求模型输出功率的方法估计信号功率谱，回避了数据观测区以外的数据假设问题，可以看出现代谱估计性能优于经典谱估计。
基于参数建模的功率谱估计是现代谱估计的重要内容，其目的就是为了改善功率谱的频率分辨率，它主要包括AR模型、MA模型、ARMA模型，其中基于AR模型的功率谱估计是现代功率谱估计中最常用的一种方法，这是因为AR模型参数的精确估计可以通过解一组线性方程求得，而对于从MA和ARMA模型功率谱估计来说，其参数的精确估计需要解一组高阶的非线性方程。在利用AR模型进行功率谱估计时，必须计算出AR模型的参数和激励白噪声序列的方差。
这些参数的提取散发主要包括自相关法、BURG法、协方差法、改进的协方差法以及最大似然估计法。
本文对Burg算法进行分析，给出Burg算法的AR模型参数，在此基础上通过对Burg算法中的反射系数进行加权运算以求得更理想的结果，并进行基于AR模型的功率谱估计仿真研究进行验证。
2.基于AR模型的功率谱估计和参数算法提取
2.1 AR Yule-Walker方程模型的建立
AR模型，又称为自回归模型，是一个全极点的模型，可用如下差分方程来表示：
2.2 AR模型参数提取算法.
2.2.1 Burg算法
Burg算法是通过使序列x（n）的前向预
测和后向预测误差功率之和（使得取值最小）：
第四步：由（9）Levinsion递推关系，求出阶次m=2时的AR模型，参数和以及p：
第五步：重复上述过程，知道阶次m=p，这样就求出了所有的阶次的AR模型参数。
2.2.2 本文提到的改进型Burg算法
Burg算法中反射系数pm是从前向和后向预测误差直接求得的。由于前向和后向误差本身的估计误差，使得pm的估计误差增大。若采用对前向和后向预测误差进行加权运算，则可使pm的估计精度得以改善。
现将前向和后向预测误差定义式重新写出如下：
3.算法仿真
3.1 Burg法中的功率谱估计
3.2 本文中提到的改进型Burg法功率谱估计
4.结束语
根据计算机的模拟表明，本文所提出的改进型的Burg算法可以消除谱线***现象，且比Burg算法具有更高的频率分辨率。
参考文献
[1]罗丰，段沛沛.基于Burg算法的段序列谱估计研究[J].西安电子科技大学学报（自然科学版），2005，724-728.
[2]姚天任，孙洪.现代数字信号处理[M].武汉：华中理工大学出版社，1999：121-125.
[3]彭秀艳，门志国.变步长LMS算法相空间重构的AR模型预报仿真[J].计算机仿真，2013，28-31.
功率计篇7
关键词：功率因数校正；UCC28019；BOOsT；MC9S12XS128
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.014
1 系统方案
本实验平台主要由BOOST升压电源模块、功率因数采集模块、单片机运算模块、功率因数校准及设定模块、电源模块组成，系统设计框***如***1，下面分别讨论各模块电路选用的基础。
1.1 电源模块
采用BOOST拓扑结构的开关电源。该拓扑具有电路简单、电源侧电流波动小等优点，同时也可让学生充分体验开关升压电路的技术特点和重要设计参数，了解电感手工制作过程。相比于推挽拓扑，本设计结构简单，且更适用于小功率型电源。
1.2 功率因数采集模块
本方案采用电流互感器、电压互感器采集电流电压相位信息，经过放大等处理后由单片机算得相位差，进而求解功率因数，与集成计量芯片ATT7053芯片方案相比较，本方案具有良好的电气隔离性能、成本低，且对原电路影响小等优点。
1.3 功率因数校准及设定模块
UCC28019是德州仪器公司生产的专用功率因数校正芯片，芯片接口简洁，且具有自动功率因数校正的功能，可完美与BOOST电路配合使用，完全解决了用软件设定开关管关断延迟而导致的不确定因素，提升了电路稳定性。
2 电路与程序设计
2.1 功率因数校正模块设计
功率因数校正部分基于UCC28019设计，主要分为输入继电保护部分、BOOST电路功率变换部分、UCC28019周边电路、IRF540功率MOS开关管及驱动电路、输出反馈电路。其中，继保部分利用单片机检测到的输出电流电压值控制继电器开断，对系统异常做出处理，设定为输出电流大于2.5A保护；BOOST电路部分设计为输出额定电压36V，并且采用了二极管阻容电路对尖峰电压进行抑制：UCC28019周边电路参考德州仪器给出的设计手册，结合实际需要进行修改；由于系统功率不超过100W，电流也较小，故采用MOS管进行开断，节约了开关驱动部分成本，IRF540也具有导通阻抗小的优势，有利于提升系统的效率；反馈电路采用电阻分压的方案，使用抗温飘性能好的精密电阻，保证系统稳定工作，且设置电位器改变输出电压值以胜任不同需求。电路原理设计如***2。
2.2 功率因数测量模块及程序设计
系统设计了功率因数测量单元，用于实时测定功率因数，同时判定是否需要发出继电保护信号，功率因数测量模块设计框***如***3。
功率因数采集单元安装互感器测量电流电压信号，用OP07及LM358构成放大跟随电路，互感器得出的信号可以放大到单片机内部AD可以直接采集的大小，而后直接交由纹机处理。小信号处理部分原理***设计如***4所示。
本系统采用Freescale的MC9S12XS128单片机，完成功率因数测量，并实现电压、电流等动态参数显示，同时通过测得电流值快速实现过流保护等功能。采集及继电保护软件流程如***5。
3 测试方案与测试结果
3.1 测试方案
首先上电调试反馈电路使系统稳定工作，而后依次测试电路电压调整率、负载调整率、效率等参数。测试前保证设定输出电压为36V，输出电流为2A额定状态，测量输入电压在20-30V间变化时的输出电压得出电压调整率并计算效率，同时记录系统功率因数。而后，调整输出负载，使输出电压在0.2-2.5A间变化，测量输出电压变化，得出负载调整率，同时验证系统在电流超过2.5A时是否可以自行保护。
3.2 测试结果及分析
测试数据如表1、表2所示。由数据得出系统电压调整率不高于0.5%，负载调整率不高于0.5%，效率等参数不低于95%，功率因数不低于0.95。可实现过流保护，保护电流为2.5A。
功率计篇8
关键词：客户，功率因数，影响，电费
Study on the relationship between tariff and power factor
YOU Shihong
Jiangsu Zhangjiagang Power Supply Company,City 215600
Abstract: Base on the Policy of Tariff Regulation by Power Factor;This paper study the relationship between tariff and power factor. According to the policy, this paper takes the client whose power factor criteria is 0.9 on as the object of the research. The influence coefficient that power factor adjust tariff is concluded. The conclusion shows, if power factor between 0.95 and 1.0, the client would pay the least tariff.
Key words: client; power factor; affect; tariff
中***分类号：F470.6 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
水利电力部、国家物价局《功率因数调整电费办法》（[83]水电财字第215号）文件规定了功率因数的标准值及其适用范围，拟订了电费的调整标准。根据这一办法，参与功率因数调整的客户电费包括功率因数调整电费。客户需要根据自身实际用电情况，在用电侧加装无功补偿装置。
由于功率因数大小对电网运行、客户电费存在影响，部分学者对影响情况进行了分析。文献[1]分析了功率因数调整电费现状及存在问题，分析了影响客户功率因数的因素，提出了功率因数考核标准的确定模型，研究了功率因数调整电费奖惩方式与力度。文献[2]分析了现有功率因数考核中存在的一些问题，探讨了分时段功率因数考核的新方法，通过案例分析得出功率因数分时段考核具有更好的实时性，能够更公正地评价客户的无功管理的结论。但这些研究并没有分析功率因数与考核标准偏差对客户电费的影响。
1 功率因数对电费影响的数学模型
为更好地研究功率因数对电费的影响，以考核标准值为0.9的客户为例建立研究模型。假定计量点电压为U，电流为I，功率因数为，使用时间为T，电费单价为D，在时间T内发生的电费总额为W。根据功率因数考核办法可得到如下计算式：
对上式进行归并，可简化为：
（1）
2 功率因数对电费的影响分析
上式（1）为功率因数对电费的影响的数学模型。因电压U、电费单价D、使用时间T不变，对式（1）进行如下分析：
2.1 假定电流I不变，根据代入法，可得出功率因数对电费W的影响系数K，如表1所示。从表1可知，在电流I不变的情况下，功率因数越大，应交电费W越多。
表1 电流I不变，功率因数对电费的影响系数表
以上分析基于电流I不变的基础上，不符合实际用电情况。实际上，在用电设备一定的情况下，根据能量守恒定律，电流I的有功分量保持不变。因此，电费W不会因功率因数的减小而导致电费减少。
为便于进一步分析电费W与功率因数的关系，将电流I分解成有功分量和无功分量。向量***如***1所示。
***1 电流I分解示意***
2.1 假定有功电流不变，由于，代入后，式（1）可进一步简化为：
（2）
由上式（2）可知，在不变的情况下，功率因数时，电费W保持不变。功率因数时，数值越小，应交电费W越大。
表2 有功电流不变，功率因数对电费的影响系数表
供电系统示意***如***2所示。计量点输入的有功电流为，无功电流为，无功补偿设备输出的补偿电流为，用电设备消耗的有功电流为，无功电流为。根据基尔霍夫电流定律，可得到如下公式：
（3）
从式（3）可知，用电设备的有功电流均通过计量点输入。在用电设备无功电流一定的情况下，无功补偿设备输出的无功电流越大，通过计量点输入的无功电流越小。由此可见，以有功电流不变为基础的分析符合实际用电情况。
***2 供电系统示意***
***3 电流不变，功率因数对电费的影响系数变化趋势***
3结论
从以上分析可知，有功电流不变，计量点功率因数与电费的关系为：
时，电费W减少0.75%；
时，每提高0.01，电费W减少0.15%；
时，每减小0.01，电费增加0.5%；
时，每减小0.01，电费增加1.0%；
时，每减小0.01，电费增加2.0%。
从以上研究情况可知，大工业客户应加强无功补偿设备管理，将计量点功率因数保持在0.95-1.0之间，使得电费支出最少。
参考文献：
[1]郭琳霞,程瑜,张粒子,黄海涛. 功率因数调整标准研究, 2008年中国国际供电会议论文集[C]. 1-4.
[2]潘恒,丁晓,徐爱华,陆伟伟,万秋兰. 用户无功考核新方法研究[J]. 电力需求侧管理,2009(3):19-22.
功率计篇9
关键词：数字音频功率放大器；NBDD；Dead-Time；开关放大器
中***分类号：TN727 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 10-0000-01
High Efficiency Digital Audio Power Amplifier Design
Dai Changnan
(Hunan People’s Radio Station,Changsha411102,China)
Abstract:Digital audio power amplifier has the characteristic of small volume,light weight and high efficiency,but the components don’t work on ideal condition in reality,so for improving the efficiency of digital amplifier further,through adopting NBDD technology to PWM design,and applying Dead-Time to switching amplifier,this paper proposed an optimize design of high efficiency digital audio power amplifier,which minishing distortion,reducing LPF order,and improving S/N.
Keywords:Digital audio power amplifier;NBDD;Dead-Time;Switching amplifier
近年来，随着数字化优势的体现，很多尚未数字化的领域正在逐步加入到数字化的行列中来。数字化处理后的语音信号在到达模拟功率放大器之前，必须进行D/A转换，以便被功率放大器放大，因此从完全数字化的进程看，功率放大器数字化模式势在必行。
功率放大器通常根据其工作状态分为5类：即A类、AB类、B类、C类和D类。其中，前4类均可直接采用模拟音频信号直接输入，放大后将此信号用以推动扬声器发声。D类放大器比较特殊，它只有通和断两种状态，因此它不能直接输入模拟音频信号，而是需要某种变换后再放大。
数字音频功率放大技术就是采用了全新的放大体制，功放管工作于D类开关状态，与传统模拟功放相比，具有体积小、功率大，与数字音源无缝结合、能有效降低信号间的传递干扰、实现高保真等优势，具有广阔的发展前景。
本文提出了高效数字功率放大器的优化设计方案，将双边带三电平自然采样法（NBDD）脉宽调制技术引入数字功放的脉宽调制设计中，降低了低通滤波器设计阶数、改善了信噪比；通过将Dead-Time技术引入开关放大器的设计中，减小了开关放大器的串通损耗和漏源电容损耗。
一、优化方案实现原理
此方案采用的是两个***的通道，可单独、同时完成信号的数字处理和功率放大，并可桥接成一个通道进行信号的数字处理和功率放大。每个通道工作在半桥工作模式下，又可桥接成全桥工作模式进行工作。其实现原理如***1所示。
***1.高效数字功率放大器原理***
输入的模拟音频信号首先经隔离放大器进行放大，同时进行低通滤波。低通滤波器采用的是二阶Butterworth低通滤波器，截止频率37kHz，3dB带宽22kHz。滤波过后的信号与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器进行误差放大，输出放大的误差音频信号。将放大的误差信号和载波信号送到脉宽调制器，进行NBDD调制产生PWM信号。载波信号是由三角波发生器产生的高线性度的模拟三角波信号，频率为230kHz-280kHz可调。PWM信号插入死区时间（Dead-Time）后送到浮动电源和自举相结合的驱动器进行预放大，放大了的PWM信号驱动由场效应管组成的半桥开关放大器进行功率放大，输出功率PWM信号。经开关放大器放大的PWM信号被采样作为反馈信号送到误差放大器。功率PWM信号送到低通滤波器还原出模拟音频信号。当需要桥接单通道输出时，只需在两半桥输入端送入等幅反相的音频信号，并将负载接于两半桥输出端即可。为了增加模块的可靠性，设计时同时考虑了各种误操作对模块造成的损坏，并提供了故障指示功能，帮助整机及时准确查找问题，便于模块进行维修。
二、结语
本文采用NBDD调制方式对音频信号进行脉宽调制采样，加入Dead-Time后，再经由浮动电源和自举相结合的驱动方式对脉宽调制信号进行放大，放大了的脉宽调制信号驱动半桥工作模式下的开关放大器进行功率放大，实现了高效率数字音频功率放大器的优化设计，在方案设计中所采取的各种优化设计取得了一定的效果，分析计算方法合理可行
参考文献：
功率计篇10
关键词：大功率数码管； 驱动电路；MC1413； 优化设计
中***分类号：TN7934文献标识码：A文章编号：1004373X(2012)06019203
Optimal design of high power LED driving circuit
ZHONG Jiuming, WEI Jiande, LIU Hanjun
(School of Physic and Electronic Engineering, Hainan Normal University, Haikou 571158, China)
Abstract： The power consumption of high power LEDs is analyzed and calculated. It is pointed out that high power LED driving circuit can not be driven directly by 7segment decoder, but should be specially designed. Taking a 5 inch LED as an example, its decoder driving circuits are compared and studied. The result shows that the driving circuit based on MC1413 is the optimal one among various driving circuits. Some experimental circuits were designed. The experiment results prove the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the proposed methods.
Keywords： high power LED; driving circuit; MC1413; optimal design
收稿日期：201110100引言
数字系统大多需要进行数码显示，而显示器是进行数码显示不可或缺的组成部分［1］。各种节日庆典、文娱等户外大型活动中，经常采用大功率数码进行显示器［23］。然而，大功率数码管驱动困难，系统的热稳定性和抗干扰能力较差［4］。同时，系统的过压、过流和瞬间掉电保持需进行专门的电路设计，而使系统更加复杂，也降低了系统的稳定性和可靠性，从而大大限制了数码管的广泛应用［5］。本文针对大功率数码管的驱动问题，以5英寸数码管为例，对其功耗进行了分析和计算，设计了各种译码驱动电路并进行了对比研究，对驱动电路进行了优化设计。进行了样机设计，实验结果验证了理论分析的正确性和所提出方法的可行性。
1数码管的译码驱动电路
1.1典型的译码驱动电路
数码管按照其工作原理的不同有共阴和共阳两种，对应共阴和共阳两种常用的译码器，而对于高压大电流数码管的驱动，由于常用的译码器无法满足其驱动要求，因此，一般采用共阳数码管并采用对应的共阳译码器驱动，例如常用的74247译码器，其驱动电路如***1所示。
***174247驱动共阳数码管电路***其中VCC接芯片系统电源（一般为+5 V），VDD另接***的高电压大电流电源，例如，对于5英寸数码管，其驱动电压大约为15 V。该电路从原理上来看是正确的，但是稳定性极差，特别是长期连续工作时性能更不稳定，原因在于译码器74247无法满足大功率数码管的驱动要求。
1.2驱动功率计算
下面以5英寸共阳数码管为例，进行驱动功率的计算。假设一数码管用于某一秒电路个位的显示，并设该数码管每一段的正常工作电流为ID。正常工作时，若其显示数字“0”，则应有其中6段被点亮，显然，此时1 s之内数码管的工作电流为6ID，类似的可以计算出显示其他数字时的工作电流，其工作电流波形如***2所示
***2数码管工作电流波形由***2可以计算出数码管工作电流的平均值为:IAV=1N∑N－1j=0Ij=5ID(1)类似地，可以计算出数码管工作电流的有效值为:I=1T∫T0(I2j)dt=1N∑N－1j=0I2j=5.22ID(2)查询相关数据手册便可知每一种型号数码管每一段的正常工作电流ID，由式（1）和式（2）便可计算出该数码管工作于秒电路个位时的平均电流和有效电流。以S50013B型5英寸共阳数码管为例，查设计手册可知，每一段的正常工作电流为ID为60 mA。
由式（1）和式（2）知，该数码管工作于秒电路个位时的平均电流和有效电流分别为300 mA和313.2 mA。
1.3稳定性分析
由***1的典型驱动电路可知，数码管正常工作所需的功率由外电源VDD提供，例如，使一个位于秒电路个位的S50013B型5英寸共阳数码管正常工作，电源VDD需提供的电流是313.2 mA。表面看来，只要电源VDD的功率足够大，***1所示的电路便可正常工作。其实不然，仔细分析***1的工作原理，不难看出，数码管每一段的工作电流虽然均由电源VDD提供，但是该工作电流同时也全部灌入到译码驱动器74247内部。一片译码驱动器74247正常工作时可承受的灌电流能力是40 mA，而一个位于秒电路个位的S50013B型5英寸共阳数码管正常工作时，灌入芯片74247的平均电流和有效电流分别为300 mA和313.2 mA，均远大于芯片74247的灌电流承受能力。
可见，大功率数码管，如S50013B型5英寸数码管，不能简单地用7段译码器进行驱动，而应进行专门设计。
2译码驱动电路设计
根据以上分析，大功率数码管的驱动电路必须进行功率放大设计。
三极管共射放大电路是常见的功率放大电路。同时，为了加强电路的抗干扰性和稳定性，三极管放大电路与光耦隔离电路结合起来使用是较为理想的选择。考虑到大功率数码管每一段的工作电流均比较大，因此，应该对数码管的每一段驱动电流均进行放大，以数码管的一段（a段）为例，其驱动放大电路如***3所示
***3三极管光耦放大驱动电路由于光耦不仅具有隔离作用，还具有一定的电流放大功能，因此***3所示的放大驱动电路具有较大的电流放大倍数，同时，具有较好的抗干扰性。但是，由于一个数码管有7段，因此一个大功率数码管需要7个如***3所示的放大电路，势必增加系统的复杂性，从而大大降低系统的可靠性。需要指出的是，采用三极管光耦放大电路来驱动大功率数码管，选用共阴译码器（如74248）和共阴型数码管较为方便。
为了简化电路设计，也可采用CMOS系列的译码器CD4511［6］。它具有BCD转换、消隐和锁存控制、7段译码及较大的驱动电流。可直接驱动较大功率的共阴型数码管。该方案虽然电路设计较为简单，但是，采用CD4511译码时数码管显示的数字“6”和“9”不够美观。
为了实现大功率数码管驱动电流的放大，同时也使数码管显示的数字美观规范，本文提出一款基于驱动器MC1413的大功率数码管驱动电路设计。
MC1413是高耐压、大电流达林顿陈列反相驱动器，由7个硅NPN 达林顿管组成，每一对达林顿都串联一个2.7 kΩ的基极电阻,在5 V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。MC1413输出还可以在高负载电流并行运行，因此，接口电路连接比较简单。
采用MC1413的大功率数码管驱动电路原理***如***4所示。***中VCC接5 V的芯片电压，VDD接数码管的工作电源电压，例如供5英寸共阳数码管的15 V电压。由于采用的是74248译码器，与CD4511译码器相比，数码管显示的数字比较美观。同时，由于MC1413工作电压高，工作电流大，灌电流可达500 mA，并且能够在关断时承受50 V 的电压［7］，故可直接驱动功率数码管而无需进行电流放大，从而既保证了驱动功率的要求，也大大简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
可见，采用***4所示的MC1413驱动电路，电路结构简单、稳定可靠，是驱动大功率数码管的理想器件。
***4采用MC1413的驱动电路3结语
这里设计了一款计时电路，实现秒、分和小时的计时。秒发生电路由NE555实现，采用了6只S50013B型5英寸共阳数码管分别进行秒、分和小时的数字显示，译码驱动电路采用大功率驱动电路，由MC1413实现5英寸数码管的驱动。
经长时间连续试验测试，该样机电路工作稳定可靠，电路芯片发热正常。为了进行对比研究，将数码管改由共阴译码器74248直接驱动。经长时间连续试验测试，此时样机电路工作极不稳定，电路芯片，尤其是74248严重发热。根据以上实验结果，可以得出以下结论：大功率数码管不能简单地用七段译码器直接进行驱动，其驱动电路必须进行功率放大设计；采用MC1413驱动大功率数码管，电路结构简单、稳定可靠，是驱动大功率数码管的理想器件。
参考文献
［1］康华光.电子技术基础数字部分［M］.北京:高等教育出版社，2002.
［2］郝云芳,郭涛.简单实用的高精度倒计牌设计［J］.电子元器件应用,2007(8):4550.
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［4］魏树峰.实用LED显示系统的设计与实现［J］.实验科学与技术,2011,9(3):12 13.