学习情境五 调光台灯的设计

情境五 设计与制作调光台灯课时16任务内容1、学习晶闸管的基本知识 2、晶闸管可控整流电路及调压电路的工作原理分析 3、晶闸管简单触发电路的工作原理及设计 4、学会调光台灯电路的设计 5、学习电路的调试 能力培养专业能力学习晶闸管的基本知识、晶闸管可控整流电路及调压电路的工作原理分析、晶闸管简单触发电路的工作原理及设计；学会调光台灯电路的设计；学习电路的调试。社会能力培养学生的求知欲、合作能力、协调能力。方法能力让学生掌握职业教育学习方法、课外观察方法、引导学生提问，启发学生提问及自学的能力。教学方法任务驱动法、分组讨论法、引导文法教学媒体课件演示、事物、现场观摩教学教学场所一体化教室教学过程教学方法教学内容学生活动教学目的课前组织1、清点学生人数2、检查制作所需要的器件。3、准备好多媒体设备、课件、展示的实物准备好。4、其他教学用品等。明确任务操作演示1、 提出学习任务：设计调光台灯电源。2、 任务要求：（1）学习晶闸管的基本知识 （2）晶闸管可控整流电路及调压电路的工作原理分析 （3）晶闸管简单触发电路的工作原理及设计 （4）学会调光台灯电路的设计 （5）学习电路的调试3、实习要求： （1）遵守一体化教室规章制度（2）分组观摩实践观察思考记录1让学生明确学习目的。2激发学生兴趣。资讯相关知识：一、认识晶闸管晶闸管全称晶体闸流管、原称可控硅。20世纪50年代问世，是一种能够通过控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型大功率半导体器件。由于它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便和寿命长等特点，并且其导通时刻可控，满足了调压要求，因而在生产实际中得到广泛应用。除普通晶闸管（SCR）外，晶闸管还有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。本书仅介绍普通晶闸管和双向晶闸管。二、普通晶闸管图6-5晶闸管的管芯内部结构及等效电路晶闸管的工作原理先看图6-8所示实验。图6-8（a），阳极A接电源正极、阴极K接电源负极，开关S断开，灯H不亮，晶闸管不导通。图6-8（b），S闭合，即控制极G加正向电压，灯H亮，晶闸管导通。图6-8（c），晶闸管导通后，将S断开，灯H仍亮，表明晶闸管仍导通，说明晶闸管一旦导通后，控制极就失去了控制作用。要关断晶闸管，必须使阳极电流减小到一定值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向电压的方法来实现。图6-8晶闸管导通实验可以看出晶闸管的导通与关断条件如下：（1）晶闸管导通必须具备两个条件：晶闸管阳极与阴极间必须接正向电压，控制极与阴极之间也要接正向电压； （2）晶闸管一旦导通后，控制极即失去控制作用； （3）导通后的晶闸管要关断，必须减小其阳极电流使其小于晶闸管的维持电流IH 。晶闸管的伏安特性图6-10晶闸管阳极伏安特性曲线 晶闸管的主要参数1、电压定额额定电压UTN 是指元件的标称电压。通常取正、反向断态重复峰值电压UDRM、URRM中数值较小的一个，然后根据表6-1所示的标准电压等级由生产厂家标注于产品或合格证上。UDRM（URRM）是门极开路且晶闸管的结温为额定值时，允许重复加在元件上的正（反）向峰值电压。通态平均电压UT(AV) 晶闸管导通时阳极和阴极之间压降的平均值。当额定电流大小相等而通态平均电压较小时，晶闸管耗散功率也较小，则该管子的质量就较高。2、电流定额额定电流IT(AV)（额定通态平均电流） 在环境温度为40和器件规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170）的电路中，结温稳定在额定值时所允许的最大通态平均电流，称为额定通态平均电流。维持电流IH 在室温下且门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持导通所需的最小阳极电流称为维持电流IH。维持电流IH一般约为几十毫安。擎住电流IL 在晶闸管的门极加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就撤掉触发电压，此时晶闸管要保持继续导通所需要的最小阳极电流，称为擎住电流IL。对同一个晶闸管而言，擎住电流IL要比维持电流IH大24倍。欲使晶闸管触发导通，必须使触发脉冲保持到阳极电流上升到擎住电流以上，否则会造成晶闸管重新恢复阻断状态，因此触发脉冲必须具有一定的宽度。3、门极定额门极触发电压UGT和门极触发电流IGT 在室温下，在晶闸管的阳极和阴极之间加上6V的正向电压时，能使晶闸管由阻断状态完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压，称为门极触发电压UGT。门极反向峰值电压UGRM 指门极所允许加的反向电压的最大值，一般门极所加反向电压应小于UGRM，通常安全电压为5V。三、双向晶闸管1、双向晶闸管的结构双向晶闸管又称双向可控硅，其核心部分是NPNPN五层三端半导体器件，功能上相当于一对具有公共门极的反向并联的普通晶闸管，如图6-11（c）。双向晶闸管有三个电极，分别称为第一电极T1、第二电极T2、门极G（或控制极），T1、T2又称为主电极。电路符号如图6-11（d）。双向晶闸管外形结构有平板型、螺栓型、塑封型多种，一般调光台灯、吊扇无极调速等小功率电路多采用塑封型。图6-11（e）为小功率塑封双向晶闸管的外形，管脚排列顺序一般是T1、T2、G。图6-11 双向晶闸管的结构、符号及外形双向晶闸管的伏安特性图6-12 双向晶闸管的伏安特性双向晶闸管的触发方式触发方式：UTIT20，Ug0，触发灵敏度最高，特性曲线在第一象限。触发方式：UTIT20，Ug0，触发灵敏度较高，特性曲线在第一象限。触发方式：UTIT20，Ug0，触发灵敏度最低，特性曲线在第三象限。触发方式：UTIT20，Ug0，触发灵敏度较高，特性曲线在第三象限。双向晶闸管的参数双向晶闸管的主要参数只有额定电流与普通晶闸管不同，其它参数定义与普通晶闸管相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正、反向电流都可以流过，所以它的额定电流不是用平均值，而是用有效值来表示的。定义为：额定电流（也称额定通态电流）IT(RSM)：在规定的环境温度和散热条件下，在电阻性负载的单相、工频（50Hz）、正弦（导通角不小于170）的电路中，结温稳定在额定值时所允许通过的正弦交流电流的有效值。普通晶闸管的万用表简单测试用万用表R100挡可以判定三个电极：负表笔接某一电极，正表笔依次碰触另外两个电极，假如有一次阻值很小，约几百欧姆，另一次阻值很大，约几千欧姆，说明负表笔接的是门极G。在阻值小的那次测量中，正表笔接的是阴极K；阻值大的那次，正表笔接的是阳极A。若两次测出的阻值都很大，说明负表笔接的不是门极，改接其它电极重新测。四、单相可控整流电路1、单相半波可控整流电路（1）电阻性负载电路结构、工作原理及波形分析图6-13为单相半波可控整流电路电阻性负载电路图及工作波形。在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如白炽灯、电阻加热炉、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同并且同相位，电流可以突变。电路由电源变压器Tr、晶闸管VT、负载电阻R组成。变压器Tr起变换电压和隔离的作用，其一次和二次电压瞬时值都是50Hz正弦波，分别用u1和u2表示。并设u2的有效值用U2表示。图6-13单相半波可控整流电路电阻性负载电路图及波形(a)(b)（2）电感性负载电路结构、工作原理及波形分析图6-14为单相半波可控整流电路电感性负载电路图及工作波形图。当负载中感抗远远大于电阻时称为电感性负载。电感性负载通常是电机的励磁线圈或负载串联电抗器等，电感性负载的等效电路可以用一个电感L和电阻的串联电路来表示。图6-14单相半波可控整流电路电感性负载电路图及波形五、晶闸管的简易触发电路1、晶闸管的门极驱动1）常用的触发信号晶闸管的触发电压信号可以是直流、交流或脉冲电压，但由于晶闸管导通后门极触发信号即失去控制作用，为了减小触发电路的驱动功率，一般不采用直流或交流触发信号，广泛采用脉冲触发信号。图6-20是常用的触发脉冲波形。2）对触发信号的要求为了保证晶闸管电路能正常、可靠地工作，触发电路产生的触发脉冲必须满足一下要求：（1）触发脉冲应有足够的功率。晶闸管要想触发导通，所加的门极触发电压Ug和电流Ig的大小必须大于晶闸管要求的UGT和IGT并且要留有足够的裕量。在实际应用中，门极触发电压的幅值应比UGT大几倍。（2）触发脉冲应用一定的宽度且脉冲前沿应尽可能陡，以使晶闸管在触发导通后阳极电流能迅速上升超过擎住电流而维持导通。对于电感性负载，由于电流上升较慢，触发脉冲宽度应更大一些。（3）触发脉冲的相位应能在规定范围内移动。即移相范围要与相应电路匹配，例如单相全控桥式整流电路电阻性负载时要求触发脉冲的移相范围是0 180；而电感性负载时要求移相范围是0 90。（4）触发脉冲与主电路电源必须同步。为使晶闸管在每个周期都以相同的控制角被触发导通，触发脉冲必须与主电路电源同步并保持固定的相位关系。如图6-19所示，触发电路同时受控制电压uc和同步电压us控制。触发电路与晶闸管常用的连接方式有直接连接、光耦合器连接、脉冲变压器耦合连接。其中直接连接方式常用于一些简单设备中。六、调光台灯电路1、普通调光台灯图6-30所示是用普通晶闸管构成的普通调光台灯电路，工作原理是：当交流电的正半周或副半周到来是，经过全桥整流，加到晶闸管上的电源是单向的。该电压通过电位器RP给电容充电，当电容C2上的电压达到一定数值后，就会触发晶闸管导通。调节RP的阻值，可以改变充电的时间长短，从而控制晶闸管的导通角。其中晶闸管使用MCR100-6，整流二极管使用1N4007。灯泡应选择60W以下的白炽灯。图6-30 用普通晶闸管构成的普通调光台灯电路图6-31所示是用双向晶闸管构成的普通调光台灯电路。当开关S闭合后，工频交流电经白炽灯泡H、RP、R3对电容C2充电。当C2上的电压上升到双向二极管VD导通电压时，VD导通，触发双向晶闸管VT导通，交流电经H、VT构成通路，白炽灯H被点亮。调节RP的阻值可改变VT的导通角，即改变着白炽灯H两端的电压，从而起到调光的作用。图中R1和C1构成的移相延迟网络起补偿作用。图6-31所示的电路性能更好一些，可以控制更大功率的电器图6-31 用双向晶闸管构成的普通调光台灯电路自动稳光的调光台灯图6-31所示是光控自动调光台灯电路。它有一只光电探头放在书本附近，可使书本上的照度自动调到合适的数值，既可减少手动调光的麻烦，又可保护视力。同时，它具有稳光功能，当电源电压波动时，台灯亮度保持不变。如果想让它跟普通调光台灯一样调光，只要改变探头和灯泡的距离即可，使用起来十分有效。1、电路工作原理：交流电压经整流桥后，一路经R1由稳压管VD稳压得9V的脉动直流电压供控制电路使用；另一路加到灯泡H和晶闸管VT3两端。改变VT3的导通角即可改变灯泡H的亮度；H中通过的是脉动直流电流。控制电路使用脉动直流电源可保证输出的触发脉冲与晶闸管VT3的阳极电压同步。图6-32 光控自动调光台灯电路学生认真学习，记录相关内容1引导学生建立分析问题的方法。2对学生进行知识储备。计划计划：在教师的指导下，分组讨论，根据电路图及所学知识写出针对调光台灯的分析报告，列出可行的实施方案。决策决策：各小组根据分析结果进行实施方案的确定。实践与操作操作与实践：1、 观察调光台灯的电路接线图。2、 通过模型了解其工作原理。3、 针对故障分析原因。4、 分组讨论完成实践报告。让学生掌握理解相关的知识检查检查：检查学生的学习笔记及分析报告，鼓励学生大胆思维，对有创意的故障分析报告进行宣读集体讨论，发觉闪光点，指出误区。（学生在讨论学习过程中，教师注意巡回指导，特别注意学生出现错误时引导学生查找错误的原因）激发学生解决问题的积极性与热情。评价与作业评价：1、 根据学生报告情况进行分析，从好与不足两方面实事求是的进行评价；2、 进行差异评价和鼓励评价；3、 进行学习态度和主动学习的意识方面进行评价，多鼓励；4、 提醒学生将笔记报告存档管理，以备后用。作业：根据所学知识分析对于电流较大且负载经常变化的大功率场合，应采用哪种滤波电路？