电气开关课程设计报告书.docx

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电气开关课程设计报告书

1、设计要求………………………………………2

2、设计目的………………………………………2

1.熟悉晶闸管的开关作用…………………………2

2.掌握桥式整流电路原理…………………………6

3.掌握三极管的开关作用……………………8

4.掌握稳压管的作用…………………………9

3、设计的具体实现………………………………10

1.系统概述……………………………………10

2.单元电路设计………………………………11

3.仿真测试……………………………………13

4、结论与展望……………………………………16

5、心得体会及建议………………………………16

6、附录……………………………………………17

7、参考文献………………………………………18

楼道触摸延时开关设计报告

1、设计要求

1.设计一楼道触摸延时开关，其功能是当人用手触摸开关时，照明灯点亮，并延续一段时间后自动熄灭。

2.开关的延时时间约1分钟左右。

2、设计目的

1.熟悉晶闸管的开关作用

（1）.晶闸管的开关作用

晶闸管是一种开关组件，广泛的应用在各种电路，以及电子设备中。

典型的小电流控制大电流的组件，通过一个电流很小的脉冲触发，当晶闸管处于导通状态时它的电阻变得很小相当于一跟导线。

（2）.晶闸管的结构和工作原理

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。

如图图2-1.1所示：

图2-1.1等效图

图2-1.2器件符号

当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。

每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。

因此是两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2，发射极电流相应为Ia和Ik，电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik，设流过J2结的反相漏电流为ICO，晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

（1）

若门极电流为Ig，则晶闸管阴极电流为：

得出晶闸管阳极电流为：

（2）

硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2随其发射极电流的改变而急剧变化。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未接受电压的情况下，式

（2）中Ig=0，（α1+α2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO，晶闸管处于正向阻断状态；当晶闸管在正向门极电压下，从门极G流入电流Ig，由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高放大系数α2，产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数α1，产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结，这样强烈的正反馈过程迅速进行。

当α1和α2随发射极电流增加而使得（α1+α2）≈1时，式

（2）中的分母1-（α1+α2）≈0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。

这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定，晶闸管已处于正向导通状态。

晶闸管导通后，式

（2）中1-（α1+α2）≈0，即使此时门极电流Ig=0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断地减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于α1和α2迅速下降，晶闸管恢复到阻断状态。

（3）.晶闸管的工作条件

●晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。

●晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

●晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何，晶闸管保持导通,即晶闸管导通后，门极失去作用。

●晶闸管在导通情况下，当主回路电压或电流减小到接近于零时，晶闸管关断。

（4）.晶闸管的管脚鉴别

●单、双晶闸管的判别：

先任测两个极，若正、反测指针均不动（R×1挡），可能是A、K或G、A极（对单向晶闸管）也可能是T2、T1或T2、G极（对双向晶闸管）。

若其中有一次测量指示为几十至几百欧，则必为单向晶闸管。

且红笔所接为K极，黑笔接的为G极，剩下即为A极。

若正、反向测批示均为几十至几百欧，则必为双向晶闸管。

再将旋钮拨至R×1或R×10挡复测，其中必有一次阻值稍大，则稍大的一次红笔接的为G极，黑笔所接为T1极，余下是T2极。

图2-2晶闸管管脚

　　●性能的差别：

将旋钮拨至R×1挡，对于1～6A单向晶闸管，红笔接K极，黑笔同时接通G、A极，在保持黑笔不脱离A极状态下断开G极，指针应指示几十欧至一百欧，此时可控硅已被触发，且触发电压低（或触发电流小）。

然后瞬时断开A极再接通，指针应退回∞位置，则表明可控硅良好。

对于1～6A双向晶闸管，红笔接T1极，黑笔同时接G、T2极，在保证黑笔不脱离T2极的前提下断开G极，指针应指示为几十至一百多欧（视晶闸管电流大小、厂家不同而异）。

然后将两笔对调，重复上述步骤测一次，指针指示还要比上一次稍大十几至几十欧，则表明晶闸管良好，且触发电压（或电流）小。

若保持接通A极或T2极时断开G极，指针立即退回∞位置，则说明晶闸管触发电流太大或损坏。

可按图2方法进一步测量，对于单向晶闸管，闭合开关K，灯应发亮，断开K灯仍不息灭，否则说明晶闸管损坏。

对于双向晶闸管，闭合开关K，灯应发亮，断开K，灯应不息灭。

然后将电池反接，重复上述步骤，均应是同一结果，才说明是好的。

否则说明该器件已损坏。

2.掌握桥式整流电路原理

（1）.单相桥式整流电路的组成

单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压u2正、负半周内正确引导流向负载的电流，使其方向不变。

设变压器副边两段分别为a和b，则a为“＋”、b为“－”时应有电流留出a点，a为“-”、b为“＋”时应有电流流入a点；相反，a为“＋”、ｂ为“－”时应有电流流入ｂ点，ａ为“－”、ｂ为“＋”时应有电流流出ｂ点；因而ａ和ｂ点均应分别接两只二极管，以引导电流；如图2-3所示。

图2-3桥式整流原理

（2）.工作原理

设变压器副边电压

，U2为其有效值。

当ｕ2为正半周时，电流由a点流出，经过V1、RL、D3流入b点，因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压，即

，V2和V4管承受的反响电压为－u2。

当u2为负半周时，电流由b点流出，经V2、RL、V4流入a点，负载电阻RL上的电压等于－u2，即

，V1、V3承受的反向电压为u2。

这样，由于V1、V3和V2、V4两对二极管交替导通，致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压

。

如图2-4所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。

图2-4桥式整流电路电流、电压波形

（3）.输出电压平均值UO（AV）和输出电流平均值IO（AV）

根据图2-4中所示uo的波形可知，输出电压的平均值

解得

由于桥式整流电路实现了全波整流电路，它将u2的负半周也利用起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值）

在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。

根据谐波分析，桥式整流电路的基波UOIM的角频率是u2的2倍，即100HZ，

。

故脉动系数

与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。

3.掌握三极管的开关作用

三极管工作在饱和导通状态（发射结和集电结都是正偏置）时，其c-e极间电压很小，比PN结的导通电压还要低（硅管在0.5V以下），c-e极间相当“短路”，即呈“开”的状态。

　　三极管在截止状态（发射结、集电结都是反偏置）时，其c-e极间的电流极小（硅管基本上量不到），相当于“断开（即‘关’）”的状态。

　　三极管开关电路的特点是开关速度极快，远远比机械开关快，没有机械接点，不产生电火花。

开关的控制灵敏，对控制信号的要求低，导通时开关的电压降比机械开关大，关断时开关的漏电流比机械开关大。

不宜直接用于高电压、强电流的控制。

4.掌握稳压管的作用

稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。

稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。

稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。

当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然增大，稳压管从而反向击穿，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利用这一特性，因此稳压管在电路到起到了稳压的作用。

图2-5稳压管特性曲线

稳压管与其普通二极管不同之处在于反向击穿是可逆性的。

当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。

3、设计的具体实现

1.系统概述

系统框图

延时电路

照明灯

指示灯

触发电路

整流电路

（1）.系统原理图

图3-1.1触摸延时开关电路

（2）系统原理综述

二极管VD1～VD4、晶闸管VS组成触摸开关的主回路，R1、LED、与VD5构成次回路，控制回路由三极管VT1～VT3等组件组成，平时LED发光指示触摸开关的位置，方便在夜间寻找开关。

VT3的集电极被VD5控制在8V左右，VT1～VT3均处于截止状态，VS因为无触发电压处于关断状态，故电灯不亮。

需要开灯时，只要用手触摸一下触摸电极片M，因人体泄露电流经R5与R4分压后注入三极管VT3的基极，使VT3迅速导通。

8V直流电经过VT3的c-e极向电容C2充电，并经过R2使VT2导通，VT1也随之迅速导通，VS因门极获得正向触发电流而导通，灯H即被点亮。

人手离开电极片M后，因C2储存的电荷通过R2向VT2的发射结放电，所以仍能维持VT2、VT1及VS的导通，电灯H依然点亮。

直至C2电荷基本放完，VT2由导通转为截止，VT1也随之截止，VS因失去触发电流当交流电过零时即关断，灯灭。

改变R2、R3及C2的数值能调节电灯每次被点亮的时间长短。

采用附录所示数据，每触摸一次电极片M电灯H约能点亮1min左右。

电阻R4的作用是使三极管VT3平时处于反偏状态，以减小VT3的漏电流，确保在无触摸信号时VT2始终处于截止状态。

若取消R4，往往因VT3管子质量不佳，其漏电流可使电容C2两端电压不断上升，最终会导致VT2误导通使电灯H点亮。

2.单元电路设计

●照明灯电路：

照明电路采用220V交流输出，将功率小于100W的灯泡与整流电路部分串联连接。

●整流电路：

电路中采用四个IN4007二极管，互相接成桥式结构。

利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U的正半周内，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，在负载RL上得到上正下负的输出电压；在负半周内，正好相反，VD1、VD3截止，VD2、VD4导通，流过负载RL的电流方向与正半周一致。

因此，利用四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。

●指示灯：

VD1～VD4、VS组成开关的主回路。

平时，VS处于关断状态，灯不亮。

VD1～VD4输出220V脉动直流电经R1限流，VD5稳压，C2滤波输出约8V左右的直流电供VT3使用。

此时LED发光，指示开关位置，便于夜间寻找开关。

●延时电路：

延时电路的实现，主要运用电容的充放电原理。

在VT3得到触发信号导通后，电流流经电容C2进行充电，电容储存一定量的电荷。

当人手离开电极片后，触发信号消失，电容放电使VT2、VT1、VS保持一定时间内处于导通状态下，实现灯泡H延时1min左右后熄灭。

延时时间长短主要由R2、C2充电时间常数决定，若要延长或缩短延时时间，可适当增大或减小R2、C2的数值。

●触发电路：

触摸灯的触摸开关是通过人体接触后产生的电流泄露而工作的。

当用手触摸一下触摸开关的电极片M时，人体泄漏电流使VT3导通。

此时，电容C2开始充电，VT2、VT1随即导通，晶闸管门极得到正向触发电流导通。

（其中泄露的电流十分微小，只有多少微伏。

而人体本身带的静电都有几千几万伏。

所以触摸开关对人体的影响是微乎其微的几乎没有。

）

3.仿真测试

（1）.系统电路仿真

触摸延时开关电路的仿真测试，是基于Multisim环境下进行仿真（元件选取如附录所示），对系统做软件仿真可以进一步加深对系统功能的认识。

以下主要对系统电路，以及输入信号、整流、滤波、稳压电路仿真。

如图3-1.2所示，为电极片受到触发信号后，三极管VT3、VT2、VT1依次导通，并且伴随着电容C2、C1的充电过程。

当触发消失后电容C2、C1放电，灯泡H维持点亮状态，当1min左右后灯泡熄灭，回到如图3-1.1所示状态。

对C2、R2元件的参数修改后，灯泡H可以维持点亮的时间长短也随即发生变化。

图3-1.2触摸延时开关电路仿真测试

（2）.各功能电路仿真测试

图3-2.1为输入信号仿真波形，输入信号为完整的正弦波。

经过整流、滤波、稳压后，波形依次如图3-2.2、3-2.3、3-2.4所示。

图3-2.1输入电压仿真波形

图3-2.2整流电路仿真波形

图3-2.3滤波电路仿真波形

图3-2.4稳压电路仿真波形

4、结论与展望

经过对触摸延时开关电路的软件仿真，以及结合所学理论知识分析，达到了最初的设计要求。

能够成功的按要求控制照明灯电路，实现用手触摸电极片灯泡点亮，并在延时1min左右后自动熄灭，从而验证了电路的可行性，说明系统设计所需元件参数选取符合要求，此系统电路可以用来批量生产。

楼道触摸延时开关较普通家用开关有其优越之处，在方便的为楼道内灯光控制之余，还体现了节能的主要目的。

但是楼道触摸延时也存在一定的小缺陷，出于安全考虑，在电极片背面应焊一只2MΩ左右的高值电阻，从电阻上引出软线再接到电路板上的电阻R5，这样可以确保只用这的绝对安全，使用时像开关一样将其接入照明线路。

5、心得体会及建议

楼道触摸延时开关已经在早些年就服务于大众了，但是对于相关知识了解甚少。

在本次的“0楼道触摸延时开关设计”中，充分运用所学的模拟电子技术基础知识、以及搜集的大量资料。

明白了楼道触摸延时开关的基本原理，并且用所学知识对一些电路图改进，使其性能更加优良。

在对触摸延时开关分析、制作的过程中，很好的巩固了之前学到的模拟电子相关知识。

重新学习了整流电路的相关内容，对全波整流电路、滤波电路、稳压电路有了更深刻的认识，不仅会熟练的运用计算公式，而且通过软件仿真技术观察各阶段电路的变化，对各阶段电路的波形有更形象的体会。

此电路用到了晶闸管的门极触发原理，在之前对晶闸管方面的学习只是皮毛，楼道触摸开关电路的设计之中又用到了晶闸管的控制机理。

经过查阅大量的资料，现在掌握了晶闸管的基本结构、工作原理、以及管脚判别方法，对以后的电路设计有很大的帮助。

为了使触摸延时开关电路的设计更为直观，在设计过程中用到了很多次计算机仿真技术。

从对系统整体电路的仿真，到各单元电路的仿真，都做了详细的数据、波形、效果记录。

经过计算机仿真对电路功能的实现，做出了触摸开关的实际产品，对动手实践方面有了很大的提高。

因为所学知识、能力和水平所限，在本次楼道触摸延时开关的设计过程中可能存在很多疏漏、欠妥和错误之处，希望能够多加指正，以便以后不断改进。

六、附录

VD52CW198V、1／2W稳压二极管

VSMCR100-8触发电流小的1A、600V小型塑封普通晶闸管

VD1～VD4IN4007整流二极管

LED普通图形红色发光二极管

VT19012PNP型三极管

VT29011NPN型三极管

VT39014NPN型三极管

R1、R35.1MΩRTX-1/8W型碳膜电阻

R25.1MΩRTX-1/8W型碳膜电阻

R420kΩRTX-1/8W型碳膜电阻

R5100kΩRTX-1/8W型碳膜电阻

C10.01μF独石或涤纶电容

C210μFCD11-16V型电解电容

C322μFCD11-16V型电解电容

照明灯≤100W白炽灯

七、参考文献

[1]陈有卿.新颖实用分立组件电子制作138例.人民邮电出

版社.2001

[2]腾国仁.电子技能训练教程.煤炭工业出版社.2000

[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）.高等教育

出版社.2009

[4]彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社.2001

[5]康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版

社.1988

[6]唐赣，聂典.Multisim10原理图仿真与PowerPCB5.0.1

印刷制电路板设计.电子工业出版社.2009