學習情境五 調光臺燈的設計

情境五 設計與制作調光臺燈課時16任務內容1、學習晶閘管的基本知識 2、晶閘管可控整流電路及調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計 4、學會調光臺燈電路的設計 5、學習電路的調試 能力培養(yǎng)專業(yè)能力學習晶閘管的基本知識、晶閘管可控整流電路及調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計；學會調光臺燈電路的設計；學習電路的調試。社會能力培養(yǎng)學生的求知欲、合作能力、協(xié)調能力。方法能力讓學生掌握職業(yè)教育學習方法、課外觀察方法、引導學生提問，啟發(fā)學生提問及自學的能力。教學方法任務驅動法、分組討論法、引導文法教學媒體課件演示、事物、現場觀摩教學教學場所一體化教室教學過程教學方法教學內容學生活動教學目的課前組織1、清點學生人數2、檢查制作所需要的器件。3、準備好多媒體設備、課件、展示的實物準備好。4、其他教學用品等。明確任務操作演示1、 提出學習任務：設計調光臺燈電源。2、 任務要求：（1）學習晶閘管的基本知識 （2）晶閘管可控整流電路及調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計 （4）學會調光臺燈電路的設計 （5）學習電路的調試3、實習要求： （1）遵守一體化教室規(guī)章制度（2）分組觀摩實踐觀察思考記錄1讓學生明確學習目的。2激發(fā)學生興趣。資訊相關知識：一、認識晶閘管晶閘管全稱晶體閘流管、原稱可控硅。20世紀50年代問世，是一種能夠通過控制信號控制其導通，但不能控制其關斷的半控型大功率半導體器件。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，并且其導通時刻可控，滿足了調壓要求，因而在生產實際中得到廣泛應用。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晶閘管的管芯內部結構及等效電路晶閘管的工作原理先看圖6-8所示實驗。圖6-8（a），陽極A接電源正極、陰極K接電源負極，開關S斷開，燈H不亮，晶閘管不導通。圖6-8（b），S閉合，即控制極G加正向電壓，燈H亮，晶閘管導通。圖6-8（c），晶閘管導通后，將S斷開，燈H仍亮，表明晶閘管仍導通，說明晶閘管一旦導通后，控制極就失去了控制作用。要關斷晶閘管，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現。圖6-8晶閘管導通實驗可以看出晶閘管的導通與關斷條件如下：（1）晶閘管導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）晶閘管一旦導通后，控制極即失去控制作用； （3）導通后的晶閘管要關斷，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1、電壓定額額定電壓UTN 是指元件的標稱電壓。通常取正、反向斷態(tài)重復峰值電壓UDRM、URRM中數值較小的一個，然后根據表6-1所示的標準電壓等級由生產廠家標注于產品或合格證上。UDRM（URRM）是門極開路且晶閘管的結溫為額定值時，允許重復加在元件上的正（反）向峰值電壓。通態(tài)平均電壓UT(AV) 晶閘管導通時陽極和陰極之間壓降的平均值。當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，晶閘管在電阻性負載的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導通角不小于170）的電路中，結溫穩(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，當元件從阻斷狀態(tài)剛轉為導通狀態(tài)就撤掉觸發(fā)電壓，此時晶閘管要保持繼續(xù)導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)完全導通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對應于門極觸發(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、雙向晶閘管的結構雙向晶閘管又稱雙向可控硅，其核心部分是NPNPN五層三端半導體器件，功能上相當于一對具有公共門極的反向并聯的普通晶閘管，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）。雙向晶閘管外形結構有平板型、螺栓型、塑封型多種，一般調光臺燈、吊扇無極調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 雙向晶閘管的結構、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。雙向晶閘管的參數雙向晶閘管的主要參數只有額定電流與普通晶閘管不同，其它參數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，在電阻性負載的單相、工頻（50Hz）、正弦（導通角不小于170）的電路中，結溫穩(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）電阻性負載電路結構、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載電路圖及工作波形。在實際應用中，某些負載基本上是電阻性的，如白熾燈、電阻加熱爐、電解和電鍍等。電阻性負載的特點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載電路圖及波形(a)(b)（2）電感性負載電路結構、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載電路圖及工作波形圖。當負載中感抗遠遠大于電阻時稱為電感性負載。電感性負載通常是電機的勵磁線圈或負載串聯電抗器等，電感性負載的等效電路可以用一個電感L和電阻的串聯電路來表示。圖6-14單相半波可控整流電路電感性負載電路圖及波形五、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)電路產生的觸發(fā)脈沖必須滿足一下要求：（1）觸發(fā)脈沖應有足夠的功率。晶閘管要想觸發(fā)導通，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。在實際應用中，門極觸發(fā)電壓的幅值應比UGT大幾倍。（2）觸發(fā)脈沖應用一定的寬度且脈沖前沿應盡可能陡，以使晶閘管在觸發(fā)導通后陽極電流能迅速上升超過擎住電流而維持導通。對于電感性負載，由于電流上升較慢，觸發(fā)脈沖寬度應更大一些。（3）觸發(fā)脈沖的相位應能在規(guī)定范圍內移動。即移相范圍要與相應電路匹配，例如單相全控橋式整流電路電阻性負載時要求觸發(fā)脈沖的移相范圍是0 180；而電感性負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備中。六、調光臺燈電路1、普通調光臺燈圖6-30所示是用普通晶閘管構成的普通調光臺燈電路，工作原理是：當交流電的正半周或副半周到來是，經過全橋整流，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，當電容C2上的電壓達到一定數值后，就會觸發(fā)晶閘管導通。調節(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通角。其中晶閘管使用MCR100-6，整流二極管使用1N4007。燈泡應選擇60W以下的白熾燈。圖6-30 用普通晶閘管構成的普通調光臺燈電路圖6-31所示是用雙向晶閘管構成的普通調光臺燈電路。當開關S閉合后，工頻交流電經白熾燈泡H、RP、R3對電容C2充電。當C2上的電壓上升到雙向二極管VD導通電壓時，VD導通，觸發(fā)雙向晶閘管VT導通，交流電經H、VT構成通路，白熾燈H被點亮。調節(jié)RP的阻值可改變VT的導通角，即改變著白熾燈H兩端的電壓，從而起到調光的作用。圖中R1和C1構成的移相延遲網絡起補償作用。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 用雙向晶閘管構成的普通調光臺燈電路自動穩(wěn)光的調光臺燈圖6-31所示是光控自動調光臺燈電路。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到合適的數值，既可減少手動調光的麻煩，又可保護視力。同時，它具有穩(wěn)光功能，當電源電壓波動時，臺燈亮度保持不變。如果想讓它跟普通調光臺燈一樣調光，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：交流電壓經整流橋后，一路經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 光控自動調光臺燈電路學生認真學習，記錄相關內容1引導學生建立分析問題的方法。2對學生進行知識儲備。計劃計劃：在教師的指導下，分組討論，根據電路圖及所學知識寫出針對調光臺燈的分析報告，列出可行的實施方案。決策決策：各小組根據分析結果進行實施方案的確定。實踐與操作操作與實踐：1、 觀察調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、 分組討論完成實踐報告。讓學生掌握理解相關的知識檢查檢查：檢查學生的學習筆記及分析報告，鼓勵學生大膽思維，對有創(chuàng)意的故障分析報告進行宣讀集體討論，發(fā)覺閃光點，指出誤區(qū)。（學生在討論學習過程中，教師注意巡回指導，特別注意學生出現錯誤時引導學生查找錯誤的原因）激發(fā)學生解決問題的積極性與熱情。評價與作業(yè)評價：1、 根據學生報告情況進行分析，從好與不足兩方面實事求是的進行評價；2、 進行差異評價和鼓勵評價；3、 進行學習態(tài)度和主動學習的意識方面進行評價，多鼓勵；4、 提醒學生將筆記報告存檔管理，以備后用。作業(yè)：根據所學知識分析對于電流較大且負載經常變化的大功率場合，應采用哪種濾波電路？