制作与调试调光台灯项目6

◇教学目标◇

◇任务描述◇

调光台灯在我们的生活中使用的越来越广泛，它可以根据室内光线的强弱来进行调节，可以很好地补充室内光线的不足，对我们的眼睛也有一定的保护作用。图6-1是家用调光台灯电路图，调节RP的阻值，可改变触发脉冲的相位，控制晶闸管V5的导通角，从而达到调节灯泡亮度的目的。

图6-1 调光台灯电路图

◇任务要求◇

（1）根据电路图设计单面PCB板，元器件布局合理，大面积接地。

（2）单面PCB设计和安装，面积小于 10 cm×10 cm。

（3）利用Multisim14软件，根据电路图，绘制电路的仿真图。

◇相关知识◇

一、晶闸管

1．晶闸管的结构、符号

晶闸管外部有三个电极，内部由PNPN四层半导体构成，最外层的P层和N层分别引出阳极A和阴极K，中间的P层引出门极（或称控制极）G，内部有三个PN 结。图6-2为晶闸管的结构示意图，图6-3为晶闸管的符号。

图6-2 晶闸管的结构示意图

图6-3 晶闸管的符号

2．晶闸管的工作特性

（1）晶闸管的导电特点：

①晶闸管具有单向导电特性。

②晶闸管的导通是通过门极控制的。

（2）晶闸管导通的条件：

①阳极与阴极间加正向电压。

②门极与阴极间加正向电压，这个电压称为触发电压。

以上两个条件，必须同时满足，晶闸管才能导通。

（3）导通后，晶闸管关断的条件：

①降低阳极与阴极间的电压，使通过晶闸管的电流小于维持电流iH。

②阳极与阴极间的电压减小为零。

③将阳极与阴极间加反向电压。

只要具备以上其中一个条件就可使导通的晶闸管关断。

二、单结晶体管振荡电路

1．单结晶体管的结构、符号

单结晶体管内部有一个PN结，所以称为单结晶体管；有三个电极，分别是发射极和两个基极，所以又称为双基极二极管。它是在一块高掺杂的N型硅基片一侧的两端各引出一个接触电阻很小的极，分别称为第一基极B1 和第二基极B2。而在硅片的另一侧靠近B2处，掺入P型杂质，形成PN 结，引出电极，称为发射极E。单结晶体管的结构如图6-4所示，符号如图6-5所示，等效电路如图6-6所示。

图6-4 单结晶体管的结构

图6-5 单结晶体管的符号

图6-6 单结晶体管的等效电路

2．单结晶体管的伏安特性

图6-7为单结晶体管的伏安特性曲线。

图6-7 单结晶体管的伏安特性曲线

当UE<UA时，PN结反向截止，单结晶体管截止。

当UE≥UA时，PN结正向导通，IE显著增加，RB1迅速减小，UE下降——负阻特性管子由截止区进入负阻区的临界点——峰点（用P表示）。

峰点电压：UE＝ηUBB＋UD；峰点电流：IP。

当UE下降至谷点时，谷点电压为UV，谷点电流为IV，过了V点后，管子又恢复正向特性，随IE增大，UE略有增大——饱和区。

3．单结晶体管的振荡电路(https://www.xing528.com)

图6-8为单结晶体管的振荡电路，图6-9为单结晶体管的振荡波形。

图6-8 单结晶体管的振荡电路

图6-9 单结晶体管的振荡波形

接通电源后，UBB经RP、RE给电容C充电，UC按指数规律增大，当UC=UP时，单结晶体管导通，RB1迅速减小，电容通过RB1、R1迅速放电，在R1上形成脉冲波形。当UC=UV时，单结晶体管截止，放电结束，输出电压降为0，完成一次振荡。电源再次对电容充电，并重复上述过程。

改变RP的阻值（或电容C的大小），可改变电容充电的速度，使输出脉冲提前或移后，从而控制晶闸管触发导通的时刻。RP阻值越大，触发脉冲后移，控制角增大，反之控制角减小。

利用单结晶体管的负阻特性和RC的充放电特性，组成频率可调的振荡电路。

◇软件仿真◇

一、原理图绘制

进入Multisim13 ，从元件库中选择二极管1N4007、晶闸管、单结晶体管、电阻、灯泡等，并置入对象选择器窗口，再放置到图形编辑窗口，在图形编辑窗口中画好仿真原理图，如图6-10所示。

图6-10 调光台灯电路仿真原理图

二、仿真调试

绘制好电路原理图后，单击“虚拟仪表”按钮，在对象选择器中找到“XMM1（万用表）”，添加到原理图编辑区，按照图6-11所示调光台灯电路仿真原理图布置并连接好。按下“仿真”按钮，观察并记录灯泡的状态和记录示波器显示的波形。调节电位器RP1观察灯泡的亮度和灯泡两端的电压变化情况。

图6-11 电位器RP调节到10%时，灯泡两端的电压

图6-12 电位器RP调节到50%时，灯泡两端的电压

图6-13 电位器RP调节到90%时，灯泡两端的电压

◇任务实施◇

一、电路的安装

（1）焊接。在万能板上对元器件进行布局，并依次焊接。焊接时，注意电解电容及三极管的极性。

（2）检查。检查焊点，查看是否有虚焊、漏焊；检查电解电容及三极管的极性，看是否连接正确。

（3）元件清单（表6-1）

表6-1 元件清单

二、电路的测试与调整

1．工作原理分析

本电路主要由桥式整流电路、调光控制电路、单结晶体管张弛振荡电路等组成。接通电源前，电容器C1上的电压为零。接通电源后，电容经由R4、RP充电，电压VE逐渐升高。当达到峰点电压时，E-B1间导通，电容上电压向电阻放电。当电容上的电压降到谷点电压时，单结晶体管恢复阻断状态。此后，电容又重新充电，重复上述过程，结果会在电容上形成锯齿状电压，在电阻R3上则形成脉冲电压，此脉冲电压作为晶闸管V5的触发信号。在V1～V4桥式整流输出的每一个半波时间内，振荡器产生的第一个脉冲为有效触发信号。调节RP的阻值，可改变触发脉冲的相位，控制晶闸管V5的导通角，调节灯泡亮度。

2．调试与排除故障

电路安装完毕，经检查无误后即可通电调试，按表6-2的要求调试、测量数据，并将测量数据填入表6-2中。

表6-2 调光台灯元器件各点

◇思考题◇

1．晶闸管导通的条件是什么？晶闸管导通后，通过管子阳极的电流大小由哪些因素决定？已经导通的晶闸管在什么条件下才能从导通转为截止？

2．晶闸管是否有放大作用？它与晶体三极管的放大有何不同？

3．简述使用万用表判别晶闸管元件的步骤和方法。

4．在单项半控桥式可控整流电路中，输入电压为交流220 V，负载电阻为 20 Ω。试求：（1）α=60°时，输出电压平均值U0和电流平均值I0，并选择可控硅和二极管。（2）画出io电流io以及可控硅两端电压uSCR的波形。

三、总结

本任务使你学习到到哪些知识？积累了哪些经验？填入表6-3中，有利于提升自己的技能水平。

表6-3 工作总结

四、工作岗位6S处理

工作任务全部完成后，关闭工作台总电源，拆下测量线和连接导线，归还借用工具仪器。组员对工作岗位进行“整理、整顿、清扫、清洁、安全、素养”处理。维护和保养测量仪器、仪表，确保其运行在最佳工作状态。

◇任务评价◇

表6-4 调光台灯装调评价表