(整理)开关课程设计

目录
一、设计要求 (2)
二、设计目的 (2)
1.熟悉晶闸管的开关作用 (2)
2.掌握桥式整流电路原理 (6)
3.掌握三极管的开关作用 (8)
4.掌握稳压管的作用 (9)
三、设计的具体实现 (10)
1.系统概述 (10)
2.单元电路设计 (11)
3.仿真测试 (13)
四、结论与展望 (16)
五、心得体会及建议 (16)
六、附录 (17)
七、参考文献 (18)
楼道触摸延时开关设计报告
一、设计要求
1.设计一楼道触摸延时开关，其功能是当人用手触摸开关时，照明灯点亮，并延续一段时间后自动熄灭。

2.开关的延时时间约1分钟左右。

二、设计目的
1.熟悉晶闸管的开关作用
(1).晶闸管的开关作用
晶闸管是一种开关组件，广泛的应用在各种电路，以及电子设备中。

典型的小电流控制大电流的组件，通过一个电流很小的脉冲触发，当晶闸管处于导通状态时它的电阻变得很小相当于一跟导线。

(2).晶闸管的结构和工作原理
晶闸管是四层三端器件，它有J
1、J
2
、J
3
三个PN结,可以把它
中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。

如图图2-1.1所示：
图2-1.1等效图
图2-1.2 器件符号
当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN 结J 2失去阻挡作用。

每个晶体管的集电极电流同
时就是另一个晶体管的基极电流。

因此是两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig 流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通。

设PNP 管和NPN 管的集电极电流分别为I C1和I C2，发射极电
流相应为Ia 和I k ，电流放大系数相应为α1=I C1/Ia 和α2=I C2/I k ，设流过J 2结的反相漏电流为I CO ，晶闸管的阳极电流等于两管的集
电极电流和漏电流的总和：
CO k CO
C C +I I Ia+α =α+I +I =I I 2121а (1) 若门极电流为Ig ，则晶闸管阴极电流为：
g a k I I I +=
得出晶闸管阳极电流为： )(121ααа+-+=g co I I I (2)
硅PNP 管和硅NPN 管相应的电流放大系数α1和α2随其发射
极电流的改变而急剧变化。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极
未接受电压的情况下，式(2)中Ig=0，(α
1+α
2
)很小，故晶闸管
的阳极电流Ia≈I
CO
，晶闸管处于正向阻断状态；当晶闸管在正向
门极电压下，从门极G流入电流I
g ，由于足够大的I
g
流经NPN管
的发射结，从而提高放大系数α
2，产生足够大的集电极电流I
C2
流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数α
1
，产生
更大的集电极电流I
C1
流经NPN管的发射结，这样强烈的正反馈过程迅速进行。

当α
1和α
2
随发射极电流增加而使得(α
1
+α
2
)≈1时，式(2)
中的分母1-(α
1+α
2
)≈0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。

这
时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定，晶
闸管已处于正向导通状态。

晶闸管导通后，式(2)中1-(α
1+α
2
)
≈0，即使此时门极电流Ig=0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断地减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流
I H 以下时，由于α
1
和α
2
迅速下降，晶闸管恢复到阻断状态。

(3).晶闸管的工作条件
●晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极承受何种电压,晶闸
管都处于关断状态。

●晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情
况下晶闸管才导通。

●晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压,无论门
极电压如何，晶闸管保持导通,即晶闸管导通后，门极失去作用。

●晶闸管在导通情况下，当主回路电压或电流减小到接近于
零时，晶闸管关断。

(4).晶闸管的管脚鉴别
●单、双晶闸管的判别：
先任测两个极，若正、反测指针均不动（R×1挡），可能是A、K或G、A极（对单向晶闸管）也可能是T2、T1或T2、G极（对双向晶闸管）。

若其中有一次测量指示为几十至几百欧，则必为单向晶闸管。

且红笔所接为K极，黑笔接的为G极，剩下即为A极。

若正、反向测批示均为几十至几百欧，则必为双向晶闸管。

再将旋钮拨至R×1或R×10挡复测，其中必有一次阻值稍大，则稍大的一次红笔接的为G极，黑笔所接为T1极，余下是T2极。

图2-2 晶闸管管脚
●性能的差别：
将旋钮拨至R×1挡，对于1～6A单向晶闸管，红笔接K极，黑笔同时接通G、A极，在保持黑笔不脱离A极状态下断开G极，指针应指示几十欧至一百欧，此时可控硅已被触发，且触发电压低（或触发电流小）。

然后瞬时断开A极再接通，指针应退回∞位置，则表明可控硅良好。

对于1～6A双向晶闸管，红笔接T1极，黑笔同时接G、T2极，在保证黑笔不脱离T2极的前提下断开G极，指针应指示为几十至一百多欧（视晶闸管电流大小、厂家不同而异）。

然后将两笔对
调，重复上述步骤测一次，指针指示还要比上一次稍大十几至几十欧，则表明晶闸管良好，且触发电压（或电流）小。

极时断开G极，指针立即退回∞位置，若保持接通A极或T
2
则说明晶闸管触发电流太大或损坏。

可按图2方法进一步测量，对于单向晶闸管，闭合开关K，灯应发亮，断开K灯仍不息灭，否则说明晶闸管损坏。

对于双向晶闸管，闭合开关K，灯应发亮，断开K，灯应不息灭。

然后将电池反接，重复上述步骤，均应是同一结果，才说明是好的。

否则说明该器件已损坏。

2.掌握桥式整流电路原理
(1).单相桥式整流电路的组成
单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证
正、负半周内正确引导流向负载的电流，使在变压器副边电压u
2
其方向不变。

设变压器副边两段分别为a和b，则a为“＋”、b 为“－”时应有电流留出a点，a为“-”、b为“＋”时应有电流流入a点；相反，a为“＋”、ｂ为“－”时应有电流流入ｂ点，ａ为“－”、ｂ为“＋”时应有电流流出ｂ点；因而ａ和ｂ点均应分别接两只二极管，以引导电流；如图2-3所示。

图2-3 桥式整流原理
(2).工作原理 设变压器副边电压t U u ωsin 222=，U 2为其有效值。

当ｕ2为正半周时，电流由a 点流出，经过V 1、R L 、D 3流入b
点，因而负载电阻R L 上的电压等于变压器副边电压，即2u u o =，V 2和V 4管承受的反响电压为－u 2。

当u 2为负半周时，电流由b 点
流出，经V 2、R L 、V 4流入a 点，负载电阻R L 上的电压等于－u 2，即2u u o -=，V 1、V 3承受的反向电压为u 2。

这样，由于V 1、V 3和V 2、V 4两对二极管交替导通，致使负载电
阻R L 上在u 2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压t U u o ωsin 22=。

如图2-4所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。

图2-4 桥式整流电路电流、电压波形
(3).输出电压平均值U O(AV)和输出电流平均值I O(AV)
根据图2-4中所示u o 的波形可知，输出电压的平均值 )(sin 2120)(t td U U AV O ωωππ
⎰=
解得 22
)(9.022U U U AV O ≈=π
由于桥式整流电路实现了全波整流电路，它将u 2的负半周也
利用起来，所以在变压器副边电压有效值相同的情况下，输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值） L
L AV O AV O R U R U I 2)()(9.0≈= 在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下，输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。

根据谐波分析，桥式整流电路的基波U OIM 的角频率是u 2的2
倍，即100HZ ，π2223
2U U OIM ⨯=。

故脉动系数 67.03
2)(≈==AV O OIM U U S 与半波整流电路相比，输出电压的脉动减小很多。

3.掌握三极管的开关作用
三极管工作在饱和导通状态(发射结和集电结都是正偏置)时，其c-e 极间电压很小，比PN 结的导通电压还要低(硅管在0.5V 以下)，c-e 极间相当“短路”，即呈“开”的状态。

三极管在截止状态(发射结、集电结都是反偏置)时，其c-e 极间的电流极小(硅管基本上量不到)，相当于“断开(即‘关’)”的状态。

三极管开关电路的特点是开关速度极快，远远比机械开关快，
没有机械接点，不产生电火花。

开关的控制灵敏，对控制信号的要求低，导通时开关的电压降比机械开关大，关断时开关的漏电流比机械开关大。

不宜直接用于高电压、强电流的控制。

4.掌握稳压管的作用
稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。

稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。

稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。

当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然增大，稳压管从而反向击穿，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利用这一特性，因此稳压管在电路到起到了稳压的作用。

图2-5 稳压管特性曲线
稳压管与其普通二极管不同之处在于反向击穿是可逆性的。

当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。

三、设计的具体实现
1.系统概述
(1).系统原理图
图3-1.1 触摸延时开关电路
系统框图 延时电路 照明灯
指示灯 触发电路
整流电路
(2)系统原理综述
二极管VD
1～VD4、晶闸管VS组成触摸开关的主回路，R1、LED、
与VD
5构成次回路，控制回路由三极管VT
1
～VT
3
等组件组成，平时
LED发光指示触摸开关的位置，方便在夜间寻找开关。

VT
3
的集电
极被VD
5控制在8V左右，VT
1
～VT
3
均处于截止状态，VS因为无触
发电压处于关断状态，故电灯不亮。

需要开灯时，只要用手触摸
一下触摸电极片M，因人体泄露电流经R
5与R
4
分压后注入三极管
VT
3的基极，使VT
3
迅速导通。

8V直流电经过VT
3
的c-e极向电容
C 2充电，并经过R
2
使VT
2
导通，VT
1
也随之迅速导通，VS因门极获
得正向触发电流而导通，灯H即被点亮。

人手离开电极片M后，
因C
2储存的电荷通过R
2
向VT
2
的发射结放电，所以仍能维持VT
2
、
VT
1及VS的导通，电灯H依然点亮。

直至C
2
电荷基本放完，VT
2
由导通转为截止，VT
1
也随之截止，VS因失去触发电流当交流电
过零时即关断，灯灭。

改变R
2、R
3
及C
2
的数值能调节电灯每次被
点亮的时间长短。

采用附录所示数据，每触摸一次电极片M电灯H约能点亮1min左右。

电阻R
4的作用是使三极管VT
3
平时处于反偏状态，以减小VT
3
的漏电流，确保在无触摸信号时VT
2
始终处于截止状态。

若取消
R 4，往往因VT
3
管子质量不佳，其漏电流可使电容C
2
两端电压不断
上升，最终会导致VT
2
误导通使电灯H点亮。

2.单元电路设计
●照明灯电路：
照明电路采用220V交流输出，将功率小于100W的灯泡与整流电路部分串联连接。

●整流电路：
电路中采用四个IN4007二极管，互相接成桥式结构。

利用二极管的电流导向作用，在交流输入电压U的正半周内，二极管VD
1
、
VD
3导通，VD
2
、VD
4
截止，在负载R
L
上得到上正下负的输出电压；
在负半周内，正好相反，VD
1、VD
3
截止，VD
2
、VD
4
导通，流过负载
R
L
的电流方向与正半周一致。

因此，利用四个二极管，使得在交流电源的正、负半周内，整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。

●指示灯：
VD
1～VD
4
、VS组成开关的主回路。

平时，VS处于关断状态，
灯不亮。

VD
1～VD
4
输出220V脉动直流电经R
1
限流，VD
5
稳压，
C
2滤波输出约8V左右的直流电供VT
3
使用。

此时LED发光，
指示开关位置，便于夜间寻找开关。

●延时电路：
延时电路的实现，主要运用电容的充放电原理。

在VT3得到触发信号导通后，电流流经电容C2进行充电，电容储存一定量的电
荷。

当人手离开电极片后，触发信号消失，电容放电使VT
2、VT
1
、
VS保持一定时间内处于导通状态下，实现灯泡H延时1min左右
后熄灭。

延时时间长短主要由R
2、C
2
充电时间常数决定，若要延
长或缩短延时时间，可适当增大或减小R
2、C
2
的数值。

●触发电路：
触摸灯的触摸开关是通过人体接触后产生的电流泄露而工作的。

当用手触摸一下触摸开关的电极片M时，人体泄漏电流使VT3导通。

此时，电容C2开始充电，VT2、VT1随即导通，晶闸管门极得到正向触发电流导通。

（其中泄露的电流十分微小，只有多少
微伏。

而人体本身带的静电都有几千几万伏。

所以触摸开关对人体的影响是微乎其微的几乎没有。

）
3.仿真测试
(1).系统电路仿真
触摸延时开关电路的仿真测试，是基于Multisim环境下进行仿真（元件选取如附录所示），对系统做软件仿真可以进一步加深对系统功能的认识。

以下主要对系统电路，以及输入信号、整流、滤波、稳压电路仿真。

如图3-1.2所示，为电极片受到触发信号后，三极管VT
3、VT
2
、
VT
1依次导通，并且伴随着电容C
2
、C
1
的充电过程。

当触发消失后
电容C
2、C
1
放电，灯泡H维持点亮状态，当1min左右后灯泡熄灭，
回到如图3-1.1所示状态。

对C
2、R
2
元件的参数修改后，灯泡H
可以维持点亮的时间长短也随即发生变化。

图3-1.2 触摸延时开关电路仿真测试
(2).各功能电路仿真测试
图3-2.1为输入信号仿真波形，输入信号为完整的正弦波。

经过整流、滤波、稳压后，波形依次如图3-2.2、3-2.3、3-2.4所示。

图3-2.1 输入电压仿真波形
图3-2.2 整流电路仿真波形
图3-2.3 滤波电路仿真波形
图3-2.4 稳压电路仿真波形
四、结论与展望
经过对触摸延时开关电路的软件仿真，以及结合所学理论知识分析，达到了最初的设计要求。

能够成功的按要求控制照明灯电路，实现用手触摸电极片灯泡点亮，并在延时1min左右后自动熄灭，从而验证了电路的可行性，说明系统设计所需元件参数选取符合要求，此系统电路可以用来批量生产。

楼道触摸延时开关较普通家用开关有其优越之处，在方便的为楼道内灯光控制之余，还体现了节能的主要目的。

但是楼道触摸延时也存在一定的小缺陷，出于安全考虑，在电极片背面应焊一只2MΩ左右的高值电阻，从电阻上引出软线再接到电路板上的，这样可以确保只用这的绝对安全，使用时像开关一样将电阻R
5
其接入照明线路。

五、心得体会及建议
楼道触摸延时开关已经在早些年就服务于大众了，但是对于相关知识了解甚少。

在本次的“0楼道触摸延时开关设计”中，充分运用所学的模拟电子技术基础知识、以及搜集的大量资料。

明白了楼道触摸延时开关的基本原理，并且用所学知识对一些电路图改进，使其性能更加优良。

在对触摸延时开关分析、制作的过程中，很好的巩固了之前学到的模拟电子相关知识。

重新学习了整流电路的相关内容，对全波整流电路、滤波电路、稳压电路有了更深刻的认识，不仅会熟练的运用计算公式，而且通过软件仿真技术观察各阶段电路的变化，对各阶段电路的波形有更形象的体会。

此电路用到了晶闸管的门极触发原理，在之前对晶闸管方面
的学习只是皮毛，楼道触摸开关电路的设计之中又用到了晶闸管的控制机理。

经过查阅大量的资料，现在掌握了晶闸管的基本结构、工作原理、以及管脚判别方法，对以后的电路设计有很大的帮助。

为了使触摸延时开关电路的设计更为直观，在设计过程中用到了很多次计算机仿真技术。

从对系统整体电路的仿真，到各单元电路的仿真，都做了详细的数据、波形、效果记录。

经过计算机仿真对电路功能的实现，做出了触摸开关的实际产品，对动手实践方面有了很大的提高。

因为所学知识、能力和水平所限，在本次楼道触摸延时开关的设计过程中可能存在很多疏漏、欠妥和错误之处，希望能够多加指正，以便以后不断改进。

六、附录
VD
5
2CW19 8V、1／2W稳压二极管VS MCR100-8 触发电流小的1A、600V小型塑封普通晶闸管
VD
1～VD
4
IN4007 整流二极管
LED 普通图形红色发光二极管VT1 9012 PNP型三极管
VT2 9011 NPN型三极管
VT3 9014 NPN型三极管
R 1、R
3
5.1MΩ RTX-1/8W型碳膜电阻
R
2
5.1MΩ RTX-1/8W型碳膜电阻
R
20kΩ RTX-1/8W型碳膜电阻
4
100kΩ RTX-1/8W型碳膜电阻
R
5
0.01μF 独石或涤纶电容
C
1
C
10μF CD11-16V型电解电容
2
22μF CD11-16V型电解电容
C
3
照明灯≤100W 白炽灯
七、参考文献
[1] 陈有卿.新颖实用分立组件电子制作138例.人民邮电出
版社.2001
[2] 腾国仁.电子技能训练教程.煤炭工业出版社.2000
[3] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础(第四版).高等教育
出版社.2009
[4] 彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社.2001
[5] 康华光.电子技术基础(模拟部分).高等教育出版
社.1988
[6] 唐赣，聂典.Multisim 10原理图仿真与PowerPCB 5.0.1
印刷制电路板设计.电子工业出版社.2009。