《单相交流电机调速器设计》-项目2

任务一认识单结晶体管一、单结晶体管的结构单结晶体管的结构、等效电路及电气图形符号如图２－２所示。由图２－２可见，在一块高电阻率的Ｎ型硅片上，引出两个电极：第一基极ｂ１和第二基极ｂ２，这两个基极之间的电阻就是硅片本身的电阻，一般为２～１２ｋΩ。在两个基极之间靠近ｂ１的地方，采用合金法或扩散法掺入Ｐ型杂质铝并引出电极（称为发射极ｅ）。它是一种特殊的半导体器件，有三个电极，只有一个ＰＮ结，因此称为单结晶体管，又因为管子有两个基极，所以又称为双极二极管。单结晶体管的等效电路如图２－２（ｂ）所示，两个基极之间的电阻ｒｂｂ＝ｒｂ１＋ｒｂ２，在正常工作时，ｒｂ１随发射极电流的大小变化，相当于一个可变电阻。下一页返回任务一认识单结晶体管ＰＮ结可等效为二极管ＶＤ，它的正向导通压降常为０.７Ｖ。单结晶体管的图形符号如图２－２（ｃ）所示。触发电路常用的国产单结晶体管的型号主要有ＢＴ３１、ＢＴ３３、ＢＴ３５，其外形与管脚排列如图２－２（ｄ）所示。其实物及管脚如图２－３所示。二、单结晶体管伏安特性当两基极ｂ１和ｂ２间加某一固定直流电压Ｕｂｂ时，发射极电流Ｉｅ与发射极正向电压Ｕｅ之间的关系曲线称为单结晶体管伏安特性曲线，即Ｉｅ＝ｆ（Ｕｅ），实验电路图及伏安特性曲线如图２－４所示。当开关Ｓ断开，Ｉｂｂ为零，加发射极电压Ｕｅ时，得到图２－４（ｂ）所示的伏安特性曲线１，该曲线与二极管的伏安特性曲线相似。上一页下一页返回任务一认识单结晶体管三、单结晶体管的主要参数单结晶体管的主要参数有基极间电阻ｒｂｂ、分压比η、峰点电流ＩＰ、谷点电压ＵＶ、谷点电流ＩＶ及耗散功率等。国产单结晶体管的型号主要有ＢＴ３１、ＢＴ３３、ＢＴ３５等，其中ＢＴ表示特种半导体管，其主要参数见表２－１。四、单结晶体管自激振荡电路利用单结晶体管的负阻特性和ＲＣ电路的充放电功能可以组成单结晶体管的自激振荡电路。单结晶体管自激振荡电路的电路图和电压波形图如图２－５所示。上一页下一页返回任务一认识单结晶体管１.工作过程电源未接通时，电容上的电压为０。当电源接通后，电源通过ＲＥ对电容Ｃ进行充电，充电时间常数τ１＝ＲＥＣ，发射极电压ｕｅ为电容两端电压ｕＣ。ｕＣ逐渐升高，当ｕＣ上升到峰点电压ＵＰ之前，管子处于截止状态，当达到峰点电压ＵＰ时，单结晶体管导通，电容经过ｅ、ｂ１向电阻Ｒ１放电，放电时间常数τ２＝（Ｒｂ１＋Ｒ１）Ｃ，由于放电回路电阻很小，放电时间很短，所以在Ｒ１上得到很窄的尖脉冲。随着电容放电的进行，当ｕｅ＝ＵＶ并趋于更低时，单结晶体管截止，Ｒ１上的脉冲电压结束。此后电源又重新对电容充电，重复上述过程。由于电容上的放电时间常数远小于充电时间常数，电容上的电压为锯齿波振荡电压，电压波形如图２－５（ｂ）所示。上一页下一页返回任务一认识单结晶体管２.有关参数１）振荡频率由图２－５（ｂ）可知，自激振荡电路的周期Ｔ为充电时间ｔ１和放电时间ｔ２之和，即Ｔ＝ｔ１＋ｔ２，由于Ｒｅ≫Ｒｂ１＋Ｒ１，即ｔ１≫ｔ２，因此Ｔ≈ｔ１。上一页下一页返回任务一认识单结晶体管２）电阻（包括Ｒ、Ｒ１、Ｒ２），电容参数（１）ＲＥ。由上式可知，调节电阻ＲＥ能改变自激振荡电路的振荡频率。当ＲＥ增大时，输出脉冲的频率减小，脉冲数减少；当ＲＥ减小时，频率增大，脉冲数增多。但是，频率调节有一定的范围，ＲＥ不能选得太大，也不能选得太小，否则单结晶体管自激振荡电路均无法形成振荡。（２）Ｒ１。Ｒ１的大小直接影响输出脉冲的宽度和幅值，因此，选择Ｒ１必须保证晶闸管可靠触发所需的足够脉冲宽度。若Ｒ１太小，则放电太快，脉冲太窄，不易触发晶闸管；若Ｒ１太大，则在单结晶体管未导通时，电流Ｉｂｂ在Ｒ１上的压降太大，可能造成晶闸管的误导通。通常Ｒ１取５０～１００Ω。上一页下一页返回任务一认识单结晶体管（３）Ｒ２。Ｒ２用来补偿温度对ＵＰ的影响，即用来稳定振荡频率，通常Ｒ２取２００～６００Ω。（４）电容Ｃ。Ｃ的大小与脉冲宽度和Ｒｅ的大小有关，通常Ｃ取０.１～１μＦ。上一页返回任务二调光灯主电路设计单相半波整流电路结构简单、调试方便、投资小，但只有半周工作，输出的直流电压脉动大，整流变压器利用率低且有直流分量流过，所以一般只用在小容量且要求不高的场合。单相全控桥式整流电路可以减小直流电压脉动性，消除整流变压器直流分量，提高变压器利用率，所以在小容量装置中得到广泛应用。下面介绍带各种负载的单相全控桥式整流电路。一、单相全控桥式整流电路１.电阻性负载１）电路结构单相全控桥式整流电路如图２－６（ａ）所示，四只晶闸管ＶＴ１、ＶＴ２、ＶＴ３、ＶＴ４组成桥臂，其中ＶＴ１、ＶＴ２阴极相连，为共阴极接法；上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计ＶＴ３、ＶＴ４阳极相连，为共阳极接法。晶闸管ＶＴ１和ＶＴ４组成一对桥臂，晶闸管ＶＴ２和ＶＴ３组成另一对桥臂。２）工作原理当交流电压ｕ２为正半周时（即ａ端为正，ｂ端为负），在相当于控制角的时刻给ＶＴ１和ＶＴ４同时加触发脉冲，ＶＴ１和ＶＴ４即导通。这时电流从电源ａ端经ＶＴ１、负载Ｒｄ及ＶＴ４回电源ｂ端，负载上得到的电压ｕｄ为电源电压ｕ２，方向为上正下负，ＶＴ２和ＶＴ３则因为ＶＴ１和ＶＴ４的导通而承受反向的电源电压ｕ２而截止。当电源电压过零时，电流也降到零，ＶＴ１和ＶＴ４即关断。当交流电压ｕ２过零变负时（即ａ端为负，ｂ端为正），仍在控制角为α处触发晶闸管ＶＴ２和ＶＴ３，则ＶＴ２和ＶＴ３导通。上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计电流从电源ｂ端经ＶＴ２、负载Ｒｄ及ＶＴ３回电源ａ端，负载上得到的电压ｕｄ仍为电源电压ｕ２，方向仍为上正下负，与正半周一致，此时，ＶＴ１和ＶＴ４因为ＶＴ２和ＶＴ３的导通承受反向的电源电压ｕ２而处于截止状态。直到电源电压ＶＴ３负半周结束，电压ｕ２过零时，电流也过零，使得ＶＴ２和ＶＴ３关断。下一周期重复上述过程。３）波形分析由图２－６（ｂ）可以看出，负载上得到的直流输出电压ｕｄ的波形与半波时相比多了一倍，负载电流ｉｄ的波形与电压ｕｄ的波形相似。上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计由晶闸管所承受的电压ｕＴ可以看出，其导通角为θ，除在晶闸管导通期间不受电压外，当一组管子导通时，电源电压ｕ２将全部加在未导通的晶闸管上，而在四只管子都不导通时，假设其漏电阻都相同，则每只管子将承受一半的电源电压。４）参数计算上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计２.电感性负载图２－７（ａ）所示为带电感性负载的单相全控桥式整流电路。假设电感很大，输出电流连续且电路处于稳态。１）电路结构带电感性负载的单相全控桥式整流电路由整流变压器Ｔ、四只晶闸管ＶＴ１～ＶＴ４、平波电抗器Ｌｄ、负载电阻Ｒｄ等组成。上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计２）工作原理当电源ｕ２为正半周时，在相当于α角的时刻给ＶＴ１和ＶＴ４同时加触发脉冲，则ＶＴ１和ＶＴ４导通，输出电压ｕｄ＝ｕ２（负载电流流过的路径为：ａ－ＶＴ１－Ｌｄ－Ｒｄ－ＶＴ４－ｂ）。当ｕ２电源过零变负时，由于电感产生的自感电动势会使ＶＴ１和ＶＴ４继续导通，负载上的输出电压仍为ｕｄ＝ｕ２，所以出现了输出电压为负的情况。此时，晶闸管ＶＴ２和ＶＴ３虽然已承受正向电压，但还没有触发脉冲，所以不会导通。直到在负半周相当于α角的时刻，给ＶＴ２和ＶＴ３同时加触发脉冲，则因ＶＴ２的阳极电位比ＶＴ１的高，ＶＴ３的阴极电位比ＶＴ４的低，故ＶＴ２和ＶＴ３被触发导通，分别替换了ＶＴ１和ＶＴ４，而ＶＴ１和ＶＴ４将由于ＶＴ２和ＶＴ３的导通承受反压而关断，负载电流也改为经过ＶＴ２和ＶＴ３（负载电流流过的路径为：ｂ－ＶＴ３－Ｌｄ－Ｒｄ－ＶＴ２－ａ）。上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计３）波形分析前述电路中的换流，都是在换流的瞬间，利用电源电压ｕ２的极性使待触发的管子承受正压触发导通，同时，使已导通的管子因承受反压而关断。这种负载电流的供给从一组管子换成另一组管子，都是自然进行的而不需要其他措施，这称为自然换流或电源换流。由上述波形可知，负载电压、电流的波形与电阻性负载相比，ｕｄ的波形出现了负半波部分。ｉｄ的波形则是连续的一条近似直线，这是由于电感中的电流不能突变，电感起到了平波的作用，电感越大，则电流波形越平稳，而流过每只晶闸管的电流则近似方波。变压器二次侧电流ｉ２的波形为正负对称的方波。晶闸管的移相范围为９０°，晶闸管承受的最大正、反向电压均为２ｕ２。上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计４）参数计算上一页下一页返回任务二调光灯主电路设计３.带续流二极管的电感性负载为了扩大移相范围，不使波形出现负值，输出电流更平稳，提高Ｕｄ，可在电路负载两端并接续流二极管。二、单相半控桥式整流电路在单相全控桥式整流电路中，需要四只晶闸管，由于每次都要同时触发两只晶闸管，因此线路较为复杂。它是用两只晶闸管来控制同一个导电回路，为了简化电路，实际上可以采用一只晶闸管来控制导电回路，然后用一只整流二极管来代替另一只晶闸管。因此可以把单相全控桥式整流电路中的晶闸管ＶＴ３和ＶＴ４换成二极管ＶＤ３和ＶＤ４，这就构成了单相半控桥式整流电路。上一页返回任务三调光灯控制电路设计一、单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路由同步电源、移相控制和脉冲输出三部分组成，如图２－１２所示。（１）同步电源。同步电压由同步变压器ＴＳ提供，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压与主电路同相位，且频率相同。同步电压经过桥式整流与稳压管削波后得到梯形波电压ｕｖ，此梯形波既是同步信号又是触发电路的电源，每当梯形波电压ｕｖ过０时，即ｕｖ＝ｕｂｂ＝０时，单结晶体管的内部Ａ点电压ｕＡ＝０，ｅ与第一基极ｂ１之间导通，电容Ｃ上的电荷很快经ｅ、ｂ１和Ｒ１放掉，使电容每次都能从０开始充电，这样就保证了每次触发电路送出的第一个脉冲与电源过零点的时刻一致，从而获得了同步。下一页返回任务三调光灯控制电路设计（２）移相控制。如果进行移相控制，即控制整流输出电压ｕｄ的大小，调节电阻Ｒｅ即可。当电阻Ｒｅ增大时，电容Ｃ上的电压上升到峰点电压的时间延长，第一个脉冲出现的时刻后移，即控制角α增大，整流电路的输出电压ｕｄ减小。相反，当电阻Ｒｅ减小时，控制角α减小，输出电压ｕｄ增大。为了扩大移相范围，要求同步电压梯形波ｕｖ的两腰边要接近垂直，这时可采用提高同步变压器二次电压ｕ２的方法，电压ｕ２通常要大于６０Ｖ。（３）脉冲输出。脉冲输出可以从第一基极直接输出，也可以将第一基极输出的脉冲经过脉冲变压器后输出。前者简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全；后者通过脉冲变压器进行电隔离，则可避免这个问题。上一页下一页返回任务三调光灯控制电路设计为了简化电路，图２－１２（ａ）中单结晶体管输出的脉冲要同时触发晶闸管ＶＴ１、ＶＴ２，因为只有阳极电压为正的晶闸管才能被触发导通，所以能保证半控桥式整流电路的两个晶闸管轮流导通。单结晶体管触发电路的优点是电路简单、使用元件少、体积小、脉冲前沿陡、峰值大；其缺点是只能产生窄脉冲，对于大电感负载，由于晶闸管在触发导通时阳极电流上升较慢，在阳极电流还没有上升到擎住电流ＩＬ时，脉冲就已经消失，使晶闸管在触发导通后又重新关断。因此，单结晶体管触发电路多用于５０Ａ以下的晶闸管装置及带非大电感负载的电路中。上一页下一页返回任务三调光灯控制电路设计１.同步电路前面讲述的单结晶体管张弛振荡电路输出的尖脉冲可以用来触发晶闸管，但不能直接用作触发电路，还必须解决触发脉冲与主电路的同步问题。（１）同步的概念。触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫作同步。例如，在单相半波可控整流电路中，触发脉冲应出现在电源电压正半周范围内，而且每个周期的α角相同，确保电路输出波形不变，输出电压稳定。（２）同步电路的组成。同步电路由同步变压器、桥式整流电路ＶＤ１～ＶＤ４、电阻Ｒ３及稳压管ＶＳ组成。上一页下一页返回任务三调光灯控制电路设计同步变压器一次侧与晶闸管整流电路接在同一相电源上，交流电压经同步变压器降压、单相桥式整流后再经过稳压管稳压削波形成一梯形波电压，作为触发电路的供电电压。梯形波电压零点与晶闸管阳极电压过零点一致，从而实现触发电路与整流主电路的同步。（３）波形分析。单结晶体管触发电路的调试及检修主要是通过几个点的典型波形来判断各元件是否正常，可通过理论波形与实测波形的比较来进行分析。２.脉冲移相与形成（１）电路的组成。脉冲移相与形成电路实际上就是上述张弛振荡电路。脉冲移相由电阻Ｒｅ和电容Ｃ组成，脉冲形成由单结晶体管、温补电阻Ｒ２、输出电阻Ｒ１组成。上一页下一页返回任务三调光灯控制电路设计（２）波形分析。①电容电压的波形（图２－１２中Ｄ点）。将Ｙ１探头的测试端接于Ｄ点，测得Ｄ点的波形，如图２－１５（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Ｒｅ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，因此本任务中的触发电路无法实现在电源电压过零点，即α＝０°时送出触发脉冲。调节电位器Ｒｅ的旋钮，观察Ｄ点波形的变化范围。图２－１６所示为调节电位器Ｒｅ后得到的波形。上一页下一页返回任务三调光灯控制电路设计②输出脉冲波形（图２－１２中的Ｅ点）。将Ｙ１探头的测试端接于Ｅ点，测得Ｅ点的波形如图２－１７（ａ）所示。单结晶体管导通后，电容通过单结晶体管的ｅｂ１迅速向输出电阻Ｒ１放电，在Ｒ１上得到很窄的尖脉冲。图２－１７（ｂ）所示为理论波形，对照进行比较。调节电位器Ｒｅ的旋钮，观察Ｅ点的波形的变化范围。图２－１８所示为调节电位器Ｒｅ后的输出波形。（３）触发电路各元件的选择。①充电电阻Ｒ的选择。改变充电电阻Ｒ的大小，就可以改变张弛振荡电路的频率，但是频率的调节有一定的范围，如果充电电阻Ｒ选择不当，将使单结晶体管自激振荡电路无法形成振荡。上一页下一页返回任务三调光灯控制电路设计②电阻Ｒ３的选择。电阻Ｒ３用来补偿温度对峰点电压ＵＰ的影响，通常取值范围为２００～６００Ω。③输出电阻Ｒ４的选择。输出电阻Ｒ４的大小将影响输出脉冲的宽度与幅值，通常取值范围为５０～１００Ω。④电容Ｃ的选择。电容Ｃ的大小与脉冲宽窄和Ｒｅ的大小有关，通常取值范围为０.１～１μＦ。单结晶体管触发电路输出触发脉冲的功率较小，脉冲较窄；另外，由于不同单结晶体管的参数差异较大，在多相电路中，触发脉冲不易做到一致。因此，单结晶体管触发电路只用于控制精度要求不高的单相晶闸管系统。上一页下一页返回任务三调光灯控制电路设计在电流容量较大、要求较高的晶闸管装置中，为保证触发脉冲具有足够的功率，常采用由晶体管组成的触发电路。锯齿波同步移相触发电路是其中之一。二、锯齿波同步移相触发电路锯齿波同步移相触发电路不受电网波动和波形畸变的影响，移相范围宽，应用范围较广。图２－１９所示为锯齿波同步移相触发电路，它由脉冲形成环节、放大环节、锯齿波形成和脉冲移相环节、同步电压环节、双窄脉冲形成环节、脉动封锁、强触发环节等组成。上一页返回任务四调光灯的装配与调试一、调光灯装配使用的工具与仪器仪表（１）电路焊接使用的工具：电烙铁（２０～３５Ｗ）、烙铁架、焊锡丝、松香、砂纸。（２）机加工工具：剥线钳、尖嘴钳、平口钳、镊子、一字螺丝刀、十字螺丝刀、电钻。（３）仪器仪表：直流稳压电源、数字万用表、数字示波器。（４）电源：２２０Ｖ正弦交流电。二、调光灯元件清单与检测本项目所用元件清单见表２－２。下一页返回任务四调光灯的装配与调试三、调光灯的组装制作按照印制电路板图焊接好所有的元件。装配过程如下：（１）印制电路板如图２－２２所示。首先检查印制电路板有无破损和缺失，核对印制电路与原理图电路是否一致。（２）按印制电路板正确安装元件，一般先安装体积小的元件（如电阻、电容、晶体管等），后安装体积大的元件（如晶闸管、变压器等）。（３）安装元件时，要注意：①元件不能装错，注意整流二极管、稳压二极管、单结晶体管和晶闸管的极性。上一页下一页返回任务四调光灯的装配与调试②元件引脚长度适当。③焊接要牢固，不能存在虚焊、假焊和漏焊。（４）完成装配后进行整体检查和修整。四、调光灯的电路调试经检查，在确定电路无误后，进行电路调试。调试过程中电路带电，一定要注意安全。调试顺序是先调控制电路，再调主电路。１.控制电路的调试（１）连接２２０Ｖ交流电源，合上电源开关Ｓ，此时电路电源接通（２）用数字万用表的１００Ｖ直流电压挡测整流桥的直流输出电压，正常值为３３Ｖ。上一页下一页返回任务四调光灯的装配与调试（３）测稳压管两端的直流电压，正电压为１８Ｖ。（４）测电容Ｃ两端的直流电压，调节电位器ＲＰ电压在２Ｖ以下变化。如果以上各项均正常，则控制电路调试完毕。２.主电路的调试用数字万用表的２５０Ｖ直流电压挡测主电路（单相半控桥式整流电路）的输出直流电压，调节电位器ＲＰ，电压应在０～１９８Ｖ范围内变化。上一页下一页返回任务四调光灯的装配与调试３.波形测试调节电位器，用示波器观察变压器二次侧电压ＵＡ、四个二极管构成的桥式整流输出电压ＵＢ、稳压二极管两端的电压ＵＣ、电容Ｃ两端的电压ＵＤ和晶闸管上的触发电压Ｕｇ等各点的波形，并将α＝９０°时的各点波形记录在调光灯安装与调试的任务工单中。五、调光灯的故障分析（１）通电后，灯泡不亮。①首先检查主电路电源连接是否完好，电源侧的熔断器是否完好。②若主电路