【文章內容簡介】 臺燈提供穩(wěn)定的 12V 直流電源，在臺燈底座殼內安置恒流源電源板，將直流電壓變換成穩(wěn)定的直流恒流源，以滿足 LED 光源發(fā)光的技術要求。在直流 恒流源前可加一電源開關，以便在臺燈不用時可關斷直流電源，但不能關斷220V 交流電源，因此不用時應從墻上取下適配器的電源插頭，這也是這個實用方案的唯一 “缺點 ”。如不想采用機械開關，并想要一個更有創(chuàng)意的賣點，可選用電子觸摸開關，如手指輕點可實現(xiàn)臺燈的開 全亮、半暗、關；由于電子技術的快速進步，電子觸摸開關如今已是一個低成本的器件。 光控臺燈的電路原理圖 光控臺燈電路圖 光控臺燈工作原理 雙控調光臺燈具有 手控 和 光控 兩種功能 ,它是在普通手動控制調光臺燈的基礎上加裝一光控電路 ,使其能根據周圍環(huán)境照度自動調整臺燈亮度 ,當環(huán)境照度較弱時 ,其亮度就大 。當環(huán)境照度較強時 ,其亮度就小。 該燈電路見圖 1。當開關 S 撥向位置 2 時，它是一個普通調光臺燈。RP、 C 和氖泡 N 組成張弛振蕩器，用來產生脈沖觸發(fā)可控硅 VS。一般臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 7 氖泡輝光導通電壓為 60－ 80V，當 C 充電到輝光電壓時， N 輝光導通，VS 被 觸發(fā)導通。調節(jié) RP 能改變 C 充電速率，從而能改變 VS 導通角，達到調光的目的。 R R3 構成分壓器通過 VD5 也向 C 充電，改變 RR3 分壓也能改變 VS 導通角，使燈的亮度發(fā)生變化。 當 S 撥向位置 1 時，光敏電阻 RG 取代 R3，當周圍光線較弱時， RG呈現(xiàn)高電阻， VD5 右端電位升高，電容 C 充電速率加快，振蕩頻率變高，VS 導通角增大，電燈兩端電壓升高、高度增大。當周圍光線增強時，RG 電阻變小，與上述相反，電燈兩端電壓變低，高度減小。 光控臺燈原理圖 在 V2 的正半周期內，加在 SCR 陽極的電壓為正，陰極為負， SCR承受正向電壓，此時具備導通條件之一。 在此期間的某一時刻 ?t1 以前，由于未加觸發(fā)脈沖，所以 SCR 是正向阻斷的，燈泡上沒有電流流過。如在 ?t1 時刻向 SCR 的控制極施加一觸發(fā)脈沖， SCR 立即導通，燈泡上便有電流流過。忽略 SCR 的正向壓降，主回路 控制回路 臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 8 則燈泡上變化著的直流電壓瞬時值 ud 和交流電源電壓瞬時值 V2 相同。當 ?t=180 時， V2 降至零， SCR 流過的電流降到維持電流以下而使 SCR關斷，此時燈泡上的電壓和電流都消失。在 V2 的負半周期， SCR 承受反向電壓，不能導 通。直到第二個周期相當于 ?t1 時刻再施加觸發(fā)脈沖，SCR 再次導通。所以，負載上的電壓是變化著的脈動直流電壓 。 臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 9 第三章 方案設計 根據題目的要求，確定如下方案： 由 實驗電路圖 可 將 該系統(tǒng)分為五個部分，這五個部分分別為： 1． 光感應部分 2． 分壓器 3． 張弛振蕩器 4． 晶閘管（可控硅） 5． 橋式 整流電路 光感應部分 圖 光敏電阻 光敏電阻的定義 光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下 ，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。 光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 10 的變化轉換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下 ，它的阻值（暗阻）可達 1~10M歐 ,在強光條件（ 100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（ ~）μm的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設計大為簡化。 ．光敏電阻的工作原理： 光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的 材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體 圖 光敏電阻原理圖 及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子 —空穴對了半導體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率 變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 11 阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產生的電子 —空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現(xiàn)光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數(shù)目的多少。 分壓器 圖 分壓器 串聯(lián)分壓的原理： 在串聯(lián)電路中，各電阻上的電流相等，各電阻兩端的電壓之和等于電路總電壓。可 知每個電阻上的電壓小于電路總電壓，故串聯(lián)電阻分壓。 并聯(lián)分流的原理： 在并聯(lián)電路中，各電阻兩端的電壓相等，各電阻上的電流之和等于總電流（干路電流）?？芍總€電阻上的電流小于總電流（干路電流），故并聯(lián)電阻分流。 分壓原理 R1:R2=U1： U2 分流原理 R1:R2= I 2:I 1 串聯(lián)電路中分壓原理： U1： U2=R1： R2 并聯(lián)電路中分壓原理： I1： I2=R2： R1 臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 12 由此可知，當開關撥到 1 時，該電路屬于 “光控 ”狀態(tài)。 R2 與光敏電阻 RG 組成分壓電路，可以向電容充電，當 RG 變化時， VS 的導通角會發(fā)生變化。 當開關撥到 2 時，該電路屬于 “手控 ”狀態(tài)，這時 R2 于 R1 組 成固定的分壓器，以固定的電流向電容充電，當開關撥到 2 時，該電路屬于 “手控 ”狀態(tài)，這時 R2 于 R1 組成固定的分壓器，以固定的電流向電容充電，這是臺燈亮度不發(fā)生變化 . 張弛振蕩器 張弛振蕩器電路圖 圖 張弛振蕩器 臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 13 單結晶體管的特性 圖 單結管的特性 由圖 可以看出，兩基極 b1 與 b2 之間的電阻稱為基極電阻： rbb=rb1+rb2 式中： rb1第一基極與發(fā)射結之間的 電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie 而變化， rb2 為第二基極與發(fā)射結之間的電阻，其數(shù)值與 ie 無關；發(fā)射結是 PN 結，與二極管等效。 若在兩個基極 b b1 間加上正電壓 Vbb，則 A 點電壓為： VA=[rb1/(rb1+rb2)]vbb=(rb1/rbb)vbb=ηVbb 式中： η稱為分壓比，其值一般在 之間，如果發(fā)射極電壓 VE 由零逐漸增加，就可測得單結晶體管的伏安特性，見圖 2 圖 單結晶體管的伏安特性 圖 單結晶體管 （ 1）當 Ve＜ η Vbb 時，發(fā)射結處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流 Iceo。 （ 2）當 Ve≥η Vbb+VD VD 為二極管正向壓降（約為 伏），PN 結正向導通， Ie 顯著增加， rb1 阻值迅速減小， Ve 相應下降，這臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 14 種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負阻特性。管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界 P 稱為峰點，與其對就的發(fā)射極電壓和 電流，分別稱為峰點電壓 Vp 和峰點電流 Ip 和峰點電流 Ip。 Ip 是正向漏電流，它是使單結晶體管導通所需的最小電流，顯然 Vp=ηVbb （ 3）隨著發(fā)射極電流 ie 不斷上升， Ve 不斷下降，降到 V 點后，Ve 不在降了，這點 V 稱為谷點，與其對應的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點電壓， Vv 和谷點電流 Iv。 （ 4）過了 V 點后，發(fā)射極與第一基極間半導體內的載流子達到了飽和狀態(tài)，所以 uc 繼續(xù)增加時， ie 便緩慢地上升，顯然 Vv是維持單結晶體管導通的最小發(fā)射極電壓，如果 Ve＜ Vv，管子重新截止。 單結晶體管的主要參數(shù)： （ 1）基極 間電阻 Rbb 發(fā)射極開路時，基極 b b2 之間的電阻，一般為 210 千歐，其數(shù)值隨溫度上升而增大。 （ 2）分壓比 η 由管子內部結構決定的常數(shù)，一般 。 （ 3） eb1 間反向電壓 Vcb1 b2 開路，在額定反向電壓 Vcb2 下，基極 b1 與發(fā)射極 e 之間的反向耐壓。 （ 4）反向電流 Ieo b1 開路，在額定反向電壓 Vcb2 下， eb2 間的反向電流。 （ 5）發(fā)射極飽和壓降 Veo 在最大發(fā)射極額定電流時， eb1 間的壓降。 （ 6）峰點電流 Ip 單結晶體管剛開始導通時，發(fā)射極電壓為峰點電壓時的發(fā)射極 電流 張弛振蕩器的工作原理 電源未接通前， C1 上的電壓為零，開關閉和后， C1通過 R 以時間常數(shù) R*C1 充電， C1上的電壓 Uc逐漸升高至峰點電壓 UP 時 ， e — b1 導通，單結管進入負阻狀態(tài)， C1 通過 e — b1 經 R4 放電。于是在 R4 兩端產生輸出脈沖 UR4 。 臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 15 由于 R 的阻值較大，當 C1 上的電壓降到谷點電壓 UV 時，經過 R 供給的電流小于谷點電流 ，不能滿足導通的要求，于是 e — b1 之間的電阻 Rb1 迅速增大，單結管恢復阻斷狀態(tài)。然后 C1 又重新充電重復上述過程。由于 C1 的放 電時間常數(shù) (Rb1+R4)*C1遠遠小于充電時間常數(shù) R*C1，所以 C1 上的電壓 Uc 呈鋸齒波，R4 上的電壓 UR4 為正向脈沖。 圖 張弛振蕩器原理 晶閘管（可控硅） 圖 晶閘管 臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 16 可控硅的概念 晶閘管又叫可控硅 (Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自從 20世紀 50 年代問世以來已經發(fā)展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管，等等。 可控硅器件是一種非常重要的功率器 件，可用來做高電壓和高電流的控制?？煽毓杵骷饕迷陂_關方面，使器件從關閉或是阻斷的狀態(tài)轉換為開啟或是導通的狀態(tài)，反之亦然。可控硅器件與雙極型晶體管有密切的關系，二者的傳導過程皆牽涉到電子和空穴，但可控硅的開關機制和雙極晶體管是不同的，且因為器件結構不同，可控硅器件有較寬廣范圍的電流、電壓控制能力?，F(xiàn)今的可控硅器件的額定電流可以從幾毫安到 5000A 以上，額定電壓可以超過10000V。下面將討論基本可控硅器件的工作原理，然后給出一些高功率和高頻率的可控硅器件。 圖 可控硅結構示意圖和符號圖 可控硅的主要工作特性 為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板(圖 3)。晶閘管 VS 與小燈泡 EL 串聯(lián)起來，通過開關 S 接在直流電源上。注意陽極 A 是接電源的 正極 ，陰極 K 接電源的負極，控制極G 通過按鈕開關 SB 接在 直流電源的正極 (這里使用的是 KP1型晶閘管，若采用 KP5 型，應接在 3V 直流電源的正極 )。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控臺燈亮度自動調節(jié)電路設計 17 制極所加的都是 正向電壓。 現(xiàn)在我們合上電源開關 S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導通；再按一下按鈕開關 SB，給控制極輸入一個觸發(fā)電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這個演示實驗給了我們什么啟發(fā)呢 ? 圖 可控硅 這個實驗告訴我們，要使晶閘管導通，一是在它的陽極 A 與陰極 K 之間外加正向電壓，二是在它的控制極 G 與陰極 K 之間輸入一個正向觸發(fā)電壓。晶閘管導通后，松開按鈕開關，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導通狀態(tài)。 可控硅的導通角 在電力電子領域，導通角是指在一個周期內，由電力電子器件（如晶閘管）控制其導通的角度。 交流電一般為正弦波形，它的一個周期為 360 度，正半周占 180度，負半周占 180 度。這里以可控硅作可控整流器件為例，當交流電通過二極管整流器件時，器件讓正半周期的 180 度電流通過，而負半周期的 180 度的電流則不能通過通過，這種方式稱為半波整流。 當交流電通過可