课题一_调光灯

1、课题一调光灯一、学习目标v1. 用万用表测试晶闸管和单结晶体管的好坏v2. 掌握晶闸管的工作原理v3. 分析单相半波整流电路的工作原理v4. 分析单结晶体管触发电路的工作原理v5. 熟悉触发电路与主电路电压同步的基本概念二、课题描述 调光灯及电路原理图v1.主电路主电路：晶闸管晶闸管和单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路v2.触发电路触发电路：单结晶体管和单结晶体管触发单结晶体管和单结晶体管触发电路电路调光灯构成：三、相关知识点v1.晶闸管的工作原理v2.晶闸管的特性及主要参数v3.单相半波可控整流电路v4.单结晶体管触发电路1.晶闸管工作原理晶闸管工作原理v1.1 晶闸管的结构晶闸管的结

2、构v1.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理v1.3 晶闸管的导通关断原理晶闸管的导通关断原理1.1.晶闸管工作原理晶闸管工作原理1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。 晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1.1晶闸管的结构晶闸管的结构结构： 管芯和散热器外形 ：1）塑封形：额定电流

3、10A以下 2）螺栓形：散热效果差，用于200以下容量的元件 3）平板形：散热效果较好，可用于200以上的元件 常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构v晶闸管的内部结构晶闸管的内部结构： 四层(P-N-P-N) 三端(A、G、K)a） 芯片原理结构 b）以三个PN结等效 c）符号图1-3 晶闸管内部结构及等效电路1.2 工作原理工作原理 实验（九步）v实验说明：实验说明：1）晶闸管有反向阻断能力，与整流二极管一晶闸管有反向阻断能力，与整流二极管一样具有单相导电性；样具有单相导电性；2）晶闸管有正向阻断能力，二极管不具备；晶闸管有正向阻断能力，二极管不具备；3）正向导通状态

4、正向导通状态可控特性可控特性 ；4）晶闸管导通后，门极不起控制作用。晶闸管导通后，门极不起控制作用。特点：可控单向导电性v结论：结论：晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正向电压。向电压。 注意：阳极加正向电压是指阳极电位高于阴极电位，注意：阳极加正向电压是指阳极电位高于阴极电位，阳极电位可以是正也可以是负。门极正向电压是指阳极电位可以是正也可以是负。门极正向电压是指门极电位高于阴极电位。门极电位高于阴极电位。晶闸管关断条件：流过晶闸管的电流小于维持电流。晶闸管关断条件：流过晶闸管的电流小于维持电流。 关断方法：去掉阳极电压；或给阳极加反压关断

5、方法：去掉阳极电压；或给阳极加反压1.3晶闸管的导通关断原理晶闸管的导通关断原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-5 晶闸管的工作原理2. 晶闸管特性与主要参数晶闸管特性与主要参数v2.1 晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性v2.2 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.1 晶闸管的晶闸管的阳极阳极基本特性基本特性（1）正向特性）正向特性IG=0时，器件两端施加正时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电正向电压超过正向转折电压压

6、Ubo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件开通。器件开通。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM反向特性类似二极管的反反向特性类似二极管的反向特性。向特性。反向阻断状态时，只有极反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管电压后，可能导致晶闸管发热损坏。发热损坏。晶

7、闸管的伏安特性IG2IG1IG（2）反向特性）反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压允许重复加在器件上的正向峰值电压。通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。1000以下（100一个等级），1000至3000（200一个等级 ）选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。 UTn =（23）UTM 使用注意：使用注意：2.2 晶闸

8、管的主要参数晶闸管的主要参数反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。额定电压额定电压UTn 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。1）电压定额电压定额额定电流额定电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最最大工频正弦半波电流的平均值大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。2 2）电流定额电流定额平均电流表示，不是有效值m0mT(AV)1)(sin21IttdII图1-9 晶闸管流过正弦半波电流波

9、形 正弦半波电流的有效值为：m02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTfIIK式中Kf波形系数：选择元件：有效电流整流输出：平均电流选择器件时：从平均电流找出相应波形的有效电流保证不过热它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。3）

10、门极参数）门极参数l门极触发电流IGDl门极触发电压UGD 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。4 4）动态参数动态参数5 5）晶闸管的型号）晶闸管的型号v普通晶闸管的型号及含义：整流电路的分类：整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按组成的器件可分为不可控、半

11、控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。单拍电路和双拍电路。整流电路整流电路： 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。3. 单相半波可控整流电路v3.1 电阻性负载v3.2 电感性负载 单相半波可控整流电路及波形3.1 3.1 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况变压器变压器T起变换电压和起变换电压和电气隔离的作用

12、。电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波与电流成正比，两者波形相同。形相同。tTVTR0a)u1u2uVTudidt12 tttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00v几个重要的基本概念：几个重要的基本概念：控制角控制角a ：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到触发脉冲出现之间的电角度, 也称触发角或控制角。导通角导通角：晶闸管在一个周期内处于导通的电角度。移向移向：指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小移相范围：移相范围：输出电压Ud从最大值降到最小值时对应的a角的取值范围。（1）工作原理）工作原理 v 时的波形分析时的波形分析o0a图图1-8

13、时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形（a）输出电压波形）输出电压波形 （b）晶闸管两端电压波形）晶闸管两端电压波形o0av 时的波形分析时的波形分析o30av 时的波形分析时的波形分析o60av 时的波形分析时的波形分析o90av 时的波形分析时的波形分析o120av总结：总结：相位控制方式：相位控制方式：通过控制触发脉冲的相位来控制通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式称相控方式导通角与移向角关系：导通角与移向角关系：移向范围移向范围0 0o o-180-180o oaq（

14、2）基本数量关系）基本数量关系 1) 直流输出电压平均值直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值与输出电流平均值Idv直流输出电压平均值直流输出电压平均值Ud:v输出电流平均值Id:aaa2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU2cos10.45 2ddaRURUI2) 输出电压有效值输出电压有效值U与输出电流有效值与输出电流有效值Iv输出电压有效值U:v输出电流有效值I:22sin41d2sin22122aaaUttUU22sin412aaRURUI3) 晶闸管电流有效值和管子两端可能承受的最晶闸管电流有效值和管子两端可能承受的最大电压大电压v单相半波可控整

15、流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：22sin4122TaaRUIII22mUU4) 功率因数功率因数cosv整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值 式中 P变压器二次侧有功功率，P=UI=I2R S变压器二次侧视在功率，S=U2I222sin41cos222aaIUUISP例例1-3 单相半波可控整流器，电阻性负载，单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压电源电压U2为为220V，要求的直流输出电压为，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为，直流输出平均电流为20A 试计算：试计算： (1) 晶闸管的控制角。晶闸管的控制角。 (2)

16、输出电流有效值。输出电流有效值。 (3) 电路功率因数。电路功率因数。 (4) 晶闸管的额定电压和额定电流。晶闸管的额定电压和额定电流。 解解 (1) 则=90 (2) 当=90时，输出电流有效值 (3) 0122045. 0502145. 02cosddUUa5 . 22050 ddIURA 44.4 22sin412aaRURUI505. 022020504 .44cos2222UUIUUISP(4) 晶闸管电流有效值IT 与输出电流有效值相等，即：则 取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：（5）晶闸管承受的最高电压：考虑(23)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为 根据计算结果可以选取满足要求的

17、晶闸管。 IIT)25 . 1 (57. 1TT(AV)IIA 6 .56T(AV)IV311220222mUUV 933622311)32()32(mTNUU3.2 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。使得流过电感的电流不发生突变。 图1-18 带阻感负载的 单相半波电路及其波形ttttu20t12 tug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+ + +（1）无续流二极管时）无续流二极管时1）在）在0期间：期间： 阻断，阻断，uo=0；uT=u22）在）在时刻：导通，

18、时刻：导通，ud=u2；uT=03）在）在时刻：时刻：u20，导通，导通ud=u2；uT=0a)结论：结论：无论如何调控制角，Ud总是很小，无实用价值（2）接续流二极管）接续流二极管u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-a+ab)c)d)e)f)g)iVDR 图1-20 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 0： u20 VT在在时刻时刻导通，导通， ud=u2，uT=0； VD关断。关断。2：u20 VT关断，关断，ud=uVD=0；uT=u2 VD续流导通。续流导通。在晶闸管关断时，该管能为负载提供续流回路，故称续流二极管作用：使负载不出现负电压a)v结论：结

19、论：电阻负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性电阻负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，可见续流二极管的作用是为了提高负载波形相同，可见续流二极管的作用是为了提高输出电压。输出电压。负载电流波形连续且近似为一条直线，如果电感无负载电流波形连续且近似为一条直线，如果电感无穷大，则负载电流为一直线。穷大，则负载电流为一直线。流过晶闸管和续流二极管的电流波形是矩形波。流过晶闸管和续流二极管的电流波形是矩形波。u基本的物理量计算基本的物理量计算输出电压平均值输出电压平均值Ud与输出电流平均值与输出电流平均值Id。流过晶闸管电流的平均值流过晶闸管电流的平均值IdT和有效值和有效值IT流

20、过续流二极管电流的平均值流过续流二极管电流的平均值IdD和有效值和有效值ID晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压。晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压。晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压都为电源电压的峰值，即：晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压都为电源电压的峰值，即：2cos145. 02daUU2cos145. 02addddRURUIddTIIa2ddTItdIIaa2)(21222UUUDMTMddDIIa2dDIIa24.单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路v4.1 单结晶体管单结晶体管v4.2 单结晶体管张驰振荡电路单结晶体管张驰振荡电路v4.3 单结晶体管触发电路单结晶

21、体管触发电路v4.1单结晶体管单结晶体管（1）结构）结构图图1-22 单结晶体管单结晶体管（a）结构）结构 （b）等效电路）等效电路 （c）图形符号）图形符号 （d）外形管脚排列）外形管脚排列实物图：发射极e第一基极b1第二基极b2（2）单结晶体管的伏安特性）单结晶体管的伏安特性图图124 单结晶体管伏安特性单结晶体管伏安特性（a）单结晶体管实验电路）单结晶体管实验电路 （b）单结晶体管伏安特性）单结晶体管伏安特性 （c）特性曲线族）特性曲线族（1 1）截止区：）截止区：当Ve Vbb时，管子截止（2 2）负阻区：）负阻区：当Ve Vbb+VD ，PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减

22、小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。 P P称为峰点称为峰点管子由截止区进入负阻区的临界（峰点电压Vp和峰点电流Ip）显然Vp=Vbb+VD V V称为谷点称为谷点随着发射极电流ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不在降了（谷点电压Vv和谷点电流Iv）。 v（3 3）饱和区：）饱和区：过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压， 如果VeVv，管子重新截止。4.2单结晶体管张驰振荡电路单结晶体管张驰振荡电路图图1 125 25 单结晶体管张驰振荡电路电路图

23、和波形图单结晶体管张驰振荡电路电路图和波形图（a a）电路图）电路图 （b b）波形图）波形图v（1）C充电：随时间增长uC逐渐增大到uC=UP后，管子进入负阻区v（2）C放电：输入端等效电阻急剧减小，使C通过发射结和R1迅速放电，IE随之迅速减小，当uC=Uv后管子截止；电容又开始充电。v（3）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，电容上电压的波形所示。4.3 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 （1）同步电路）同步电路 1）什么是同步）什么是同步 触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调

24、的关系叫触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫同步。同步。 2）同步电路组成）同步电路组成 3）波形分析）波形分析v 桥式整流后脉动电压的波形桥式整流后脉动电压的波形(A点点) （a） （b）图图126 桥式整流后电压波形桥式整流后电压波形（a）实测波形）实测波形 （b）理论波形）理论波形v 削波后梯形波电压波形（削波后梯形波电压波形（B点）点） （a） （b）图图1-27 削波后电压波形削波后电压波形（a）实测波形）实测波形 （b）理论波形）理论波形（2）脉冲移相与形成）脉冲移相与形成 1）电路组成）电路组成 脉冲移相：由电阻脉冲移相：由电阻RE和电容和电容C组成，组成， 脉冲形成

25、：由单结晶体管、温补电阻脉冲形成：由单结晶体管、温补电阻R3、输出电阻、输出电阻R4组成。组成。 RPC出现第一个脉冲的时间后移出现第一个脉冲的时间后移Ud 2）波形分析）波形分析 电容电压的波形（C点） 半个周期（a） （b）图1-28 电容两端电压波形（a）实测波形 （b）理论波形图129 改变RP后电容两端电压波形 输出脉冲的波形（输出脉冲的波形（D点）点） 图130 输出波形（a）实测波形 （b）理论波形 （a）（b）图1-31调节RP后输出波形（3）触发电路各元件的选择）触发电路各元件的选择1）充电电阻的选择）充电电阻的选择2）电阻）电阻R3的选择的选择 电阻电阻R3是用来补偿温度对

26、峰点电压的影响，通常取值范围为：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）输出电阻R4的选择的选择 输出电阻输出电阻R4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：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）电容C的选择的选择 电容电容C的大小与脉冲宽窄和的大小有关，通常取值范围为：的大小与脉冲宽窄和的大小有关，通常取值范围为：0.11。PPEVVIUURIUU一、主要概念提示及难点释疑一、主要概念提示及难点释疑 1晶闸管导通、关断条件晶闸管导通、关断条件 2晶闸管主要参数及选型晶闸管主要参数及选型 1）额定电压：

27、）额定电压：2）额定电流）额定电流 3单相半波可控整流电路工作原理及参数计算单相半波可控整流电路工作原理及参数计算 1）几个名词术语和概念）几个名词术语和概念 2）分析工作原理、绘制输出电压）分析工作原理、绘制输出电压ud波形时要抓住晶闸管什么时候导通、波形时要抓住晶闸管什么时候导通、什么时候关断这个关键。什么时候关断这个关键。 3）电感性负载时，理解输出负电压的原因。关键是理解电感储存、释）电感性负载时，理解输出负电压的原因。关键是理解电感储存、释放能量的性质。放能量的性质。 4）参数计算时要根据输出波形，应用电工基础中平均值、有效值的概）参数计算时要根据输出波形，应用电工基础中平均值、有效

28、值的概念来推导计算公式。念来推导计算公式。 5）续流二极管的作用：使负载不出现负电压，提高输出电压。）续流二极管的作用：使负载不出现负电压，提高输出电压。 4单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 1）单结晶体管的伏安特性）单结晶体管的伏安特性 2）单结晶体管的张驰振荡电路）单结晶体管的张驰振荡电路 3）单结晶体管触发电路）单结晶体管触发电路总结：总结：二、学习方法二、学习方法1波形分析法：波形分析法是整流电路以及触发电波形分析法：波形分析法是整流电路以及触发电路的工作原理分析最有效的方法，要学会利用波形路的工作原理分析最有效的方法，要学会利用波形分析来分析电路工作原理。分析来分析电路工作原理。2分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原分析计算法：电路中各电量的计算要通过工作原理分析来