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电分论文
课题研究论文
论文题目:
闪光灯原理电路与电火花加工原理电路
作者姓名:
陈楠09213002
何悦09213009
专业班级:
自动化(铁道信号)0905
指导老师:
马玲
闪光灯原理电路与电火花加工原理电路
比较性研究
陈楠何悦
北京交通大学电子信息工程学院自动化(铁道信号)0905班
摘要:
分析对比了闪光灯原理电路和电火花加工原理电路,探究并总结了在分析对比过程中发现的问题,如电感对电火花加工电路的影响,同时在探究研讨过程中也存在发掘到但未能解决的问题,待以后能够有更进一步的解决。
关键词:
闪光灯电火花加工器电感电容电路分析
一、绪论:
基于对电路知识探索研究的学习渴望,我们选择了在生活中经常出现的闪光灯,还有离生活稍远,但却息息相关的电火花加工器作为了研究对象。
闪光灯是一种补光设备。
在昏暗情况下,由于没有足够的光,拍摄照片会很困难,曝光不足,这个时候获得的照片模糊且黑暗,为了满足摄影需求,闪光灯应运而生。
闪关灯因能发出的很高光强能够给被摄物体补光,以获得更明亮清晰地照片,成为了摄影师的重要帮手。
由于相机无法携带大型电源,所以没有办法提供高电压以供照明,因此就需要一个辅助的元件,而闪光灯的闪光时间又很短,所以该设备还需具有放电快这个特点。
电容就恰好具有两个特点,于是被很好的应用于闪光灯里了。
再说说电火花加工,电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。
随着工业生产的发展和科学技术的进步,具有各种不同特性的新材料不断出现,具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多,这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。
因此,人们除了进一步发展和完善机械加工方法之外,还努力寻求新的加工方法。
电火花加工法能够适应生产发展的需要,并在应用中显示出很多优异性能,因此,得到了迅速发展和日益广泛的应用。
电火花加工需要很高的温度,很强的电流,一般电源无法提供,于是电容也以它的特性被应用在电火花加工中。
所以,闪光灯和电火花都具有一个相同的关键元件:
电容。
电容,一种静态电荷存储介质,在现代生活的各个领域有非常广泛地应用,它是几乎所有电子产品中不可或缺的电子元件,它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等角色。
而在众多的电子产品中,最能体现电容的特性产品,莫过于闪光灯与电火花加工器了。
电容是一种最简单的电池,它充电快,容量大,再提供电的电源无法提供大额电压时,可以在短时间内充当电源,提供大额电压。
例如,一个抛弃式相机闪光模组由1.5VAA干电池充电,看似安全,但其中的电容可能会充电到300V,300V的电压产生的电击会使人非常疼痛,甚至可能致命。
这个例子足以说明电容的充电能力有多强大。
正是因为它充电能力强大,将其运用在闪光灯上,能够得到非常大的光强以保证正确曝光。
运用于金属加工,可以获得高温,可以再多种模式下进行快速或者精确地加工。
下面,我们就闪光灯和电火花加工的原理电路图进行分析。
二、闪光灯与电火花加工的电路原理分析:
(1)闪光灯电路原理分析:
见图1为闪光灯电路图
该图为闪光灯的原理图,图中用一个压控开关代替灯。
开关闭合后,闪光灯两端电压达不到额定值,处于开路状态。
此时,电池开始给电容充电,一段时间后,[1]电容两端电压达到最大值(Vmax),,灯导通并且电容开始放电,逼近戴维南电压。
一旦电容电压达到灯的终止电压(Vmin),灯将开路,电容又开始充电。
A、灯不导通时:
设开关闭合时间为:
t=0
三要素法求解该动态电路:
得到灯不导通时的动态方程为:
VL(t)=VS+(Vmin-VS)e-t/RC
充电时间为:
t0=RCln
B、当灯开始导通后:
灯导通后可以模拟为电阻RL
其中Vth=
联立两个关于
的方程可以解出Vmin与(t-t0),得到灯导通时间。
如此,闪光灯在正常状态下可以反复地充放电,多次使用。
(2)电火花加工电路
电火花加工电路图见图2
该图为电火花加工的原理图。
图中用一个压控开关代替加工的工具电极和工件。
[2]该电路是基于RLC串联电路暂态响应的原理而工作的。
工具电极和工件间绝缘介质的电阻式非线性的,当它没有被击穿时电阻近似为无穷大,但一旦电离击穿后其电阻降到接近于零,使电容上存储的电能瞬时放电,电容两端的电压便降到接近于零,工具电极和工件间绝缘介质迅速恢复绝缘性能而把放电电流切断。
以后电容将在极短的时间内重复上述过程。
由于该电路含有电容和电感两个动态元件,所以可以得到二阶微分方程:
=
得到特征根方程:
S2+
A、过阻尼的情况
B、临界阻尼的情况
+U0
C、欠阻尼的情况
+U0
根据实际值可求得电压在某时刻的具体值,作为分析的结果。
三、电路仿真:
(1)闪光灯电路仿真
给闪光灯电路赋给相应的合理数值用EWB进行电路的仿真,其电路图见图3。
图中R=1MΩVS=6V
C=10µFRL=20KΩ
根据公式计算充电时间为t0’=9.16s
放电时间为(t1-t0)‘=0.45s
分析节点3的电压Uc变化情况,得到仿真结果如下
由该图可以青春看到闪光灯两端电压的变化情况,我们可以清晰地看到闪光灯的充电时间非常长,速度稳定,而放电时间较短,降压下降很快。
图4-2图4-3为仿真的得到的数据
由图4-2可以清楚的得到闪光的充电时间
t0=x1-x2=24.5360-12.5623(s)=11.9737
由图4-3可得放电时间为
t1-t0=12.5623-10.5360=2.0263
我们注意到,仿真结果得到的时间长于理论计算值,并且,电容两端电压再降到零后没有停止,而是继续改变为一个负值,达到一定值后又开始放电充电过程,所以其充电时间与放电时间均长于理论值,这个问题将在文章的最后一部分进行分析讨论。
(2)电火花加工真电路仿真
给电火花加工电路赋给相应的合理数值用EWB进行电路的仿真,其电路图见图5。
其中R=60ΩU0=250V
C=1µFL=60mH
该情况下
>R
为欠阻尼的状况。
由初始条件可解得:
+250
分析节点3,得到电压图形如图6-1
由该图可以清晰看见,电容充电速度非常快,放电速度也极快。
下面是仿真
得到的数据图6-2
Vc=400.8405
V0=0
该结果与理论计算值基本一致。
另外,在仿真中我们多次改变了电阻R的大小,我们发现R越大,充电时间越长,R越小,充电时间越短。
原因是R的大小限制了电路中的电流,电流大小与R成反比,所以在R值较小时,充电时间非常短。
所以在设计电火花加工器电路时往往采用较小电阻,一来缩短充电时间,二来减小功率损耗。
所以本文不再讨论欠阻尼、临界阻尼,过阻尼三种情况的区别。
四、闪光灯与电火花加工器电路原理对比:
电火花加工器和闪光灯的仿真电路分别如图3和图5。
通过对比不难看出,电火花加工器的电路要比闪光灯的电路多出一个重要元件——电感,同时这也是个不可或缺的重要元件。
为了进一步探讨电感对电路产生的重要作用,不妨将电火花加工器电路中的电感去掉再次进行仿真分析。
分析如下:
a.首先我们将电路中的电感直接去掉,设定电压源为250V不变,压控开关的闭合电压为400.93V不变。
这时我们进行仿真发现:
V-T波形在电压达到250V之后,便平缓不再有任何变化,更不会出现电压的周期性起伏。
通过现象我们分析:
压控开关根本没有闭合,测得的电压则是电容器两端的电压,从0V开始以斜率逐渐变小的趋势上升至电源电压250V后趋于平缓。
于是我们做出了这样的假设:
压控开关两端的电压之所以能都达到400.93V远远超出压源电压250V,是电感成就的如此结果。
b.随之,我们将压控开关的闭合电压调为250V再次进行仿真。
此回仿真我们得到了预想的结果,图形和数据如下:
通过对上述图形和数据和分析,我们在原始假设上进行了进一步推论:
电感有效地阻止了电容的充电过程。
当电路接通后,电感便开始不断地储存大量的电流,随后才一点一点地供给给电容充电,正因如此,电容两端的最大电压才有可能超出压源电压达到电火花的击穿电压值。
c.为了进一步验证我们的推论,我们又将之前做过的电火花仿真波形与改装后的电火花的仿真波形进行了对比。
对比发现:
有电感时,电压随时间变化的斜率保持稳定。
无电感时,电压随时间变化的斜率逐渐降低。
于是我们验证了之前的推论:
电感在电源接通后储存电流随后平稳地供给给电容让其逐渐充电。
五、遗留问题的讨论:
让我们再次回到闪光灯的电路图和仿真结果。
在之前我们讨论闪光灯仿真结果波线图的时候发现:
仿真结果得到的时间长于理论计算值,并且,电容两端电压再降到零后没有停止,而是继续改变为一个负值,达到一定值后又开始放电充电过程,所以其充电时间与放电时间均长于理论值。
在这之后,我们在对电火花加工器进行仿真探索的过程中同样发生了类似的现象:
起初我们推测:
电压之所以能够达到负值,是因为在电容将电压全部放掉之后会因为惯性产生瞬间的反向“充电”。
为了验证我们的猜测,我们选择了没有电感的闪光灯电路进行了测试:
在原来电路的基础上加了一个二极管元件。
如上图。
仿真之后发现,电压依然存在负值。
由此可验证电压产生负值的原因并不是由电压反冲而造成的。
鉴于此次研讨没有足够的时间进行进一步的深度探究,这个问题将暂时作为遗留问题待以后进行更深层的解决。
六、结语
本次的课题研究虽然遇到了很多挫折,但在我们共同的努力的过程中,学到了很多书本给不了我们的知识。
我们在研究过程中,发现并解决的那些困难,哪怕只是一丁点的,都给我们带来巨大的成就感。
尽管我们的课题研究内容比较简单,研究深度还差很多,但这次课题的研究确实给了我们很多感受,也激发了我们做题得不到的学习兴趣。
我们期待下一次的课题研究,希望再接再厉,做得更好。
七、参考文献
[1] JamesW.Nilsson.电路[M].北京:
电子工业出版社2002.
[2]陈洪亮 .电路基础[M].北京:
高等教育出版社.2007
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