1、课程 设计题 目 日光灯亮度调节电路设计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 1102 姓 名 日 期 2015 年 3 月 17 日 一、设计题目分析 亮度可调节台灯作为一种成熟的产品已经走进千家万户以及各个寝室之中，使用者可以根据需求自主选择当前台灯亮度，起到保护视力，节约能源的目的。但是对于目前仍然应用广泛的日光灯在亮度可调方面确还很少见。对一些照明时间较长、照明设备较多的场所(如学校教室、商场等)，其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜。由于缺乏科学管理和管理人员的责任心不强，有时在借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时，整个房间内也是灯火通明。这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。
2、如果可以借鉴台灯的模式，当客人临门，欢度节日，教室上课等时间，可以认为提高照明亮度；而当我们在休息，看电视，照料婴儿，教室人少的时候，则适当调低日光灯的照明亮度，使之能满足正常的照明功能即可。基于此种需求，我发现可采用晶闸管相控调光的方法对日光灯的亮度进行调节。晶闸管相控调光是采用相位控制的方法来改变晶闸管导通时间实现调光。对普通反向阻断型的可控硅，其闸流特性表现为当可控硅加上正向阳极电压的同时，又加上适当的正向门极控制电压时，晶闸管就导通，这一导通即使在撤去门极控制电压后仍将维持，一直到加上反向阳极电压或晶闸管阳极电流小于晶闸管自身的维持电流后才会关断。晶闸管相控调光对照明系统的电压调节速度
3、快，调光明显且精度高。由于调光电路主要是电力电子元件组成，相对来说体积小、设备质量轻、性价比高。调压电路由单向晶闸管、三极管及阻容移相电路组成。通过调节电位器 RP，即可改变晶闸管的导通角，使加到日光灯管两端的工频交流电压发生改变，从而达到改变日光灯发光亮度的调光目的。因此，我们采用单向晶闸管配合三极管组成的触发电路来进行灯光亮度调节。二、选择方案如图 1 所示是一个适合日光灯使用的单向晶闸管调光灯电路，即用普通三极管触发的单向晶闸管调光灯电路，VT2、VT3 组成互补型放大器以构成晶闸管VT1 的触发电路。 220V 交流电通过灯泡 E 经 VD1VD4 桥式整流，输出全波脉动电压，此电压经
4、 R1、R5、RP 向电容 C 充电，使 VT3 发射极电位不断升高。当高于其基极电压时，VT3、VT2 即导通，晶闸管 VT1 门极即获得触发脉冲，VT1导通。此时，电容 C 通过 VT3、VT2 及 R3 放电，正电源又重新通过 R1、R5 与RP 向其充电。所以，通过调节电位器 RP 的阻值可以改变 VT2 发射极输出脉冲时间的前移或滞后，即改变晶闸管 VT1 的导通角，亦即可调节灯 E 的亮度。E220 V VD11N4007 VD21N4007VD31N4007 VD41N4007V1220 Vrms 50 Hz 0 VT39012R31kR21.2kR41.5kR54.0kR136
5、k RP50kKey=A20%C0.2FVT29013VT1MCR100-6XMM1XSC1A BExt Trig+_ + _图 1 日光灯调光电路原理图三、电路设计3.1 单相桥式整流电路与原理图单相桥式整流电路是有四个二极管和耗电器件组成。二极管具有单相导电性是不可控器件。四只整流二极管 D1D4 接成电桥的形式，所以称桥式整流电路之称。单相桥式整流电路工作原理：如图 2 将电源电压转换成电路所需要的电压，提供给耗电元件。当电源电压为正半周期时，电流由二极管 D1 再过 R 再经过 D3 回到负端。D2、D4 反向截止，对于 R 的两边上边为正下边为副的电压。当电源电压为负半周期时，电流由
6、二极管 D2 再过 R 再经过 D4 回到正端。D1、D3 反向截止，对于 R 的两边上边为正下边为负的电压。由上边分析可得：单相桥式电路巧妙地利用二极管的单相导电性，无论电源两端的极性如何，正极性端与电阻 R 的上端相连，负极性端与电阻 R 的下端相连。图 2 单向整流桥电路设计原理图如下：E220 V VD11N4007 VD21N4007VD31N4007 VD41N4007V1220 Vrms 50 Hz 0 VT39012R31kR21.2kR41.5kR54.0kR136k RP50kKey=A20%C0.2FVT29013VT1MCR100-6XMM1XSC1A BExt Tri
7、g+_ + _3.2 仿真波形3.2.1 灯 E 两端某电压值及波形：图 3 灯 E 两端电压波形3.2.2 晶闸管阳极电压波形图 4 晶闸管阳极电压波形3.3 基本器件介绍3.3.1 晶闸管晶闸管是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957 年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于 1958 年将其商业化；晶闸管是 PNPN 四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管工作条件为：加正向电压且门极
8、有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。晶闸管 T 在工作过程中，它的阳极 A 和阴极 K 与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极 G 和阴极 K 与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。 晶闸管的工作条件： （1）晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。 （2）晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 （3）晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管
9、保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。 （4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。（a）电气图形符号 (b)外形图 6 晶闸管电气图形符号及晶闸管外形3.3.2 三极管三极管的基本结构是两个反向连的 PN 结面，有 PNP 和 NPN 两种组合。本设计中 9012 为 PNP,9013 为 NPN，如图所示。三个接出来的端点依序称为发射极（emitter, E）、基极（base, B）和集电极（collector, C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图中也显示出 PNP 和 NPN 三极管的电路符号，发射极特别被标出，箭号所指的极为 N 型半导
10、体，和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个 PN 结面都会形成耗尽区，将中性的 P 型区和 N 型区隔开。三极管的电特性和两个 PN 结面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里我们讨论最常用的所谓”正向活性区”(forward active)，在此区 E，B 极间的 PN 结维持在正向偏压，而 B，C 极间的 PN 结面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管都以此方式偏压。图 7 三 极 管 90124、总结这个设计的灵感来自桌子上每天都会用到的台灯，可以手动调节亮度的设计很有用，所以想把这个功能加到同样每天都会使用的日光灯上，但是实际上却没那么简单。台灯是利用了可变电阻改变了电流从而起到改变亮度的功能。但是想改变日光灯管的亮度就没那么简单，通过网络等途径，找到了这种带整流桥的晶闸管调光电路，通过调节电位器 RP，改变晶闸管的导通角，使加到日光灯管两端的工频交流电压发生改变，从而达到改变日光灯发光亮度的调光目的。然而这个设计仍然存在许多问题无法解决，相信通过以后的不断学习会找到好的方法解决设计中的不足。
