晶闸管调光台灯电路设计.doc

毕业论文题目：晶闸管调光台灯电路设计 系 别 机电工程系 专 业 电气自动化技术 班 级 09电气4班 学生姓名 学 号 指导教师姓名 老师 指导教师职称 教授 2012年 3 月 15 日目 录 摘要3第一章 绪论41.1 晶体管的发展41.2 电子调光电路的作用41.3 电子调光电路对大学生的意义41.4 设计思路5第二章 晶闸管调光台灯电路设计52.1 调光台灯电路原理图5 2.1.1 电路原理分析52.1.2 原理图Protel的绘制62.2 认识晶闸管和单结晶体管72.2.1 普通晶闸管72.2.2 单结晶体管82.3 单结晶体管触发电路102.4 本章小结11第三章 晶闸管调光台灯元器件选择113.1 触发电路各元件的选择113.2 元件型号一览表12第四章 调光台灯波形仿真124.1 Protel的仿真步骤134.2 电路的仿真134.3 仿真波形的分析13第五章 调光台灯印制电路板制作与安装14 5.1 设计印制电路板155.2 印制电路板制作流程155.3 元件布局155.4 元件安装及注意事项165.5 电子电路的调试17第六章 总结18 致谢18参考文献19摘 要调光灯在日常生活中的应用非常广泛，其种类也很多。图1是常见的调光台灯。旋动调光旋钮便可以调节灯泡的亮度。图1 调光台灯通过自己动手实践制作能够更加理解调光电路的工作原理，进而掌握分析电路的方法。通过学习相关知和实施相应的项目，使自己在完成本项目后掌握能够做到以下几点。 认识普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和单结晶闸管。 会选用和检测晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和单结晶闸管。 能够分析普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和单结晶闸管的工作原理。 能分析单相整流电路和单结晶体管触发电路的工作原理。 能够了解触发电路与同步电路的基本概念。 学会调光灯电路的安装和调试技能。 在小组合作实施项目过程中培养与人合作的精神。关键词：晶闸管、晶体管、Protel、触发电路、第一章 绪论1.1晶闸管的发展晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用直流发电机组来变流.。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命晶闸管是一种半控型器件，晶闸闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SCR）。1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化； 晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的，从而开辟了电力电子技术发展和广泛应用的崭新时代，其标志就是以晶闸管为代表的电力半导体器件的广泛应用，有人称之为继晶体管发明和应用之后的又一次电子技术革命。自20世纪80年代以来，晶闸管开始被各种性能更好的全控型器件所取代，并且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管这个名称往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管。但从广义上讲，晶闸管还包括许多类型的派生器件。1.2 电子调光电路的作用电子调光电路应用非常广泛，尤其是一般市售台灯调光电路上。基本都采用电子式的调光电路，有的高档台灯能实现无级调光，普通台灯则是有级调光，可见电子调光在一些灯具上面用途是非常广泛的。给我们的生活带来了方便。由此可见电子调光的电路的商业潜在价值也是很大的。1.3 电子调光电路对大学生的意义作为大学生的我们，在很多制作过程之中很多东西都需要用一些特定的调压电路作为驱动装置。因此，电子调光电路对我们而言都是一个非常常见而且必需的电路，以故自己便选择制作电子调光电路。而且，在我们刚接触的课程设计之中，电子调光电路的制作相对简单些，也为我们以后制作实物做个铺垫。同时，也为我们今后制作培养兴趣，不至于很讨厌甚至于害怕。1.4 设计思路市电一般是220V交流电，但是电子调光电路中选用的是低电压直流灯泡，故此电路中需要变压器和整流电路，另外需要控制灯泡的亮度，所以需要一个控制电路，从而对输出电压占空比进行调节，这里还需一个斩波电路，从而来控制灯泡亮度。电子调光电路课程设计综合了电子电子技术中的许多理论知识，它使理论知识得到了更好的巩固，并使理论知识与实际问题相联系。其中主要用到的基础知识有升降压斩波电路和整流电路的工作原理和应用，晶闸管的应用等。在设计的过程中还涉及到了应用Protel99制作原理图一些基础知识。对于综合运用所学过的知识有一定的帮助。第二章 晶闸管调光台灯电路设计2.1 电子调光电路原理图2.1.1 电路原理分析可控整流电路的作用是把交流电变换为电压值可以调节的直流电。图2.1 所示为单相半控桥式整流实验电路。主电路由负载1（灯炮）和晶闸管q2组成，触发电路为单结晶体管1及一些阻容元件构成的单结晶体管触发电路。改变晶闸管q2的导通角，便可调节主电路的可控输出整流电压（或电流）的数值，这点可由灯炮负载的亮度变化看出。晶闸管导通角的大小决定于触发脉冲的频率f ，由公式可知，当单结晶体管的分压比（一般在0.50.8之间）及电容C 值固定时，则频率f 大小由R 决定，因此，通过调节电位器RP，使可以改变触发脉冲频率，主电路的输出电压也随之改变，从而达到可控调压的目的。 2.1.2 原理图Protel的绘制1.熟悉Protel99中电路仿真的环境,掌握电路仿真的一般步骤；2.创建一名为移动字幕.sch文件，进入原理图编辑环境；3.在原理图编辑器中加载仿真元器件库“Sim.ddb”；图：加载仿真库4 用Protel99se软件绘制原理图2.2 认识晶闸管和单结晶体管 2.2.1 普通晶闸管1、结构和符号晶闸管主要有塑封型、小型平面型和螺栓型等几种。晶闸管有三个电极：阳极a、阴极k和门极g。单向晶闸管的内部结构和电路图形符号如图2-1所示。它是由四层半导体P-N-P-N叠加而成，形成三个PN结，由外层P型半导体引出阳极a，外层N型半导体引出阴极k，中间P型半导体引出门极g。2、工作特性为了便于理解，下面用实验来反映单向晶闸管的工作特性。（1）正向阻断在图2-2a中，晶闸管加上正向电压，即晶闸管阳极接电源正极，阴极接电源负极。开关S不闭合，指示灯不亮。这说明晶闸管加正向电压时，但门极未加正向电压时，晶闸管不会导通，这种状态称为晶闸管的正向阻断状态。（2）触发导通在图2-2b中，晶闸管加正向电压，且开关S闭合，在门极上加正向电压，此时指示灯亮，表明晶闸管导通，这种状态称为晶闸管的触发导通状态。晶闸管导通后，将S断开，灯仍亮，说明晶闸管一旦导通，门极便失去作用。要使晶闸管关断，必须将正向阳极电压降低到一定数值，使流过晶闸管的电流小于维持电流而关断。（3）反向阻断在图2-2c中，晶闸管加反向电压，即a接电源负极，k接电源正极，此时不论开关S闭合与否，指示灯始终不亮。这说明单向晶闸管加反向电压时，不管门极加怎样的电压，它都不会导通，而是处于截止状态，这种状态称为晶闸管的反向阻断状态。结论：综合上述，晶闸管导通必须具备两个条件：一是晶闸管阳极与阴极之间接正向电压；二是门极与阴极之间也接正向电压。晶闸管一旦导通，去掉门极电压晶闸管仍然保持导通状态。关断晶闸管的方法有：一是将阳极电压降到足够小或加反向阳极电压；二是将阳极瞬间开路。2.2.2 单结晶体管1、单结晶体管的结构单结晶体管的结构如图2-3所示。它有一个发射极和两个基极。在一块高电阻率的N型硅基片上用镀金陶瓷片制成两个接触电阻很小的电极，称为第一基极和第二基极，而在硅基片的另一侧靠近b2处掺入P型杂质，并引出一个铝质电极，称为发射极。发射极对基极就是一个PN结，故称为单结晶体管。2、单结晶体管的工作特性单结晶体管的电流电压特性：在基极电压一定时，用发射极电流Ie和发射极与第一基极之间的电压Ue的关系曲线来表示。如图2-4所示。直流电源加在单结晶体管的两个基极上，极接电源正极，极接电源负极，上的分压与电源电压UBB的关系为 UA=Rb1/(Rb1+Rb2) UBB=UBB式中，= Rb1/(Rb1+Rb2)称为分压比，一般在0.30.8之间，它是单结晶体管的重要参数，其数值由管子内部结构决定。发射极电压Ue正向加在e极与b1极之间，当Ue小于UA时，PN结承受反向电压而截止，对应单结晶体管伏安特性的截止区。发射极电压Ue大小等于峰点电压Up时单结晶体管导通，且随着Ie增大，Rb1显著减小，因此发射结电压Ue随之减能小，直到Ue下降到最低点，特性曲线上的这一点称为谷点V，与之相对应的是谷点电流Iv和谷点电压Uv，一般单结晶体管的谷点电压在25V。在谷点以后，当调大Ue使发射极电流继续增加时，发射极电压略有上升但变化不大。谷点右边的部分称为饱和区。若减小发射极电压Ue使小于Uv，单结晶体管则会由导通突跳到截止状态。2.3 单结晶体管的触发电路利用单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放特性组成频率可调的振荡电路，产生触发脉冲触发晶闸管的G极。电源接通后，VBB通过RP、Re向C充电，电容电压Uc上升。当Uc上升到使UEUP 时，单结晶体管导通，电容C通过rb1、R1迅速放电，在R1上形成脉冲电压。电容C放电，UE下降，当UEUV时单结晶体管截止，放电结束。电容再次充电，重复上述过程。改变RP的大小，可以调节电容充放电的快慢从而改变输出脉冲的频率。 2.4 小结晶闸管与二极管、晶体管一样也是一种非常常用的半导体元件，它在生产、生活中有着重要的应用。对于晶闸管的特性，需要学生能够理解并掌握。第三章 晶闸管调光台灯元器件选择3.1 触发电路各元件的选择1）充电电阻的选择改变充电电阻的大小，就可以改变张驰振荡电路的频率，但是频率的调节有一定的范围，如果充电电阻选择不当，将使单结晶体管自激振荡电路无法形成振荡。充电电阻的取值范围为： 其中：加于图121中B-E两端的触发电路电源电压单结晶体管的谷点电压单结晶体管的谷点电流单结晶体管的峰点电压单结晶体管的峰点电流2）电阻的选择电阻是用来补偿温度对峰点电压的影响，通常取值范围为：200600。3）输出电阻的选择输出电阻的大小将影响将影响输出脉冲的宽度与幅值，通常取值范围为：50100。4）电容C的选择电容C的大小与脉冲宽窄和的大小有关，通常取值范围为：0.113.2 元件型号选择序号元件名称元件型号数量元件编号1二极管IN40014D1、D2、D3、D42电源变压器5TO11TF3晶闸管MCR100-41Q24白炽灯泡36V/30W1DS15单结晶体管2N26461Q16电阻2K1R17电阻5101R28电阻1001R39电阻501R49电位器20K1RP10电容0.2uF1C11稳压二极管1N47471D5第四章 调光台灯波形仿真4.1 Protel的仿真步骤（1）在原理图编辑器中加载仿真专用元器件库Sim.ddb；（2）在图纸上放置仿真元器件，并编辑元器件的仿真参数；（3）连接导线，绘制仿真原理图；（4）在仿真原理图中添加电源及激励源；（5）设置仿真节点及电路初始状态；（6）仿真前，先对电路原理图进行ERC检查；（7）设置仿真分析类型和参数；（8）对电路进行仿真并分析仿真结果得出结论。4.2 电路的仿真4.3 仿真波形的分析、桥式整流后脉动电压的波形(图vout1点)由电子技术的知识我们可以知道vout1点为由VD1VD4四个二极管构成的桥式整流电路输出波形，图4-2（b）为理论波形，对照进行比较。（a） （b）图4-2 桥式整流后电压波形、削波后梯形波电压波形（图vout2点）该点波形是经稳压管削波后得到的梯形波，4-3（b）为理论波形，对照进行比较。（a） （b）图4-3 削波后电压波形、电容电压的波形（图vout3点）测得vout3的波形如图4-4（a）所示。由于电容每半个周期在电源电压过零点从零开始充电，当电容两端的电压上升到单结晶体管峰点电压时，单结晶体管导通，触发电路送出脉冲，电容的容量和充电电阻的大小决定了电容两端的电压从零上升到单结晶体管峰点电压的时间，因此在本课题中的触发电路无法实现在电源电压过零点即时送出触发脉冲。图4-4（b）为理论波形，对照进行比较。半个周期 （b）（a） 图4-4 电容两端电压波形、输出脉冲的波形（图vout4点）测得vout4点的波形如图4-5（a）所示。单结晶体管导通后，电容通过单结晶体管的迅速向输出电阻放电，在上得到很窄的尖脉冲。图4-5（b）为理论波形，对照进行比较。 （a） （b）图4-5 输出波形第五章 调光台灯印制电路板制作与安装5.1 设计印制电路板1、选择FileNew命令打开PCB Document,打开电路板设计环境2、设计电路板的工作层面3、选择DesignCreate net生成网络报表4、选择DesignCreate net装入网络表5、单击菜单Auto RouteAll对整个电路进行自动布线5.2 项目的制作流程导入PCB设计板面尺寸布局布线检查元器件的数量及网络标号画原理图元器件添加封装新建PCB工程并保存保存并打印清洗并裁板腐蚀电路板裁板印刷电路板打磨钻孔成品5.3 元件布局1.分块原则主电路、控制电路应尽量分离；控制电路中，由不同的功能部分组成，各功能部分器件应尽量集中，电源线或公共线应尽量放在线路板的边缘。2.大件优先原则先确定体积大或占安装位置大的器件的位置3.考虑元件的放止方式，设计相应的安装位置(1)放置方式分为平和立放，若安装空间允许，二极管(IN4002)、稳压二极管(1N4747)、电阻、应平放(2)单结晶体管、晶闸管、电容应立放4.单结晶体管、晶闸管等元件的管脚位置(1)单结晶体管（2N2646）的脚为软管脚，安装时要根据电路板和它在电路原理图中与相临元件的电路关系来考虑它的安装位置，不使其管脚成交叉状。(2)晶闸管(MCR22-4)的管脚为硬管脚，三个管脚应直插或稍微弯曲，不能因管脚的安装位置选择不当，使管脚相互交叉。5.元器件安装的疏密程度应结合元件的电压等级、容量情况、元器件的总体数量和电路板的大小等因素综合考虑。6.美观原则在安装空间允许的情况下，应尽量满足，整齐、对称的原则。5.4 元件安装及注意事项1.按设计的安装图插放元件若元件疏密不均，可重新调整元件的实际安装位置，使其均匀分布2.元器件的安装高度考虑元器件可能由于某种外力的作用，使管脚弯曲，相临元件的管脚可能发生相碰，造成短路及也考虑元件自身的散热情况，元器件的安装高度应予限制。(1)二极管、电阻、稳压二极管、电容比电路略高出2-3mm即可(2)单结晶体管、晶闸管要高，尤其是晶闸管(3)电位器由螺丝定位(固定高度)3.电位器的安装先在电路板上按电位器的尺寸钻孔，后插入电位器，调节手柄应在焊接侧。4.元件的焊接(1)若元件的管脚有氧化层而不易焊接时，应先用纱布将氧化层磨去，并涂上一薄层焊锡，然后插入电路板的插孔焊接。(2)焊点要焊牢，不能虚焊、假焊。(3)焊点要大小适中，不能太大，也不能太小。(4)焊点应光亮。要保证上述要求，首先要处理好电烙铁、焊接时间不要过长，松香不要用得过多。5.外接短接线有时，在各元件或电路间需用短接线，此时应注意：(1)短接线应在元件一侧(2)短接线应尽量少，且各短接线不交叉(3)短接线不能弯曲或折角(4)跨接线应紧贴电路板6.注意事项(1)在设计电路图时，一定要弄清各元器件的引脚，特别是引脚的电子元器件（如：晶体管、晶闸管等），以防接反，影响整个电路的正常工作。(2)各元器件的封装要严格按照要求设计其焊盘的大小和孔径的大小(3)导入PCB时要检查是否有错误，只要有一处错误，就不能通过执行下一步。(4)导入PCB后，注意认真检查核对元器件的数量是否齐全，检查各引脚和飞线是否正确。(5)在布局元器件时，应遵循尽可能让走线过少的原则，适当的调节各元器件的位置，尽可能达到绝对优化。(6)在布线时，应注意禁止走锐角直线，尽可能不走直角，以防止产生干扰。(7)在腐蚀铜的过程中，一定要注意使铜完全腐蚀掉为止，不要有残留。5.5 电子电路的调试（1）由于电路直接与市电相连，调试时应注意安全，防止触电。调试前认真、仔细核查各元器件安装是否正确可靠，最后插上灯泡，进行调试。（2）插上电源插头，人体各部分远离印制电路板，打开开关，右旋电位器把柄，灯泡应逐渐变亮，右旋到头灯泡最亮；反之，左旋电位器把柄，灯泡应逐渐变暗，左旋到头灯光熄灭。第六章 总结对晶闸管调光电路经设计、制作等一系列流程，实现了PCB板成品的最终完美制作，学到很多在书本中没有学到的东西，使自己在本课程的设计中受益匪浅。首先，经过此项目的学习对晶闸管调光电路原理及元器件的作用有了进一步认识，并对所学有关知识得到了进一步的巩固，有助于进一步认识和理解。 其次，最终实现PCB板实物成品的制作，感觉很有成就感，我认识到无论以后做任何事，只要认真细心的去做，敢于面对困难，不管结果如何，只要尝试就是最大的胜利。本次课程设计是最后一在校学习设计，印制电路板现当今课题之一。所以我花了很大一部分时间在这个上面。但是最后我成功了。在这次设计中，我也遇到了不少问题，拿到这个课题之后，我首先想到的是原理图触发电路的设计。后来想到实验时用到的protel99se软件，电路简单，而且用起来方便，于是我就考虑用此原件而解决了控制电路的设计。在这次设计中我也阅读了不少的资料，进一步充实了自己的大脑，提高了自己的水平。只有通过自己亲自设计才能知道自己的不足，在这过程中我能感受到自己在一些能力方面的欠缺，并希望自己以后能通过努力去改善这一情况。致谢 通过这次课程设计，使我收获颇多。其中主要的是让我明白了触发电路的工作原理及触发过程，还有的就是主电路及保护的工作原理。在这其中不仅让我深化了所