《电工电子技术应用》-学习情境七

学习情境7调光灯电路的制作【学习目标】1.认识单结晶体管的结构、原理，会检测管脚。2.认识晶闸管的结构、原理，会检测管脚。3.能绘制调光灯电路与类似电路图，完成实物的制作。4.能设计具有新功能的调光灯，通过自学新知识后完成实物的制作。【看一看】认识调光灯图7-1所示为调光灯，它由灯泡、调节旋钮、电路板、电源线和外壳等组成。使用时，通过旋钮调节电位器的电阻大小，电路板中的相关电子元件控制调光灯内部电流的触发和整流，高效地输出变化电压给灯泡，从而控制调光灯的明暗。上一页返回1.知识准备1.1单结晶体管【看一看】认识单结品体管1.单结晶体管简介单结晶体管(Unijnnctiontransistor)又称作双基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别引出两个基极B1和B2。在硅片中间略偏B2一侧用合金法制作一个P区作为发射极E。单结晶体管是近几年发展起来的一类新型电子器件，它具有一种重要的电气性能—负阻特性，可以使自激多谐振荡器、阶梯波发生器及定时电路等多种脉冲产生单元电路的结构大为简化，应用十分广泛。下一页返回1.知识准备2.单结晶体管实物、结构及符号1)单结晶体管实物单结晶体管型号有BT31,BT32,BT33,BT35等。部分常见的单结晶体管实物如图7-2所示。

2)单结晶体管的结构与符号单结晶体管结构如图7-3(a)所示，它有三个电极:发射极E、第一基极B1、第二基极B2和一个PN结。它的图形符号如图7-3(b)所示，发射极箭头表示经PN结的电流只流向B1极。【测一测】判别单结品体管的管脚上一页下一页返回1.知识准备1.单结晶体管各管脚的检测如图7-4所示，检测单结晶体管发射极E的方法是:把万用表置于Rx100挡或Rx1K挡，黑表笔接假设的发射极，红表笔接另外两极，当出现两次低电阻时，黑表笔接的就是单结晶体管的发射极。单结晶体管B1和B2的判断方法是:把万用表置于Rx100挡或Rx1K挡，用黑表笔接发射极，红表笔分别接另外两极，两次测量中，电阻大的一次，红表笔接的就是B1极。应当说明:上述判别B1,B2的方法，不一定对所有的单结晶体管都适用，有个别管子的E,B1间的正向电阻值较小。不过准确地判断哪个极是B1，哪个极是B2在实际使用中并不特别重要。上一页下一页返回1.知识准备即使B1,B2用颠倒了，一也不会使管子损坏，只影响输出脉冲的幅度(单结晶体管多作脉冲发生器使用)。当发现输出的脉冲幅度偏小时，只要将原来假定的B1，B2对调过来就可以了。2.部分单结晶体管各管脚的快速判别对于部分型号的单结晶体管，我们可以根据常见的管脚情况，通过目测进行初步判断，如图7-5所示。【学一学】单结晶体管的基本特性1.单结晶体管的等效电路单结晶体管的等效电路如图7-6所示。上一页下一页返回1.知识准备与图7-3(a)中的结构相比，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之间电压的控制，所以等效为可变电阻。2.单结晶体管的负阻特性单结晶体管具有的负阻特性，可以使自激多谐振荡器、阶梯波发生器及定时电路等多种脉冲产生单元电路的结构大为简化，故而应用十分广泛。其伏安特性变化如图7-7所示。

(1)如图7-7所示，当VBB固定，等效电路中，A点对B1的电压UA=ηVBB为定值。当UE较小时，UE＜

UA,PN结反偏，此时只有很小的反向漏电流IEO(几微安)，如图中曲线“1”段。上一页下一页返回1.知识准备(2)当UE增大，UE=UA时，PN结处于零偏，IE=0。(3)UE继续增大，当UE>UA,IE开始大于零，由于硅二极管的正向压降为0.7V，所以IE不会有显著的增加，这个电压称为峰值电压UP，对应电流称为峰值电流IP，如图中曲线“2”段。曲线“1”段和曲线“2”段区域称为截止区。(4)UE继续增加，UE>UA，管子转向导通，PN结电流开始显著增加，这时将有大量的空穴进入基区，E,B1间载流子大量增加，使Rb1迅速减小，而Rb1的减小又使UA降低，导致IE又进一步加大，这种正反馈的过程使IE急剧增加、UA下降，单结管呈现了负阻特性，图中曲线“3”线段，到了V点负阻特性结束，V点电压UV称为谷点电压，一般为1V~2.5V，对应的电流称为谷点电流IV，一般为几毫安。上一页下一页返回1.知识准备(5)过了谷点之后，继续增加UE,IE~UE曲线形状接近二极管导通时的正向特性曲线。如曲线“4”线段，此时称为饱和区。饱和压降一般小4V~5V。(6)当改变VBB电压，改变了阈值电压UA,曲线的峰点电压一也随之改变。【想一想】如何用万用表区分出单结晶体管的发射极和两个基极?上一页下一页返回1.知识准备1.2晶闸管【看一看】认识晶闸管1.晶闸管简介晶闸管(Thvristor)是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器，以前被简称为可控硅。1957年，美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年使其商业化。晶闸管是PNPN四层半导体结构，共有三个极:阳极、阴极和门极。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“VT"表示(旧标准中用字母“SCR"表示)。晶闸管具有硅整流器件的特性，工作条件为:加正向电压且门极有触发电流。上一页下一页返回1.知识准备它能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，并具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、控制灵敏、使用寿命长等优点，因而被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。2.晶闸管实物、结构及符号1)晶闸管实物晶闸管种类众多，国内外产品有不同的型号命名。常见的晶闸管有普通晶闸管、高频(快速)晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管(GTO),BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等。部分常用的晶闸管实物如图7-8所示。上一页下一页返回1.知识准备2)晶闸管的结构与符号晶闸管的内部结构如图7-9

(a)所示，它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，分别为P1,N1,P2和N2，它们的接触面形成三个PN结，分别为J1,J2和J3，引出的三个电极分别为阳极A、阴极K和控制极G(门极)。晶闸管的符号如图7-9(b)所示。【测一测】判别品闸管的管脚1.晶闸管各管脚的检测如图7-10所示。用万用表检测晶闸管管脚的方法是:对于小功率晶闸管，利用Rx1k挡，两表笔任意测量两极间电阻的阻值，直到测得某两极正、反向阻值的差值很大为止，且正向阻值大约几百欧姆以下，反向阻值大于几千欧。上一页下一页返回1.知识准备这时，在阻值小的那次测量中，黑表笔所接的是晶闸管的G极，红表笔接的是K极，剩下的则是A极。对于大功率晶闸管(一般体积大的功率大)，可用Rx10k或Rxlk挡检测，但测得的阻值分别比上述小功率晶闸管小1个~2个数量级，判别方法完全相同。在实际应用中，还存在两个阴极引线的“晶闸管”，这只是为了便于与电路进行连接，极性判别法一样，应能进行识别。2.部分晶闸管各管脚的快速判别对于部分型号的晶闸管，我们可以根据常见的管脚情况，通过日测进行初步判断，如图7-11所示。上一页下一页返回1.知识准备【学一学】晶闸管的工作原理1.晶闸管的工作特性按照图7-12所示接线进行实验，观察灯泡EL的亮与灭。由以上实验可以得出以下晶闸管的工作特性:1)反向阻断如图7-12(a)所示，给晶闸管A极和K极之间加上反向电压，无论G极加什么电压，灯泡EL都不亮，即晶闸管没有导通。这就是晶闸管的反向阻断状态。

2)正向阻断如图7-12(b)所示，给晶闸管A极和K极之间加上正向电压，G极不加电压，灯泡EL也不亮，即晶闸管还是没有导通。这就是晶闸管的正向阻断状态。上一页下一页返回1.知识准备3)触发导通如图7-12(c)所示，在晶闸管正向电压的基础上，G极加上正向电压，灯泡EL亮了，即晶闸管导通了。这就是晶闸管的触发导通状态。4)导通后G极失去控制作用如图7-12(d)所示，在灯泡EL亮的前提下，切断G极的电压，灯泡EL继续保持亮着。说明晶闸管导通后，去掉触发电压，仍然维持导通状态，而G极已经失去了原来的控制作用。由此可以得出晶闸管导通条件:一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。上一页下一页返回1.知识准备晶闸管的特点是“一触即发”。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。2.晶闸管的使用注意事项(1)选用晶闸管的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电压的大小，并留出一定的余量。(2)选用晶闸管的额定电流时，除了考虑通过元件的平均电流外，还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中，还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。上一页下一页返回1.知识准备(3)使用晶闸管之前，应该用万用表检查晶闸管的状况是否良好。发现有短路或断路现象时，应立即更换。(4)严禁用兆欧表(即摇表)检查元件的绝缘情况。(5)电流为5A以上的晶闸管要装散热器，并且保证所规定的冷却条件。为了保证散热器与晶闸管管心接触良好，它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂。(6)按规定对主电路中的晶闸管使用过压及过流保护装置。(7)要防止品闸管控制极的正向过载和反向击穿。【记一记】国产品闸管型号的含义上一页下一页返回1.知识准备

国产晶闸管的型号命名主要由四部分组成，其中，第一部分用字母“K”表示主称为晶闸管;第二部分用字母表示晶闸管的类别;第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值;第四部分用数字表示重复峰值电压级数。晶闸管各部分的含义如表7-1所列。例如，KPl-2表示通态电流为1A,重复峰值电压为200V的普通反向阻断型晶闸管;KS5-4表示通态电流为5A,重复峰值电压为400V的双向型晶闸管。【想一想】如何快速判断晶闸管的各个管脚？上一页下一页返回1.知识准备1.3认识晶闸管可控整流电路与单结晶体管触发电路【学一学】晶闸管可控整流电路单相半波可控整流电路的主电路如图7-13所示。设图中变压器副边电压为u2，负载RL为电阻性负载。现将这种可控整流电路的工作原理分析如下:若晶闸管的控制极上未加正向触发电压，那么根据晶闸管的导通条件，不论正弦交流电压u2是正半周还是负半周，晶闸管都不会导通。这时，负载端电压u0=0、负载电流i0=0，因而电源的全部电压都由晶闸管承受，即uVT=u2。上一页下一页返回1.知识准备当由零进入正半周，设a点电位高于b点电位，晶闸管承受正向电压，如果在ω·t=α时，在控制极加上适当的触发脉冲电压，晶闸管将立即导通。电路中，电流流向为a→VT→RL→

b。晶闸管导通后，其管压降约1V左右，若忽略此管压降，则电源电压全部加在负载RL上，即u0=u20，这样负载电流i0=u0/RL。此后，尽管触发电压随即消失，晶闸管仍然继续导通，直到电源电压u2从正半周转人负半周过零的时候，晶闸管才自行关断。当u2在负半周时，因为晶闸管承受的是反向电压，所以即使控制极上加触发电压，晶闸管一也不会导通。这时，负载电压、电流都为零，晶闸管承受u2的全部电压。在以后各个周期，均会重复上述过程。上一页下一页返回1.知识准备

图7-14所示为单相半波可控整流电路的电压和电流波形图。从图中看，u0,i0均是一个不完整的半波整流波形(阴影部分)。在晶闸管承受正向电压的半周内，加上触发脉冲电压，使晶闸管开始导通的相位角α称为控制角，而晶闸管从开始导通到关断所经历的电角度θ称为导通角，故θ=π-α显然，α的大小是由加上触发脉冲的时刻来控制的。改变α的大小称为移相。α的变化范围称为移相范围。因此，改变α就可以方便地获得可调节的整流电压和电流。比较图7-14(a)与(b)可见，控制角α越小，则输出电压、电流的平均值越大。【学一学】单结晶体管触发的振荡电路上一页下一页返回1.知识准备接通电源，VBB通过R向电容C充电，uC逐渐上升。uC达到单结晶体管峰点电压前，单结晶体管截止，电阻R1上流过电流极小,u0≈

0。uC达到单结晶体管的峰点电压后，单结晶体管导通，电容器通过RB1,R1放电，uC迅速下降。当uC降至谷点电压时，单结晶体管的E,B1间又转为高电阻截止状态，电源再次通过R向电容C充电，uC又按指数规律升高。输出端电压波形如图7-15所示。u0是一个前沿陡峭的电压脉冲，可以用作晶闸管的触发脉冲。调节可变电阻R的大小，可以改变电容C的充电时间。【学一学】单结晶体管触发的单相半控桥式整流电路上一页下一页返回1.知识准备由单结晶体管触发的单相半控桥式整流电路和电路工作波形如图7-16所示。电路图的上半部分是单结晶体管脉冲发生器，直流电压通过桥式整流得到，u1的电压是脉动的直流波形，如图7-16(b)所示。单向脉动电压经R3和VS稳压电路后，峰值受到限制，uVS的电压波形为梯形波，如图7-16(b)所示，梯形电压就作为触发电路的电源电压。两个整流桥的输出电压u1和u1保持同步，这样，当晶闸管每次承受正向电压刚过零时，与之相应的每一个梯形波电压的前沿都从零开始上升，触发电路产生的第一个脉冲，使得晶闸管导通，第一次充电经过的时间所对应的电度角就是控制角α。由图可见，两个晶闸管的每一次触发都具有相同的控制角，从而保证了输出电流和输出电压的稳定。调节充电回路中RP的大小，可改变控制角α的大小，达到调节输出电压的日的。上一页返回2.任务实施【做一做】调光灯电路的制作与调试1.连接电路图理解调光灯电路原理如图7-17所示，并在万能板上按图连接电路。其中，桥式可控整流电路的作用，是将生活用电的交流电压变换为单向脉动电压;而单结晶体管触发电路的作用，是给晶闸管的控制极和阴极加上触发电压，使晶闸管能够导通。当顺时针旋转带开关电位器RP时，直流平均输出电压增加，从而控制指示灯变亮;逆时针旋转时则相反。2.元器件核对与检测参照电路原理图核对元器件数日、型号(表7-2)，并在安装前使用万用表检测所需元器件是否处于正常工作状态。下一页返回2.任务实施3.安装与调试按图7-17连接好电路。检查合格后，接通220V交流电源，当正确完成电路安装后，调节RP，可以看到灯泡的亮度在不断变化。4.故障分析当安装完成后，出现以下故障时，应仔细检查线路，并根据电路原理图分析故障产生的原因进行排除。(1)调光不正常;(2)灯泡不亮。上一页下一页返回2.任务实施☆参考答案☆(1)接通电源后，灯能亮但调不到最亮。这表明主回路是正常的，故障在触发电路，主要原因是电位器RP磨损导致接触不良，电阻值无法调小;或电容C严重漏电，应予以更换。灯光调不到最暗。其故障一也出在触发电路。主要原因是电容(}值变小、电位器RP失调(阻值减小)。这时，如电容出问题，应更换电容。如电位器RP的故障，用小改锥微调电位器RP,调到灯丝暗红就可以了。不能调光，始终为最亮。其原因有:晶闸管被击穿、二极管短路、电容C开路或虚焊等。应更换损坏的电子元件或对虚焊的焊点进行补焊。

上一页下一页返回2.任务实施不能调亮。大多是由于电位器RP磨损，导致动臂未与碳膜片接触所致。这时测量其动臂引脚与其他两端的电阻，为无穷大。为了减轻这种磨损，可改变使用习惯将原来焊在电位器上、下两端的引线交换。这样，刚一开灯光最亮，需要暗光时，再将旋钮顺时针旋转调暗(缺点是开灯电流冲击较大)。

(2)除了灯丝烧断、灯头与灯座接触不良、电源开关损坏、连线断路外，控制电路中二极管或晶闸管开路，或电容C击穿等一也较常见。在重新连接电子元器件或更换已损坏的电子元器件后，继续进行调试。上一页返回3.能力与知识拓展—使用双向晶闸管进行调光灯设计【看一看】认识双向晶闸管在交流调压电路中，通常采用正、反两个方向都能触发导通的双向晶闸管代替两个反向并联的晶闸管。图7-18所示为双向晶闸管实物外形图，图7-19所示为双向晶闸管引脚排列图。【学一学】双向晶闸管的典型电路双向晶闸管的典型电路如图7-20所示。主电路由电源开关S,电感L(起滤波作用，防止干路电流中的高次谐波对附近收音机等电器产生干扰)、双向晶闸管VS及灯泡EL组成。VS相当于正、反向并接的两只晶闸管，无论电源电压处于正半周或负半周，等效的两只晶闸管总有一只导通，另外一只截止(导通角相同)。下一页返回3.能力与知识拓展—使用双向晶闸管进行调光灯设计

该双向晶闸管VS的控制信号由亮度调节电位器RP1、微调电位器RP2(用户无须调节)、电阻R1和R2电容C以及双向二极管VD所构成的触发电路来提供。其原理是:电源通过RP1,RP2,R1给C充电。调节RP1的阻值，可以改变C上的电压达到VS控制极触发电压的时间(称为控制电压的“移相”)，使VS的导通角随之变化，从而改变电灯两端交流电压被“截去”部分的多与少，达到调节灯泡亮度的日的。图中RP1阻值越大，VS开始导通的时刻越迟，灯泡越暗。为了观察灯泡两端电压与波形的对应关系，需要在台灯底座内电路板上灯泡引线的焊点上接出两根导线，接到示波器“Y输入”和“地”两个接线柱上。上一页下一页返回3.能力与知识拓展—使用双向晶闸管进行调光灯设计示波器交、直流选择开关置于“AC'，衰减调节旋钮置于“1000”挡，扫描范围旋钮置于"10~100Hz”挡，开启台灯，调节屏上出现2个~3个周期的波形。在示波器输入接线柱上并接数字万用表(可用AC750V挡)，缓慢沿着顺时针方向旋动台灯调光旋钮，随着灯泡逐渐变亮，数字表电压显示数不断升高。当图线原位延续为完整的正弦曲线时，数字表显示电压也达到最大值，灯泡达到最亮。该调光灯无论亮度怎样变化，灯泡两端电压波形总存在正半周、负半周的两部分，且电压读数的变化也是“单调”的，没有出现影响主流的干扰因素，很适合使用。上一页返回思考与练习71.填空题(1)晶闸管对触发脉冲的要求是——、——和——。(2)单结晶体管产生的触发脉冲是——脉冲;主要用于驱动——功率的晶闸管。(3)普通晶闸管的图形符号是——，三个电极分别是——、——和——。(4)晶闸管的导通条件是——;关断条件是——。(5)从晶闸管开始承受正向电压起到晶闸管导通之间的电角度称为——角，用——表示。(6)型号为KP100-8的元件表示——管，它的额定电压为——伏、额定电流为——安。下一页返回思考与练习7(7)给晶闸管阳极加上一定的电压;在门极加上电压，并形成足够的电流，晶闸管才能导通。(8)由波形系数可知，晶闸管在额定情况下的有效值电流为ITn等于——倍IT(AV)，如果IT(AV)=100A，则它允许的有效电流为——安培。通常，在选择晶闸管时还要留出——倍的裕量。(9)晶闸管的维持电流IB是指在——温度条件下，门极断开时，晶闸管从较大通态电流下降到刚好能保持导通所必须的最小——电流。2.判断题(1)给晶闸管加上正向阳极电压它就会导通。()(2)普通晶闸管额定电流的定义与其他电气元件一样，是用有效值来定义的。()

上一页下一页返回思考与练习7(3)用稳压管削波的梯形波给单结晶体管自激振荡电路供电，目的是为了使触发脉冲与晶闸管主电路实现同步。()(4)在单相半波整流电路中，晶闸管的额定电压应取U2。()(5)KP2-5表示的是额定电压200V,额定电流500A的普通型晶闸管。()(6)在单结晶体管触发电路中，稳压管削波的作用是为了扩大脉冲移相范围。()3.选择题(1)单相半控桥整流电路的两只晶闸管的触发脉冲依次应相差_度。A.1800B.600C.3600D.1200(2)单相半波可控整流电阻性负载电路中，控制角a的最大移相范围是_。A.900B.1200C.1500