电力电子技术调光灯控制电路

《电力电子技术》

课题一 调光灯

【学习目标】：

完成本课题的学习后，能够：

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。

【课题描述】：调光灯在日常生活中的应用非常广泛，其种类也很多。图1-1（a ）是常见的调光台灯。旋动调光旋钮便可以调节灯泡的亮度。图1-1（b ）为电路原理图。

（a ） (b)

图1-1 调光灯

（a ）调光灯 （b ）调光灯电路原理图

如图1—1(b)所示，调光灯电路由主电路和触发电路两部分构成，通过对主电路及触发电路的分析使学生能够理解电路的工作原理，进而掌握分析电路的方法。下面具体分析与该

调光

旋钮 晶闸管

同步变压器

调光电位器

触发电路

主电路

电路有关的知识：晶闸管、单相半波可控整流电路、单结晶体管触发电路等容。

【相关知识点】： 一、晶闸管的工作原理 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（控制极）G ，其外形及符号如图1—2所示，各管脚名称（阳极A 、阴极K 、具有控制作用的门极G ）标于图中。图1—2（b ）所示为晶闸管的图形符号及文字符号。

（a)

（b)

图1-2 晶

闸管的外形及符

号

（a ）部分晶闸管外形 （b ）电气图形符号及文字符号

晶闸管的部结构和等效电路如图1-3所示

（a ）

(b)

图1-3 晶闸管的部结构及等效电路

（a ）部结构 （b ）以三个PN 结等效

2．晶闸管的工作原理

为了说明晶闸管的工作原理，先做一个实验，实验电路如图1-4所示。阳极电源E a 连

小电流塑封式

小电流

塑封式

小电流螺旋式

阴极（K ）

阴极（K ）

阳极（A ）

阳极（A ）

门极（G ）

门极（G ）

接负载（白炽灯）接到晶闸管的阳极A与阴极K，组成晶闸管的主电路。流过晶闸管阳极的电流称阳极电流I a，晶闸管阳极和阴极两端电压，称阳极电压U a。门极电源E g连接晶闸管的门极G与阴极K，组成控制电路亦称触发电路。流过门极的电流称门极电流I g，门极与阴极之间的电压称门极电压U g。用灯泡来观察晶闸管的通断情况。该实验分九个步骤进行。

图1－4 晶闸管导通关断条件实验电路

第一步：按图1-4（a）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间不加电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。

第二步：按图1-4（b）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间加反向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。

第三步：按图1-4（c）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间加正向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。

第四步：按图1-4（d）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间不加电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。

第五步：按图1-4（e）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间加反向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。

第六步：按图1-4（f）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间也加正向电压，指示灯亮，晶闸管导通。

第七步：按图1-4（g）接线，去掉触发电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。

第八步：按图1-4（h）接线，门极和阴极之间加反向电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。

第九步：按图1-4（i）接线，去掉触发电压，将电位器阻值加大，晶闸管阳极电流减小，当电流减小到一定值时，指示灯熄灭，晶闸管关断。

实验现象与结论列于表1-1。

表1-1 晶闸管导通和关断实验

（1）当晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极是否有正向触发电压或者承受反向电压，晶闸管不导通，只有很小的的反向漏电流流过管子，这种状态称为反向阻断状态。说明晶闸管像整流二极管一样，具有单向导电性。

（2）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上反向电压或者不加电压，晶闸管不导通，这种状态称为正向阻断状态。这是二极管所不具备的。

（3）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上正向触发电压，晶闸管导通，这种状态称为正向导通状态。这就是晶闸管闸流特性，即可控特性。

（4）晶闸管一旦导通后维持阳极电压不变，将触发电压撤除管子依然处于导通状态。即门极对管子不再具有控制作用。

结论：

1）晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正向电压。

2）关断条件：流过晶闸管的电流小于维持电流。

3．晶闸管的导通关断原理

由晶闸管的部结构可知，它是四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）结构，有三个PN结，即J1、J2、J3。因此可用三个串联的二极管等效（如图1－3）。当阳极A和阴极K两端加正向电压时，J2处于反偏，P1N1P2N2结构处于阻断状态，只能通过很小的正向漏电流，当阳极A和阴极K两端加反向电压时，J1和J3处于反偏，P1N1P2N2结构也处于阻断状态，只能通过很小的反向漏电流，所以晶闸管具有正反向阻断特性。

晶闸管的P1N1P2N2结构又可以等效为两个互补连接的晶体管（如图1－5所示）。晶闸

管的导通关断原理可以通过等效电路来分析。

（a） (b)

图1－5 晶闸管工作原理的等效电路

（a）以互补三极管等效（b）晶闸

管工作原理等效电路

当晶闸管加上正向阳极电压，门极也加上足够的

门极电压时，则有电流I G从门极流入N1P2N2管的基

极，经N1P2N2管放大后的集电极电流I C2又是P1N1P2

管的基极电流，再经P1N1P2管的放大，其集电极电流I C1又流人N1P2N2管的基极，如此循环，产生强烈的正反馈过程，使两个晶体管快速饱和导通，从而使晶闸管由阻断迅速地变为导通。导通后晶闸管两端的压降一般为1．5 V左右，流过晶闸管的电流将取决于外加电源电压和主回路的阻抗。

晶闸管一旦导通后，即使I G=0，但因I C1的电流在部直接流入N1P2N2管的基极，晶闸管仍将继续保持导通状态。若要晶闸管关断，只有降低阳极电压到零或对晶闸管加上反向阳极电压，使I C1的电流减少至N1P2N2管接近截止状态，即流过晶闸管的阳极电流小于维持电流，晶闸管方可恢复阻断状态。

二、晶闸管特性与主要参数

1．晶闸管的阳极伏安特性

晶闸管的阳极与阴极间电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图1-6所示。