李新会项目四调光台灯电路的制作与调试.docx
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李新会项目四调光台灯电路的制作与调试
项目四调光台灯电路的制作与调试
学习目标
1、知识目标
（1）识记晶闸管的图形符号。
（2）识记晶闸管的型号。
（3）能描述出晶闸管的导通和关断条件。
（4）会画出可控整流电路图。
（5）会画出桥式整流电路的电路图。
2、技能目标
（1）会制作调光台灯电路。
（2）会用相关仪器仪表对调光电路进行调试与测量。
（2）能识别常用晶闸管，能用万用表对晶闸管、单结管进行简单的检测。
工作任务
（1）识别检测晶闸管。
（2）画桥式整流电路的电路图。
（3）制作单结晶体管触发电路。
（4）
制作家用调光台灯，并选择仪器仪表对电路进行调试和检测。
调光台灯的方框图
整流电路——将交流电变成单方向的脉动直流电。
触发电路——给晶闸管提供可控的触发脉冲信号。
晶闸管——根据触发信号出现的时刻（即触发延迟角α的大小），实现可控导通，改变触发信号到来的时刻，就可改变灯泡两端交流电压的大小，从而控制灯泡的亮度。
导入
调光就是改变发光源的亮度，即调节发光源自身所消耗的功率。
传统的方法是通过串联的电阻的降压作用来改变加在光源两端的电压和通过光源的电流的大小。
虽然这样的方法可以改变光源的亮度，可是电阻本身也是一个耗能元件，即不能达到节能的目的。
本项目的主要任务就是通过晶闸管的独有特性达到即节能又调光的作用。
任务一晶闸管的识别与检测
1、任务描述
通过本任务的学习要能够画出晶闸管的图形符号，能说出晶闸管的导通与关断条件，并会使用万用表判断晶闸管的好坏和极性判别。
2、任务分析
本任务主要涉及到的知识点有：
1、单向晶闸管的结构与符号；
2、晶闸管的工作特性；
3、晶闸管的测试方法。
三、相关知识
知识一：
单向晶闸管的结构与符号
晶体闸流管又名可控硅，简称晶闸管。
是在晶体管基础上发展起来由三个PN结的一种大功率半导体器件。
它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。
晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。
由于晶闸管是大功率器件，一般均用在较高电压和较大电流的情况下，常常需要安装散热片，故其外形都制造的便于安装和散热。
晶闸管外形如图4-1-1所示，有小型塑封型（小功率）、平面型（中功率）和螺栓型（中、大功率）几种。
单向晶闸管的内部结构如图4-1-2（a）所示，它是由PNPN四层半导体材料构成的三端半导体器件，三个引出端分另为阳极A、阴极K和门极G。
单向晶闸管的阳极与阴极之间具有单向导电的性能，其内部可以等效为由一只PNP三极管和一只NPN三极管组成的复合管，如图4-1-2（b）所示。
图4-1-3是其电路图形符号。
做一做：
单向晶闸管工作条件测试
1、测试电路
按照下图要求连接电路：
（a）（b）（c）（d）
图4-1-3晶闸管导通试验
2、测试步骤
（1）如图4-1-3（a）所示电路中，晶闸管加正向电压，即晶闸管阳极接电源正极，阴极接电源负极。
开关S不闭合，观察灯泡的状态。
灯______（亮、不亮）。
（2）如图4-1-3（b）所示的电路中，晶闸管加正向电压，且开关S闭合。
观察灯泡的状态。
灯________（亮、不亮）；再将开关打开，如图4-1-3（c）灯________（亮、不亮）。
（3）如图4-1-3（d）所示电路中，晶闸管加反向电压，即晶闸管阳极接电源负极，阴极接电源正极。
将开关闭合，灯________（亮、不亮）；开关S不闭合，灯______（亮、不亮）。
实验总结：
晶闸管导通必须具备的条件是：
___________________________________________________________________________________________________。
知识二：
晶闸管的工作特性
1、晶闸管的工作原理
（1）正向阻断状态当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压而控制极不加电压时，管子不导通，称为正向阻断状态。
（2）触发导通状态当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时，如图4-1-2（b）若VT2管的基极电流为IB2，则其集电极电流为IC2；VT1管的基极电流IB1等于VT2管的集电极电流IC2，因而VT1管的集电极电流IC1为βIC2；该电流又作为VT2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。
在很短的时间内（一般不超过几微秒），两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。
当它导通后，控制极就失去控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。
此时阳极和阴极之间的电压一般为0.6~1.2V，电源电压几乎全部加在负载电阻上；阳极电流I可达几十~几千安。
（3）正向关断使阳极电流IF减小到小于一定数值IH，导致晶闸管不能维持正反馈过程而变为关断，这种关断称为正向关断，IH称为维持电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反向关断。
因此，晶闸管的导通条件为：
在阳极和阴极间加电压，同时在控制极和阴极间加正向触发电压。
其关断方法为：
减小阳极电流或改变阳极与阴极的极性。
2、晶闸管的型号及主要参数
图4-1-4KP系列参数表示方式图4-1-53CT系列参数表示方式
为了正确地选择和使用晶闸管，还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。
晶闸管的主要参数有以下几项：
1．额定正向平均电流IF
在规定的散热条件和环境温度及全导通的条件下，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值，称为正向平均电流IF，例如50A晶闸管就是指IF值为50A。
然而，这个电流值并不是一成不变的，晶闸管允许通过的最大工作电流还受冷却条件、环境温度、元件导通角、元件每个周期的导电次数等因素的影响。
工作中，阳极电流不能超过额定值，以免PN结的结温过高，使晶闸管烧坏。
2．维持电流IH
在规定的环境温度和控制极断开情况下，维持晶闸管导通状态的最小电流称维持电流。
在产品中，即使同一型号的晶闸管，维持电流也各不相同，通常由实测决定。
当正向工作电流小于IH时，晶闸管自动关断。
3．正向阻断峰值电压VDRM
在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的最大正向峰值电压，用VDRM表示。
使用时若电压超过，则晶闸管即使不加触发电压也能从正向阻断转为导通。
4．反向峰值电压VRRM
在控制极断开时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，用VRRM表示。
5．控制极触发电压VG和电流IG
在晶闸管的阳极和阴极之间加6V直流正向电压后，能使晶闸管完全导通所必须的最小控制极电压和控制极电流。
6．浪涌电流IFSM
在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大正向过载电流，此电流应不致使晶闸管的结温过高而损坏。
在元件的寿命期内，浪涌的次数有一定的限制。
做一做：
晶闸管的简易检测
对于晶闸管的三个电极，可以用万用表粗测其好坏。
依据PN结单向导电原理，用万用表欧姆挡测试元件三个电极之间的阻值，可初步判断管子是否完好。
如用万用表R×1kΩ挡测量阳极A和阴极K之间的正、反向电阻都很大，在几百千欧以上，且正、反向电阻相差很小；用R×10或R×100挡测量控制极G和阴极K之间的阻值，其正向电阻应小于或接近于反向电阻，这样的晶闸管是好的。
如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路，阴极与控制极间为短路或断路，则晶闸管是坏的。
用万用表R×1K档分别测量A—K、A—G间正、反向电阻；用R×10Ω档测量G—K间正、反向电阻，记入表4-1－1。
型号
平面图
1②间
电阻
1③间
电阻
2③间
电阻
A
G
K
质量
正向
反向
正向
反向
正向
反向
小结：
1、单向晶闸管的工作特点：
1）单向晶闸管的导通条件是阳极与阴极间加正向电压，同时在门极与阴极间也加上正向电压。
2）晶闸管一旦导通后，门极即失去控制作用。
要使导通后的晶闸管关断，可将阳极电压降低到一定程度或改变阳极电压的极性。
3）晶闸管具有以弱电控制强电的作用，即利用弱电信号（即触发信号）对门极的控制作用，就可使晶闸管导通去控制强电系统。
2、单向晶闸管的测试方法
1）极性的判断将万用表置于“R×1k”或“R×100”挡，如果测得其中两个电极的正向电阻较小，而交换表笔后测得反向电阻很大，那么以阻值较小的一次为准，黑表笔所接的就是门极G，而红表笔所接的就是阴极K，剩下的电极便是阳极。
2）质量的判断将万用表置于“R×10”挡，黑表笔接阳极，红表笔接阴极，指针应接近∞，如图7-7所示。
当合上S时，表针应指很小的阻值，约为60～200Ω，表明单向晶闸管能触发导通；断开S，表针回不到∞，表明晶闸管是正常的（有些晶闸管因为维持电流较大，万用表的电流不足以维持它导通，当S断开后，表针会回到∞，也是正常的）。
如果在S未合上时，阻值很小，或者在S合上时表针也不动，表明晶闸管质量太差或已击穿、断极。
3、双向晶闸管的电极识别及质量判别（选学）
1）首先确定T2：
门极G与T1之间的距离较近，其正、反向电阻都很小，用万用表“R×1”挡测量G～T1间的电阻仅几十欧，而G～Ｔ2、Ｔ1～Ｔ2之间的反向电阻均为无穷大。
那么，当测出某脚和其他两脚都不通，就能确定该脚为T2极。
有散热板的双向晶闸管T2极往往与散热板相通。
2）区分G与T1极：
确定Ｔ2后，剩下两脚中一脚为T1极，另一脚为G极。
用黑表笔接T1极，红表笔接T2极，把T2与G极瞬时短接一下（给G加上负触发信号），电阻值如为10Ω左右，证明管子已导通，导通方向为T1～T2，上述假设正确。
如万用表没有指示，电阻值仍为无穷大，说明管子没有导通，假设错误，可改变两极连接表笔再测；如果把红表笔接Ｔ1极，黑表笔接T2极，然后将T2与G极瞬时短接一下（给G加上正触发信号），电阻值如为10Ω左右，管子为导通，导通方向为T2～T1。
任务二识读单相可控整流电路
1、任务描述
能够描述出晶闸管的导通与关断条件，并能根据输入信号和触发信号画出输出信号的波形图。
2、任务分析
本任务主要涉及到的知识点有：
1、单相半波可控整流电路的组成及工作原理；
2、单相桥式半控整流电路；
3、晶闸管的保护。
3、
相关知识
知识一：
单相半波可控整流电路
1．电路组成
单相半波可控整流电路如图4-2-1（a）所示。
它与单相半波整流电路相比较，所不同的只是用晶闸管代替了整流二极管。
2．工作原理
接上电源，在电压v2正半周开始时，如果电路中a点为正，b点为负，对应在图4-2-1（b）的α角范围内。
此时晶闸管T两端具有正向电压，但是由于晶闸管的控制极上没有触发电压vG，因此晶闸管不能导通。
经过α角度后，在晶闸管的控制极上加上触发电压vG,如图4-2-1（b）所示。
晶闸管T被触发导通，负载电阻中开始有电流通过，在负载两端出现电压vo。
在T导通期间，晶闸管压降近似为零。
这α角称为控制角（又称移相角），是晶闸管阳极从开始承受正向电压到出现触发电压vG之间的角度。
改变α角度，就能调节输出平均电压的大小。
α角的变化范围称为移相范围，通常要求移相范围越大越好。
经过π以后，v2进入负半周，此时电路a端为负，b端为正，晶闸管T两端承受反向电压而截止，所以io=0，vo=0。
在第二个周期出现时，重复以上过程。
晶闸管导通的角度称为导通角，用θ表示。
由4-2-1（b）可知,θ=π-α。
3．输出平均电压
当变压器次级电压为
时，负载电阻RL上的直流平均电压可以用控制角α表示，即
（4-2-1）
从（4-2-1）看出，当α=0时（θ=π）晶闸管在正半周全导通，Vo=0.45V2,输出电压最高,相当于不控二极管单相半波整流电压。
若α=π,Vo=0，这时θ=0，晶闸管全关断。
根据欧姆定律，负载电阻RL中的直流平均电流为
（4-2-2）
此电流即为通过晶闸管的平均电流。
例4-2-1在单相半波可控整流电路中，负载电阻为8Ω，交流电压有效值V2=220V，控制角α的调节范围为600～1800，求：
（1）直流输出电压的调节范围。
（2）晶闸管中最大的平均电流。
（3）晶闸管两端出现的最大反向电压。
解：
（1）控制角为600时，由式（4-2-1）得出直流输出电压最大值
控制角为1800时得直流输出电压为零。
所以控制角α在600～1800范围变化时，相对应的直流输出电压在74.25V～0V之间调节。
（2）晶闸管最大的平均电流与负载电阻中最大的平均电流相等，由式（4-2-2）得
（3）晶闸管两端出现的最大反向电压为变压器次级电压的最大值
V
再考虑到安全系数2～3倍，所以选择额定电压为600V以上的晶闸管。
4.电感性负载和续流二极管
电感性负载可用电感元件L和电阻元件R串联表示,如图4-2-2所示。
晶闸管触发导通时,电感元件中存贮了磁场能量,当v2过零变负时,电感中产生感应电势，晶闸管不能及时关断,造成晶闸管的失控，为了防止这种现象的发生，必须采取相应措施。
通常是在负载两端并联二极管D（图4-2-2虚线）来解决。
当交流电压v2过零值变负时，感应电动势eL产生的电流可以通过这个二极管形成回路。
因此这个二极管称为续流二极管。
这时D的两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。
有了续流二极管以后，输出电压D的波形就和电阻性负载时一样。
值得注意的是，续流二极管的方向不能接反，否则将引起短路事故。
知识二：
单相桥式半控整流电路
1.电路组成
单相桥式半控整流电路如图4-2-3（a）所示。
其主电路与单相桥式整流电路相比，只是其中两个桥臂中的二极管被晶闸管T1、T2所取代。
（a）电路图（b）波形图
图4-2-3单相桥式半控整流电路与波形
2.工作原理
接上交流电源后，在变压器副边电压v2正半周时（a端为正，b端为负），T1、、D1、处于正向电压作用下，当ωt=α时，控制极引入的触发脉冲vG使T1导通，电流的通路为：
a→T1→RL→D1→b，这时T2和D2均承受反向电压而阻断。
在电源电压v2过零时，T1阻断，电流为零。
同理在v2的负半周（a端为负，b端为正），T2、D2处于正向电压作用下，当ωt=π+α时，控制极引入的触发脉冲vG使T2导通，电流的通路为：
b→T2→RL→D2→a，这时T1、D1承受反向电压而阻断。
当v2由负值过零时，T2阻断。
可见，无论v2在正或负半周内，流过负载RL的电流方向是相同的，其负载两端的电压波形如图4-2-3（b）所示。
由图4-2-3（b）可知，输出电压平均值比单相半波可控整流大一倍。
即
（4-2-3）
从（4-2-3）看出，当α=0时（θ=π）晶闸管在半周内全导通，Vo=0.9V2,输出电压最高,相当于不可控二极管单相桥式整流电压。
若α=π,Vo=0，这时θ=0，晶闸管全关断。
根据欧姆定律，负载电阻RL中的直流平均电流为
（4-2-4）
流经晶闸管和二极管的平均电流为
（4-2-5）
晶闸管和二极管承受的最高反向电压均为
。
综上所述，可控整流电路是通过改变控制角的大小实现调节输出电压大小的目的，因此，也称为相控制整流电路。
知识三：
晶闸管的保护
晶闸管的主要缺点是承受过电压、过电流的能力较弱。
当晶闸管承受过电压过电流时，晶闸管温度会急剧上升，可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。
为了使元件能可靠地长期运行，必须对电路中的晶闸管采取保护措施。
1、晶闸管的过电流保护
产生过电流的原因通常有负载短路、过载、误触发等。
晶闸管的过电流保护方法有：
快速熔断器保护，灵敏继电器保护，过载截止保护等。
其中快速熔断器保护应用最为广泛，下面介绍这种保护方法。
普通熔断器的熔体熔断时间比晶闸管过电流损坏时间长得多，因此很难对晶闸管进行过电流保护。
而快速熔断器熔体的熔断时间通常极短。
过电流越大；它的熔断速度就越快，因此，能在晶闸管损坏之前，有效地将过电流的电路切断。
快速熔断器在电路中的位置有三种，如图4-2-4所示。
其一是熔断器串联在可控整流电路的交流侧（如图4-2-4中的FUl）。
这种联接方法的保护范围较大，但是熔断器熔断之后，不能立即判断出是什么故障。
其二是熔断器与晶闸管串联（如图4-2-4中的FU2）。
这种联接方法能对晶闸管元件进行可靠地过电流保护。
其三是熔断器与直流负载RL串联（如图4-2-4中的FU3）。
这种联接方法能在负载短路或过载时进行有效保护。
在选择熔体时，要注意熔体的额定电流是指有效值，而晶闸管的额定电流是指正弦半波的平均值，因此在选择快速熔断器的熔体时，必须进行换算。
例如控制角α为零时，50Hz的正弦半波电流有效值是它的平均值的1.57倍，当晶闸管电流为100A时，配用的熔体额定电流应为150A。
2、晶闸管的过电压保护
如果可控整流电路中含有电感元件，则在开关拉闸，电感负载切除，晶闸管由导通到阻断等时候，都可能引起晶闸管的过电压，使晶闸管损坏。
晶闸管的过电压保护方法有，阻容吸收保护，硒堆保护等。
其中阻容吸收保护的应用最为广泛，下面介绍这种保护方法。
阻容吸收保护是利用阻容元件来吸收过电压，其实质就是将过电压的能量转换成电容器中的电场能量，同时在转换过程中又把一部分能量消耗在电路的电阻上。
由于电容器两端电压不会突变，从而使晶闸管在电路中免受过电压的影响。
除此以外，阻容吸收保护还具有抑制LC回路振荡的作用。
阻容吸收元件在电路中的位置有三种，如图4-2-5所示。
它可以并联在交流侧（如图4-2-5中C1R1）、并联在晶闸管元件侧（如图4-2-5C2R2）或并联在电感负载侧（如图4-2-5中C3R3）。
小结：
1、在单相半波可控整流电路中，负载RL上得到的脉动直流电压的平均值为UL=0.45U2，
流过负载和晶闸管的直流电流相等，即IL=IT,晶闸管承受的最大反压URM=U2。
2、在单相桥式可控整流电路中，输出电压比半波可控整流电路增加一倍，即UL=0.9U2，其它，IL=IT,晶闸管承受的最大反压URM=U2不变。
3、与二极管整流电路的区别是：
晶闸管整流电路输出的直流电压是可控的，触发延迟角越大，输出电压越小。
的变化范围称为移相范围，单相半波可控整流电路和单相桥式可控整流电路的移相范围都是0°～180°。
任务三单结晶体管的识别与检测
欲使晶闸管导通，它的控制极上必须加上触发电压vG，产生触发电压vG的电路称为触发电路。
触发电路种类繁多，各具特色。
本节主要介绍用单结晶体管组成的触发电路。
知识一：
单结晶体管
它的外形与普通三极管相似，具有三个电极，但不是三极管，而是具有三个电极的二极管，管内只有一个PN结，所以称之为单结晶体管。
三个电极中，一个是发射极，两个是基极，所以也称为双基极二极管。
1.结构与符号
其结构如图4-3-1（a）所示。
它有三个电极，但在结构上只有一个PN结。
有发射极E，第一基极B1和第二基极B2，其符号见图4-3-1（b）。
2.伏安特性
单结晶体管的等效电路如图4-3-1（c）所示，两基极间的电阻为RBB=RB1+RB2，用D表示PN结。
RBB的阻值范围为2～15KΩ之间。
如果在Bl、B2两个基极间加上电压VBB，则A与Bl之间即RB1两端得到的电压为
（4-3-1）
式中η称为分压比，它与管子的结构有关，一般在0.3～0.8之间，η是单结晶体管的主要参数之一。
（a）结构示意图（b）符号（c）结构等效电路
图4-3-1单结晶体管
单结晶体管的伏安特性是指它的发射极电压VE与流入发射极电流IE之间的关系。
图4-3-2（a）是测量伏安特性的实验电路，在B2、Bl间加上固定电源EB，获得正向电压VBB并将可调直流电源EE通过限流电阻RE接在E和Bl之间。
（a）测试电路（b）伏安特性
图4-3-2单结晶体管伏安特性
当外加电压VE<ηVBB+VD时（VD为PN结正向压降），PN结承受反向电压而截止，故发射极回路只有微安级的反向电流，单结晶体管子处于截止区，如图4-3-2（b）的aP段所示。
在VE=ηVBB+VD时，对应于图4-3-2（b）中的P点，该点的电压和电流分别称为峰点电压VP和峰点电流IP。
由于PN结承受了正向电压而导通，此后RB1急剧减小，VE随之下降，IE迅速增大，单结晶体管呈现负阻特性，负阻区如图4-3-2（b）中的PV段所示。
V点的电压和电流分别称为谷点电压VV和谷点电流IV。
过了谷点以后，IE继续增大，VE略有上升，但变化不大，此时单结晶体管进入饱状态，图中对应于谷点V以右的特性，称为饱和区。
当发射极电压减小到VE综上所述，峰点电压VP是单结晶体管由截止转向导通的临界点。
（4-3-2）
所以，VP由分压比η和电源电压决定VBB。
谷点电压VV是单结晶体管由导通转向截止的临界点。
一般VV=2～5V（VBB=20V）。
国产单结晶体管的型号有BT31、BT32、BT33等。
BT表示半导体特种管，3表示三个电极，第四个数字表示耗散功率分别为100、200、300mW。
做一做：
单结晶体管的检测
图4-3－3为单结晶体管BT33管脚排列、结构图及电路符号。
好的单结晶体管PN结正向电阻REB1、REB2均较小，且REB1稍大于REB2，PN结的反向电阻RB1E、RB2E均应很大，根据所测阻值，即可判断出各管脚及管子的质量优劣。
用万用电表R×10Ω档分别测量EB1、EB2间正、反向电阻，记入表4－3-1
表7-2－1
REB1（Ω）
REB2（Ω）
RB1E（KΩ）
RB2E（KΩ）
结论
小结：
1、单结晶体管的测试方法
1）判断发射极E的方法：
把万用表置于R×100”挡或“R×1K”挡，黑表笔接假设的发射极，红表笔接另外两极，当出现两次低电阻时（调换表笔时，两次阻值均很大），黑表笔接的就是单结晶体管的发射极。
2）B1与B2的判断方法是：
把万用表置于R×100挡或R×1K挡，用黑表笔接发射极，红表笔分别接另外两极，两次测量中，电阻大的一次，红表笔接的就是B1极。
2、单结晶体管导通条件是UE﹥ηUBB+UD（UD为PN结的正向压降）。
任务四桥式整流电路的认识
桥式整流电路在电子电器上应用广泛，认识桥式整流电路并学会制作电路显得尤为的主要，本任务主要介绍桥式整流电路的组成并了解电路的工作过程。
知识一：
桥式整流电路的电路图
图4-4-1常见桥式整流电路电路图
说明：
图中D1、D2为共阴极连接，D3、D4为共阳极连接。
对于D1、D2而言，阳极电位高的一个管子优先导通，即任一时刻谁的阳极电位高谁就承受正偏电压而导通，另外一个就因承受反偏电压截止；对于D3、D4而言，阴极电位低的一个管子优先导通，即任一时刻谁的阴极电位低谁就因承受正偏电压而导通，另外一个就因承受反向电压而截止。
知识二：
电路分析
假设四个管子都是理想管，当u1信号为正半周时：
图4-4-2u1为正半周信号电流流向图
由于u1为正半周信号，对于D1、D2而言，D1的阳极电位比D2的阳极电位高，所以D1导通；对于D3、D4而言，D4的阴极电位比D3的阴极电位要低，所以D4管子导通。
当u1信号为负半周时：
图4-4-3u1为负半周信号电流流向图
由于u1为负半周信号，对于D1、D2而言，D2的阳极电位
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