模块详解

1.电源电路

由于本设计要给555多谐振荡器及变压器的初级线圈提供12V供电电压，这里为了设计方便，直接用接线端子外接12V直流电源给系统供电，并运用LED来指示电源是否供电正常。电源电路如图6-3所示。

接口J1外接12V电源，SW1为开关，D4为电源显示LED，R4为限流电阻，防止损毁LED。

2.555多谐振荡器电路

本文设计的555多谐振荡器电路如图6-4所示。

由555芯片构成多谐振荡器电路，芯片1脚与6脚（2脚）之间的电容C1起到充放电的作用。在C1充电过程中，引脚3输出为高电平；在C1放电过程中，引脚3输出为低电平，因此得到方波信号，其振荡周期为

式中，T₁为电容充电时间；T₂为电容放电时间。从图6-4中可以看到，加入了二极管D1和D2，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，这时电容C1的充电时间为

放电时间为

所以方波的振荡周期为

则方波的振荡频率为

从上述可知，设定R₁为100kΩ，R₂为200kΩ，C₁为0.1μF，输出的方波信号频率约为48Hz，占空比为34%，小于50%，满足要求。

555多谐振荡器电路仿真如下。

首先仿真调试555多谐振荡器电路。如图6-5所示，在555芯片的输出引脚3处添加电压探针，在图中适当位置放置ANALOGUE仿真图表，且将指针“OUT”拖入图表。由前面分析可知，理论上555电路输出的信号频率为48Hz，即脉冲周期T约为21ms，所以设置图表停止时间为60ms（见图6-6），使其仿真后界面出现2～3个波形，以便于分析。

将鼠标指针放在图表上，按下空格键（或者将鼠标指针置于图表上，右击，选择“Graph-Simulate”菜单命令），即可进行仿真，555多谐振荡器输出波形如图6-7所示。

分析图6-7所示波形，可得脉冲周期T约为23ms，占空比约为30%，在误差允许的范围内，与设计目标相近。

3.达林顿管驱动变压器电路

达林顿三极管又称复合三极管，它将两只三极管组合在一起，以组成一只等效的新的三极管。达林顿三极管的放大倍数是两只三极管放大倍数之积。达林顿三极管可以看作一种直接耦合的放大器，三极管之间直接串接，没有加任何耦合元件。这样的晶体管串接形式最大的作用是：提供电路放大增益。

达林顿管的极性由前面的三极管决定，即图6-8（a）、图6-9（a）所示接法为NPN型达林顿管，图6-8（b）、图6-9（b）所示接法为PNP型达林顿管。前面的三极管的基极为达林顿管的基极，后面的三极管的发射极为达林顿管的发射极。

达林顿管具有放大倍数大（可达数千倍）、驱动能力强等优点，现已广泛应用于大功率放大器、开关电源、电动机调速、逆变等电路中。

达林顿三极管根据串接的三极管的类型分为两种：同极型达林顿三极管和异极型达林顿三极管。两只三极管同为NPN型，将前级三极管的射极电流直接引入下一级的基极，当作下级的输入，这种使用相同类型的三极管组成的达林顿管称为同极型达林顿管，如图6-8所示。使用不同类型的三极管组成的达林顿管称为异极型达林顿管，如图6-9所示。

接下来介绍变压器。变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器，是变换交流电压、电流和阻抗的器件。变压器可将一定电压的交流电变换为同频率的不同电压的交流电。变压器的主要部件由一个铁芯（或磁芯）和套在铁芯（或磁芯）上的线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，如图6-10所示。

与电源相连的线圈接收交流电能，称为一次绕组（或初级线圈、原边线圈），与负载相连的线圈送出交流电能，称为二次绕组（或次级线圈、副边线圈）。此变压器工作原理为：当对变压器的一次绕组施以交变电压U₁时，便在一次绕组中产生一个交变电流I₁，这个电流在铁芯中产生交变磁通Φ，因为一、二次绕组在同一个铁芯上，所以当磁通Φ穿过二次绕组时，便在变压器二次绕组中产生感应电动势E₂（即变压电压）。变压器中感应电动势的大小和线圈的匝数、磁通的大小及电源的频率成正比。

变压器中感应电动势的计算公式为

式中 E——感应电动势（V）；

f——电源频率（Hz）；

N——线圈匝数（匝）；

Φ——磁通（Wb）。

由于磁通Φ穿过一、二次绕组而闭合，所以一、二次绕组感应电动势分别为

两个公式相除得

式中，K称为变压器的变比，K=1的变压器称为理想变压器。

在一般的电力变压器中，绕组电阻压降很小，可以忽略不计，因此在一次绕组中可以认为电压U₁=E₁。由于二次绕组开路，电流I₂=0，它的端电压U₂与感应电动势E₂相等，即U₂=E₂。所以由上面的一、二次绕组感应电动势得

式（6-10）表明，变压器一、二次绕组的电压比等于一、二次绕组的匝数比，因此如果要一、二次绕组有不同的电压，只要改变它们的匝数即可。当N₁>N₂时，K>1，变压器降压；当N₁<N₂时，K<1，变压器升压。

对于已经制成的变压器而言，其K为定值，故二次绕组电压和一次绕组电压成正比，也就是说二次绕组电压随着一次绕组电压的升高而升高，随着一次绕组电压的降低而降低。但加在一次绕组两端的电压必须小于等于额定值。因为，当外加电压比额定电压略有超过时，一次绕组中通过的电流将大大增加，如果把额定电压为220V的变压器错误地接到380V的线路上，则一次绕组的电流将急剧增大，致使变压器烧毁。

把变压器二次绕组负载接通后，在二次绕组电路中有电流I₂流过，此时，称变压器负载运行。由于二次绕组中电流I₂也将在铁芯中产生磁通（即自感应现象），这种磁通对于一次绕组电流所产生的磁通而言，是起去磁作用的，即铁芯中的磁通应为一次、二次绕组中电流产生的磁通的合成。但在外加电压U₁和电源频率f不变的条件下，有近似公式

由式（6-11）可以看出，合成磁通Φ应基本保持不变。因此，随着I₂出现，一次绕组中通过的电流I₁将增加，这样才能使得一次绕组中的磁通一面抵消二次绕组的磁通，另一方面维持铁芯中的合成磁通不变。由此可知，变压器一次绕组电流的大小是由二次绕组电流I₂的大小来决定的。

从能量观点来看，变压器一次绕组从电源吸取的功率P₁应等于二次绕组的输出功率P₂（忽略变压器的线圈电阻和磁通的传递损耗），即

所以变压比为

由此可见，变压器一次、二次绕组的电流比与它们的匝数比或电压比成反比。例如，一台变压器的匝数N₁<N₂，是升压变压器，则电流I₁>I₂；如果绕组匝数N₁>N₂，为降压变压器，则电流I₂>I₁。也就是说，电压高的一边电流小，而电压低的一边电流大。

在仿真中，变压器采用TRAN-2P2S，目的是将12V脉冲信号升压到144V，变压比为1∶12。在实际电路中，采用功率为3W的音频变压器即可实现电路功能。

由图6-11可知，Q1为达林顿管2SD633，变压器的一次绕组上端接12V电源，下端接到达林顿管的集电极，二次绕组接到可变电阻器RV1再接到电压输出端J2，可变电阻器起到调节输出电压的作用，图中二极管D3起到保护电路的作用，达林顿管基极接1kΩ的电阻再接到555多谐振荡器的输出端，发射极接地。当555多谐振荡器引脚3输出为高电平时，达林顿管导通；当引脚3输出为低电平时，达林顿管截止。达林顿管还起到放大电流的作用，用来驱动变压器正常工作，变压器的二次绕组输出电压经过一个电位器接到接线端子J2，J2的两脚接两个探头，作为电疗仪。

达林顿管驱动变压器电路仿真如下。

由于Proteus元件库里没有2SD633，所以用普通NPN三极管代替。并且为便于仿真，对电路稍加修改，去掉电阻R3和可变电阻器RV1，如图6-12所示。添加脉冲信号Q1（B）作为输入信号，设置其幅值为1V，频率为50Hz，脉冲宽度为50%。

变压器的输入为0～12V的信号，为实现变压功能，使变压器输出信号升压到150V左右，设置变压器的升压比为1∶12。在变压器参数设置中，设置一次绕组电感（Primary Inductance）为1H，二次绕组电感（Secondary Inductance）为144H（12²=144），如图6-13所示。

输出采用模拟仿真图表（ANALOGUE ANALYSIS）显示。在变压器TR1输出端接两个电压探针，将其拖入图表中，使其在图表中同时显示。设置模拟图表仿真时间为0～100ms，如图6-14所示。

将鼠标指针置于图表上，按下空格键进行仿真（或者将鼠标指针置于图表上，右击，选择Simulate Graph选项，进行仿真）。达林顿管驱动变压器电路仿真结果如图6-15所示。

可以看到，输出波形周期为20ms，频率与输入信号的50Hz对应，两波形相减，幅值差为150V左右，实现了变压器的升压功能，电路功能正常。