《电力电子技术》课题一调光灯

《电力电子技术》电子教案课题一调光灯【学习目标】：完成本课题的学习后，能够用万用表测试晶闸管和单结晶体管的好坏。掌握晶闸管工作原理。分析单相半波整流电路的工作原理。分析单结晶体管触发电路的工作原理。掌握触发电路与主电路电压同步的基本概念。课题一调光灯【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。下图为常见的调光台灯课题一调光灯调光台灯电路原理图【相关知识点】一、晶闸管的工作原理1．晶闸管的结构晶闸管引出三个极，阳极A、阴极K、门极（控制极）G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）1．晶闸管的结构晶闸管的符号1．晶闸管的结构晶闸管的内部结构晶闸管等效电路2．工作原理实验电路2．工作原理实验步骤:第一步：按图（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（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（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（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。2．工作原理第五步：按图（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（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（g）接线，去掉触发电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。第八步：按图（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（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。2．工作原理实验现象与结论实验顺序实验前灯的情况实验时晶闸管条件实验后灯的情况结论阳极电压Ua门极电压Ug导通实验1暗反向反向暗晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何电压，它都处于关断状态2暗反向零暗3暗反向正向暗1暗正向反向暗晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压作用下，才能导通2暗正向零暗3暗正向正向亮关断实验1亮正向正向亮已导通的晶闸管在正向阳极作用下，门极失去控制作用2亮正向零亮3亮正向反向亮4亮正向（逐渐减小到接近于零）任意暗晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，晶闸管关断2．工作原理晶闸管关断实验说明：（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。2．工作原理结论：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。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。晶闸管阳极伏安特性2．晶闸管的主要参数（1）晶闸管的电压定额1）断态重复峰值电压UDRM规定，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正向峰值电压为晶闸管的断态重复峰值电压，用UDRM表示。2）反向重复峰值电压URRM规定当门极断开，晶闸管处在额定结温时，允许重复加在管子上的反向峰值电压为反向重复峰值电压，用URRM表示。2．晶闸管的主要参数3）额定电压将UDRM和URRM中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值。通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级，1000V到3000V，每200V为一级，用百位数或千位和百位数表示级数。选择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：（～）TnUTMU（～）（2～3）2．晶闸管的主要参数4）通态平均电压UT（AV）在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以额定电流时，阳极和阴极间电压降的平均值，称通态平均电压（一般称管压降），约为1.5V。2．晶闸管的主要参数（2）、晶闸管的电流定额1）额定电流:通态平均电流是指在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值，称为晶闸管的额定电流。晶闸管的电流的有效值与额定值的的关系为：例如额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。T(AV)Tn57.1II2．晶闸管的主要参数选择晶闸管额定电流的原则：管子在额定电流时的电流有效值大于其所在电路中可能流过的最大电流的有效值，同时取倍的余量，即：TmTT(AV))2~5.1(57.1III57.1)2~5.1(TmT(AV)II例题例1-1一晶闸管接在220V交流电路中，通过晶闸管电流的有效值为50A，问如何选择晶闸管的额定电压和额定电流？例题解：晶闸管额定电压（2～3）=（2~3）×220V=622~933V按晶闸管参数系列取800V，即8级。晶闸管的额定电流=（1.5~2）×=48~64A按晶闸管参数系列取50A。TnUMTU257.1)2~5.1(TmT(AV)IIA57.1502．晶闸管的主要参数2）维持电流IH在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降到刚好能保持导通的最小阳极电流称为维持电流IH。3）擎住电流IL在晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就去除触发电压，此时要保持元件持续导通所需要的最小阳极电流，称擎住电流IL。4）断态重复峰值电流IDRM和反向重复峰值电流IRRMIDRM和IRRM分别是对应于晶闸管承受断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM时的峰值电流。5）浪涌电流ITSMITSM是一种由于电路异常情况（如故障）引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。2．晶闸管的主要参数（3）门极参数1）门极触发电流室温下，在晶闸管的阳极—阴极加上6V的正向阳极电压，管子由断态转为通态所必需的最小门极电流，称为门极触发电流。2）门极触发电压门极触发电压产生门极触发电流所必需的最小门极电压，称为门极触发电压。2．晶闸管的主要参数（4）动态参数1）断态电压临界上升率du/dtdu/dt是在额定结温和门极开路的情况下，不导致从断态到通态转换的最大阳极电压上升率。。2）通态电流临界上升率di/dtdi/dt是在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。2．晶闸管的主要参数（5）晶闸管的型号根据国家的有关规定，普通晶闸管的型号及含义如下：例题例1－2：根据调节灯电路中的参数，确定本课题中晶闸管的型号?例题解：第一步：单相半波可控整流调光电路晶闸管可能承受得的最大电压第二步：考虑2～3倍的余量（2～3）（2～3）第三步：确定所需晶闸管的额定电压等级因为电路无储能元器件，因此选择电压等级为7的晶闸管就可以满足正常工作的需要了。V311220222TMUUMTUV622V311（～）（第四步：根据白炽灯的额定值计算出其阻值的大小第五步：确定流过晶闸管电流的有效值为：流过晶闸管的平均电流为：1210402202dRA08.0121022045.045.02ddRUI由此可得，当时流过晶闸管电流的最大有效值为：第六步：考虑1.5~2倍的余量第七步：确定晶闸管的额定电流:因为电路无储能元器件，所以选择额定电流为1A的晶闸管可以需要。由以上分析确定晶闸管应选用的型号为：KP1-7A128.0A08.057.157.1TmdIIA256.0~A193.0128.0)2~5.1()2~5.1(TmAIA283.0T(AV)I三、单相半波可控整流电路1．电阻性负载调光灯主电路（1）工作原理名词术语和概念：控制角：控制角也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。导通角θ：是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小。移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。1）时的波形分析（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形o0分析:在电源电压正半周区间内，触发脉冲触发晶闸管VT导通，负载上得到输出电压的波形是与电源电压相同形状的波形；当电源电压过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压为零；在电源电压负半周内，晶闸管承受反向电压不能导通，直到第二周期触发电路再次施加触发脉冲时，晶闸管再次导通。晶闸管两端电压分析：在晶闸管导通期间，忽略晶闸管的管压降，在晶闸管截止期间，管子将承受全部反向电压。0Tu2）时的波形分析（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形o30分析：在时，晶闸管承受正向电压，此时加入触发脉冲晶闸管导通，负载上得到输出电压的波形是与电源电压相同形状的波形；同样当电源电压过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压为零；在电源电压过零点到之间的区间上，虽然晶闸管已经承受正向电压，但由于没有触发脉冲，晶闸管依然处于截止状态。o30时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形触发导通时刻过零关断时刻o303）其他角度时的波形分析（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形时的波形分析o60时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形o603）其他角度时的波形分析（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形时的波形分析o90时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形o903）其他角度时的波形分析（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形时的波形分析o120时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形（a）输出电压波形（b）晶闸管两端电压波形o120（2）单相半波可控整流带电阻性负载电路参数的计算1）输出电压平均值与平均电流的计算：2）负载上电压有效值U与电流有效值的计算：有效值U的计算：负载电流有效值的计算：2cos145.0)cos1(π22]cos[π22)(dsin2π2122π2π2dUUtUttUU2cos145.0d2dddRURUIπ42sinπ2π]2sin412[π)(d)sin2(π212π2222πUttUttUUπ42sinπ2πd2RUI（2）单相半波可控整流带电阻性负载电路参数的计算3）晶闸管电流有效值与管子两端可能承受的最大电压为：流过晶闸管电流的有效值：晶闸管可能承受的正反向峰值电压为：4）功率因数π42sinπ2πd2RUI2TM2UUπ42sinπ2πcos2IUUISP例题例1－3单相半波可控整流电路，阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50V，直流输出平均电流为20A，试计算：晶闸管的控制角。输出电流有效值。电路功率因数。晶闸管的额定电压和额定电流，并选择晶闸管的型号。解：1．由计算输出电压电压为50V时的晶闸管控制角α求得α＝90°2．当α＝90°时，3．2cos145.02dUU5.22050dddIURARUI44π42sinπ2πd25.0π42sinπ2πcos2IUUISP4．根据额定电流有效值IT大于等于实际电流有效值I相等的原则IT≥I，则IT(AV)≥(1.5~2)取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为IT(AV)≥42.4