課題一調(diào)光燈

1、課題一調(diào)光燈第1頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1. 用萬用表測試晶閘管和單結(jié)晶體管的好壞2. 掌握晶閘管的工作原理3. 分析單相半波整流電路的工作原理4. 分析單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的工作原理5. 熟悉觸發(fā)電路與主電路電壓同步的基本概念第2頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三二、課題描述 調(diào)光燈及電路原理圖第3頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三1.主電路：晶閘管和單相半波可控整流電路2.觸發(fā)電路：單結(jié)晶體管和單結(jié)晶體管觸發(fā)電路調(diào)光燈構(gòu)成：第4頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三三、相關(guān)知識點(diǎn)1.晶閘

2、管的工作原理2.晶閘管的特性及主要參數(shù)3.單相半波可控整流電路4.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路第5頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三1.晶閘管工作原理1.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)1.2 晶閘管的工作原理1.3 晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷原理第6頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三1.晶閘管工作原理1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管（Thyristo

3、r）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）第7頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 管芯和散熱器外形 ：1）塑封形：額定電流10A以下 2）螺栓形：散熱效果差，用于200以下容量的元件 3）平板形：散熱效果較好，可用于200以上的元件 第8頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)第9頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三第10頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 四層

4、(P-N-P-N) 三端(A、G、K)a） 芯片原理結(jié)構(gòu) b）以三個(gè)PN結(jié)等效 c）符號圖1-3 晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路第11頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三1.2 工作原理 實(shí)驗(yàn)（九步）第12頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三第13頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三第14頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三實(shí)驗(yàn)說明：1）晶閘管有反向阻斷能力，與整流二極管一樣具有單相導(dǎo)電性；2）晶閘管有正向阻斷能力，二極管不具備；3）正向?qū)顟B(tài)可控特性 ；4）晶閘管導(dǎo)通后，門極不起控制作用。特點(diǎn)：可控單向?qū)щ娦缘?5頁

5、，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三結(jié)論：晶閘管導(dǎo)通條件：陽極加正向電壓、門極加適當(dāng)正向電壓。 注意：陽極加正向電壓是指陽極電位高于陰極電位，陽極電位可以是正也可以是負(fù)。門極正向電壓是指門極電位高于陰極電位。晶閘管關(guān)斷條件：流過晶閘管的電流小于維持電流。 關(guān)斷方法：去掉陽極電壓；或給陽極加反壓第16頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三1.3晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷原理圖1-5 晶閘管的工作原理第17頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三2. 晶閘管特性與主要參數(shù)2.1 晶閘管的陽極伏安特性2.2 晶閘管的主要參數(shù)第18頁，共72頁，2022年，5

6、月20日，8點(diǎn)18分，星期三2.1 晶閘管的陽極基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第19頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

7、晶閘管的伏安特性IG2IG1IG（2）反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第20頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。1000以下（100一個(gè)等級），1000至3000（200一個(gè)等級 ）選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。 UTn =（23）UTM 使用注意：2.2 晶閘管的主要參數(shù)反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)

8、溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。額定電壓UTn 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。1）電壓定額第21頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三額定電流 IT(AV）在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。2）電流定額平均電流表示，不是有效值第22頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三圖1-9 晶閘管流過正弦半波電流波形 正弦半波電流的有效值為：式中Kf波形系數(shù)：選擇元件：有效電流整流輸出：平均電流選

9、擇器件時(shí)：從平均電流找出相應(yīng)波形的有效電流保證不過熱它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為：第23頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。第24頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三3）門極參數(shù)門極觸發(fā)電流IGD門極觸發(fā)電壓UGD 第25頁，共72頁，2022年，5月20

10、日，8點(diǎn)18分，星期三斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。4）動態(tài)參數(shù)第26頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三5）晶閘管的型號普通晶閘管的型號及含義：第27頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三第28頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三第29頁，共72頁，2

11、022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三整流電路的分類：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路和雙拍電路。整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?。?0頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三3. 單相半波可控整流電路3.1 電阻性負(fù)載3.2 電感性負(fù)載第31頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 單相半波可控整流電路及波形3.1 帶電阻負(fù)載的工作情況變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比

12、，兩者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00第32頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三幾個(gè)重要的基本概念：控制角a ：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到觸發(fā)脈沖出現(xiàn)之間的電角度, 也稱觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)處于導(dǎo)通的電角度。移向：指改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，即改變控制角的大小移相范圍：輸出電壓Ud從最大值降到最小值時(shí)對應(yīng)的a角的取值范圍。第33頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三（1）工作原理 時(shí)的波形分析圖1-8 時(shí)輸出電壓和晶閘管兩端電壓的理論波形（a）輸

13、出電壓波形 （b）晶閘管兩端電壓波形第34頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 時(shí)的波形分析第35頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 時(shí)的波形分析第36頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 時(shí)的波形分析第37頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 時(shí)的波形分析第38頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三總結(jié)：相位控制方式：通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式導(dǎo)通角與移向角關(guān)系：移向范圍0o-180o第39頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，

14、星期三（2）基本數(shù)量關(guān)系 1) 直流輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id直流輸出電壓平均值Ud:輸出電流平均值Id:第40頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三2) 輸出電壓有效值U與輸出電流有效值I輸出電壓有效值U:輸出電流有效值I:第41頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三3) 晶閘管電流有效值和管子兩端可能承受的最大電壓單相半波可控整流器中，負(fù)載、晶閘管和變壓器二次側(cè)流過相同的電流，故其有效值相等，即：第42頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三4) 功率因數(shù)cos整流器功率因數(shù)是變壓器二次側(cè)有功功率與視在功率的比值 式中 P變壓

15、器二次側(cè)有功功率，P=UI=I2R S變壓器二次側(cè)視在功率，S=U2I2第43頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三例1-3 單相半波可控整流器，電阻性負(fù)載，電源電壓U2為220V，要求的直流輸出電壓為50 V，直流輸出平均電流為20A 試計(jì)算： (1) 晶閘管的控制角。 (2) 輸出電流有效值。 (3) 電路功率因數(shù)。 (4) 晶閘管的額定電壓和額定電流。第44頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 解 (1) 則=90 (2) 當(dāng)=90時(shí)，輸出電流有效值 (3) 第45頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三(4) 晶閘管電流有效值IT

16、與輸出電流有效值相等，即：則 取2倍安全裕量，晶閘管的額定電流為：（5）晶閘管承受的最高電壓：考慮(23)倍安全裕量，晶閘管的額定電壓為 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以選取滿足要求的晶閘管。 第46頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三3.2 帶阻感負(fù)載的工作情況阻感負(fù)載的特點(diǎn)：電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。第47頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 圖1-18 帶阻感負(fù)載的 單相半波電路及其波形wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+（1）無續(xù)流二極管時(shí)1）在0期間： 阻斷，uo=0；uT=u

17、22）在時(shí)刻：導(dǎo)通，ud=u2；uT=03）在時(shí)刻：u20，導(dǎo)通ud=u2；uT=0a)第48頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三結(jié)論：無論如何調(diào)控制角，Ud總是很小，無實(shí)用價(jià)值第49頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三（2）接續(xù)流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDR 圖1-20 單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形 0： u20 VT在時(shí)刻導(dǎo)通， ud=u2，uT=0； VD關(guān)斷。2：u20 VT關(guān)斷，ud=uVD=0；uT=u2 VD續(xù)流導(dǎo)通。在晶閘管關(guān)斷時(shí)

18、，該管能為負(fù)載提供續(xù)流回路，故稱續(xù)流二極管作用：使負(fù)載不出現(xiàn)負(fù)電壓a)第50頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三結(jié)論：電阻負(fù)載加續(xù)流二極管后，輸出電壓波形與電阻性負(fù)載波形相同，可見續(xù)流二極管的作用是為了提高輸出電壓。負(fù)載電流波形連續(xù)且近似為一條直線，如果電感無窮大，則負(fù)載電流為一直線。流過晶閘管和續(xù)流二極管的電流波形是矩形波。第51頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三基本的物理量計(jì)算輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id。流過晶閘管電流的平均值IdT和有效值IT流過續(xù)流二極管電流的平均值IdD和有效值ID晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓。晶閘管和續(xù)

19、流二極管承受的最大正反向電壓都為電源電壓的峰值，即：第52頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三4.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路4.1 單結(jié)晶體管4.2 單結(jié)晶體管張馳振蕩電路4.3 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路第53頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三4.1單結(jié)晶體管（1）結(jié)構(gòu)圖1-22 單結(jié)晶體管（a）結(jié)構(gòu) （b）等效電路 （c）圖形符號 （d）外形管腳排列第54頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三實(shí)物圖：發(fā)射極e第一基極b1第二基極b2第55頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三（2）單結(jié)晶體管的伏安特性圖124 單結(jié)晶體管伏安特性

20、（a）單結(jié)晶體管實(shí)驗(yàn)電路 （b）單結(jié)晶體管伏安特性 （c）特性曲線族第56頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三（1）截止區(qū)：當(dāng)Ve Vbb時(shí)，管子截止（2）負(fù)阻區(qū)：當(dāng)Ve Vbb+VD ，PN結(jié)正向?qū)?，Ie顯著增加，rb1阻值迅速減小，Ve相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負(fù)阻特性。 P稱為峰點(diǎn)管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界（峰點(diǎn)電壓Vp和峰點(diǎn)電流Ip）顯然Vp=Vbb+VD V稱為谷點(diǎn)隨著發(fā)射極電流ie不斷上升，Ve不斷下降，降到V點(diǎn)后，Ve不在降了（谷點(diǎn)電壓Vv和谷點(diǎn)電流Iv）。 （3）飽和區(qū)：過了V點(diǎn)后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài)，

21、所以uc繼續(xù)增加時(shí)，ie便緩慢地上升，顯然Vv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓， 如果VeVv，管子重新截止。第57頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三4.2單結(jié)晶體管張馳振蕩電路圖125 單結(jié)晶體管張馳振蕩電路電路圖和波形圖（a）電路圖 （b）波形圖第58頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三（1）C充電：隨時(shí)間增長uC逐漸增大到uC=UP后，管子進(jìn)入負(fù)阻區(qū)（2）C放電：輸入端等效電阻急劇減小，使C通過發(fā)射結(jié)和R1迅速放電，IE隨之迅速減小，當(dāng)uC=Uv后管子截止；電容又開始充電。（3）上述過程循環(huán)往返，只有當(dāng)斷電時(shí)才會停止，因而產(chǎn)生振蕩。 由于充電

22、時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于放電時(shí)間常數(shù)，當(dāng)穩(wěn)定振蕩時(shí)，電容上電壓的波形所示。第59頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三4.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 （1）同步電路 1）什么是同步 觸發(fā)信號和電源電壓在頻率和相位上相互協(xié)調(diào)的關(guān)系叫同步。 2）同步電路組成 3）波形分析第60頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 橋式整流后脈動電壓的波形(A點(diǎn)) （a） （b）圖126 橋式整流后電壓波形（a）實(shí)測波形 （b）理論波形第61頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 削波后梯形波電壓波形（B點(diǎn)） （a） （b）圖1-27 削波后電壓波形（a）實(shí)測波形 （b）理論

23、波形第62頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三（2）脈沖移相與形成 1）電路組成 脈沖移相：由電阻RE和電容C組成， 脈沖形成：由單結(jié)晶體管、溫補(bǔ)電阻R3、輸出電阻R4組成。 RPC出現(xiàn)第一個(gè)脈沖的時(shí)間后移Ud 2）波形分析第63頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 電容電壓的波形（C點(diǎn)） 半個(gè)周期（a） （b）圖1-28 電容兩端電壓波形（a）實(shí)測波形 （b）理論波形第64頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三圖129 改變RP后電容兩端電壓波形第65頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三 輸出脈沖的波形（D點(diǎn)） 圖

24、130 輸出波形（a）實(shí)測波形 （b）理論波形 （a）（b）第66頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三圖1-31調(diào)節(jié)RP后輸出波形第67頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三（3）觸發(fā)電路各元件的選擇1）充電電阻的選擇2）電阻R3的選擇 電阻R3是用來補(bǔ)償溫度對峰點(diǎn)電壓的影響，通常取值范圍為：200600。3）輸出電阻R4的選擇 輸出電阻R4的大小將影響將影響輸出脈沖的寬度與幅值，通常取值范圍為：50100。4）電容C的選擇 電容C的大小與脈沖寬窄和的大小有關(guān)，通常取值范圍為：0.11。第68頁，共72頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)18分，星期三一、主要概念提示及難點(diǎn)釋疑 1晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷條件 2晶閘管主要參數(shù)及選型 1）額定電壓：2）額定電流 3單相半波可控整流電路工作原理及參數(shù)計(jì)算 1）幾個(gè)名詞術(shù)語和概念 2）分析工作原理、繪制輸出電壓ud波形時(shí)要抓住晶閘管什么時(shí)候?qū)?、什么時(shí)候關(guān)斷這個(gè)關(guān)鍵。 3）電感性負(fù)載時(shí)，理解輸出負(fù)電壓的原因。關(guān)鍵是理解電感儲存、釋放能量的性質(zhì)。 4）參數(shù)計(jì)算時(shí)要根據(jù)輸出波形，應(yīng)用電工基礎(chǔ)中平均值、有效值的概念來推導(dǎo)計(jì)