课题一调光灯

课题一调光灯第1页，共72页，2023年，2月20日，星期四一、学习目标1.用万用表测试晶闸管和单结晶体管的好坏2.掌握晶闸管的工作原理3.分析单相半波整流电路的工作原理4.分析单结晶体管触发电路的工作原理5.熟悉触发电路与主电路电压同步的基本概念第2页，共72页，2023年，2月20日，星期四二、课题描述调光灯及电路原理图第3页，共72页，2023年，2月20日，星期四1.主电路：晶闸管和单相半波可控整流电路2.触发电路：单结晶体管和单结晶体管触发电路调光灯构成：第4页，共72页，2023年，2月20日，星期四三、相关知识点1.晶闸管的工作原理2.晶闸管的特性及主要参数3.单相半波可控整流电路4.单结晶体管触发电路第5页，共72页，2023年，2月20日，星期四1.晶闸管工作原理1.1晶闸管的结构1.2晶闸管的工作原理1.3晶闸管的导通关断原理第6页，共72页，2023年，2月20日，星期四1.晶闸管工作原理1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）第7页，共72页，2023年，2月20日，星期四1.1晶闸管的结构结构：管芯和散热器外形：1）塑封形：额定电流10A以下

2）螺栓形：散热效果差，用于200Ａ以下容量的元件

3）平板形：散热效果较好，可用于200Ａ以上的元件

第8页，共72页，2023年，2月20日，星期四常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第9页，共72页，2023年，2月20日，星期四第10页，共72页，2023年，2月20日，星期四晶闸管的内部结构：四层(P-N-P-N)三端(A、G、K)a）芯片原理结构b）以三个PN结等效c）符号图1-3晶闸管内部结构及等效电路第11页，共72页，2023年，2月20日，星期四1.2工作原理实验（九步）第12页，共72页，2023年，2月20日，星期四第13页，共72页，2023年，2月20日，星期四第14页，共72页，2023年，2月20日，星期四实验说明：1）晶闸管有反向阻断能力，与整流二极管一样具有单相导电性；2）晶闸管有正向阻断能力，二极管不具备；3）正向导通状态——可控特性；4）晶闸管导通后，门极不起控制作用。特点：可控单向导电性第15页，共72页，2023年，2月20日，星期四结论：晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正向电压。注意：阳极加正向电压是指阳极电位高于阴极电位，阳极电位可以是正也可以是负。门极正向电压是指门极电位高于阴极电位。晶闸管关断条件：流过晶闸管的电流小于维持电流。关断方法：去掉阳极电压；或给阳极加反压第16页，共72页，2023年，2月20日，星期四1.3晶闸管的导通关断原理图1-5晶闸管的工作原理第17页，共72页，2023年，2月20日，星期四2.晶闸管特性与主要参数2.1晶闸管的阳极伏安特性2.2晶闸管的主要参数第18页，共72页，2023年，2月20日，星期四2.1晶闸管的阳极基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第19页，共72页，2023年，2月20日，星期四反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG（2）反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第20页，共72页，2023年，2月20日，星期四断态重复峰值电压UDRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。1000Ｖ以下（100Ｖ一个等级），1000Ｖ至3000Ｖ（200Ｖ一个等级）选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。UTn=（2~3）UTM

使用注意：2.2晶闸管的主要参数反向重复峰值电压URRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。额定电压UTn——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。1）电压定额第21页，共72页，2023年，2月20日，星期四额定电流IT(AV）——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。2）电流定额平均电流表示，不是有效值第22页，共72页，2023年，2月20日，星期四图1-9晶闸管流过正弦半波电流波形

正弦半波电流的有效值为：式中Kf波形系数：选择元件：有效电流整流输出：平均电流选择器件时：从平均电流找出相应波形的有效电流保证不过热它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：第23页，共72页，2023年，2月20日，星期四维持电流IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流IL

——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。第24页，共72页，2023年，2月20日，星期四3）门极参数门极触发电流IGD门极触发电压UGD

第25页，共72页，2023年，2月20日，星期四断态电压临界上升率du/dt

——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

通态电流临界上升率di/dt

——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。

——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。4）动态参数第26页，共72页，2023年，2月20日，星期四5）晶闸管的型号普通晶闸管的型号及含义：第27页，共72页，2023年，2月20日，星期四第28页，共72页，2023年，2月20日，星期四第29页，共72页，2023年，2月20日，星期四整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。第30页，共72页，2023年，2月20日，星期四3.单相半波可控整流电路3.1电阻性负载3.2电感性负载第31页，共72页，2023年，2月20日，星期四单相半波可控整流电路及波形3.1带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00第32页，共72页，2023年，2月20日，星期四几个重要的基本概念：控制角a：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到触发脉冲出现之间的电角度,也称触发角或控制角。导通角θ：晶闸管在一个周期内处于导通的电角度。移向：指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小移相范围：输出电压Ud从最大值降到最小值时对应的a角的取值范围。第33页，共72页，2023年，2月20日，星期四（1）工作原理

时的波形分析图1-8时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形（a）输出电压波形

（b）晶闸管两端电压波形第34页，共72页，2023年，2月20日，星期四时的波形分析第35页，共72页，2023年，2月20日，星期四

时的波形分析第36页，共72页，2023年，2月20日，星期四

时的波形分析第37页，共72页，2023年，2月20日，星期四

时的波形分析第38页，共72页，2023年，2月20日，星期四总结：相位控制方式：通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式导通角与移向角关系：移向范围0o-180o第39页，共72页，2023年，2月20日，星期四（2）基本数量关系1)直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id直流输出电压平均值Ud:输出电流平均值Id:第40页，共72页，2023年，2月20日，星期四2)输出电压有效值U与输出电流有效值I输出电压有效值U:输出电流有效值I:第41页，共72页，2023年，2月20日，星期四3)晶闸管电流有效值和管子两端可能承受的最大电压单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：第42页，共72页，2023年，2月20日，星期四4)功率因数cosφ整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值

式中P—变压器二次侧有功功率，P=UI=I2RS—变压器二次侧视在功率，S=U2I2第43页，共72页，2023年，2月20日，星期四〖例1-3〗单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50V，直流输出平均电流为20A

试计算：(1)晶闸管的控制角。(2)输出电流有效值。(3)电路功率因数。(4)晶闸管的额定电压和额定电流。第44页，共72页，2023年，2月20日，星期四

解

(1)

则α=90º(2)Ω

当α=90º时，输出电流有效值

(3)第45页，共72页，2023年，2月20日，星期四(4)晶闸管电流有效值IT与输出电流有效值相等，即：则取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为：（5）晶闸管承受的最高电压：考虑(2~3)倍安全裕量，晶闸管的额定电压为

根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。

第46页，共72页，2023年，2月20日，星期四3.2带阻感负载的工作情况阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。第47页，共72页，2023年，2月20日，星期四图1-18带阻感负载的单相半波电路及其波形wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++（1）无续流二极管时1）在0～α期间：阻断，uo=0；uT=u22）在α时刻：导通，ud=u2；uT=03）在π时刻：u2＜0，导通ud=u2；uT=0a)第48页，共72页，2023年，2月20日，星期四结论：无论如何调控制角，Ud总是很小，无实用价值第49页，共72页，2023年，2月20日，星期四（2）接续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDR图1-20单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形①0～π：u2＞0VT在α时刻导通，ud=u2，uT=0；VD关断。②π～2π：u2＜0VT关断，ud=uVD=0；uT=u2VD续流导通。在晶闸管关断时，该管能为负载提供续流回路，故称续流二极管 作用：使负载不出现负电压a)第50页，共72页，2023年，2月20日，星期四结论：电阻负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，可见续流二极管的作用是为了提高输出电压。负载电流波形连续且近似为一条直线，如果电感无穷大，则负载电流为一直线。流过晶闸管和续流二极管的电流波形是矩形波。第51页，共72页，2023年，2月20日，星期四基本的物理量计算①输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id。②流过晶闸管电流的平均值IdT和有效值IT③流过续流二极管电流的平均值IdD和有效值ID④晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压。晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压都为电源电压的峰值，即：第52页，共72页，2023年，2月20日，星期四4.单结晶体管触发电路4.1单结晶体管4.2 单结晶体管张驰振荡电路4.3 单结晶体管触发电路第53页，共72页，2023年，2月20日，星期四4.1单结晶体管（1）结构图1-22单结晶体管（a）结构

（b）等效电路

（c）图形符号

（d）外形管脚排列第54页，共72页，2023年，2月20日，星期四实物图：发射极e第一基极b1第二基极b2第55页，共72页，2023年，2月20日，星期四（2）单结晶体管的伏安特性图1－24单结晶体管伏安特性（a）单结晶体管实验电路

（b）单结晶体管伏安特性

（c）特性曲线族第56页，共72页，2023年，2月20日，星期四（1）截止区：当Ve＜ηVbb时，管子截止（2）负阻区：当Ve≥ηVbb+VD，PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。

P称为峰点——管子由截止区进入负阻区的临界（峰点电压Vp和峰点电流Ip）显然Vp=ηVbb+VD

V称为谷点——随着发射极电流ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不在降了（谷点电压Vv和谷点电流Iv）。（3）饱和区：过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve＜Vv，管子重新截止。第57页，共72页，2023年，2月20日，星期四4.2 单结晶体管张驰振荡电路图1－25单结晶体管张驰振荡电路电路图和波形图（a）电路图（b）波形图第58页，共72页，2023年，2月20日，星期四（1）C充电：随时间增长uC逐渐增大到uC=UP后，管子进入负阻区（2）C放电：输入端等效电阻急剧减小，使C通过发射结和R1迅速放电，IE随之迅速减小，当uC=Uv后管子截止；电容又开始充电。（3）上述过程循环往返，只有当断电时才会停止，因而产生振荡。由于充电时间常数远大于放电时间常数，当稳定振荡时，电容上电压的波形所示。第59页，共72页，2023年，2月20日，星期四4.3 单结晶体管触发电路

（1）同步电路

1）什么是同步触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫同步。2）同步电路组成

3）波形分析第60页，共72页，2023年，2月20日，星期四①桥式整流后脉动电压的波形(A点)（a）（b）图1－26桥式整流后电压波形（a）实测波形（b）理论波形第61页，共72页，2023年，2月20日，星期四②削波后梯形波电压波形（B点）

（a）（b）图1-27削波后电压波形（a）实测波形（b）理论波形第62页，共72页，2023年，2月20日，星期四（2）脉冲移相与形成

1）电路组成脉冲移相：由电阻RE和电容C组成，脉冲形成：由单结晶体管、温补电阻R3、输出电阻R4组成。

RP↑→τC↑→出现第一个脉冲的时间后移→α↑→Ud↓2）波形分析第63页，共72页，2023年，2月20日，星期四①电容电压的波形（C点）半个周期 （a）（b）图1-28电容两端电压波形（a）实测波形（b）理论波形第64页，共72页，2023年，2月20日，星期四图1－29改变RP后电容两端电压波形第65页，共72页，2023年，2月20日，星期四②输出脉冲的波形（D点）

图1－30输出波形（a）实测波形（b）理论波形（a）（b）第66页，共72页，2023年，2月20日，星期四图1-31调节RP后输出波形第67页，共72页，2023年，2月20日，星期四（3）触发电路各元件的选择1）充电电阻的选择2）电阻R3的选择

电阻R3是用来补偿温度对峰点电压的影响，通常取值范围为：200～600。3）输出电阻R4的选择

输出电阻R4的大小将影响将影响输出脉冲的宽度与幅值，通常取值范围为：50～100。4）电容C的选择电容C的大小与脉冲宽窄和的大小有关，通常取值范围为：0.1～1。第68页，共72页，2023年，2月20日，星期四一、主要概念提示及难点释疑

1．晶闸管导通、关断条件

2．晶闸管主要参数及选型1）额定电压：2）额定电流

3．单相半波可控整流电路工作原理及参数计算

1）几个名词术语和概念2）分析工作原理、绘制输出电压ud波形时要抓住晶闸管什么时候导通、什么时候关断这个关键。3）电感性负载时，理解输出负电压的原因。关键是理解电感储存、释放能量的性质。4）参数计算时要根据输出波形，应用电工基础中平均值、有效值的概念来推导计算公式。5）续流二极管的作用：使负载不出现负电压，提高输出电压。

4．单结晶体管触发电路1）单结晶体管