交流调光灯课程设计说明书

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 R uo u V1 V2 0 u t 0 t uo 0 ug1 t 0 ug2 t 第 2 页 设 则负载电压的有效值为 1 1 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 Uo 0 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 0 U 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 tUu sin2 2sin 2 1 sin 2 1 2 UtdtUUo 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 第 3 页 表达式为 1 3 式中 当 t 时 io 0 将此条件代入式 1 3 可求得导通角 与控制角 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 sin sin 2 tan t o et Z U i R L LRZ t arctan 2 1 22 tan sin sin e 0 u t 0 ug1 t 0 ug2 t 0 io t 第 4 页 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 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 5 页 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 第 6 页 2 22 2 工作原理和特性曲线工作原理和特性曲线 当 b1 b2 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 5 0 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 A b1 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 第 7 页 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 8 页 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 第 9 页 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 3 5 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 第 10 页 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 第 11 页 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 第 12 页 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 第 13 页 图 4 1 交流调光灯电路原理图 电路设计的要求 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