晶闸管交流调光灯设计要点说明.docx
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晶闸管交流调光灯设计要点说明
实习报告
实习名称：
电力电子设计实习
学生：
任鑫董博文
学号：
2012049120120483
院系名称：
电气与信息工程学院
专业班级：
电气12-1
指导教师：
萍、聂相举
职称：
副教授、讲师
二○一四年十二月二十五日
实习题目
晶闸管交流调光灯设计
实习时间
2014年12月22日至2014年12月31日共2周
同组人
任鑫董博文
实习容摘要：
当电源未接通时，C1电容上的电压为零。
电源接通后，C1经R9、V2集射极充电。
C1的电压逐升高，达到单结晶体管的峰点电压Up时，单结晶体管导通。
C1电容经e、b1极向T2脉冲变压器原边绕组放电。
T2脉冲变压器输出一个脉冲电压触发双向晶闸管导通。
当C1电容放电到谷点电压Uv，并趋向更低时，单结晶体管截止。
T2脉冲变压器上的脉冲电压结束。
之后，C1电容从Uv值又开始充电。
充电到Up时，单结晶体管又导通，不断重复。
双向晶闸管由第一个脉冲触发导通，后面的脉冲不起作用。
改变R9及V2集射极的等效电阻，就可以改变电容的充电速度，达到改变α角的目的。
实现自由移相。
指导教师评语：
成绩
指导教师签字：
年月日
实习任务书
组学生
任鑫董博文
人数
2
院系名称
电气与信息工程
专业
电气工程及其自动化
班级、学号
电气12-2
20120491
20120483
指导教师
萍、聂相举
职称
副教授、讲师
从事专业
电气工程
题目名称
晶闸管交流调光灯设计
一、工程实践的目的、意义
电力电子设计实习是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。
其目的是训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，独立进行查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高运用基本技能的能力。
通过对以电力电子器件为控制元件的简单实用控制电路的设计，使学生熟悉各元器件的选择；掌握各电力电子器件的应用围及技术经济指标；掌握电子线路板的设计及焊接技术；培养学生的分析问题和解决问题的能力；培养学生的团队协作精神和工作、学习的主动性；提高学生的动手能力。
2、工程实践的主要容、技术要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、工作量要求等）
功能指标：
具有过流保护能力与过压保护能力
技术参数：
（1）输入参数：
单相交流电压U=18
（2）输出参数：
单相交流电压12V,电流在0.5A左右
设计要求：
根据电力电子技术的学习容，参照单相交流调压的容设计一种单
相交流调压调光灯。
可以通过改变电位器改变灯光的亮度。
工作要求：
根据课上所学的知识以及查找资料完成此次实习。
两个人分工合作共
同完成这次实习。
3、工程实践完成后应提交的成果
实习报告，总字数不低于5000字。
A4系统电路图1。
实物一个。
四、工程实践的工作进度安排
（1）文献资料调研、方案论证（2天）
（2）设计电路原理图、系统接线图（2天）
（3）编写软件程序（1天）
（4）系统硬件的焊接、调试（2天）
（5）绘制图纸、撰写实习报告、答辩准备（2天）
（6）答辩（1天）
五、主要参考资料
[1]立、永健.现代电力电子技术.北京：
科学，2012
[2]王兆安、黄俊.电力电子技术（第四版）.北京:
机械工业，2013
[3]王海震.家用调光台灯的电路分析.物理通报，2012
[4]吴克.用可控硅台灯演示调压原理及分析.物理实验，2013
[5]龚素文.电力电子技术.北京:
北京理工大学,2013
[6]电力电子实用技术.黄诗萱.北京:
中国电力,2014
[7]栗书贤编.北京:
机械工业,2013
[8]王云亮、电力电子技术.北京：
电子工业，2014
[9]良炳、现代电力电子技术基础.北京：
清华大学，2014
[10]王兆安、进军电力电子技术（第五版）.北京:
机械工业，2012
六、备注
指导教师签字：
年月日
教研室主任签字：
年月日
4.1直流稳压电路.................................................
1.绪论
1.1电力电子技术的应用与发展前景
电力电子技术是20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。
一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能的科学，而它现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位[1]。
一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。
此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。
70年代后期以门极可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件全速发展，使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。
80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。
为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。
目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向[2]。
由此可以预见，在21世纪电力电子技术仍将以迅猛的速度发展。
电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。
而在此我们要讨论的交流-交流变流电路，是把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路，应用十分广泛。
我们将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力。
这种电路的特点是不改变交流电的频率，因此称为交流电力控制电路。
在每半个周波通过对晶闸管开通相位的控制，就可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路被称为交流调压电路[3]。
交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。
在供电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。
交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。
对亮度可连续调节灯光电路，用单相交流调压电路就能够实现[4]。
1.2设计要求
根据电力电子技术的学习容，参照单相交流调压的容设计一种单相交流调压调光灯。
可以通过改变电位器改变灯光的亮度。
2.系统方案选择
此单相交流调压电路由主电路、触发电路组成，触发电路由集成触发器组成，用来触发晶闸管的导通来实现主电路的正常工作，晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通，交流电源电压为18V[1]。
。
图2.1晶闸管交流调光灯设计
3.开关电源元器件的选用
3.1电阻器
3.1.1电阻器
图3-1固定电阻图3-2可变电阻
3.1.2电阻器的检测
将外用表打到合适的欧姆档，如果是固定电阻，将红黑表笔放在固定电阻的两端，看阻值是否符合要求。
如果为可变电阻，将红黑表笔放在任意两端，调整电阻阻值，如果阻值不变，则为可变电阻的固定端，还有一端为可变端；如果阻值变动，则一端为固定端，一端为可变端，则只需再测一次即可。
3.2电容器
3.1.1电容器
电容长期可靠地工作，它能承受的最大直流电压，就是电容的耐压，也叫做电容的直流工作电压。
如果在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容的直流工作电压值。
常用固定电容的直流电压系列如下：
1.6、4、6.3、10、16、25、32*、40、50、63、100、125*、160、250、300*、400、450*、500、630、1000。
（有*的数值，只限电解电容用）
3.1.2电容器的检测
由于电容两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，而是一个有限的数值，一般在1000兆欧以上。
电容两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或者叫做漏电电阻。
漏电电阻越小，漏电越严重。
电容漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容的寿命，而且会影响电路的工作。
因此，漏电电阻越大越好。
不知道极性的电解电容可用万用表的电阻挡测量其极性。
依据：
只有电解电容的正极接电源正（电阻挡时的黑表笔），负端接电源负（电阻挡时的红表笔）时，电解电容的漏电流才小（漏电阻大）。
反之，则电解电容的漏电流增加（漏电阻减小）。
方法：
正测一次，然后放电，再反测一次。
两次测量中，表针最后停留的位置靠左（阻值大）的那次，黑表笔接的就是电解电容的正极。
测量时最好选用R×100或R×1K挡。
在焊接电解电容器时，其焊接时间和焊接温度不应超过10秒钟及260摄氏度。
3.3晶体管
3.3.1二极管
3.3.1.1二极管器件：
图3-3二极管
3.3.1.2判断二极管是硅管还是锗管：
锗管的正向压降一般为0.1~0.3伏之间，而硅管一般为0.6~0.7伏之间。
其测量方法为，用两只万用表，当一只万用表测量其正向电阻的时候同时用另外一个万用表测量它的管压降。
最后可根据其管压降的数值来判断是锗管还是硅管。
3.3.1.3判断二极管的好坏和正负极：
硅管可用万用表的R×1K档来测量，锗管可用R×100档来测。
一般来说，分别所测的二极管的正反向电阻两者相差越悬殊越好。
一般其正向电阻为几百欧到几千欧，其反向电阻为几十千欧以上，就可初步断定这个二极管是好的。
同时可判定二极管的正负极。
当测得的阻值为几百欧或几千欧时，为二极管的正向电阻，这时黑表笔所接的为正极，红表笔所接的为负极。
另外，如果其正反向电阻为无穷大，表示其部断线；正反向电阻一样大，这样的二极管单向导电性能差，不宜选用；正反向电阻都为零表示其已短路。
3.3.2三极管
3.3.2.1二极管器件：
A、B：
锗管；C、D：
硅管
A、C：
PNP管：
B、D：
NPN管
图3-4三极管
3.3.2.2三极管的管型及管脚的判别：
四句口诀：
"三颠倒，找基极；PN结，定管型；顺箭头，偏转大；测不准，动嘴巴。
"
3.3.2.3判断晶体三极管的好坏：
首先要判别晶体三极管的三极。
可用两个万用表同时测量，其方法是用万用表的R×IK档或R×100档，对于NPN型管，当将黑表笔接基极，红表笔分别接集电极和发射极时，测出的两个PN结的正向电阻应为几百欧或几千欧，然后应把表笔对调再测两个PN结的反向电阻，一般应为几十千欧或几百千欧以上。
然后再用万用表测发射极和集电极之间的电阻，测完后再对调表笔再测一次，两次的阻值都应在几十千欧以上，这样的三极管可以基本上断定是好的。
晶体三极管主要起放大作用，那么如何来判测三极管的放大能力呢？
其方法是，将万用表调到R×100或R×1K档，当测NPN型管时，红表笔接发射集，黑表笔接集电极，测出的阻值一般应为几千欧以上；然后在基级和集电级之间串接一个100K欧的电阻，这时用万用表所测的阻值应明显的减少，变化越大，说明该三极管的放大能力越大，正常。
如果变化很小或根本没有变化，那就说明该三极管没有放大能力或放大量很小。
如果三极管损坏，最好是用同型号的进行更换，无法找到同型号的三极管时，必须根据反向耐压BVceo（这项值最为重要，在更换时一定要选用与其相同或大于该耐压值的晶体管进行代换）、工作频率ft、穿透电流Iceo、功耗Pcm等技术指标来合理选用代换三极管。
3.3.3单结晶体管
3.3.3.1单结晶体管器件：
图3-5单结晶体管
3.3.2.3判断单结晶体管的好坏：
结晶体管又叫双基极二极管，是由一个pN结和三个电极构成的半导体器件。
我们先画出它的结构示意图〔上图（a）〕。
在一块N型硅片两端，制作两个电极，分别叫做第一基极b1和第二基极b2；硅片的另一侧靠近b2处制作了一个PN结，相当于一只二极管，在P区引出的电极叫发射极e。
为了分析方便，可以把b1、b2之间的N型区域等效为一个纯电阻Rbb，称为基区电阻，并可看作是两个电阻Rb2、Rb1的串联〔上图（c）〕。
值得注意的是Rb1的阻值会随发射极电流Ie的变化而改变，具有可变电阻的特性。
如果在两个基极b2、b1之间加上一个直流电压Ubb，则A点的电压UA为：
若发射极电压Ue发射极电流Ie继续增加，发射极电压Ue不断下降，当Ue下降到谷点电压UV以下时，单结晶体管就进入截止状态。
判断单结晶体管发射极e的方法是：
把万用表置于R×100挡或R×1K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R×100挡或R×1K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b2极。
应当说明的是，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。
不过准确地判断哪极是b1，哪极是b2在实际使用中并不特别重要。
即使b1、b2用颠倒了，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。
3.4脉冲变压器
3.4.1脉冲变压器器件：
图3-6脉冲变压器
3.4.2同名端测试方法：
K1合上瞬间毫安表正偏（b接红棒c接黑棒），则a、b为同名端，反偏则a、c为同名端。
3.5晶闸管
3.5.1双向晶闸管器件：
图3-7双向晶闸管
3.5.2检测方法：
1）判断T1极:
G极与T2极靠近，距T1极较远。
因此，G—T2之间的正、反向电阻都很小。
在用RXl档测任意两脚之间的电阻时，只有在G-T2之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧，而T1-G、T2-T1之间的正、反向电阻均为无穷大。
这表明，如果测出某脚和其他两脚都不通，就肯定是T1极。
2）区分G极和T2极
找出T1极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为T2极，另一脚为G极。
把黑表笔接T2极，红表笔接T1极，电阻为无穷大。
接着用红表笔尖把T1与G短路，给G极加上负触发信号，电阻值应为十欧左右，证明管子已经导通，导通方向为T2一T1。
再将红表笔尖与G极脱开（但仍接T1），若电阻值保持不变，证明管子在触发之后能维持导通状态。
把红表笔接T2极，黑表笔接T1极，然后使T1与G短路，给G极加上正触发信号，电阻值仍为十欧左右，与G极脱开后若阻值不变，则说明管子经触发后，在T1一T2方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。
由此证明上述假定正确。
否则是假定与实际不符，需再作出假定，重复以上测量。
显见，在识别G、T2，的过程中，也就检查了双向晶闸管的触发能力。
如果按哪种假定去测量，都不能使双向晶闸管触发导通，证明管于巳损坏。
对于lA的管子，亦可用RXl0档检测，对于3A及3A以上的管子，应选RXl档，否则难以维持导通状态。
4.系统硬件设计
4.1直流稳压电路
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。
其中：
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
整流电路常采用二极管单相全波整流电路，即整流桥。
u2的正半周，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周，D3、D4导通，D1、D2截止。
正负半周部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。
图4-1直流稳压电路
4.1晶闸管电路
在图中，当电源未接通时，C1电容上的电压为零。
电源接通后，C1经R9、V2集射极充电。
C1的电压逐升高，达到单结晶体管的峰点电压Up时，单结晶体管导通。
C1电容经e、b1极向T2脉冲变压器原边绕组放电。
T2脉冲变压器输出一个脉冲电压触发双向晶闸管导通。
当C1电容放电到谷点电压Uv，并趋向更低时，单结晶体管截止。
T2脉冲变压器上的脉冲电压结束。
之后，C1电容从Uv值又开始充电。
充电到Up时，单结晶体管又导通，不断重复。
双向晶闸管由第一个脉冲触发导通，后面的脉冲不起作用。
改变R9及V2集射极的等效电阻，就可以改变电容的充电速度，达到改变α角的目的。
实现自由移相。
图4-2
4.1总电路
流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。
对亮度可连续调节灯光电路，用单相交流调压电路就能够实现[4]。
根据电力电子技术的学习容，参照单相交流调压的容设计一种单相交流调压调光灯。
可以通过改变电位器改变灯光的亮度。
5.调试过程
一切都正常之后，开始通电，这时要注意滑动变阻器阻值要调到最大值。
第一次通电之后我们的灯泡并没有亮，转动滑动变阻器也没有反应，不一会电阻开始冒烟了，我们赶紧关闭电源。
我们仔细检查电路发现晶闸管的引脚连接错了，将它改了过来，并且将烧坏的电阻换成新的。
接通电源之后，电路板上只有发光二极管亮，就可以知道我焊接的电路板出现了问题。
虽然一两个小小的问题，却耗费了我整个下午的时间在排除故障。
结束语
交流调压电路广泛用于灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。
在供电系统中，这种电路还常用于对无功功率的连续调节。
交流调压电路可分为单相交流调压电路和三相交流调压电路。
对亮度可连续调节灯光电路，用单相交流调压电路就能够实现。
我们的设计可以通过调节滑动变阻器的阻值来改变灯泡的亮度。
参考文献
[1]立、永健.现代电力电子技术.北京：
科学，2012
[2]王兆安、黄俊.电力电子技术（第四版）.北京:
机械工业，2013
[3]王海震.家用调光台灯的电路分析.物理通报，2012
[4]吴克.用可控硅台灯演示调压原理及分析.物理实验，2013
[5]龚素文.电力电子技术.北京:
北京理工大学,2013
[6]电力电子实用技术.黄诗萱.北京:
中国电力,2014
[7]栗书贤编.北京:
机械工业,2013
[8]王云亮、电力电子技术.北京：
电子工业，2014
[9]良炳、现代电力电子技术基础.北京：
清华大学，2014
[10]王兆安、进军电力电子技术（第五版）.北京:
机械工业，2012
附录A系统电路图
附录B实习总结
通过这次电力电子课程设计，让我体会到了电力电子技术在现代工程以及生活中的广泛应用，让我们有机会用理论联系实际，用器件设计产品。
让我们对电力电子器件有了更深的认识，了解了当今社会上大部分电力电子器件的规格和发展趋势，加深了我们对电力电子知识的了解和对电力电子技术的应用；这次课程设计也锻炼了我们检索资料的能力，如何更为快捷有效地利用互联网和图书馆搜索查找自己想要获取的信息，以及了解了一些对我们大学生写论文、查阅论文有帮助的；提高了我们撰写设计报告的能力，了解了一般设计报告的格式要求等；加深了我对电力电子这门课的重要性的认识，增强了我对这门课的兴趣和热爱，让我有更加充足的动力去学习电力电子技术!
附录C元件清单
序号
元件名称
元件型号
数量
1
变压器
~220V/~18V（总功率5VA）带中间抽头
1个
2
脉冲变压器
1个
3
变阻器
4K7ΩWXD3-12
1个
4
电阻
10Ω1W
1个
200Ω0.25W
1个
270Ω0.25W
1个
330Ω1w
1个
1K2Ω0.25W
1个
2K4Ω0.25W
1个
2K7Ω0.25w
1个
5K1Ω0.25W
1个
7K5Ω0.25w
1个
82KΩ0.25w
2个
5
电容
0.1uFK100
1个
6
二极管
IN4007
5个
7
稳压管
12V0.5w
1个
8
三极管
9012
1个
9013
1个
9
双向晶闸管
97A6
1个
10
单结晶体管
BT33F
1个
11
LED灯
红色，立式
1个
12
灯泡（带灯座）
12V0.1A
1个
13
接线端子
3端
1个
14
保险丝
2个
15
两相插头
1个
16
导线
若干
17
大号万能板
15x10cm
1个
18
小号万能板
1个
附录D小组分工
任鑫负责电路的焊接工作，徐文亮进行辅助，调试的过程两个人共同完成。
实习报告与绘图共作由徐文亮完成，任鑫在一旁辅助。
附录E实物图
升级会员 