简易晶闸管调压电路与触发元件.docx

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简易晶闸管调压电路与触发元件

简易晶闸管调压电路与触发元件

对晶闸管的开通控制，一般采用触发方式。

这种控制方式因晶闸管的结构工艺所决定，使其开通只需提供一个“瞬态信号”就可以了，内部电路的强烈正反馈作用，能将开通状态“维护住”，施加“常态控制信号”是不必要的，甚至产生有害作用，如增加无谓的功率消耗，缩短使用寿命等。

1、“晶闸管效应”电路与晶闸管触发电路的比较

在某些场合，用晶体三体管或运算放大器，组成具有晶闸管效应的电子电路，电路具有信号保持、信号记忆功能。

下图a电路，晶体三极和Q1、Q2接成具有强烈正反馈作用的晶闸管效应电路。

电路在静态状态时，R2左端为0V低电平，Q1无偏压处于截止状态，Q2无偏流通路，也处于截止状态；当Q1基极输入高电平信号时，Q1、Q2因正反馈作用饱和导通，此时R2左端高电平信号消失，重新变为0V，但Q1、Q2的饱和状态得以保持，继电器KA1在电路输入信号消失后，能一直处于吸合状态。

图1“晶闸管效应”电路与晶闸管触发控制电路

上图b电路，是用带有正反馈环路的运算放大器组成的晶闸管效应电路。

电路的静态输入信号为低电平，放大器反相端的电压高于同相端，输出为地电平。

当高电平信号（峰值高于反相端分压值）经D1输入后，放大器输出端变为高电平，R5、D2正反馈回路，将输出高电平电压引入同相端，此时输入信号消失，输入二极管反偏截止，放大器因正反馈作用，维持高电平输出。

上图c电路，是采用小功率单向晶闸管2P4M的故障信号记忆电路。

2P4M的通态维持电流值仅为3mA，开通后，回路产生流经发光二极管的HL1的5mA电流，故受高电平触发信号开通后，能维持开通状态。

R4为触发电流限流电阻，触发电压的峰值为12V高电平。

触发信号到来时，产生+12V→R4→晶闸管的G极→晶闸管的阴极→电源地的约2mA的正向触发电流，晶闸管受触发而开通。

单向晶闸管的开通控制，相对简单。

注意：

单向晶闸管的触发信号必须是正向电压（电流）信号，即相对于阴极，控制极为正的信号；若施加反向电压（电流）信号，晶闸管不但不能开通，而且有可能损坏单向晶闸管！

上图a、b、c电路，电路形式不一，但工作原理相同，由此可以加深理解晶闸管器件的控制特性。

图1电路，工作于稳定直流供电下，电路一旦被触发，能维持“电路通态”不变。

运算放大器工作或晶闸管开通后，要使其停止工作的方法有两个：

1）关断电源，使晶闸管的工作电流小于维持电流值，晶闸管自行关断；

2）在Q1的基极、运算放大器的同相输入端、晶闸管的控制极与电源地之间，或晶闸管的阳极和阴极之间，加装复位按钮，破坏Q1的正反馈条件、运算放大器的正反馈条件，使晶闸管的阳极、阴极之间的电压值为零，不能产生维持电流，都能使电路恢复到（原始）静止状态。

2、用单向晶闸管组成的起/停控制电路

利用晶闸管被触发后的开通保持功能，可以做成起/控制电路，电路中晶闸管器件起到对直流供电电源开、关的作用。

下图2由晶闸管器件和常闭、常开按钮构成的对负载电路的直流供电，进行开、关控制的电路，同机电控制电路中的起、停控制电路十分相近，在这里用晶闸管器件的开通保持功能，起到了电路“自锁”作用。

电路工作原理简述：

上电后，停止按钮（常闭）将电源+12V引入到晶闸管SCR的阳极，未按下启动按钮（常开）前，SCR得不到触发电流，处于关断状态，负载电路得不到电源供电；当按下启动按钮时，SCR得到触发电流信号，受触发而开通。

此时松开启动按钮后，虽触发电流回路断开，但因晶闸管开通保持特性，一直处于开通中，负载电路得到供电电源。

图2用单向晶闸管构成的起/停控制电路

图中左侧和右侧电路的启动控制是一样的，只是停止控制电路有所差异。

左侧电路的停止按键串接于控制电路中，当按下停止按钮时，控制回路断路电流为零，晶闸管关断，负载电路失去供电；右侧电路的停止按钮并接于晶闸管的阳极和阴极之间，当按下停止按钮时，停止按钮将晶闸管短接，使其正向电压为0V，晶闸管的流通电流为零，同样能使晶闸管关断。

使其流通电流为零，或使其正向电压低于维持电流流通所需的最低电压差，都能使晶闸管关断。

当晶闸管用于交流电路中，因交流电压有自然电压过零点，使晶闸管的正向电压瞬间为零，晶闸管能自行关断，不须人为控制。

3、单向晶闸管调压的主电路形式和触发脉冲的基本特点

1）单相晶闸管交、直流调压电路的主电路形式：

图3单相交、直流电电路晶闸管的组成方式

交流调压与直流调压的区别仅在于晶闸管连接的方式不同，对每路单向闸管来说，都是一路半波可控整流电路。

从绝对意义上讲，晶闸管调压电路，不存在交、直流调压的区别，都为半波可控整流（调压）电路，因为半波可控整流电路的组合方式不同，故形成了形形色色的交、直流调压电路。

上图a电路为基本电路，其它电路都是在此基础上的组合。

a电路只取用电网中的半波调压后供负载电路，为半波直流调压电路；b电路是将两只单向晶闸管反并联，各自形成电网正、负半波的通路，在负载RL上得到交流调压输出；c电路用1只双向晶闸管，可代替两只反并联单向晶闸管，完成交流调压的功能；d电路为“全波”（正、负半波均由可控整流输出，但波形为缺口波）直流调压电路，是半控桥电路方式（半控桥有多种连接方式）之一，由2只二极管和2只单向晶闸管组成；e电路为全控桥直流调压电路，用4只单向晶闸管组成；f电路利用一个桥式整流电路与单向晶闸管配合，完成交流调压的功能，由四只二极管构成的桥式整流电路，先将电网的正、负半波，整流（调向）为单向（正向）电压，再由单向晶闸管SCR的单向可控整流作用，使加在负载RL两端的交流电压产生变化，完成了交流调压的任务。

F电路与b、c电路完成的作用是一样的，1只单向晶闸管与整流电路的结合，使单向可控整流电路变为了交流调压电路，是将单向晶闸管当作双向晶闸管来用。

2）交、直流调压电路中，触发脉冲的特点：

晶闸管器件主要用于对交流电源进行交、直流调压后输出，用于直流稳定电源电路的，只是个例。

其电源取自50Hz工频电网，对工频电网的固定单相220V或三相380V电源电压进行调节与控制，变为负载电路所需的任意交、直流电压或功率值，是晶闸管所要完成的最基本和最主要的任务。

因为输入电源是按正弦波规律变化的交变电压，其电压幅度变化是渐变的，而且有电压自然过零点。

对单向晶闸管而言，承受正向电压是开通的一个必要条件，从本质上讲，晶闸管仍为整流（有单向导电特性）元件，双向晶闸管可看作两个单向晶闸管的反并联。

所以无论单相或是三相的交、直流调压电路，其原理仍然是基于半波可控整流调压电路的，任何晶闸管复杂电路结构也可以化简为图3中的a电路进行分析。

那么交、直流调压电路，需要什么性质的触发脉冲呢？

通过下图4的几个电压波形进行说明。

图4交、直流调电压电路中对触发时刻的控制示意图

电源电压：

将工频（频率为50Hz，周期为20ms，正、负半波各10ms）电网的一个周期的电压波形取出来，每半波分成t0~t4的5个时间刻度，其中a0、a1、b0为电网电压过零点，b0、b1为下一周期的过零点。

全波整流：

整流电路的作用是将电网正、负半波“调向”为单一方向的电压波形，图中为正向电压波形，整流后的单向电压波形仍具有与电网电压相对应的电压过零点，和对应的t0~t4的5个时间刻度。

交流调压/直流调压：

将电网电压过零点t0时刻作为触发脉冲参考基准，只有在每个半波期间，在同一个固定时刻如t2时刻，向晶闸管发出触发脉冲，输出电压波形才合乎要求，正、负半波才对称。

若给出触发脉冲的时刻时是随机的，不一致的，两个相邻触发脉冲，若前一个脉冲在t1时刻出现，第二个脉冲在t3时刻出现，作为交流调压电路，因正、负半波不对称，输出交流电压出现了直流分量，输出的不再是交流电压，交流调压失败；作为直流调压电路，输出电压幅度忽高忽低，不为所需要的固定值，直流调压失败。

保障触发脉冲在任一半波期间出现的时刻相同，使晶闸管以电网电压过零点为时间基准，总是在半波期间的同一固定时刻导通，这是对交、直流调压电路中，对触发脉冲的一个最基本要求，也是触发脉冲的一个最基本的特点！

控制电路，只要在电网半波期间，能按调压设置要求，使电路发送脉冲的时刻发生变化，并保证总是在半波期间的固定时刻，发送触发脉冲，就算完成了控制任务。

这样一来，控制晶闸管在电网过零后的某一时刻导通，使晶闸管滞后于电压过零点后导通，将电网的完整正弦波变为电网电压过零点后其“面积大小”可变的“缺口波”，使晶闸管开通时刻滞后于电网电压过零后的控制方法，称为移相触发控制方式。

电网电压过零点，为基准零相位，晶闸管的导通时刻产生后移，称为移相，移相角度的大小，决定着晶闸管输出电压的高低。

晶闸管调压电路，绝大部分采用移相触发方式。

部分电路采用过零触发方式，下文有专章介绍。

4、交、直流调压电路的控制原理分析

1）简易交、直流调压电路

图5简易交、直调调压电路

上图a电路组成半波直流可控调压电路，只有当供电L端为正、N端为-时，形成单向晶闸管SCR的正向电压（电流）通路，产生流经负载RL的工作电流。

供电L端为负、N端为正时，SCR处于反向关断状态，因而在RL上只得到半波直流供电。

TB1、D1、C1、V1等元件构成简易的移相触发电路，以生成移相触冲。

电源变压器TB1，又兼有同步变压器功能，在二次的15V绕组取出电网步信号（二次绕组的15V电压信号，虽幅度较小，但变化规律与电网电压相同，电压过零点也与电网一致），RP1、C1组成积分电路，调整RP1可调整电路积分时间，晶体三极管V1用于驱动单向晶闸管SCR。

电路的移相控制过程如下：

当电源L端电压为正（电网处于正半波）时，TB1同步变压器的15V绕组的同名端电压极性为正，D正偏导通，整流电压经电位器RP1向电容C1充电，C1正极产生以一定斜率上升的充电电压。

假定R1、V1的发射结、R2、SCR的控制极、阴极的串联电路（触发回路）的电压降为3V，当C上充电电压达到3V时，V1满足正向导通条件而导通，产生由V1的集电极、发射极、R2流向SCR栅阴结的触发电流，SCR被触发开通。

SCR触发电流的通路形成以后，C1上所充电荷经触发电路泄放，因为触发回路的时间常数较小，C1上的电压很快下降到一定的电压值，V1因正向偏压不足而截止。

触发电流为零。

SCR经触发开通后，即在承受正向电压期间一直维持开通，直到电网过零点到来，SCR失去开通条件而自行关断。

在电网负半波期间，SCR承受反向电压，处于截止状态，同时TB1的二次绕组的同名端电压为负，二极管D1反偏截止，直到电网电压由负半波进入电压过零点，电网电压又为正半波时，D1重新导通，C1在电压零点后重新被充电，在充电电压达到3V时，触发电流回路重新形成，晶闸管SCR再度被触发导通。

当RP1、C1的值固定时，其充、放电时间常数也是固定的，C1总是在电网过零后正半波开始段进行充电，则每个正半波期间，触发电流出现的时刻是相同的，触发脉冲以电网电压过零点为基准，总是将触发脉冲移相同样的角度后送出，这一触发脉冲为电压过零点所约束的控制方式，称为触发脉冲的同步方式，即触发脉冲为电网过零点所同步。

调整RP1的电阻值，使C1的充电速率变快或变慢，即改变电网正半波期间使C1正极电压达到3V的时刻，即可使触发脉冲以电压过零点为基准，产生相应的右移角度。

当RP1阻值减小，C1充电加快，触发脉冲出现的时刻接近电网过零点，晶闸管的触发脉冲出现的时刻提前，晶闸管的导通角变大，输出电压升高。

反之，当RP1阻值加大，C1电压达到3V的时间加长，脉冲触冲的出现时刻相对于电压过零点，右移角度变大，晶闸管的导通角变小，输出电压变低。

若RP1、C1积分时间周期过大，在电网正半波过后，C1上的电压仍未达到3V，则晶闸管在整个电网周期内处于关断状态，输出电压为0。

电路各点工作波形见图6。

图6图2-16a电路移相触发电路的工作波形示意图

可见，图5的a电路，能使晶闸管达到最大控制角，使其在承受正向电压期间，为关断状态，输出电压为0。

但因RP1、C1的积分延迟作用，晶闸管不可能在电网电压过零后即行导通，因而达不到最大的导通角，即在交流调压时的输出电压总会稍偏低于电源电压，在半波可控整流输出时，稍低于电源电压的0.45倍。

电路由同步变压器获得正弦波同步电压，再由积分电路形成与电网过零点同步的三角波（或锯齿波电压），当三角波（或锯齿波）电压达到某一阀值（如3V）时，在该阀值出现的时刻，形成移相脉冲，送入触发电路，驱动晶闸管开通。

电路包含了同步信号、三角波（锯齿波形成）、移相触发脉冲生成三个环节，从这里可看到一个移相触发电路的基本“雏形”。

图5的b电路，触发控制电路的原理与a电路基本相同，也是RP1、C1积分电路，当C1上的充电电压达到单向晶闸管的触发电压值（如2V）以上时，晶闸管开通。

电网电压经D1~D4桥式整流器整流，得到正向的对应电压正、负半波的100Hz脉动直流，做为同步电路的同步信号，调整RP1的阻值，单向晶闸管在每个半波期间被触发导通一次，经过整流电路换向，对电网正、负半波都实施了移相调压，从而完成了交流调压任务，使负载RL两端的交流电压值，随RP1的调整位置，发生变化。

注意：

电路中C1电容的耐压值选为50V，有的调压电路中该处电容的耐压值仅为16V。

220V交流经桥式整流后的直流电压约为200V，此处C1会不会因耐压偏低而导致损坏呢？

正常情况下，这个担心是多余的，除非当SCR有断路性损坏时，C1才有可能承受高电压冲击。

当电路正常时，C1上充电达到2V（SCR的触发电压VGT值）时，SCR即开通，SCR的开通，使整流桥的整流电压被“短路”为1V左右（SCR的通态压降值），此时触发回路不再承受电压，触发电压信号也随即消失。

可见，D1~D4桥式整流电路并不是工作于通常的不允许输出端短路的状态下，而恰恰是由SCR的开通，实施对整流电压的“短路”，而使回路的电压降降于负载RL上。

因RL的作用，SCR的开通，并没有造成电源或负载真正的短路。

上述图5的a、b电路，因晶体三极管V1的导通电压和SCR的触发电压值不是一个确定点，如V1的发射结电压值，由微导通、导通到饱和导通，有0.4V~0.7V的范围，V1处于由放大状态到饱合状态的不确定区域，V1微导通时，输出集电极电流不足驱动SCR使其导通，实际触发脉冲的波形，不像图6中的触发脉冲那么“陡峭”，出现较大的斜率。

触发电路提供“无效触发电流的时间较长”，触发可靠性变差，电路本身产生不必要的功耗。

触发电路能具有开关电路的特性最好——使触发脉冲具有开关信号的性质，触发脉冲的高电平，高于SCR的VGT值，使其可靠开通，SCR开通后，触发信号又能从最大值快速衰减为零值，这样，触发变得可靠，触发功耗相应降低。

以下晶闸管调压电路，采用了有开关特性的触发器件，提高了触发的可靠性。

2）调光台灯的调压电路

图7调光（交流调压）台灯电路

三个调光台灯电路，对晶闸管的触发控制方式，都为移相触发，将电网正弦波经R、C积分电路转化为锯齿波，当按一定斜率上升的锯齿波电压达到某一阀值时，电路输出触发脉冲，晶闸管导通。

调整R、C电路中R的阻值变化，改变了C上电压形成的斜率，即改变了触发电压阀值产生的时刻，导致晶闸管的导通角（或控制角）发生变化，达到调整输出电压，改变台灯亮度的目的。

a、b电路中，分别采用了双向触发二极管VT1和氖泡元件，利用其电压击穿特性，发送触发脉冲。

触发脉冲的“陡峭度”高，触发“干脆利落”。

c电路采有由双基极单结晶体管构成的张驰振荡器，生成移相脉冲，去触发晶闸管。

双向触发二极管与双基极单结晶体管的结构比较特殊，多见于早期的移相触发电路，用氖泡作为触发元件，则属于一种巧用了。

弄明白这三种器件的电气特性，就明白调光台灯电路的工作原理了。

3）用于晶闸管触发电路的特殊器件

a、双向触发二极管：

双向触发二极管，也称为二端交流器件，与双向晶闸管同时问世，因结构简单、价格低廉，常用来触发双向晶闸管，构成过压保护电路、定时器等。

双向触发二极管的结构、符号及等效电路见图8，它属于三层构造、具有对称性的二端半导体器件，可等效为基极开路、发射结与集电结相对称的NPN晶体三极管，正、反向伏安特性完全对称。

当器件两端电压小于正向转折电压VBO时，呈高阻态。

当两端电压大于VBO时，进入（击穿）负阻区；同样，当两端电压大于反向转折电压VBR时，管子也能进入负阻区。

VBO和VBR的对称性较好。

图8单向触发二极管的结构与等效电路、伏安特性图

双向触发二极管的正反向（VBO、VBR）电压值大致分为三个等级，20V~60V；100V~150V，200V~250V。

在触发电路中的应用，一般选用VBO和VBR为28V的双向触发二极管。

普通稳压二极管只有反向（单向）电压击穿（稳压）能力，而双向触发二极管具有双向电压击穿（稳压）能力，用于交流电路中，可对交流的正、负半波进行稳压限幅，所以称为二端交流器件。

图7的a电路中，VT1即为双向击穿电压值为28V的双向触发二极管。

当电路中双向晶闸管的T2极为正、T1极为负时，C1正向充电电压值达到28V时，VT1击穿导通，输送触发脉冲，使SCR在正半波期间开通；当双向晶闸管T1端为正、T2端为负时，C1上反向充电电压也达到28V时，VT1反向击穿，再次送出触发脉冲，使SCR在负半波相对应（正半波）时刻开通，完成了交流调压任务。

图9具有双向触发二极管效应的代用电路

当电路中双向触发二极管损坏后，如果手头无代用元件，可用两只反向击穿电压为28V的稳压管反向串联，取代双向触发二极管，完成一样的功能；如果手头稳压管也没有，找两只同型号的三极管（其发射结反向击穿电压值一致），集电极空置，两个基极短接，两只发射极做为输入、输出端，虽然VT1、VT2发射结的反射击穿电压值低于28V，如为6V或10V，但作为双向触发二极管应用元件，还是可以的，而且扩大了电压调节范围。

可见电路形式不同，但都能完成同样的控制功能。

双向触发二极管用万用表的电阻挡测量，正、反向电阻均为无穷大（因表内电池电压不足以使其击穿），能测出一定电阻值，说明器件已经损坏。

可以用提供高电压，如DC100V（或交流100V）串限流电阻的方法，测其两端的正反向电压值，来确定元件的好坏。

b、氖泡：

氖泡也为两端交流元件，有两个引出电极，密封玻璃体内装有惰性气体。

主要有起辉电压和起辉电流两个工作参数。

当氖泡两端电路上升至起辉电压值时，内部两电极放电，击穿惰性气体而发光，产生起辉电流。

常用于验电笔、荧光指示灯、尖峰电压吸收、稳压电路等。

用于移相触发电路时，应选用起辉电压值低（使调压范围大），和起辉电流值稍大的器件。

如果把起辉电压看作为击穿电压，则其性能和双向触发二极管，就很相似了。

氖泡的检测方法，也与双向触发二极管相同，用于移相触发电路的氖泡损坏后，可用双向触发二极管代换。

c、双基极单结晶体管（以下简称单结晶体管）：

图10单结晶体管的电路符号、等效电路及器件结构图

单结晶体管（UJT）又称为双基极二极管，或双基极单结晶体管，它是只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，两基极B1与B2之间的电阻称为基极电阻。

第一基极与发射极之间的电阻Rb1，其阻值随发射结电流而变化，可认为是一个可变电阻；第二基极与发射极之间的电阻Rb2，与发射结电流大小无关，可认为是一个固定电阻。

若在B2、B1端子加上UBB正向电压，则A点电压值UA为RB2、RB1对UBB的分压值，UA=〔RB1/（RB1+BR2）UBB〕=ηUBB。

式中η称为分压比，一般在0.3~0.85之间。

如果施加发射极电压UE，可得出单结晶体管的伏安特性曲线图。

第一阶段：

当UE值小于ηUBB时，发射结反向偏置，管子截止；

第二阶段：

当UE值大于ηUBB时约0.6V时，此值称为峰点电压UP，发射结正偏导通，IE显著增加，RB1值迅速减小，UE随之下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。

管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的电压和电流称为峰点电路UP和峰点电流IP。

图11单结晶体的试验电路和伏安曲线图

第三阶段：

随着发射极电流的不断上升，导致RB1的电阻值不断减小，使UA急剧下降，当UA降至某一电压值时，不再下降，此时所对应的电压和电流值，称为谷点电压UV和谷点电流IV；

第四阶段：

UA电压进入谷点电压值以后，管子达到饱和状态，此时若UE继续增加，但IE上升缓慢或不再上升。

如果此时UE低于UV+0.6V，不能满足PN结的正向导通条件，管子重新进入截止。

单结晶体管的峰点电压值与供电电压值相关，电压高时峰点电压值也升高。

其谷点电压值一般为2~5V。

不同的单结晶体管和不同的供电电压下，单结晶体管的UP、UV会有所不同，在触发电路中应选用UV低一些或IV大一些的管子，以提高触高可靠性。

单结晶体管在触发电路的最常见的应用，是用单结晶体管和R、C电路构成单结晶体管振荡电路，又称为张驰振荡器电路。

见下图12。

图12单结晶体管组成的振荡器及波形图

振荡器工作原理简述：

当振荡器接通电源后，RP、R向电容C充电，C上电压按指数规律上升，当Uc＜UP时，单结管截止，输出电压为0；当C上电压到达峰点电压UP时，单结管的E、B1极之间突然导通，内部电阻RB1急剧减小，电容C上的Uc电压经内部RB1、外部R1放电，放电电流在R1形成一个脉冲电压Uo。

因电路时间常数小，放电很快结束。

当Uc下降至谷点电压时，E、B1极之间恢复阻断状态，单结晶体管从导通跳变到截止，输出电压Uo下降到0，完成一次振荡。

C充电过程重新开始，Uc到达UP点时，单结晶体管重又导通，电路产生连续振荡，在R1上得到尖脉冲输出。

电路的工作过程是利用了单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放电特性，如果改变RP，改变充放电的快慢，即可使输出脉冲前移或后移。

由单结晶体管振荡器作为触发电路的应用，振荡器的输出必须与电网电压相同步，通常采有同步电压信号做为振荡器的电源，使电容C的充电，总是从电网过零点重新开始，振荡脉冲出现的时刻相对电网过零点是固定的，并可以调整RP使触发脉冲移动，从而调整晶闸导通角的大小，使输出电压改变。

图2-20的c电路中，在电网过零以后，整流电压经R3、RP为C2充电，Uc2到达Q1的UP电压后，从R4上输出尖脉冲触发SCR开通，脉冲期间，C2电压泄放完毕，Q1因晶闸管的开通供电电源消失，也自行处于截止状态，下一个电压过零后到来后，C2又重新充电，Q1再次输出触发脉冲。

单结晶体管的测量：

由单结晶体管的内部等效电路，可得出测量方法。

用指针式万用表，黑表笔搭发射极，测量E、B1和E、B2之间的正向电阻，约为10kΩ左右，反向电阻极大，几百kΩ以上。

说明E极和B1、B2极之间，有二极管PN结的正、反向电阻特性；两次测量中，电阻值稍大的一次，经表笔所接为B1极。

B1、B2之间，正反向测量值相同，有3~13kΩ左右的电阻值。

旷野之雪

2011年2月4日（初二，立春）