（毕业论文）可控硅功率调节器的设计制作

（毕业）可控硅功率调节器的设计制作 摘 要 摘 要 近年来随着电子在社会领域的渗透，应用电子正在不断地走向新时代,同时带动传统控制电路日新月异发展。本文从对可控硅的概念，结构，特性入手，辅以可控硅行业的良好前景，对可控硅调光电路作了全面描述。着重介绍了利用辅助软件对电路进行的设计与仿真，对电路原理图和实践作了简洁的描述。从功能上介绍了可控硅、开关、直流电源、交流电源等元件在不同的领域，有着广阔的作用。 关键词: 调光 可控硅 控制电路 I Abstract Abstract In recent years, with e-penetration in the social field, the application of electronics is growing towards a new era, at the same time promote the development of conventional control circuit with each passing day. In this paper, the concept of the SCR, structure, properties start with the good prospects for the industry SCR, triac dimmer circuit for a full description. Focuses on the use of assistive software for circuit design and simulation, schematic diagram of the circuit and made a concise description of the practice. Functional introduced SCR, DC power supply, such as sliding rheostat element in different fields, have a broad role. Keyword: SCR dimming control circuit ? 目 录 目录 第1章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.1课题选题的意义，背景，范围及目标„„„„„„„„„„„„„„„1 1.1.1课题选题的意义，背景，范围„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.1.2课题达到的目标„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.2课题需要完成的工作概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3论文的结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 第2章 可控硅(SCR)的基本概念和结构„„„„„„„„„„„„„„„4 2.1 可控硅(SCR)的概念和结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.2 可控硅(SCR)的主要工作特性„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.3 可控硅(SCR)在电路中的主要用途„„„„„„„„„„„„„„„6 2.4 可控硅(SCR)的工作原理及基本特性电路„„„„„„„„„„„„9 2.5 可控硅(SCR)的参数符号„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 第3章 无触点开关在控制中的应用„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.1 概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.2 常用无触点开关„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.2.1 三端稳压器实现的无触点开关„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.2.2 基于可控硅器件的无触点开关„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3.2.3 基于光耦三极管和达林顿管用作无触点开关„„„„„„„„„„„19 3.2.4 基于MOS 或IGBT 的无触点开关„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.3 各种无触点开关的比较„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 第4章 灯光控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 4.1 灯光控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 4.1.1 灯光控制概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 III 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 4.1.2 开关控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 4.1.3 调光控制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 4.2 电力调整器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 4.3 三相可控硅电力调整器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 4.4 单相可控硅电力调整器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 第5章 设计制作部分„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 5.1 电路图在Protel中的实现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 5.1.1 材料的选取及电路原理简要说明„„„„„„„„„„„„„„„„26 5.1.2 电路的绘制„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 5.2 电路在proteus中的模拟仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„30 5.2.1 电路的简要波形图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30 5.2.2 电路在Proteus中的模拟仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„31 5.3 电路的调试及焊接„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 第6章 总论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 IV 第1章 绪论 第1章 绪论 1(1 课题选题的意义，背景，范围及要求 1(1(1 课题选题的意义，背景，范围 近年来，许多新型可控硅元件相继问世，如适于高频应用的快速可控硅，可以用正或负的触发信号控制两个方向导通的双向可控硅，可以用正触发信号使其导通，用负触发信号使其关断的可控硅等等。 可控硅是硅可控整流元件的简称，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。 晶闸管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管， 由于可控硅的应用广泛加上赶上了电子产业景气回升的好时机，可控硅行情一路看好。 众所周知，可控硅的应用市场越来越广阔，几乎所有的电子产品都用到了可控硅，在自动控制领域，机电领域，工业电器及家电等方面无处不见可控硅的身影。有朋友介绍说，可控硅在电脑主板上的应用相当广泛，在电压和电流正常的情况下，“可控硅”处于静止状态，当电压和电流过大时，“可控硅”移动至电源主线路，在电源内部形成一个完整的通路(即短路)，电 1 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 源立刻停止工作，从而保护主板、CPU、HD、CDROM等板卡设备。可控硅甚至还用在卷发用具上。可见可控硅在我们的生活中无处不在，更说明可控硅有着巨大的应用市场，为可控硅经销商带来的是巨大的商机。 另外，从性能上看，可控硅的应用相当稳定。拿电子开关来说，无论其他的元件怎么变化，可控硅的变化是不大的，这相对来说，等于扩大的可控硅的应用市场，减少了投资的风险。随着消费类电子产品的热销，更为可控硅提供了销售空间。 在价格上，可控硅自二月以来就比较稳定。但是原料价格上涨因素的影响，可控硅反映到市场上的涨幅一直在1%~2%之间徘徊。 可控硅市场目前发展前景比较好，没有因为竞争激烈而大打价格战的倾向。经销商期待正是这个健康和谐向上发展的市场。 预计，随着汽车电子、家电领域和工业领域对智能控制技术要求的升级，可控硅的需求量还将保持上升趋势。 随着快速可控硅和高频可控硅的试制成功，近年来，我国可控硅的电压和电流容量、性能以及产品的稳定性有很大的提高。基于SCR电源装置研制范围的迅速扩大，使产品种类不断增多，应用领域不断扩大。 1(1(2 课题达到的目标 本课题期望达到的目标是:利用可控硅设计并制作一个简单的电路，达到对负载(节能灯或小风扇)的功率控制。反应到实物上即节能灯亮度的强弱或风扇的风力大小的调节。 首先通过教材了解，熟悉，掌握可控硅的概念，结构及基本工作原理。利用Protel99SE软件画出大概的电原理图，并测试其是否能工作。最后讨论可控硅的各项参数，对电路作出优化和改进，并讨论。 1(2 课题需要完成的工作概述 2 第1章 绪论 本课题所需要完成的工作是:从了解可控硅入手，对可控硅器件的性能，工作特性，各项参数进行学习和分析，利用Protel99SE软件画出电原理图，并测试，记录电路的工作情况，分析并总结电路的优缺点并给出优化改进方案，用Prteus软件对电路进行仿真并进行调试，最后进行焊接及调试。 1(3 论文的结构 本论文共分为6章。第1章为绪论，笼统的介绍论文的研究背景，研究前景，应用前景。和本论文具体研究的内容，和如何研究，大体给出框架性的内容，和最后要达到的目标。 第2章主要介绍可控硅(SCR)的基本概念和结构。工作特性，及各项参数。从可控硅(SCR)的工作特性及在电路中的用途入手，确定课题的设计方向。此章节介绍的内容为整篇论文的核心和基础。 第3章主要介绍无触点开关在控制中的应用。通过第2章的描述我们已经知道，本课题的设计方向应该是实现对负载功率的控制。而“控制”又是本课题的基础。所以对无触点开关在控制中的应用的理解及运用程度将直接影响到该论文完成的质量。 第4章主要介绍各类节能灯的性能，用途，各项参数。通过前几章的论文描述我们已经意识到，负载(既灯具)是本课题不可或缺的一个重要组成部分，而挑选什么灯具作为本文的负载亦是一个值得讨论的课题。通过对本章的描述和学习，将对本论文产生积极的作用。 第5章主要描述电路的设计及测试工作，对可控硅，负载，电源等等各部件的研究，结构并进行焊接与制作 第6章是对全文的一个总结和概括。 3 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 第2章 可控硅(SCR)的基本概念和结构 2(1 可控硅(SCR)的概念和结构 晶闸管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极〔图2-1(a)〕:第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号〔图2-1(b)〕可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 图2-1可控硅 2(2 可控硅的主要工作特性 为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，大家先看这块示教板(图2-2)。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关 4 第2章 可控硅(SCR)的基本概念和结构 SB接在3V直流电源的正极(这里使用的是KP5型晶闸管，若采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极)。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通;再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢? 图2-2示教板 这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。 晶闸管的特点: 是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用什么才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源(图2-2中的开关S)或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流)。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。 怎样用万用可以区分晶闸管的三个电极，怎样测试晶闸管的好坏。普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡R×100挡位来测。大家知道， 5 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 晶闸管G、K之间是一个PN结〔图2-1(a)〕，相当于一个二极管，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A了。测试晶闸管的好坏，可以用刚才演示用的示教板电路(图2-2)。接通电源开关S，按一下按钮开关SB，灯泡发光就是好的，不发光就是坏的。 2(3 可控硅(SCR)在电路中的主要用途 可控硅的分类 按其工作特性，可控硅(THYRISTOR)可分为普通可控硅(SCR)即单向可控硅、双向可控硅(TRIAC)和其它特殊可控硅。 可控硅的触发 过零触发-一般是调功，即当正弦交流电交流电电压相位过零点触发，必须是过零点才触发，导通可控硅。 非过零触发-无论交流电电压在什么相位的时候都可触发导通可控硅，常见的是移相触发，即通过改变正弦交流电的导通角(角相位)，来改变输出百分比。 可控硅的主要参数 可控硅的主要参数: 1 额定通态电流(IT)即最大稳定工作电流，俗称电流。常用可控硅的IT一般为一安到几十安。 2 反向重复峰值电压(VRRM)或断态重复峰值电压(VDRM)，俗称耐压。常用可控硅的VRRM/VDRM一般为几百伏到一千伏。 3 控制极触发电流(IGT)，俗称触发电流。常用可控硅的IGT一般为几微安到几十毫安。 可控硅的常用封装形式 常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。 6 第2章 可控硅(SCR)的基本概念和结构 普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自功控制等方面。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路〔图2-3〕。在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug，VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发脉冲Ug时，晶闸管被触发导通。可以看到，只有在触发脉冲Ug到来时，负载RL上才有电压UL输出(波形图上阴影部分)。Ug到来得早，晶闸管导通的时间就早;Ug到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL(阴影部分的面积大小)。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180?，称为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α;在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。很明显，α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。 图2-3半波可控整流电路 7 电子科技大学成都学院本科毕业设计论文 五、在桥式整流电路中，把二极管都换成晶闸管是不是就成了可控整流电路了呢? 在桥式整流电路中，只需要把两个二极管换成晶闸管就能构成全波可控整流电路了。 六、晶闸管控制极所需的触发脉冲如何形成 晶闸管触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸管的触发电路，等等。今天大家制作的调压器，采用的是单结晶体管触发电路。 七、单结晶体管及它具有的特殊性能 单结晶体管又叫双基极二极管，是由一个PN结和三个电极构成的半导体器件。在一块N型硅片两端，制作两个电极，分别叫做第一基极B1和第二基极B2;硅片的另一侧靠近B2处制作了一个PN结，相当于一只二极管，在P区引出的电极叫发射极E。为了分析方便，可以把B1、B2之间的N型区域等效为一个纯电阻RBB，称为基区电阻，并可看作是两个电阻RB2、RB1的串联。值得注意的是RB1的阻值会随发射极电流IE的变化而改变，具有可变电阻的特性。如果在两个基极B2、B1之间加上一个直流电压UBB，则A点的电压UA为:若发射极电压UE工艺

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