晶閘管直流調(diào)光電路

PAGE鄭州科技學(xué)院《模擬電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)題目學(xué)生姓名專業(yè)班級學(xué)號院（系）指導(dǎo)教師完成時間目錄1課程設(shè)計(jì)的目的 12課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求 13設(shè)計(jì)方案與論證 23.1設(shè)計(jì)方案 23.2設(shè)計(jì)論證 34設(shè)計(jì)原理及功能說明 44.1設(shè)計(jì)原理 44.2工作原理圖當(dāng)中各個元器件的功能說明 55單元電路的設(shè)計(jì)及說明 65.1主電路的說明 65.1.1主電路核心器件的說明 65.1.2主電路的設(shè)計(jì)及分析 75.2驅(qū)動電路介紹說明 95.2.1驅(qū)動電路核心器件介紹 95.2.2驅(qū)動電路的組成及說明 136硬件的安裝與調(diào)試 156.1晶閘管調(diào)光電路的安裝 156.2晶閘管調(diào)光電路的調(diào)試 156.3晶閘管調(diào)光電路故障分析及處理 157總結(jié) 16參考文獻(xiàn) 17附錄1：總體電路原理圖 18附錄2：元件清單如下表： 19PAGE191課程設(shè)計(jì)的目的課程設(shè)計(jì)是課程的總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)先修課程的基本知識去解決某一實(shí)際問題的基本訓(xùn)練，加深對該課程知識的理解。在整個教學(xué)計(jì)劃中,它起著培養(yǎng)我們獨(dú)立工作能力的重要作用。通過本課程設(shè)計(jì),主要訓(xùn)練和培養(yǎng)我們的查閱資料，方案的選擇的能力。2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求1.課程設(shè)計(jì)的任務(wù)本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是利用晶閘管所受電壓的大小，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管的亮度，并且比較一些元器件實(shí)際輸出波形與理論波形的區(qū)別。同時，也讓我從實(shí)際動手當(dāng)中知道在制作過程中常見一些困難，及解決這些困難的方法。2.課程設(shè)計(jì)的要求本課程設(shè)計(jì)主要是對工作原理方面、制作工藝方面等方面作出要求具體如下所述（1）工作原理要求：對整流之后加在晶閘管兩端的電壓的大小進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，其驅(qū)動調(diào)節(jié)的工作要求如下：1）觸發(fā)信號要有足夠的功率。2）觸發(fā)信號波形應(yīng)有一定的寬度，脈沖前沿盡可能的陡，以使元件再觸發(fā)導(dǎo)通后陽極電流能迅速上升超過擎住電流而導(dǎo)通。3）為使晶閘管在每個周期都在相同的控制角觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，且脈沖與電源波形保持固定的相位關(guān)系。4）晶閘管的誤導(dǎo)通往往是由于干擾信號進(jìn)入門極電路而引起的，因此需要對觸發(fā)電路進(jìn)行屏蔽、隔離等抗干擾措施。防止干擾與誤觸發(fā)（2）制作工藝要求：1．注意元件布置要合理。2．焊接應(yīng)無虛焊、錯焊、漏焊，焊點(diǎn)應(yīng)圓滑無毛刺。3．焊接時應(yīng)重點(diǎn)注意二極管、穩(wěn)壓管、單結(jié)晶體管、晶閘管等元件的管腳。3設(shè)計(jì)方案與論證3.1設(shè)計(jì)方案本課程設(shè)計(jì)采用控制輸出電壓波形的面積的大小，來達(dá)到對LED調(diào)光的目的。其中有兩種方案可以應(yīng)用：第一種方案是在晶閘管的陽極串上一個滑動變阻器，調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值的大小來改變LED的亮度。第二種方案是在單結(jié)晶體管的發(fā)射極上串上一個滑動變阻器，調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值的大小就相當(dāng)于間接調(diào)節(jié)驅(qū)動信號相位角的大小，即改變輸出電壓的大小，從而調(diào)節(jié)了LED的亮度。本電路設(shè)計(jì)采用了第二種方案，本方案電路設(shè)計(jì)主要有主電路和驅(qū)動電路（單結(jié)晶體管觸發(fā)電路）兩部分電路組成，其中主電路是由變壓器、橋式整流電路、穩(wěn)壓電路、晶閘管、限流電阻等部分組成，驅(qū)動電路是由單結(jié)晶體管、電容，滑動變阻器、電阻等部分組成。具體設(shè)計(jì)如下3-1圖所示：主電路驅(qū)動電路主電路驅(qū)動電路圖3-1總體設(shè)計(jì)方案方框圖3.2設(shè)計(jì)論證本課程設(shè)計(jì)的論證介紹有以下幾個方面：1)主電路采用單個晶閘管的單相橋式可控整流電路，電路的負(fù)載是LED燈，它與晶閘管串聯(lián)。2)驅(qū)動電路（單結(jié)晶體管觸發(fā)電路）電源是由主電路橋式整流輸出，經(jīng)穩(wěn)壓管電路削波后得到的梯形波電壓。3)觸發(fā)脈沖形成過程：梯形波電壓經(jīng)電阻對電容C充電，當(dāng)C兩端電壓上升到單結(jié)晶體管峰點(diǎn)電壓Up時單結(jié)晶體管由截止變?yōu)閷?dǎo)通，此時，電容C就通過e—b1，電阻迅速放電，放電電流在電阻上產(chǎn)生一個尖頂脈沖，隨著C的放電，當(dāng)C兩端電壓降至單結(jié)晶體管谷點(diǎn)電壓Vr時，單結(jié)晶體管重新截止，電容C又重新充電，重復(fù)上述過程，在電阻兩端就輸出一組尖脈沖（在一個梯形波電壓周期內(nèi)，脈沖產(chǎn)生的個數(shù)是由電容C充放電的次數(shù)決定）。在周期性梯形波電壓的連續(xù)作用下上述過程反復(fù)進(jìn)行。4）脈沖的同步當(dāng)梯形波電壓過零時，電容C兩端電壓也降為零，因此電容C每次連續(xù)充放電的起始點(diǎn)也就是主電路電壓過零點(diǎn)，這樣就保證了輸出脈沖電壓的頻率和電源頻率同步。5)脈沖移相在一個梯形波電壓作用下，單結(jié)晶體管觸發(fā)電路產(chǎn)生的第一個脈沖就能使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，衙面的脈沖通常是無用的。由于晶閘管導(dǎo)通的時刻只取決于陽極電壓為正半周時，加到控制極第一個觸發(fā)脈沖的時刻，因此，電容C充放電過程越快，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻越早，晶閘管的導(dǎo)通角也就越大，整流輸出的平均電壓也就越高，反之，如電容C放電越慢，第一個脈沖出現(xiàn)的越遲，整流輸出的平均電壓也就越小。由此，只要改變滑動變阻器Rp的大小就可以改變電容C的充電速度，也就改變了第一個脈沖出現(xiàn)的時刻，這就起到了脈沖移相的目的。4設(shè)計(jì)原理及功能說明4.1設(shè)計(jì)原理本課程設(shè)計(jì)原理如下所述，電路接通交流220V電源，電源經(jīng)變壓器降為12V交流電，12V電源經(jīng)D1~D4整流后得到10.8V的直流電源供給負(fù)載和驅(qū)動電路，當(dāng)10.8V經(jīng)過穩(wěn)壓管是會產(chǎn)生一個梯形波，在這個梯形波電壓作用下，驅(qū)動電路（單結(jié)晶體管觸發(fā)電路）產(chǎn)生的第一個脈沖就能使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，衙面的脈沖通常是無用的。由于晶閘管導(dǎo)通的時刻只取決于陽極電壓為正半周時，加到控制極第一個觸發(fā)脈沖的時刻，因此，電容C充放電過程越快，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻越早，晶閘管的導(dǎo)通角也就越大，整流輸出的平均電壓也就越高，反之，如電容C放電越慢，第一個脈沖出現(xiàn)的越遲，整流輸出的平均電壓也就越小。由此，只要改變滑動變阻器Rp的大小就可以改變電容C的充電速度，也就改變了第一個脈沖出現(xiàn)的時刻，這就起到了脈沖移相的目的。工作原理圖4-1圖所示： 圖4-1工作原理圖4.2工作原理圖當(dāng)中各個元器件的功能說明D1-D4組成橋式整流提供直流電源R1—限流電阻R2—溫度補(bǔ)償電阻R3—形成并輸出脈沖R4—保護(hù)電阻Rp—移相控制，改變Rp大小就能改變電容C的充放電時間C—充、放電D8—控制電容的充、放電及脈沖形成D9—削波、穩(wěn)壓D7—保護(hù)單結(jié)晶體管，使前極對后極不產(chǎn)生影響5單元電路的設(shè)計(jì)及說明本電路設(shè)計(jì)有主電路和驅(qū)動電路兩部分組成，具體說5.1和5.2所述：5.1主電路的說明5.1.1主電路核心器件的說明1.晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如5-1圖所示，它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結(jié)構(gòu)。它有三個PN結(jié)（J1、J2、J3），從J1結(jié)構(gòu)的P1層引出陽極A，從N2層引出陰級K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件。5-1晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖5-1晶閘管結(jié)構(gòu)2.晶閘管的工作原理可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成，其等效圖解如5-2圖所示：圖5-2等效電路圖當(dāng)陽極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流Ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流Ic2=β2Ib2。因?yàn)锽G2的集電極直接與BG1的基極相連，所以Ib1=Ic2。此時，電流Ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流Ic1=β1Ib1=β1β2Ib2。這個電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使Ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔?，所以一旦可控硅?dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。5.1.2主電路的設(shè)計(jì)及分析本電路設(shè)計(jì)的主電路主要是由變壓器、橋式整流電路、穩(wěn)壓管、晶閘管、LED燈等組成。具體如5-3所示：圖5-3主電路整流電路是由四個普通型二極管組成。由整理橋可得波形如下5-4圖（左為實(shí)際波形，右為理論波形）所示：圖5-4整流波形該波形同時也是控制角等于0時輸出電壓波形，整流后得到電壓為U=0.9*U2=0.9*12=10.8V穩(wěn)壓電路是由一個12V的穩(wěn)壓二極管獨(dú)立構(gòu)成。由穩(wěn)壓電路可得波形如5-5圖（左為實(shí)際波形，右為理論波形）所示：圖5-5穩(wěn)壓波形5.2驅(qū)動電路介紹說明5.2.1驅(qū)動電路核心器件介紹1．單結(jié)管結(jié)構(gòu)單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-6（a）所示。在一塊高電阻率的N型硅半導(dǎo)體基片上引出兩個電極：第一基極b1與第二基極b2。這兩個基極之間的電阻Rbb即是基片的電阻，約2～12kΩ。在兩基極之間，靠近b2極處設(shè)法摻入P型雜質(zhì)鋁，引出電極稱為發(fā)射極e。所以，它是一種特殊的半導(dǎo)體器件，有三個引出端，只有一個PN結(jié)，故稱單結(jié)晶體管，又稱雙基極二極管。其等效電路、符號與管腳如圖5-6（b）、（c）、（d）所示，Rb1、Rb2分別為e極與b1、b2之間的基片電阻。圖5-6單結(jié)管的結(jié)構(gòu)與符號2．單結(jié)管的特性和工作原理將單結(jié)管接成下圖所示電路，稱Ubb為基極電壓，Ue隨發(fā)射極電流變化，稱為發(fā)射極電壓。（1）當(dāng)S1斷開，S2閉合時，外加基極電壓Ubb由Rb1和Rb2分壓，則管子A點(diǎn)對b1點(diǎn)之間的電壓UA為式中η為單結(jié)管分壓比，由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，通常在0.3～0.9之間。圖5-7單結(jié)管試驗(yàn)電路(2)當(dāng)Ubb斷開，Ibb=0，閉合S1加上Ue時，二極管VD與Rb1組成串聯(lián)電路。發(fā)射極電壓與電流的伏安特性如圖5-7中最下邊一條曲線所示，與二極管正向特性接近。

(3)若管子加上一定的基極電壓Ubb(10V),Ue從零開始增大，當(dāng)Ue<UA=ηUbb時，二極管VD反偏，只有很小的反向漏電流，Ie為負(fù)值。當(dāng)Ue增大到與UA相等時，二極管VD零偏，Ie=0，對應(yīng)于圖5-8中曲線①上b點(diǎn)。當(dāng)Ue再增大，Ue<UA+UD（UD為二極管VD的導(dǎo)通壓降），通常為0.7V時,二極管VD開始正偏,但還未充分導(dǎo)通，大于零，不過數(shù)值很小。當(dāng)Ue繼續(xù)增大，達(dá)到UP值（UP=ηUbb+UD）時，則二極管VD充分導(dǎo)通,Ie顯著增大。由于發(fā)射極P區(qū)的空穴不斷注入N區(qū)，使N區(qū)Rb1段中的載流子大量增加，阻值迅速減小。Rb1阻值的減小導(dǎo)致UA值降低，使Ie進(jìn)一步增大，而Ie的增大又進(jìn)一步使Rb1阻值減小，因此，在元件內(nèi)部形成一個強(qiáng)烈的正反饋過程。當(dāng)Rb1阻值的減小超過Ie的增大時，從元件e、b1極看進(jìn)去，出現(xiàn)一個與常規(guī)相反的現(xiàn)象：Ue隨Ie的增大而減小，即動態(tài)電阻為負(fù)值。這就是單結(jié)晶體管所特有的負(fù)阻特性。在曲線上對應(yīng)P、V兩點(diǎn)之間的一段，稱負(fù)阻區(qū)。P點(diǎn)電壓稱峰點(diǎn)電壓UP，V點(diǎn)電壓稱谷點(diǎn)電壓UV。當(dāng)Ue>UP后，單結(jié)晶體管從截止區(qū)迅速經(jīng)過負(fù)阻區(qū)到達(dá)谷點(diǎn)V，在負(fù)阻區(qū)不能停留。當(dāng)Ie再繼續(xù)增大，空穴注入N區(qū)增大到一定程度時，部分空穴來不及與基區(qū)電子復(fù)合而出現(xiàn)空穴剩余，使空穴繼續(xù)注入遇到阻力，相當(dāng)于Rb1變大。因此在谷點(diǎn)V之后，元件又恢復(fù)正阻特性，Ue隨Ie的增大而緩慢增大，工作由負(fù)阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)。顯然，UV是維持管子導(dǎo)通時的最小發(fā)射極電壓，一旦出現(xiàn)Ue<UV時，管子將重新截止。當(dāng)Ubb改變時，UP也隨之改變，由此可以得到一組伏安特性。在觸發(fā)電路里，通常選用分壓比η較大、谷點(diǎn)電壓UV小一些以及IV大的管子，這樣可使輸出脈沖幅值大，調(diào)節(jié)電阻范圍寬。圖5-8單結(jié)晶體管的伏安特性曲線5.2.2驅(qū)動電路的組成及說明該驅(qū)動電路有單結(jié)晶體管自激振蕩電路、單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路等兩部分組成。1.單結(jié)晶體管自激振蕩電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性與RC電路的充放電特性可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖，其電路如圖5-9（a）所示。當(dāng)加上直流電壓U后，一路經(jīng)R2、R1在單結(jié)晶體管兩個基極之間按分壓比η分壓；另一路經(jīng)Re對電容C充電。發(fā)射極電壓Ue為電容兩端電壓UC，按指數(shù)曲線漸漸上升，如圖5-9（b）所示。當(dāng)UC<Up時，管子e、b1之間處于截止?fàn)顟B(tài)。隨著UC（Ue）值的增大，電容電壓UC充到剛開始大于Up的瞬間，管子e、b1間的電阻突然變?。ń禐?0Ω左右）而開始導(dǎo)通，電容上的電荷通過e、b1迅速向電阻R1放電。由于放電回路電阻很小，放電時間很短，因此在R1上得到很窄的尖脈沖。當(dāng)UC（Ue）小于谷點(diǎn)電壓UV時，管子從導(dǎo)通又轉(zhuǎn)為截止，電容C又開始充電，電路不斷振蕩，在電容上形成鋸齒波電壓，在R1上輸出前沿很陡的尖脈沖。振蕩頻率為： 改變Re可方便地改變振蕩頻率，波形如圖5-9（b）所示。2.單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路觸發(fā)電路送出的觸發(fā)脈沖必須與晶閘管陽極電壓同步，保證管子在陽極電壓的每個正半周內(nèi)以相同的控制角α觸發(fā)，從而獲得穩(wěn)定的直流電壓。圖5-9（a）為單相半控橋式單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路。同步變壓器一次側(cè)與晶閘管整流橋路接在同一交流電源上，同步變壓器二次側(cè)正弦交流電壓經(jīng)橋式整流與穩(wěn)壓管削波，得到梯形波電壓Uv，它與晶閘管陽極電壓過零點(diǎn)一致，作為觸發(fā)電路的電源，波形如圖5-9（b）所示。因此，每當(dāng)電源波形半周過零時，Uv=Ubb=0，單結(jié)晶體管A點(diǎn)電壓Ua=0，可使電容上的電荷很快放掉。在下一半周開始時，基本上從零開始充電，這樣才能保證每周期觸發(fā)電路送出第一個脈沖距離過零點(diǎn)的時刻(即α)一致，起到同步作用。為了保證脈沖電壓的正確產(chǎn)生，需要合理地選擇電路參數(shù)。其中，滿足振蕩條件的關(guān)鍵是充電電阻Re的取值。由Re決定的負(fù)載線應(yīng)該與單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性相交，即Re的取值應(yīng)滿足：圖5-9單結(jié)晶體管振蕩電路與輸出波形6硬件的安裝與調(diào)試6.1晶閘管調(diào)光電路的安裝（1）元件布置圖和布線圖。根據(jù)附錄1所示電路畫出元件布置圖和布線圖。（2）元器件選擇與測試。根據(jù)附錄1所示電路圖選擇元器件并進(jìn)行測量，重點(diǎn)對二極管、晶閘管、穩(wěn)壓管、單結(jié)晶體管等元器件的性能、管腳進(jìn)行測試和區(qū)分。（3）焊接前準(zhǔn)備工作。將元器件按布置圖在電路底板焊接位置上做引線成形。彎腳時，切忌從元件根部直接彎曲，應(yīng)將根部留有5～10mm長度以免斷裂。引線端在去除氧化層后涂上助焊劑，上錫備用。（4）元器件焊接安裝。根據(jù)電路布置圖和布線圖將元器件進(jìn)行焊接安裝。6.2晶閘管調(diào)光電路的調(diào)試（1）通電前的檢查。對已焊接安裝完畢的電路根據(jù)附錄1所示電路進(jìn)行詳細(xì)檢查。重點(diǎn)檢查二極管、穩(wěn)壓管、單結(jié)晶體管、晶閘管等元件的管腳是否正確。輸入、輸出端有無短路現(xiàn)象。（2）通電調(diào)試。晶閘管調(diào)光電路