學(xué)習(xí)情境五 調(diào)光臺燈的設(shè)計(jì)

情境五 設(shè)計(jì)與制作調(diào)光臺燈課時16任務(wù)內(nèi)容1、學(xué)習(xí)晶閘管的基本知識 2、晶閘管可控整流電路及調(diào)壓電路的工作原理分析 3、晶閘管簡單觸發(fā)電路的工作原理及設(shè)計(jì) 4、學(xué)會調(diào)光臺燈電路的設(shè)計(jì) 5、學(xué)習(xí)電路的調(diào)試 能力培養(yǎng)專業(yè)能力學(xué)習(xí)晶閘管的基本知識、晶閘管可控整流電路及調(diào)壓電路的工作原理分析、晶閘管簡單觸發(fā)電路的工作原理及設(shè)計(jì)；學(xué)會調(diào)光臺燈電路的設(shè)計(jì)；學(xué)習(xí)電路的調(diào)試。社會能力培養(yǎng)學(xué)生的求知欲、合作能力、協(xié)調(diào)能力。方法能力讓學(xué)生掌握職業(yè)教育學(xué)習(xí)方法、課外觀察方法、引導(dǎo)學(xué)生提問，啟發(fā)學(xué)生提問及自學(xué)的能力。教學(xué)方法任務(wù)驅(qū)動法、分組討論法、引導(dǎo)文法教學(xué)媒體課件演示、事物、現(xiàn)場觀摩教學(xué)教學(xué)場所一體化教室教學(xué)過程教學(xué)方法教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動教學(xué)目的課前組織1、清點(diǎn)學(xué)生人數(shù)2、檢查制作所需要的器件。3、準(zhǔn)備好多媒體設(shè)備、課件、展示的實(shí)物準(zhǔn)備好。4、其他教學(xué)用品等。明確任務(wù)操作演示1、 提出學(xué)習(xí)任務(wù)：設(shè)計(jì)調(diào)光臺燈電源。2、 任務(wù)要求：（1）學(xué)習(xí)晶閘管的基本知識 （2）晶閘管可控整流電路及調(diào)壓電路的工作原理分析 （3）晶閘管簡單觸發(fā)電路的工作原理及設(shè)計(jì) （4）學(xué)會調(diào)光臺燈電路的設(shè)計(jì) （5）學(xué)習(xí)電路的調(diào)試3、實(shí)習(xí)要求： （1）遵守一體化教室規(guī)章制度（2）分組觀摩實(shí)踐觀察思考記錄1讓學(xué)生明確學(xué)習(xí)目的。2激發(fā)學(xué)生興趣。資訊相關(guān)知識：一、認(rèn)識晶閘管晶閘管全稱晶體閘流管、原稱可控硅。20世紀(jì)50年代問世，是一種能夠通過控制信號控制其導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷的半控型大功率半導(dǎo)體器件。由于它具有體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便和壽命長等特點(diǎn)，并且其導(dǎo)通時刻可控，滿足了調(diào)壓要求，因而在生產(chǎn)實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。除普通晶閘管（SCR）外，晶閘管還有許多派生器件，如快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）和光控晶閘管（LTT）等。本書僅介紹普通晶閘管和雙向晶閘管。二、普通晶閘管圖6-5晶閘管的管芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路晶閘管的工作原理先看圖6-8所示實(shí)驗(yàn)。圖6-8（a），陽極A接電源正極、陰極K接電源負(fù)極，開關(guān)S斷開，燈H不亮，晶閘管不導(dǎo)通。圖6-8（b），S閉合，即控制極G加正向電壓，燈H亮，晶閘管導(dǎo)通。圖6-8（c），晶閘管導(dǎo)通后，將S斷開，燈H仍亮，表明晶閘管仍導(dǎo)通，說明晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制極就失去了控制作用。要關(guān)斷晶閘管，必須使陽極電流減小到一定值以下，這只有通過使陽極電壓減小到零或反向電壓的方法來實(shí)現(xiàn)。圖6-8晶閘管導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)可以看出晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件如下：（1）晶閘管導(dǎo)通必須具備兩個條件：晶閘管陽極與陰極間必須接正向電壓，控制極與陰極之間也要接正向電壓； （2）晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制極即失去控制作用； （3）導(dǎo)通后的晶閘管要關(guān)斷，必須減小其陽極電流使其小于晶閘管的維持電流IH 。晶閘管的伏安特性圖6-10晶閘管陽極伏安特性曲線 晶閘管的主要參數(shù)1、電壓定額額定電壓UTN 是指元件的標(biāo)稱電壓。通常取正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM、URRM中數(shù)值較小的一個，然后根據(jù)表6-1所示的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級由生產(chǎn)廠家標(biāo)注于產(chǎn)品或合格證上。UDRM（URRM）是門極開路且晶閘管的結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在元件上的正（反）向峰值電壓。通態(tài)平均電壓UT(AV) 晶閘管導(dǎo)通時陽極和陰極之間壓降的平均值。當(dāng)額定電流大小相等而通態(tài)平均電壓較小時，晶閘管耗散功率也較小，則該管子的質(zhì)量就較高。2、電流定額額定電流IT(AV)（額定通態(tài)平均電流） 在環(huán)境溫度為40和器件規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導(dǎo)通角不小于170）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值時所允許的最大通態(tài)平均電流，稱為額定通態(tài)平均電流。維持電流IH 在室溫下且門極開路時，晶閘管從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為維持電流IH。維持電流IH一般約為幾十毫安。擎住電流IL 在晶閘管的門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件從阻斷狀態(tài)剛轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤掉觸發(fā)電壓，此時晶閘管要保持繼續(xù)導(dǎo)通所需要的最小陽極電流，稱為擎住電流IL。對同一個晶閘管而言，擎住電流IL要比維持電流IH大24倍。欲使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，必須使觸發(fā)脈沖保持到陽極電流上升到擎住電流以上，否則會造成晶閘管重新恢復(fù)阻斷狀態(tài)，因此觸發(fā)脈沖必須具有一定的寬度。3、門極定額門極觸發(fā)電壓UGT和門極觸發(fā)電流IGT 在室溫下，在晶閘管的陽極和陰極之間加上6V的正向電壓時，能使晶閘管由阻斷狀態(tài)完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓，稱為門極觸發(fā)電壓UGT。門極反向峰值電壓UGRM 指門極所允許加的反向電壓的最大值，一般門極所加反向電壓應(yīng)小于UGRM，通常安全電壓為5V。三、雙向晶閘管1、雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)雙向晶閘管又稱雙向可控硅，其核心部分是NPNPN五層三端半導(dǎo)體器件，功能上相當(dāng)于一對具有公共門極的反向并聯(lián)的普通晶閘管，如圖6-11（c）。雙向晶閘管有三個電極，分別稱為第一電極T1、第二電極T2、門極G（或控制極），T1、T2又稱為主電極。電路符號如圖6-11（d）。雙向晶閘管外形結(jié)構(gòu)有平板型、螺栓型、塑封型多種，一般調(diào)光臺燈、吊扇無極調(diào)速等小功率電路多采用塑封型。圖6-11（e）為小功率塑封雙向晶閘管的外形，管腳排列順序一般是T1、T2、G。圖6-11 雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號及外形雙向晶閘管的伏安特性圖6-12 雙向晶閘管的伏安特性雙向晶閘管的觸發(fā)方式觸發(fā)方式：UTIT20，Ug0，觸發(fā)靈敏度最高，特性曲線在第一象限。觸發(fā)方式：UTIT20，Ug0，觸發(fā)靈敏度較高，特性曲線在第一象限。觸發(fā)方式：UTIT20，Ug0，觸發(fā)靈敏度最低，特性曲線在第三象限。觸發(fā)方式：UTIT20，Ug0，觸發(fā)靈敏度較高，特性曲線在第三象限。雙向晶閘管的參數(shù)雙向晶閘管的主要參數(shù)只有額定電流與普通晶閘管不同，其它參數(shù)定義與普通晶閘管相似。由于雙向晶閘管工作在交流電路中，正、反向電流都可以流過，所以它的額定電流不是用平均值，而是用有效值來表示的。定義為：額定電流（也稱額定通態(tài)電流）IT(RSM)：在規(guī)定的環(huán)境溫度和散熱條件下，在電阻性負(fù)載的單相、工頻（50Hz）、正弦（導(dǎo)通角不小于170）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值時所允許通過的正弦交流電流的有效值。普通晶閘管的萬用表簡單測試用萬用表R100擋可以判定三個電極：負(fù)表筆接某一電極，正表筆依次碰觸另外兩個電極，假如有一次阻值很小，約幾百歐姆，另一次阻值很大，約幾千歐姆，說明負(fù)表筆接的是門極G。在阻值小的那次測量中，正表筆接的是陰極K；阻值大的那次，正表筆接的是陽極A。若兩次測出的阻值都很大，說明負(fù)表筆接的不是門極，改接其它電極重新測。四、單相可控整流電路1、單相半波可控整流電路（1）電阻性負(fù)載電路結(jié)構(gòu)、工作原理及波形分析圖6-13為單相半波可控整流電路電阻性負(fù)載電路圖及工作波形。在實(shí)際應(yīng)用中，某些負(fù)載基本上是電阻性的，如白熾燈、電阻加熱爐、電解和電鍍等。電阻性負(fù)載的特點(diǎn)是電壓與電流成正比，波形相同并且同相位，電流可以突變。電路由電源變壓器Tr、晶閘管VT、負(fù)載電阻R組成。變壓器Tr起變換電壓和隔離的作用，其一次和二次電壓瞬時值都是50Hz正弦波，分別用u1和u2表示。并設(shè)u2的有效值用U2表示。圖6-13單相半波可控整流電路電阻性負(fù)載電路圖及波形(a)(b)（2）電感性負(fù)載電路結(jié)構(gòu)、工作原理及波形分析圖6-14為單相半波可控整流電路電感性負(fù)載電路圖及工作波形圖。當(dāng)負(fù)載中感抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻時稱為電感性負(fù)載。電感性負(fù)載通常是電機(jī)的勵磁線圈或負(fù)載串聯(lián)電抗器等，電感性負(fù)載的等效電路可以用一個電感L和電阻的串聯(lián)電路來表示。圖6-14單相半波可控整流電路電感性負(fù)載電路圖及波形五、晶閘管的簡易觸發(fā)電路1、晶閘管的門極驅(qū)動1）常用的觸發(fā)信號晶閘管的觸發(fā)電壓信號可以是直流、交流或脈沖電壓，但由于晶閘管導(dǎo)通后門極觸發(fā)信號即失去控制作用，為了減小觸發(fā)電路的驅(qū)動功率，一般不采用直流或交流觸發(fā)信號，廣泛采用脈沖觸發(fā)信號。圖6-20是常用的觸發(fā)脈沖波形。2）對觸發(fā)信號的要求為了保證晶閘管電路能正常、可靠地工作，觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖必須滿足一下要求：（1）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率。晶閘管要想觸發(fā)導(dǎo)通，所加的門極觸發(fā)電壓Ug和電流Ig的大小必須大于晶閘管要求的UGT和IGT并且要留有足夠的裕量。在實(shí)際應(yīng)用中，門極觸發(fā)電壓的幅值應(yīng)比UGT大幾倍。（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)用一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡，以使晶閘管在觸發(fā)導(dǎo)通后陽極電流能迅速上升超過擎住電流而維持導(dǎo)通。對于電感性負(fù)載，由于電流上升較慢，觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)更大一些。（3）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能在規(guī)定范圍內(nèi)移動。即移相范圍要與相應(yīng)電路匹配，例如單相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載時要求觸發(fā)脈沖的移相范圍是0 180；而電感性負(fù)載時要求移相范圍是0 90。（4）觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為使晶閘管在每個周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與主電路電源同步并保持固定的相位關(guān)系。如圖6-19所示，觸發(fā)電路同時受控制電壓uc和同步電壓us控制。觸發(fā)電路與晶閘管常用的連接方式有直接連接、光耦合器連接、脈沖變壓器耦合連接。其中直接連接方式常用于一些簡單設(shè)備中。六、調(diào)光臺燈電路1、普通調(diào)光臺燈圖6-30所示是用普通晶閘管構(gòu)成的普通調(diào)光臺燈電路，工作原理是：當(dāng)交流電的正半周或副半周到來是，經(jīng)過全橋整流，加到晶閘管上的電源是單向的。該電壓通過電位器RP給電容充電，當(dāng)電容C2上的電壓達(dá)到一定數(shù)值后，就會觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。調(diào)節(jié)RP的阻值，可以改變充電的時間長短，從而控制晶閘管的導(dǎo)通角。其中晶閘管使用MCR100-6，整流二極管使用1N4007。燈泡應(yīng)選擇60W以下的白熾燈。圖6-30 用普通晶閘管構(gòu)成的普通調(diào)光臺燈電路圖6-31所示是用雙向晶閘管構(gòu)成的普通調(diào)光臺燈電路。當(dāng)開關(guān)S閉合后，工頻交流電經(jīng)白熾燈泡H、RP、R3對電容C2充電。當(dāng)C2上的電壓上升到雙向二極管VD導(dǎo)通電壓時，VD導(dǎo)通，觸發(fā)雙向晶閘管VT導(dǎo)通，交流電經(jīng)H、VT構(gòu)成通路，白熾燈H被點(diǎn)亮。調(diào)節(jié)RP的阻值可改變VT的導(dǎo)通角，即改變著白熾燈H兩端的電壓，從而起到調(diào)光的作用。圖中R1和C1構(gòu)成的移相延遲網(wǎng)絡(luò)起補(bǔ)償作用。圖6-31所示的電路性能更好一些，可以控制更大功率的電器圖6-31 用雙向晶閘管構(gòu)成的普通調(diào)光臺燈電路自動穩(wěn)光的調(diào)光臺燈圖6-31所示是光控自動調(diào)光臺燈電路。它有一只光電探頭放在書本附近，可使書本上的照度自動調(diào)到合適的數(shù)值，既可減少手動調(diào)光的麻煩，又可保護(hù)視力。同時，它具有穩(wěn)光功能，當(dāng)電源電壓波動時，臺燈亮度保持不變。如果想讓它跟普通調(diào)光臺燈一樣調(diào)光，只要改變探頭和燈泡的距離即可，使用起來十分有效。1、電路工作原理：交流電壓經(jīng)整流橋后，一路經(jīng)R1由穩(wěn)壓管VD穩(wěn)壓得9V的脈動直流電壓供控制電路使用；另一路加到燈泡H和晶閘管VT3兩端。改變VT3的導(dǎo)通角即可改變燈泡H的亮度；H中通過的是脈動直流電流?？刂齐娐肥褂妹}動直流電源可保證輸出的觸發(fā)脈沖與晶閘管VT3的陽極電壓同步。圖6-32 光控自動調(diào)光臺燈電路學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)，記錄相關(guān)內(nèi)容1引導(dǎo)學(xué)生建立分析問題的方法。2對學(xué)生進(jìn)行知識儲備。計(jì)劃計(jì)劃：在教師的指導(dǎo)下，分組討論，根據(jù)電路圖及所學(xué)知識寫出針對調(diào)光臺燈的分析報(bào)告，列出可行的實(shí)施方案。決策決策：各小組根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)施方案的確定。實(shí)踐與操作操作與實(shí)踐：1、 觀察調(diào)光臺燈的電路接線圖。2、 通過模型了解其工作原理。3、 針對故障分析原因。4、 分組討論完成實(shí)踐報(bào)告。讓學(xué)生掌握理解相關(guān)的知識檢查檢查：檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)筆記及分析報(bào)告，鼓勵學(xué)生大膽思維，對有創(chuàng)意的故障分析報(bào)告進(jìn)行宣讀集體討論，發(fā)覺閃光點(diǎn)，指出誤區(qū)。（學(xué)生在討論學(xué)習(xí)過程中，教師注意巡回指導(dǎo)，特別注意學(xué)生出現(xiàn)錯誤時引導(dǎo)學(xué)生查找錯誤的原因）激發(fā)學(xué)生解決問題的積極性與熱情。評價(jià)與作業(yè)評價(jià)：1、 根據(jù)學(xué)生報(bào)告情況進(jìn)行分析，從好與不足兩方面實(shí)事求是的進(jìn)行評價(jià)；2、 進(jìn)行差異評價(jià)和鼓勵評價(jià)；3、 進(jìn)行學(xué)習(xí)態(tài)度和主動學(xué)習(xí)的意識方面進(jìn)行評價(jià)，多鼓勵；4、 提醒學(xué)生將筆記報(bào)告存檔管理，以備后用。作業(yè)：根據(jù)所學(xué)知識分析對于電流較大且負(fù)載經(jīng)常變化的大功率場合，應(yīng)采用哪種濾波電路？