晶闸管直流调光电路

1、郑州科技学院模拟电子技术课程设计题 目 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师 完成时间 目 录1 课程设计的目的12 课程设计的任务与要求13 设计方案与论证23.1 设计方案23.2 设计论证34 设计原理及功能说明44.1 设计原理44.2工作原理图当中各个元器件的功能说明55 单元电路的设计及说明65.1 主电路的说明65.1.1 主电路核心器件的说明65.1.2 主电路的设计及分析75.2 驱动电路介绍说明95.2.1 驱动电路核心器件介绍95.2.2 驱动电路的组成及说明136 硬件的安装与调试156.1 晶闸管调光电路的安装156.2 晶闸管调光电路的调试156.3 晶

2、闸管调光电路故障分析及处理157 总结16参考文献17附录1：总体电路原理图18附录2：元件清单如下表：191 课程设计的目的课程设计是课程的总结性教学环节，是培养我们综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一实际问题的基本训练，加深对该课程知识的理解。在整个教学计划中,它起着培养我们独立工作能力的重要作用。 通过本课程设计, 主要训练和培养我们的查阅资料，方案的选择的能力。 2 课程设计的任务与要求1. 课程设计的任务本课程设计的任务主要是利用晶闸管所受电压的大小，调节发光二极管的亮度，并且比较一些元器件实际输出波形与理论波形的区别。同时，也让我从实际动手当中知道在制作过程中常见一些

3、困难，及解决这些困难的方法。2. 课程设计的要求本课程设计主要是对工作原理方面、制作工艺方面等方面作出要求具体如下所述 （1） 工作原理要求：对整流之后加在晶闸管两端的电压的大小进行控制调节，其驱动调节的工作要求如下：1）触发信号要有足够的功率。2）触发信号波形应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能的陡，以使元件再触发导通后阳极电流能迅速上升超过擎住电流而导通。3）为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角触发导通，触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，且脉冲与电源波形保持固定的相位关系。4）晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而引起的，因此需要对触发电路进行屏蔽、隔离等抗干扰措施。防止干扰与误触发（

4、2） 制作工艺要求：1注意元件布置要合理。2焊接应无虚焊、错焊、漏焊，焊点应圆滑无毛刺。3焊接时应重点注意二极管、稳压管、单结晶体管、晶闸管等元件的管脚。3 设计方案与论证3.1 设计方案本课程设计采用控制输出电压波形的面积的大小，来达到对LED调光的目的。其中有两种方案可以应用：第一种方案是在晶闸管的阳极串上一个滑动变阻器，调节滑动变阻器阻值的大小来改变LED的亮度。第二种方案是在单结晶体管的发射极上串上一个滑动变阻器，调节滑动变阻器阻值的大小就相当于间接调节驱动信号相位角的大小，即改变输出电压的大小，从而调节了LED的亮度。 本电路设计采用了第二种方案，本方案电路设计主要有主电路和驱动电路

5、（单结晶体管触发电路）两部分电路组成，其中主电路是由变压器、桥式整流电路、稳压电路、晶闸管、限流电阻等部分组成，驱动电路是由单结晶体管、电容，滑动变阻器、电阻等部分组成。具体设计如下3-1图所示：主电路驱动电路图3-1总体设计方案方框图3.2 设计论证本课程设计的论证介绍有以下几个方面：1)主电路采用单个晶闸管的单相桥式可控整流电路，电路的负载是LED灯，它与晶闸管串联。 2)驱动电路（单结晶体管触发电路）电源是由主电路桥式整流输出，经稳压管电路 削波后得到的梯形波电压。3)触发脉冲形成过程：梯形波电压经电阻对电容C充电，当C两端电压上升到单结晶体管峰点电压Up时单结晶体管由截止变为导通，此时

6、，电容C就通过eb1，电阻迅速放电，放电电流在电阻上产生一个尖顶脉冲，随着C的放电，当C两端电压降至单结晶体管谷点电压Vr时，单结晶体管重新截止，电容C又重新充电，重复上述过程，在电阻两端就输出一组尖脉冲（在一个梯形波电压周期内，脉冲产生的个数是由电容C充放电的次数决定）。在周期性梯形波电压的连续作用下上述过程反复进行。4）脉冲的同步 当梯形波电压过零时，电容C两端电压也降为零，因此电容C每次连续充放电的起始点也就是主电路电压过零点，这样就保证了输出脉冲电压的频率和电源频率同步。5)脉冲移相 在一个梯形波电压作用下，单结晶体管触发电路产生的第一个脉冲就能使晶闸管触发导通，衙面的脉冲通常是无用的

7、。由于晶闸管导通的时刻只取决于阳极电压为正半周时，加到控制极第一个触发脉冲的时刻，因此，电容C充放电过程越快，第一个脉冲出现的时刻越早，晶闸管的导通角也就越大，整流输出的平均电压也就越高，反之，如电容C放电越慢，第一个脉冲出现的越迟，整流输出的平均电压也就越小。由此，只要改变滑动变阻器Rp的大小就可以改变电容C的充电速度，也就改变了第一个脉冲出现的时刻，这就起到了脉冲移相的目的。4 设计原理及功能说明4.1 设计原理本课程设计原理如下所述，电路接通交流220V电源，电源经变压器降为12V交流电，12V电源经D1D4整流后得到10.8V的直流电源供给负载和驱动电路，当10.8V经过稳压管是会产生

8、一个梯形波，在这个梯形波电压作用下，驱动电路（单结晶体管触发电路）产生的第一个脉冲就能使晶闸管触发导通，衙面的脉冲通常是无用的。由于晶闸管导通的时刻只取决于阳极电压为正半周时，加到控制极第一个触发脉冲的时刻，因此，电容C充放电过程越快，第一个脉冲出现的时刻越早，晶闸管的导通角也就越大，整流输出的平均电压也就越高，反之，如电容C放电越慢，第一个脉冲出现的越迟，整流输出的平均电压也就越小。由此，只要改变滑动变阻器Rp的大小就可以改变电容C的充电速度，也就改变了第一个脉冲出现的时刻，这就起到了脉冲移相的目的。工作原理图4-1图所示：图4-1工作原理图4.2工作原理图当中各个元器件的功能说明D1-D4

9、 组成桥式整流提供直流电源R1 限流电阻R2温度补偿电阻R3形成并输出脉冲R4保护电阻Rp移相控制，改变Rp大小就能改变电容C的充放电时间C充、放电D8控制电容的充、放电及脉冲形成D9削波、稳压D7保护单结晶体管，使前极对后极不产生影响5 单元电路的设计及说明本电路设计有主电路和驱动电路两部分组成，具体说5.1和5.2所述：5.1 主电路的说明5.1.1 主电路核心器件的说明1.晶闸管的结构晶闸管的内部结构如5-1图所示，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以

10、它是一种四层三端的半导体器件。5-1晶闸管内部结构图图5-1晶闸管结构2.晶闸管的工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如5-2图所示：图5-2等效电路图当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流Ib2流过，经BG2放大，其集电极电流Ic2=2Ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以Ib1=Ic2。此时，电流Ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流Ic1=1Ib1=12Ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成

11、正反馈，使Ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。5.1.2 主电路的设计及分析本电路设计的主电路主要是由变压器、桥式整流电路、稳压管、晶闸管、LED灯等组成。具体如5-3所示：图5-3主电路整流电路是由四个普通型二极管组成。由整理桥可得波形如下5-4图（左为实际波形，右为理论波形）所示：图5-4整流波形该波形同时也是控制角等于0时输出电压波形，整流后得到电压为U=0.9*U2=

12、0.9*12=10.8V稳压电路是由一个12V的稳压二极管独立构成。由稳压电路可得波形如5-5图（左为实际波形，右为理论波形）所示：图5-5稳压波形5.2 驱动电路介绍说明5.2.1 驱动电路核心器件介绍1单结管结构单结晶体管结构示意图如图5-6（a）所示。在一块高电阻率的N型硅半导体基片上引出两个电极：第一基极b1与第二基极b2。这两个基极之间的电阻Rbb即是基片的电阻，约212 k。 在两基极之间，靠近b2极处设法掺入P型杂质铝，引出电极称为发射极e。所以，它是一种特殊的半导体器件，有三个引出端， 只有一个PN结，故称单结晶体管，又称双基极二极管。其等效电路、符号与管脚如图5-6（b）、（

13、c）、（d）所示，Rb1、Rb2分别为e极与b1、b2之间的基片电阻。图5-6单结管的结构与符号2单结管的特性和工作原理将单结管接成下图所示电路，称Ubb为基极电压，Ue随发射极电流变化，称为发射极电压。（1）当S1断开，S2闭合时，外加基极电压Ubb由Rb1和Rb2分压，则管子A点对b1点之间的电压UA为式中为单结管分压比，由管子内部结构决定，通常在0.30.9之间。图5-7单结管试验电路(2) 当Ubb断开，Ibb=0，闭合S1加上Ue时，二极管VD与Rb1组成串联电路。发射极电压与电流的伏安特性如图5-7中最下边一条曲线所示，与二极管正向特性接近。  (3) 若管子加上一定的基

14、极电压Ubb(10 V),Ue从零开始增大，当Ue<UA=Ubb时，二极管VD反偏，只有很小的反向漏电流， Ie为负值。当Ue增大到与UA相等时，二极管VD零偏，Ie=0，对应于图5-8中曲线上b点。当Ue再增大，Ue<UA+UD（UD为二极管VD的导通压降），通常为0.7 V时,二极管VD开始正偏,但还未充分导通，大于零，不过数值很小。 当Ue继续增大，达到UP值（UP=Ubb+UD）时，则二极管VD充分导通,Ie显著增大。由于发射极P区的空穴不断注入N区， 使N区Rb1段中的载流子大量增加，阻值迅速减小。Rb1阻值的减小导致UA值降低，使Ie进一步增大，而Ie的增大又进一步使R

15、b1阻值减小，因此，在元件内部形成一个强烈的正反馈过程。 当Rb1阻值的减小超过Ie的增大时，从元件e、b1极看进去，出现一个与常规相反的现象：Ue随Ie的增大而减小，即动态电阻为负值。这就是单结晶体管所特有的负阻特性。在曲线上对应P、V两点之间的一段，称负阻区。P点电压称峰点电压UP，V点电压称谷点电压UV。当Ue>UP后，单结晶体管从截止区迅速经过负阻区到达谷点V，在负阻区不能停留。 当Ie再继续增大，空穴注入N区增大到一定程度时，部分空穴来不及与基区电子复合而出现空穴剩余，使空穴继续注入遇到阻力，相当于Rb1变大。因此在谷点V之后，元件又恢复正阻特性，Ue随Ie的增大而缓慢增大，工

16、作由负阻区进入饱和区。 显然，UV是维持管子导通时的最小发射极电压，一旦出现Ue<UV时，管子将重新截止。当Ubb改变时，UP也随之改变，由此可以得到一组伏安特性。在触发电路里，通常选用分压比较大、 谷点电压UV小一些以及IV大的管子，这样可使输出脉冲幅值大， 调节电阻范围宽。图5-8单结晶体管的伏安特性曲线5.2.2 驱动电路的组成及说明该驱动电路有单结晶体管自激振荡电路、单结晶体管同步触发电路等两部分组成。1.单结晶体管自激振荡电路利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电特性可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲，其电路如图5-9（a）所示。当加上直流电压U后，一路经R2、R1在单

17、结晶体管两个基极之间按分压比分压；另一路经Re对电容C充电。发射极电压Ue为电容两端电压UC，按指数曲线渐渐上升，如图5-9（b）所示。 当UC <Up时，管子e、b1之间处于截止状态。随着UC（Ue）值的增大，电容电压UC充到刚开始大于Up的瞬间，管子e、b1间的电阻突然变小（降为20 左右）而开始导通，电容上的电荷通过e、 b1迅速向电阻R1放电。 由于放电回路电阻很小，放电时间很短，因此在R1上得到很窄的尖脉冲。当UC（Ue）小于谷点电压UV时，管子从导通又转为截止，电容C又开始充电，电路不断振荡，在电容上形成锯齿波电压，在R1上输出前沿很陡的尖脉冲。振荡频率为：改变Re可方便地改

18、变振荡频率，波形如图5-9（b）所示。 2.单结晶体管同步触发电路触发电路送出的触发脉冲必须与晶闸管阳极电压同步， 保证管子在阳极电压的每个正半周内以相同的控制角触发， 从而获得稳定的直流电压。图5-9（a）为单相半控桥式单结晶体管同步触发电路。同步变压器一次侧与晶闸管整流桥路接在同一交流电源上，同步变压器二次侧正弦交流电压经桥式整流与稳压管削波，得到梯形波电压Uv，它与晶闸管阳极电压过零点一致，作为触发电路的电源，波形如图5-9（b）所示。因此， 每当电源波形半周过零时，Uv=Ubb =0，单结晶体管A点电压Ua=0，可使电容上的电荷很快放掉。在下一半周开始时，基本上从零开始充电，这样才能保

19、证每周期触发电路送出第一个脉冲距离过零点的时刻(即)一致，起到同步作用。 为了保证脉冲电压的正确产生，需要合理地选择电路参数。 其中，满足振荡条件的关键是充电电阻Re的取值。由Re决定的负载线应该与单结晶体管的负阻特性相交，即Re的取值应满足：图5-9单结晶体管振荡电路与输出波形6 硬件的安装与调试6.1 晶闸管调光电路的安装（1）元件布置图和布线图。根据附录1所示电路画出元件布置图和布线图。（2）元器件选择与测试。根据附录1所示电路图选择元器件并进行测量，重点对二极管、晶闸管、稳压管、单结晶体管等元器件的性能、管脚进行测试和区分。（3）焊接前准备工作。将元器件按布置图在电路底板焊接位置上做引

20、线成形。弯脚时，切忌从元件根部直接弯曲，应将根部留有510mm长度以免断裂。引线端在去除氧化层后涂上助焊剂，上锡备用。（4）元器件焊接安装。根据电路布置图和布线图将元器件进行焊接安装。6.2 晶闸管调光电路的调试（1）通电前的检查。对已焊接安装完毕的电路根据附录1所示电路进行详细检查。重点检查二极管、稳压管、单结晶体管、晶闸管等元件的管脚是否正确。输入、输出端有无短路现象。（2）通电调试。晶闸管调光电路分主电路和单结晶体管触发电路两大部分。因而通电调试亦分成两个步骤，首先调试单结晶体管触发电路，然后，再将主电路和单结晶体管触发电路联结，进行整体综合调试。6.3 晶闸管调光电路故障分析及处理晶闸管调光电路在安装、调试及运行中，由元器件及焊接等原因产生故障，这时根据故障现象