晶閘管調光電路的制作與設計

晶閘管被廣泛用于工業、交通、家用電器等領域，實現交流調壓、電機調速、交流開關、路燈自動開啟與關閉、溫度控制、臺燈調光、舞臺調光和可控整流等功能。本項目通過對晶閘管調光電路的制作，來完成晶閘管調光電路的識讀、檢測與調試的任務。技能目標①調光電路元器件識別②了解晶閘管調光電路元件的檢測方法③了解可控硅調光電路的制作步驟和注意事項技能目標知識目標知識目標①正確識讀晶閘管調光電路圖②熟悉晶閘管調光電路的故障處理方法③熟悉單面印制電路板制作過程制作設計制作與設計要求①學習印制電路板圖設計的方法②掌握調光燈的電路設計思路③掌握印制電路板設計步驟④印制電路板圖的設計基本要求⑤印制電路板布局的設計原則任務一調光電路元器件識別、參數與檢測

調光器主要由雙向晶閘管、雙向二極管、電位器和電阻、電容組成，如圖3-1所示。操作1判別晶體管的好壞調光電路制作所用元器件及參數，如表3-1所示。操作1判別晶體管的好壞操作2晶閘管調光電路元器件檢測(1)雙向晶閘管VS的檢測雙向晶閘管的檢測，如表3-2所示。操作2晶閘管調光電路元器件檢測操作2晶閘管調光電路元器件檢測（2）雙向二極管VD的檢測雙向二極管的檢測見表3-3所示。操作2晶閘管調光電路元器件檢測（3）晶閘管調光電路元器件功能，如表3-4所示任務二印制電路板的制作

雖然單面印制電路板的人工制作工藝細節十分復雜，但還是有章可循的。其工藝流程可概括為：繪圖→裁板→打磨→描圖→涂漆→腐蝕→除漆→鉆孔→涂層。單面印制電路板的人工制作過程要領如表3-5所示。任務三調光電路的安裝工藝

晶閘管調光電路安裝所用元器件布局圖、印制板圖和裝配圖，如圖3-2所示。在安裝過程中，建議按如下工藝流程進行：檢測元器件質量→安裝電阻→安裝雙向二極管→安裝電容→安裝雙向晶閘管→安裝帶開關電位器→安裝銅柱（接線柱）。操作1晶閘管調光電路安裝工藝1）圖3-3所示的是雙向晶閘管外形和電路圖形符號圖。在焊接雙向晶閘管VS時特別要注意極性，裝插時千萬不要插錯。

2）焊接完后，認真檢查電路有無虛焊、錯焊等。檢查無誤后，方可外接燈泡負載及交流電源，以便通電測試。

3）由于電路直接與交流電網相連，整個電路都帶有交流電，所有在通電時必須注意安全，防止觸電。

4）由于電路是通過燈泡與交流220V電壓構成回路的，所以不接燈，電路將不能工作。操作2晶閘管調光電路制作注意事項任務四晶閘管調光電路檢測與常見故障維修

晶閘管調光電路安裝完成后，能否正常工作，檢測是關鍵。檢測過程如下。

1）電路接上燈，通電。

2）將萬用表置于交流250V擋，紅、黑表筆接燈兩端，由大到小地逐漸緩慢調整RP阻值，萬用表指針指示電壓應由小變大，此時燈由暗變亮；反之，燈應由亮變暗。

3）電路輸出功率的大小與晶閘管額定平均電流大小有關。如果選用平均電流為3A、6A等大容量的雙向晶閘管器件，則負載上獲得的功率可以增大到300W。結論：滿足上述1）、2）兩點，說明晶閘管調光電路制作成功。操作1晶閘管調光電路的檢測晶閘管調光電路常見故障維修，如表3-6所示。操作2晶閘管調光電路常見故障維修任務五調光電路的設計思路1）晶閘管調光燈輸出電壓范圍控制在120～210V比較合適。

2）帶負載的能力（指輸出電流的能力），輸出電流為500mA，輸出功率為100W。操作1調光燈技術指標和性能的確定

依據以上實訓操作的過程，可以總結出調光電路的設計思路。由調光燈的指標和性能，進行電路的設計工作。由于要求輸出電壓在120～210V之間并且可調。結合專業課的知識可知，選擇晶閘管這種元器件能滿足性能的要求。那么，是選用單向晶閘管，還是雙向晶閘管呢，這取決于誰能滿足調壓的范圍。顯然雙向晶閘管能解決這個問題。當選用雙向晶閘管時，接下來的問題就是雙向晶閘管的觸發和其他細節問題。依據專業知識，雙向二極管能滿足雙向觸發。于是可以進行簡單的計算、畫出草圖，選擇元器件參數（滿足帶負載的能力），搭建電路進行試驗。綜上所述，調光電路的設計思路框圖如圖3-4所示。操作2調光電路的設計思路任務六調光電路原理圖識讀晶閘管調光電路原理圖，如圖3-5所示。操作1晶閘管調光電路原理圖

根據圖3-5所示的電路，在給出如圖3-6(a)所示信號時，其工作過程為：閉合開關S，在交流電壓波形正半周期內，UC↑→VD導通↑→UG↑［電壓波形如圖3-6（b）所示］→雙向晶閘管VS導通［電壓波形如圖3-6（c）所示］→控制負載的工作［電壓波形如圖3-6（d）所示］。當交流電下降為零時，u=0→uK=0→晶閘管VS關斷。在交流電的負半周期內，工作過程重復上述過程，同樣使雙向晶閘管得到一個反向觸發電壓。此電壓作為晶閘管VS的觸發信號。操作2晶閘管調光電路工作原理操作2晶閘管調光電路工作原理

特別是在電路中調節RP的阻值，即可改變RC時間常數，這個充電時間常數的改變，也就改變了晶閘管控制角θ。控制角θ的改變，使得晶閘管輸出電壓（即負載兩端的電壓）大小也相應發生變化。當RP調到阻值較大時，電容Ｃ充到雙向觸發二極管轉折電壓的時間較長，因此晶閘管的導通角θ比較小，負載得到的功率也就較小；反之，當RP調到阻值較小時，晶閘管的導通角θ就比較大，負載得到較大的功率。因此，調節RP就能控制照明燈的亮與暗。操作2晶閘管調光電路工作原理

波形圖如圖3-6所示。如此周而復始，在負載上形成了圖3-6（d）所示的電壓（uL)波形。操作3波形圖

晶閘管調光電路框圖，如圖3-7所示。

根據原理圖的識讀可以知道，晶閘管調光器由雙向晶閘管開關電路、觸發電路和負載三部分組成。本電路直接由交流電220V電壓供電。220V正弦交流電→負載→雙向可控硅形成回路。雙向晶閘管的導通程度由觸發電路控制。操作4框圖任務七印制電路板圖的設計（1）印制電路板圖設計的方法印制電路板圖的設計有手工設計與計算機輔助設計（CAD）方法兩種。最原始的是手工印制電路板圖。這比較費事，往往要反復幾次，才能最后完成。在沒有其他繪圖設備時也可以采用，這種手工印制電路板圖方法對剛學習印制電路板圖設計者來說也是很有幫助的。計算機輔助設計完成印制電路板圖，也就是平常所說“電子線路CAD”這門課程。目前應用比較流行，并且有多種軟件，功能各異。操作1印制電路板圖設計的方法和基本要求（2）印制電路板圖的設計基本要求印制電路板圖設計的具體要求，如表3-7所示。操作1印制電路板圖設計的方法和基本要求

在確定印制電路板所需的尺寸后，根據原理圖，將特殊元件的位置初步確定下來，再確定其他各個元器件位置。最后，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。具體的印制電路板布局的設計原則，如表3-8所示。操作2印制電路板布局的設計原則任務八晶閘管交流調壓器

晶閘管交流調壓器電路主要由二極管、晶閘管、單結晶體管、阻容元件和負載組成。圖3-8所示的是電路原理圖。操作1電路原理圖

晶閘管交流調壓器由可控整流電路和觸發電路兩部分組成，其電路原理圖如圖3-11所示。從圖中可知，二極管D1～D4組成橋式整流電路，單結晶體管T1構成張弛振蕩器作為晶閘管的同步觸發電路。當調壓器接上市電后，220V交流電通過負載電阻RL經二極管D1～D4整流，在晶閘管VS的A、K兩端形成一個脈動直流電壓，該電壓由電阻R1降壓后作為觸發電路的直流電源。在交流電的正半周時，整流電壓通過R4、RP對電容C充電。當充電電壓UC達到V1管的峰值電壓Up時，V1管由截止變為導通，于是電容C通過V1管的e、b結和R2迅速放電，結果在R2上獲得一個尖脈沖。這個脈沖作為控制信號送到晶閘管VS的控制極，使晶閘管導通。晶閘管導通后的管壓降很低，一般小于1V，所以張弛振蕩器停止工作。當交流電通過零點時，晶閘管自關斷。當交流電在負半周時，電容C又重新充電如此周而復始，便可調整負載RL上的功率了。操作2電路工作原理

特別是在電路中調節RP的阻值，即可改變RC時間常數，這個充電時間常數的改變，也就改變了晶閘管控制角θ。控制角θ的改變，晶閘管輸出電壓（即負載兩端的電壓）大小也相應發生變化。操作2電路工作原理

調壓器的調節電位器選用阻值為470kΩ的WH114-1型合成碳膜電位器，這種電位器可以直接焊在電路板上，電阻除R1要用功率為1W的金屬膜電阻外，其余的都用功率為1/8W的碳膜電阻。D1～D4選用反向擊穿電壓大于300V、最大整流電流大于0.3A的硅整流二極管,如2CZ21B、2CZ83E、2DP3B等。VS選用正向與反向電壓大于600V、額定平均電流大于1A的晶閘管整流器件，如國產3CT系列。具體如表3-9所示。操作3元器件清單和選擇

用ProtelDXP軟件繪制圖3-8的電路原理圖，依據這張原理圖生成印制電路板圖和3D效果圖，如圖3-9所示。操作4印制電路板項目評估1.評估檢查(1)調光電路制作評估結合制作、調試和維修過程，測量元器件各極電壓，填寫到表3-10中（滿分10分）。