晶闸管交流调光灯设计要点.pdf

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1、实 习 报 告 实习名称：电力电子设计实习 学生姓名 ：任鑫 董博文 学号：20120491 20120483 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 ：李萍 、聂相举 职称：副教授、讲师 二一四年十二月二十五日 实习报告 II 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 同组人姓名任鑫 董博文 实习内容摘要： 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

2、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，达到改变角的目的。实现自由 移相。 指导教师评语： 成 绩 实习报告 III 指导教师签字： 年月日 实 习 任 务 书 组内学生姓名任鑫 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

3、 20120491 20120483 指导教师姓 名 李萍、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范围及技术经济指标；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

4、队协作精神 和工作、学习的主动性；提高学生的动手能力。 实习报告 IV 二、工程实践的主要内容、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内容，参照单相交流调压的内容设计一种单 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。 三、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

5、路图 1 张。 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） 实习报告 V 五、主要参考资料 1 张立、赵永健 . 现代电力电子技术 . 北京：科学出版社， 2012 2 王兆安、黄俊 . 电力电子技术（第四版） . 北京: 机械工业出版社， 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， 201

6、3 5 龚素文 . 电力电子技术 . 北京: 北京理工大学出版社 , 2013 6 电力电子实用技术 . 黄诗萱 . 北京: 中国电力出版社 , 2014 7 栗书贤编 . 北京 : 机械工业出版社 ,2013 8 王云亮、电力电子技术 .北京：电子工业出版社，2014 9 赵良炳、现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，2014 10 王兆安、刘进军电力电子技术（第五版）. 北京: 机械工业出版社， 2012 六、备注 指导教师签字： 年月 日 教研室主任签字： 年月 日 目录 1. 绪论 7 1.1 电力电子技术的应用与发展前景 7 1.2 设计要求 8 2. 系统方案选择 9 3.

7、开关电源元器件的选用 . . 10 3.1 电阻器 10 3.1.1 电阻器 . 10 3.1.2 电阻器的检测 10 3.2 电容器 . 10 3.2.1 电容器 10 3.2.2 电容器的检测 10 3.3 晶体管 . 11 3.3.1 二极管 11 3.3.2 三极管 11 3.3.3 单结晶体管 13 3.4 脉冲变压器 14 3.5 晶闸管 14 4. 系统硬件设计.16 4.1 直流稳压电路 . 4.2 晶闸管电路 错误！未定义书签。 4.3 电路的工作原理 9 . 错误！未定义书签。 5. 调试过程 . 19 结束语 . 19 参考文献 . 20 附录 A系统电路图 . 21 附

8、录 B实习总结 . 22 附录 C元件清单 . 23 附录 D小组分工 . 24 附录 E实物图 . 25 实习报告 11 7 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

9、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

10、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。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，

11、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 。 实习报告 11 8 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内容，参照单相交流调压的内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。 实习报告 11 9 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

12、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 实习报告 11 10 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

13、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

14、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。 实习报告 11 11 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R100 或R 1K 挡。

15、 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 0.10.3 伏之间，而硅管一般为 0.60.7 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 R1K 档来测量，锗管可用 R100 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

16、。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，表示其内部断线；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： 实习报告 11 12 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

17、 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R100 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

18、用表调到 R100 或R1K 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 BV ceo（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 实习报告 11 13 压值的晶体管进行代换）、工作频率ft、穿透电流 I ceo、功耗P cm 等技术指标来合理 选

19、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

20、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 UeU A， 二极管 D 截止； 当Ue 大于单结晶体管的峰点电压UP(UP=UDUA) 时，二极管 D导通，发射极电流 Ie注入Rb1，使Rb1 的阻值急剧变小， e 点电位 Ue 随 之下降，出现了 Ie 增大Ue 反而降低的现象， 称为负阻效应。 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 R1

21、00 挡或R1K 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 R100 挡或 R1K 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 实习报告 11 14 脉冲发

22、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: 实习报告 11 15 G 极与 T2 极靠近，距 T1 极较远。因此， GT2 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

23、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

24、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。 实习报告 11 16 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

25、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 的正半周内，二极管D1、D2 导通， D3、D4 截止

26、； u2 的负半周内， D3、D4 导通， D1、D2 截止。正负半周内部都有电流流过 的负载电阻RL，且方向是一致的。 图 4-1 直流稳压电路 实习报告 11 17 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 U

27、p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，达到改变角的 目的。实现自由移相。 实习报告 11 18 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内容，参照单相交流调压的内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。 实习报告 11 19 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

28、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

29、节滑动变阻 器的阻值来改变灯泡的亮度。 实习报告 11 20 参考文献 1 张立、赵永健 . 现代电力电子技术 . 北京：科学出版社， 2012 2 王兆安、黄俊 . 电力电子技术（第四版） . 北京: 机械工业出版社， 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: 北京理工大学出版社 , 2013 6 电力电子实用技术 . 黄诗萱 . 北京: 中国电力出版社 , 2014 7 栗书贤编 . 北京 : 机械工业出版社 ,2013 8 王云亮、电力电子技术 .

30、北京：电子工业出版社，2014 9 赵良炳、现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，2014 10 王兆安、刘进军电力电子技术（第五版） . 北京: 机械工业出版社， 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

31、息，以及了解了一些对我们大学生写论文、查阅论文有帮助的网站；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4K7WXD3-12 1个 4 电阻 101W 1个 2000.25W 1个 2700.25W 1个 3301w 1个 1K20.25W 1个 2K40.25W 1个 2K70.25w 1个 5K10.25W 1个 7K

32、50.25w 1个 82K0.25w 2个 5 电容0.1uF K100 1个 6 二极管IN4007 5个 7 稳压管12V 0.5w 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）12V 0.1A 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 实习报告 16 24 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。 实习报告 16 25 附录 E实物图