交流调光灯课程设计说明书.doc

苏苏 州州 市市 职职 业业 大大 学学 课课程程设设计计说说明明书书 课题：交流调光灯电路的设计与调试 院 系： 电子信息工程系 班 级： 07 电气（1） 姓 名： 朱 艳 秋 学 号： 078301109 课程名称： 电力电子技术 指导教师： 张 波 系 主 任： 曹 丰 文 苏苏 州州 市市 职职 业业 大大 学学 课课程程设设计计任任务务书书 课程名称： 电力电子技术 起讫时间： 2009 年 6 月 14 日至 2009 年 6 月 20 日 院 系： 电子信息工程系 班 级： 07 电气（1） 指导教师： 张波 系 主 任： 曹丰文 一、 课程设计课题 交流调光灯电路的设计与调试 二、 课程设计要求 1理论上掌握并巩固交流调压电路的原理，包括主电路和控 制方式 2理论上掌握常用的电力电子器件的特性及其驱动 3能设计正确的电路 4能进行很好的焊接与组装，达到一定的工艺要求 5正确的调试与测量 6能有完整的课程设计说明书 三、 课程设计工作量 1设计任务布置和讲解：2 课时 2查资料，理论进一步学习分析，根据参数要求进行电路分 析和的设计 10 课时 3组装焊接：2 课时 4电路调试与测试 4 课时 5讨论与总结 2 课时 6写设计说明书：4 课时 四、 课程设计说明书内容（有指导书的可省略） 1单相交流调压电路工作原理； 2通断控制方式与移相控制方式的比较 3晶闸管常用的触发电路介绍 4交流光灯电路的电路设计 5电路的工作原理， 6实物的测试与调试结果分析 7小结 目 录 第一章第一章 交流调压原理交流调压原理.5 1.1 单相交流调压电路的工作原理 .5 1.1.1 电阻性负载.5 1.1.2 电感性负载.6 1.2 交流调压的控制方式 .8 1.2.1 通断控制方式.8 1.2.2 移相控制方式.8 第二章第二章 单结晶体管单结晶体管.9 2.1 单结晶体管的结构和等效电路 .9 2.2 工作原理和特性曲线 .10 2.3 单结晶体管的应用 .11 2.4 单结晶体管 BT33.11 第三章第三章 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路.12 3.1 晶闸管对触发电路的要求.12 3.1.1 触发脉冲的作用.12 3.1.2 触发脉冲参数要求.12 3.1.3 触发脉冲形式要求.13 3.2 晶闸管常用的触发电路介绍.13 3.2.1 简易触发电路.14 第四章第四章 交流调光灯电路的电路设计交流调光灯电路的电路设计.16 4.1 交流调光灯电路原理 .16 4.2 实物的测试与调试结果分析.17 实验小结实验小结.19 参考文献：参考文献：.19 第一章第一章 交流调压原理交流调压原理 通过某种装置对交流电压的有效值进行调整叫做交流调压。 1.11.1 单相交流调压电路的工作原理单相交流调压电路的工作原理 1.1.1 电阻性负载电阻性负载 工作原理： 在电源 u 的正半周内，晶闸管 V1 承受正向电压，当t时，触发 V1 使其 导通，则负载上得到缺角的正弦半波电压， 当电源电压过零时，V1 管电流 下降为零而关断。在电源电压 u 的负半周，V2 晶闸管承受正向电压，当 t时，触发 V2 使其导通，则负载上又得到缺角的正弦负半波电 压。持续这样的控制， 在负载电阻上便得到每半波缺角的正弦电压。改变 角的大小， 便改变了输出电压有效值的大小。 图 1-1 单相交流调压电路 图 1-2 电阻性负载单相交流调压电路工作波形 设 , 则负载电压的有效值为 （1-1） R uo u V1 V2 0 u t 0t uo 0 ug1 t 0 ug2 t tUusin2 2sin 2 1 )()sin(2 1 2 UtdtUUo 负载电流的有效值为 (1-2) 从式(6-1)中可以看出，随着 角的增大，Uo 逐渐减小; 当 时， Uo0。因此，单相交流调压器对于电阻性负载， 其电压的输出调节范围为 0U， 控制角 的移相范围为 0。 1.1.2 电感性负载电感性负载 图 1-3 电感性负载单相交流调压电路及波形 由图 1-3（b）可知，晶闸管的导通角 的大小，不但与控制角有关，而且与 负载阻抗角有关。一个晶闸管导通时，其负载电流 io 的表达式为 （1-3） 式中 当t时，io0。将此条件代入式(1-3)，可求得导通角与控制角 2sin 2 1 R U R U I o o R uou V1 V2 L io (a)(b) 0 u 2 t 0 ug1 t 0 ug2 t 0 io t 0 uo t )sin()sin( 2 tan t o et Z U i R L LRZ t arctan )( 2 1 22 、负载阻抗角 之间的定量关系表达式为 （1-4） 下面分别就 、 三种情况来讨论调压电路的工作情况。 (1) 当 时， 由式（1-4）可以判断出导通角 180, 正负半 波电流断续。 越大， 越小，波形断续愈严重。 (2) 当 时， 由式（1-4）可以计算出每个晶闸管的导通角 180。此时，每个晶闸管轮流导通 180，相当于两个晶闸管轮流被短接， 负载电流处于连续状态，输出完整的正弦波。 (3) 当 时， 电源接通后，在电源的正半周，如果先触发 V1， 则根据 式（1-4）可判断出它的导通角 180。 如果采用窄脉冲触发，当 V1 的电 流下降为零而关断时，V2 的门极脉冲已经消失，V2 无法导通。到了下一周期， V1 又被触发导通重复上一周期的工作， 结果形成单向半波整流现象， 如图 1- 4 所示，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。 图 1-4 感性负载窄脉冲触发时的工作波形 解决上述失控现象的办法是：采用宽脉冲或脉冲列触发， 以保证 V1 管电 流下降到零时，V2 管的触发脉冲信号还未消失， V2 可在 V1 电流为零关断后接 着导通。 但 V2 的初始触发控制角-，即 V2 的导通角 180。从第二周开始，由于 V2 的关断时刻向后移，因此 V1 的导通角逐渐 减小，V2 的导通角逐渐增大，直到两个晶闸管的导通角 180时达到平衡。 tan )sin()sin( e 0 u t 0 ug1 t 0 ug2 t 0 io t 根据以上分析，当 并采用宽脉冲触发时，负载电压、 电流总是完 整的正弦波， 改变控制角 ，负载电压、电流的有效值不变，即电 路失去交流调压作用。在感性负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角 （负载的功率因素角） ， 所以 的移相范围为 180。 1.21.2 交流调压的控制方式交流调压的控制方式 1.2.1 通断控制方式通断控制方式 利用通断比控制交流调压方式，其原理是采用过零触发电路，在电源电压过 零时就控制双向可控硅导通和截止，即控制角为零，这样在负载上得到一个完 整的正弦波，但其缺点是适用于时间常数比通断周期大的系统，如恒温器。 1.2.2 移相控制方式移相控制方式 移相控制调压 利用控制触发滞后角的方法,控制输出电压。晶闸管承受正 向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角。在有效移相范围内改变触 发滞后角，即能改变输出电压。有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电 阻性负载最大,纯感性负载最小。相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分 量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。另外它还 会引起电源电压畸变。为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧 分别加滤波网络。 第二章第二章 单结晶体管单结晶体管 2.12.1 单结晶体管的结构和等效电路单结晶体管的结构和等效电路 单结晶体管又叫双基极二极管，是具有一个 PN 结的三端负阻器件。单结晶 体管的外形图如图 1 所示。在一个低掺杂的 N 型硅棒上利用扩散工艺形成一个 高掺杂 P 区，在 P 区与 N 区接触面形成 PN 结，就构成单结晶体管(UJT)。其结 构如图 2(a)，P 型半导体引出的电极为发射极 E；N 型半导体的两端引出两个电 极，分别为基极 B1 和基极 B2，B1 和 B2 之间的 N 型区域可以等效为一个纯电阻， 即基区电阻 RBB。该电阻的阻值随着发射极电流的变化而改变。单结晶体管因 有两个基极，故也称为双基极晶体管。其符号如图 2(b)所示。 图 1 单结晶体管的外形图 单结晶体管的等效电路如图 2-1(c)所示，发射极所接 P 区与 N 型硅棒形成 的 PN 结等效为二极管 D；N 型硅棒因掺杂浓度很低而呈现高电阻，二极管阴极 与基极 B2 之间的等效电阻为 rB2，二极管阴极与基极 B1 之间的等效电阻为 rB1；rB1 的阻值受 E-B1 间电压的控制，所以等效为可变电阻。 图 2-1 单结晶体管的结构示意图和等效电路 2.22.2 工作原理和特性曲线工作原理和特性曲线 当 b1b2间加电源 VBB，且发射极开路时，A 点电位及基极 b2 的电流为： 式中 称为单结晶体管的分压比，其数值主要与管子的结构有关，一般在 0.50.9 之间。 图 2-2 单结晶体管特性曲线的测试 当 e 一 b1 电压 Ueb1 为零或(Ueb1 UA)时，二极管承受反向电压，发射极 的电流 Ie 为二极管的反向电流，记作 IEO。 当 Ueb1 增大，使 PN 结正向电压大于开启电压时，则 IE 变为正向电流， 从发射极 e 流向基极 b1,此时，空穴浓度很高的 P 区向电子浓度很低的硅棒的 Ab1 区注入非平衡少子；由于半导体材料的电阻与其载流子的浓度紧密相关， 注入的载流子使 rb1 减小；而且 rb1 的减小，使其压降减小，导致 PN 结正向电 压增大，IE 随之增大，注入的载流子将更多，于是 rb1 进一步减小；当 IE 增大 到一定程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时 UEB1。将因 rb1 的减小而 减小，表现出负阻特性。 负阻特性:是指输入电压增大到某一数值后，输入电流愈大，输入端的等效 电阻愈小的特性。 一旦单结晶体管进入负阻工作区域，输入电流 IE 的增加只受输入回路外部 电阻的限制，除非将输入回路开路或将 IE 减小到很小的数值，否则管子将始终 保持导通状态。 单结晶体管的特性曲线 如图 3，当 UEB1 增大至 UP(峰点电压)时，PN 结开始正向导通， UP=UA+Uon；UEB1 再增大一点，管子就进入负阻区，随着 IE 增大，rb1 减小， UEB1 减小，直至 UEB1=Uv(谷点电压)。IE=IV 谷点电流)，IE 再增大，管子进 入饱和区。单结晶体管有三个工作区域 单结晶体管的负阻特性广泛应用于定时电路和振荡电路之中。除了单结晶 体管外，具有负阻特性的器件还有隧道二极管、A 双极型晶体管、负阻场效应 管等。 2.32.3 单结晶体管的应用单结晶体管的应用 单结晶体管具有大的脉冲电流能力而且电路简单，因此在各种开关应用中 ，在构成定时电路或触发 SCR 等方面获得了广泛应用。它的开关特性具有很高 的温度稳定性，基本上不随温度而变化。 下图所示为单结晶体管组成的振荡电路。当合闸通电时，电容 C 上的电压 为零，管予截止，电源 VBB通过电阻 R 对 C 充电，随时间增长电容上电压 UC逐 渐增大；一旦 UE-B1增大到峰点电压 UP后，管子进入负阻区，输入端等效电阻急 剧减小，使 C 通过管子的输入回路迅速放电，IE随之迅速减大，当 UE-B1减小到 谷点电压 Uv 后，由于此时电流不再增大，管子截止；电容又开始充电。上述过 程循环往返，只有当断电时才会停止，因而产生振荡。由于充电时间常数远大 于放电时间常数，当稳定振荡时，电容上电压的波形如下图(b)所示。 2.42.4 单结晶体管单结晶体管 BT33BT33 图 2-3 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。 图 2-3 单结晶体管 BT33 管脚排列、结构图及电路符号 第三章第三章 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 3.13.1 晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求 晶闸管的特点： 是“一触即发” 。但是，如果阳极或控制极外加的是反 向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸 管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使 导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值 (称为维持电流 )。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流 电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。 3.1.1 触发脉冲的作用触发脉冲的作用 各种电力电子器件的门极或控制极的控制电路都应提供符合一定要求的 触发脉冲。对于晶闸管的触发脉冲来说，其主要作用是决定晶闸管的导通时刻， 同时还应提供相应的门极触发电压和门极触发电流。 触发脉冲除了包括脉冲的电压和电流参数外，还应有脉冲的陡度和后沿波形， 脉冲的相序和相角以及与主电路的同步关系，同时还须考虑门控电路与主电路 的绝缘隔离问题和抗干扰、防止误触发问题。由于晶闸管是半控型器件，管子 导通后即失去控制作用，为了减少门极损耗，故门极输出不用直流而用单脉冲 或双脉冲，有时还采用由许多单脉冲组成的脉冲列，以代替宽脉冲。 3.1.2 触发脉冲参数要求触发脉冲参数要求 触发脉冲的主要参数有触发电流、脉冲宽度等，具体要求如下： （1）触发电流晶闸管是电流控制型器件，只有在门极里注入一定幅值 的触发电流时才能触发导通。由于晶闸管伏安特性的分散性，以及触发电压和 触发电流随温度变化的特性，所以触发电路所提供的触发电压和触发电流应大 于产品目录所提供的可触发电压和可触发电流，从而保证晶闸管的可靠触发， 但不得超过规定的门极最大允许触发电压和最大允许触发电流。实际触发电流 可整定为 35 倍的额定触发电流。 （2）触发脉冲宽度触发脉冲的宽度应能保证使晶闸管的阳极电流上升 到大于擎住电流。由于晶闸管的开通过程只有几微秒，但并不意味着几微秒后 它已能维持导通。若在触发脉冲消失时，阳极电流仍小于擎住电流，晶闸管将 不能维持导通而关断。因此对脉冲宽度有一定要求，它和变流装置的负载性质 及主电路的形式有关。 （3）强触发脉冲触发脉冲前沿越陡，越有利于并联或串联晶闸管的同 时触发导通。因此在有并联或串联晶闸管时，要求触发脉冲前沿陡度大于或等 于 10V/uS，通常采取强触发脉冲的形式。另外，强触发脉冲还可以提高晶闸管 承受 di/dt 的能力。 （4）触发功率触发脉冲要有足够的输出功率，并能方便地获得多个输 出脉冲，每相中多个脉冲的前沿陡度不要相差太大。为了获得足够的触发功率， 在门极控制电路中通常需要功率放大电路。 3.1.3 触发脉冲形式要求触发脉冲形式要求 在晶闸管的触发电路中，除了对触发脉冲的具体参数有所要求外，还对触发 脉冲的形式有下列要求： （1）正向脉冲晶闸管的触发电路必须保证加在晶闸管的门极上是一个 对阴极为正电压的触发脉冲。 （2）脉冲形式触发脉冲在形式上有宽脉冲、窄脉冲、脉冲列等多种， 一般为了减小损耗采取窄脉冲或双窄脉冲的形式。有时也采用对宽脉冲进行高 频调制，得到脉冲列的形式。 （3）与主电路同步在可控整流、有源逆变及交流调压的触发电路中， 为了使每一周波重复在相同的相位上触发，触发脉冲必须与上升变流装置的电 源电压同步，即触发信号与主电路电源电压保持固定的相位关系。否则负载上 的电压会忽大忽小，甚至触发脉冲出现在电源电压的负半周，使主电路不能正 常工作。 （4）抗干扰能力晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而 引起的，因此需要在触发电路中采取屏蔽等抗干扰措施，以防止晶闸管的误触 发。 除了上述要求外，触发脉冲的移相范围还应满足变流装置主电路的要求，另 外触发脉冲的频率也应可调，以适应变频电路和斩波电路的要求。 3.23.2 晶闸管常用的触发电路介绍晶闸管常用的触发电路介绍 普通晶闸管是半控型电力电子器件。为了使晶闸管由阻断状态转入导通状态， 晶闸管在承受正向阳极电压的同时，还需要在门极加上适当的触发电压。控制 晶闸管导通的电路称为触发电路。触发电路常以所组成的主要元件名称进行分 类，包括简单触发电路、单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成电路触 发器和计算机控制数字触发电路等。 以下是几种常用触发信号电压波形 正弦波正弦波 尖脉冲尖脉冲 方波方波 强触发脉冲强触发脉冲 脉冲列脉冲列 3.2.1 简易触发电路简易触发电路 1、简易移相触发电路 此电路的移相范围小于 90。 2、阻容移相触发电路 此电路的充电延时触发来实现移相的。改变 RP 阻值可改变触发时间。 3、数字集成块触发电路 该触发集成电路验证以直接触发普通晶闸管，但可以直接触发高灵敏度的晶闸 管。 第四章第四章 交流调光灯电路的电路设计交流调光灯电路的电路设计 4.14.1 交流调光灯电路原理交流调光灯电路原理 由晶闸管组成的调光电路根据晶闸管工作波形可以产生不同大小的电流， 这个可以采用电阻或电感串接在电路中来改变它的工作区域。 交流调光灯电路原理图 D1、D2、D3、D4 构成整流电路，它们与 R、D6、D62CW5 构成了控制电路，能够控制晶闸管导通。而 R3 和 C2 起到保护晶闸管的作用。 假设晶闸管导通，则其正半周期为 2-D1-VT1-D4-RL-1；其负半周期是 1- RL-D2-VT1-D3-2。 在整个电路中控制角越小，负载灯泡 RL 越亮。 在无控制电路的情况下，交流电源承受正向电压。 单结晶体管触发电路导通时，经整流后流经 R1-D5-R6-RP3-C1； 晶闸管导通后，控制电路短路； 改变 RP3 的值可以改变电容 C 的充放电速度的快慢。R 越大，C 充电时间越长。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:18-Jun-2009Sheet of File:F:.ddbDrawn By: RL R1 15K R2 510 R3 100 R5 510 RP3 47K C2 0.01u C1 0.22u D6 2CW5 Q1 BT33VT1 KP5-4 1 2 220V AC IN R6 1K D5 D2D1 D4D3 图 4-1 交流调光灯电路原理图