调光器设计

一、实验项目：调光器设计
二、实验目的：
1.了解晶闸管和单结晶体管的结构、特性和工作原理。

2.掌握测试晶闸管和单结晶体管好坏方法（侧重用万用表）。

3.学会使用multism软件进行电路的设计与仿真验证。

4.掌握单结晶体管触发电路的原理。

三、实验要求：
1.从实验器件的封装外形认识晶闸管和单结晶体管。

2.从器件的型号认识晶闸管和单结晶体管。

3.从器件的符号认识晶体管和单结晶体管。

4．检测晶闸管和单结晶体管的管脚排列。

5.了解单结晶体管触发电路每个元器件的作用。

6.正确选择软件中元器件模型。

7.使用软件中的虚拟仪器进行电路分析。

8.通过调整元器件模型参数得到理想结果。

四、实验内容：
1.晶闸管的认知与识别
（1）晶闸管的结构
晶闸管是一种大功率PNPN四层半导体元件，具有三个PN结，引出三个极，阳极A、阴极K、门极G，图1所示为其符号：
图1
（2）晶闸管的主要参数
在实际使用过程中，我们往往要根据实际的工作条件选用合适的管子，以达到满意的技术经济效果。

选择管子是包括两个方面：一是要根据实际的
情况确定所需晶闸管的额定值，二是根据额定值确定晶闸管的型号。

●晶闸管的电压定额
1）断态重复峰值电压U DRM
规定门极断开，晶闸管处在额定结温时，允许重复加在管子上的正向峰值电压为晶闸管的断态重复峰值电压，用U DRM表示。

2）反向重复峰值电压U RRM
当门极断开，晶闸管处在额定结温时，允许重复加在管子上的反向重复峰值电压，用U RRM表示。

3）额定电压U Tn
将U DRM和U RRM中较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值。

在使用过程中，环境温度的变化，散热条件以及出现的各种过电压都会对晶闸管产生影响，因此在选择管子的时候，应当使晶闸管的额定电压是实际工作时可能承受的最大电压的2~3倍，即：
U Tn≥（2~3）U TM
●晶闸管的电流定额
额定电流I T（A V）
晶闸管额定电流的标定与其他电器设备不同，采用的是平均电流，而不是有效值，又称通态平均电流。

但是决定晶闸管的结温时是管子的发热效应，表征热效应的是电流的有效值，两者的关系为：
I Tn=1.57 I T(A V)
在实际选择晶闸管时，其额定电流的确定一般按以下规则：
管子在额定电流时电流的有效值大于其所在电路中可能流过的最大电流有效值，同时取1.5~2倍的余量。

即：1.57I T（A V）=I T≥(1.5~2)I Tm
●门极参数
1）门极触发电流IgT
室温下，在晶闸管的阳极——阴极加上6V的正向阳极电压，管子由通态转为通态所必需的最小门极电流，成为门极触发电流IgT。

2）门极触发电压UgT
产生门极触发电流IgT所必需的最小电压，称为门极触发电压UgT。

2.单结晶体管的认识与识别
（1）单结晶体管的结构
单结晶体管的原理结构如下图所示：
图2
图中e为发射机，b1为第一基极，b2为第二基极。

由图可知，在一块高电导率的N型硅片上引出两个基极b1和b2，两个基极之间的电阻就是硅片本身的电阻。

在两个基极靠近b1的地方用合金法或扩散法掺入P型杂质并引出电极，成为发射极e。

它是一种特殊的半导体器件，有三个电极，有一个PN结，因此成为“单
结晶体管”。

单结晶体管的等效电路如图2中（b）所示，两个基极之间的电阻r bb=r b1+r b2，在正常工作时，r b1是随发射极电流大小而变化，相当于一个可变电阻，PN结可等效为二极管VD，正向导通压降为0.7V。

（2）单结晶体管的张弛电路
利用单结晶体管的负载特性和电容放电，可以组成单结晶体管的张弛电路。

单结晶体管的张弛电路和波形图如图3所示：
图3
假设电容的初始电压为零，电路接通以后，单结晶体管是截止的，电源经电阻R、RP对电容C进行充电，电容电压从零开始按指数规律上升，充电时间常数为R E C；当电容两端电压达到单结晶体管的峰点电压U P时，单结晶体管导通，电容开始放电，由于回路电阻很小，放电过程很快，放电电流在电阻R4上产生了尖峰脉冲。

随着电容放电，电容电压降低，当电容电压降到谷点电压U V以下，单结晶体管截止，接着电源又重新对电容进行充电……
如此周而复始，在电容C两端会产生一个锯齿波，在电阻R4两端产生一个尖脉冲波，如图3——(b)所示。

3.触发电路的设计
要使晶闸管导通，除了加上正向的阳极电压外，还必须在门极和阴极之间加上适当的正向触发电压与电流。

为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路。

对于触发电路来说，首先触发信号应该有足够的触发功率，以保证晶闸管可靠导通，其次触发脉冲应该有一定的宽度，脉冲前沿要陡；最后触发脉冲必须与主电路晶闸管的阳极电压同步并根据电路要求在一定的范围内移相。

图4所示为单相可控整流调光电路的触发电路，其方式采用单结晶体管同步触发电路，其中单结晶体管型号为BT33，该触发电路由同步移相和脉冲移相两部分构成。

图4
（1）同步电路
触发信号和电源电压在频率和相位上的相互协调的关系叫同步，该电路的同步电路由变压器、桥式整流电路VD1~VD4，电阻R1及稳压管组成。

同步变压器一次侧与晶闸管整流电路接在同一相电源上，交流电压经同步变压器降压、单相桥式整流后再经过稳压管削波形成一梯形波电压，作为触发电路的供电电压。

梯形波电压零点与晶闸管阳极电压过零点一致。

从而实现触发电路与整流主电路的同步。

（2）脉冲移相与形成
脉冲移相与形成电路实际上就是单结晶体管的张弛震荡电路。

脉冲移相由电阻R E 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。

改变张弛震荡电路中的电容C的充电电阻的阻值，就可以改变充电时间常数，实际操作中通过改变电位器RP接入电路中阻值的大小来实现这一变化的。

4.晶闸管好坏的检测
晶闸管属于半导体材料，具有单向导电性，通过测量器各极之间的正反向电阻并于理论值相比较，便可以检测晶闸管的好坏。

测量中要使用万用表。

（1）使用数字万用表检测
将数字万用表调到二极管档，测量晶闸管的A、K两极间正反向电阻，正常时应均为无穷大，若测得其值较小或为零，则说明晶闸管内部击穿或漏电。

测量G、K两极间的正反向电阻，正常时正向电阻值较小，反向电阻值较大，若两侧测量的电阻值均很大或很小，则说明该晶闸管G、K之间开路或短路。

若正反向电阻相等或接近，则说明该晶闸管已经失效，其G、K间的PN结已经失去单向导电作用。

测量A、G之间的正反向电阻，正常时两个阻值均应为几百千欧或无穷大，若出现正反向电阻值不一样，则G、A之间反向串联的两个PN结中有一个已经击穿短路。

（2）使用模拟万用表检测
万用表选择电阻R×1Ω档，用红黑表笔分别测量任意两引脚间的正反向电阻值，直至找到读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑表笔的引脚为控制极G，红表笔的引脚
为阴极K，另一悬空的引脚为阳极A。

此时将黑表笔接阳极，红表笔仍接阴极K。

此
时万用表的指针应不动，用短线瞬间接A、G两极，此时万用表电阻档指针应向右偏
转，阻值读数为10Ω左右。

如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表指针发
生偏转，说明该单向可控硅已击穿。

5.用Multisim软件进行仿真验证
（1）打开软件，新建文件。

（2）设计电路原理图，连续完成后保存。

（3）点击仿真开关进行仿真，点开示波器，观察波形并进行分析。

（4）改变阻抗角后再进行上述仿真。

五、实验过程：
1.触发电路各元件的选择
（1）充电电阻R E的选择
改变充电电阻R E的大小，就可以改变张弛电路的振荡频率，但是频率的调节有一定的范围，如果充电电阻R E选择的不当，将使单结晶体管自激
振荡电路无法形成自激振荡。

充电电阻R E的取值范围为：
（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UP的影响，通常取值范围为
200~600Ω。

（3）输出电阻R4的选择
输出电阻R4的大小将影响输出脉冲的宽度与幅值，通常取值范围为
50~100Ω。

（4）电容C的选择
电容C的大小与脉冲宽度和RE的大小有关，通常取值范围为：0.1~1uF。

2.仿真电路图的设计过程
(1)用multism搭建的仿真电路，如下图5所示
图5
（2）各点的波形模拟分析
A点的波形：
模拟测量波形理论波形
分析：A点的波形为由VD1~VD4四个二极管构成的桥式整流电路的输出波形，上图分别为A点的理论波形与模拟测量的波形，可见，整流电路部分设计达到了要求。

B点波形：
模拟测量波形理论波形
分析：B点的波形是经稳压管削波后得到的波形，波形中水平的部分是整流电路输出值大于稳压管的稳压值，稳压管将幅值保持为其稳压值的结果。

上升或下降部分表示整流电路的输出小于稳压管的稳压值，稳压管不能实现稳压的功能。

C点波形：
模拟测量波形理论波形
分析：电容每半个周期在电源电压过零点时开始充电，当动容两端的电压上升到单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管导通，触发电路送出脉冲，电容的容量和充电电阻R E的大小决定了电容两端的电压从零上升到单结晶体管峰点电压的时间。

根据分析可得，本电路无法实现电源电压过零点时送出触发脉冲。

增大电位器的阻值，可以观察到，a的长度变长，即电容充电时间变长。

D点波形：
模拟测量波形理论波形
分析：单结晶体管导通后，电容通过单结晶体管的eb1迅速向输出电阻R4放电，在R4上得到很窄的尖峰脉冲，上图分别为模拟实测波形和理论波形。

可以
说明触发电路能够工作。

调节电位器RP的旋钮，脉冲的宽度会随之改变，
电阻阻值越大，脉冲宽度越大。

将触发电路的输出接到单相半控桥整流电路的门极端，测的得触发电路波形
和负载波形如下图所示：
增大电位器的大小，测的得触发电路波形和负载波形如下图所示：
分析：通过对比上面两个波形图可知，电位器电阻越大，电容的充电时间常数越大，触发电路产生的触发脉冲宽度也就越宽，单相半控桥整流电路的触发
角α越小，波形与时间轴围成的面积越大，输出电压的有效值就越大，负
载的功率也就越大。

换句话说，灯的亮度就越亮。

3.辨别晶闸管的好坏
前面已经说明了使用万用表检测晶闸管好坏的方法，分别通过测量A、K极之间的正反向电阻，G、K之间的正反向电阻，A、G之间的正反向电阻来综合判别一个晶闸管的好坏。

实验过程中测得的数据如下表所示：
4.实际电路搭建
（1）实际搭建的电路图
对比实际搭建的电路和仿真电路，可以得知，除触发输出与仿真的电路图有区别外，其余的均和仿真电路一致。

实际搭建的电路中加入了三极管，原因是：不加三极管时，触发脉冲的最大值为500mV左右，加入三极管的作用是放大电压，使其超过600mV，
以保证触发脉冲能够使晶闸管可靠地导通。

三极管相当于功率放大，以增大触发脉冲的带载能力。

（2）实际焊接的电路
（3）实际各个检测点波形的测量
A点波形（整流输出波形）：
B点波形（稳压输出波形）：
C点波形（电容器两端波形）：
D点波形（触发脉冲输出波形）：
结论：综合分析实际测得的各点波形，并与模拟波形和理论波形进行对比分析，可以得知，实际测得的波形准确无误，符合理论结果。

即所焊接的触发
电路是正确的。

E点波形（负载两端波形）：
调节电位器旋钮，脉冲的宽度会随之改变，灯泡的亮度也跟随着变化。

实际制作达到了实验设计的要求。

五、实验结果总结
1.实验过程中遇到的问题及解决办法
（1）仿真过程中测量负载两端波形时，实际测得的波形出现在负半轴，解决方法是：点击CH1 MENU →点击Invert on 即可是波形显示在正半轴上。

（2）用万用表辨别晶闸管好坏时，万用表显示示数不稳定，示数偏暗。

原因是万用表电池电量不足，解决方法是换电池。

（3）实验过程中，不知道G、K之间的哪一个方向为正，通过测量，从上面的数据记录表中可知，由第四个管子的数据可知，G →K的方向为正。

（4）实际电路焊接过程中，电路焊接无误，晶闸管输出端有输出信号但三极管输出没有信号。

解决方法是再取一个10k的电阻与R7并联。

（5）在实际焊完电路进行各点波形检测时，检测整流输出波形时其负半轴也有图线，原因是示波器选择了交流档测量，解决方式只需将测量档改为直流档便
可出现正确的波形。

2.思考题
（1）实际搭建电路过程中，R2电阻为什么选择功率电阻？
答：整流电路的输入电压有效值为48V，则整流电路输出部分的电压为
43.2V，稳压管两端的电压为18V，则电阻分得的电压为25.2V，则电
阻的而消耗功率为P=U2/R=0.31752W，消耗功率已经比较大，如果选
择普通的碳膜或金属膜电阻，会因产生的热量过多而将电阻膜烧坏，
为避免此故障发生，R2应选用功率功率电阻。

（2）为什么调节电位器的阻值就能改变灯的亮度？
答：电位器电阻越大，电容的充电时间常数越大，触发电路产生的触发脉冲宽度也就越宽，单相半控桥整流电路的触发角α越小，波形与时间轴围成的面积越大，
输出电压的有效值就越大，负载的功率也就越大，灯的亮度也就越亮。

从前面
的波形对比中我们可以得到这个结论。

（3）单结晶体管的输出端为什么要接上R1和R6串联构成的分压电路？
答：R1和R6串联分压电路使得从两电阻中间引出的电压是一定的，将其接到单结晶体管的b2极，使得晶闸管中等效二极管导通所需的电压是固定不变的，这样
就能够用来补偿温度对峰点电压U P的影响。

同时R4的大小将影响输出脉冲的
宽度与幅值，其取值一般在50~100Ω。

（4）实际的触发电路输出端为什么要加三极管放大电路？
答：从仿真可以得出，产生的触发脉冲可以使晶闸管门极打开，但由于触发电路的输出电流比较小，实际应用中有可能会出现能触发门极开启但维持时间极短的
情况。

对此要在触发电路的输出部分接三极管放大电路，使得输出电路的电压
保持不变，电流能有所提高，依据P=U×I可知，接上三极管放大电路后会使
触发电路的输出功率提高，从而保证门极的开启得到可靠维持。

（5）如何根据一个电路选取晶闸管？
答：晶闸管的选取应根据电路的要求留有一定的裕量，比如额定峰值电压和额定电流（通态平均电流）均应高于受控电路的最大工作电压和最大工作电流 1.5~2
倍。

晶闸管的正向压降、门极触发电流及触发电压等参数应符合应用电路（指
门极的控制电路）的各顶要求，不能偏高或偏低，否则会影响晶闸管的正常工
作。

（6）如何判别一个晶闸管的好坏？
答：除了前面写的用万用表检测的方法以外还有一种是：用一个几微法的电容在12V 的电池上面充电，然后在连接电源的晶闸管的阴极和控制极之间放电，放电后
晶闸管维持导通的是好的，否则是坏的。

放电需要注意极性控制极连接电容的
正极。

（7）设计触发电路时需要考虑晶闸管的哪些参数？
答：①门极触发电压UGT、门极触发电流IG T ②晶闸管的导通时间
晶闸管的触发电路除了使用单结晶体管的张弛震荡来设计之外，还可以利用单片机
进行设计，通过程序来控制触发脉冲的导通角，频率等，同样能够达到控制晶闸管
的目的。

六、收获与体会
1．了解了晶闸管和单结晶体管的结构、特性和工作原理以及符号的识别与认识。

2．学会了如何用万用表辨别晶闸管的好与坏。

3．掌握了单结晶体管触发电路的原理以及由其构成的张弛振荡电路的工作原理。

4．体验了使用multism软件进行电路设计与仿真验证的好处：节省时间与资金，高效快速，安全。

5．通过对波形的分析练习，锻炼了我思考问题、分析问题，以及解决问题的能力。

6．对于电路的设计阶段，使我懂得了要善于思考，善于举一反三，善于通过现有的各种资源解决所遇到的问题。

7．学会了辨别晶闸管、单结晶体管以及三极管的管脚。

8．学会了设计电路、认识电路、焊接电路的能力。

9．通过实践，养成了爱动手，对实际制作过程中遇到的问题能够认真思考，电路上电之前仔细认真检查的好习惯。

10．了解了调光灯电路的工作原理：通过改变导通角来改变触发脉冲的宽度，从而来控制晶闸管的导通角，使得从单相半控桥出来的电压的有效值随导通角变化，继而实现等亮度的控制。