电气开关课程设计报告书.docx
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电气开关课程设计报告书
1、设计要求………………………………………2
2、设计目的………………………………………2
1.熟悉晶闸管的开关作用…………………………2
2.掌握桥式整流电路原理…………………………6
3.掌握三极管的开关作用……………………8
4.掌握稳压管的作用…………………………9
3、设计的具体实现………………………………10
1.系统概述……………………………………10
2.单元电路设计………………………………11
3.仿真测试……………………………………13
4、结论与展望……………………………………16
5、心得体会及建议………………………………16
6、附录……………………………………………17
7、参考文献………………………………………18
楼道触摸延时开关设计报告
1、设计要求
1.设计一楼道触摸延时开关,其功能是当人用手触摸开关时,照明灯点亮,并延续一段时间后自动熄灭。
2.开关的延时时间约1分钟左右。
2、设计目的
1.熟悉晶闸管的开关作用
(1).晶闸管的开关作用
晶闸管是一种开关组件,广泛的应用在各种电路,以及电子设备中。
典型的小电流控制大电流的组件,通过一个电流很小的脉冲触发,当晶闸管处于导通状态时它的电阻变得很小相当于一跟导线。
(2).晶闸管的结构和工作原理
晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。
如图图2-1.1所示:
图2-1.1等效图
图2-1.2器件符号
当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。
每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。
因此是两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2,发射极电流相应为Ia和Ik,电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J2结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:
(1)
若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:
得出晶闸管阳极电流为:
(2)
硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2随其发射极电流的改变而急剧变化。
当晶闸管承受正向阳极电压,而门极未接受电压的情况下,式
(2)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO,晶闸管处于正向阻断状态;当晶闸管在正向门极电压下,从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结,从而提高放大系数α2,产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数α1,产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结,这样强烈的正反馈过程迅速进行。
当α1和α2随发射极电流增加而使得(α1+α2)≈1时,式
(2)中的分母1-(α1+α2)≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。
这时,流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定,晶闸管已处于正向导通状态。
晶闸管导通后,式
(2)中1-(α1+α2)≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通,门极已失去作用。
在晶闸管导通后,如果不断地减小电源电压或增大回路电阻,使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时,由于α1和α2迅速下降,晶闸管恢复到阻断状态。
(3).晶闸管的工作条件
●晶闸管承受反向阳极电压时,无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。
●晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
●晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。
●晶闸管在导通情况下,当主回路电压或电流减小到接近于零时,晶闸管关断。
(4).晶闸管的管脚鉴别
●单、双晶闸管的判别:
先任测两个极,若正、反测指针均不动(R×1挡),可能是A、K或G、A极(对单向晶闸管)也可能是T2、T1或T2、G极(对双向晶闸管)。
若其中有一次测量指示为几十至几百欧,则必为单向晶闸管。
且红笔所接为K极,黑笔接的为G极,剩下即为A极。
若正、反向测批示均为几十至几百欧,则必为双向晶闸管。
再将旋钮拨至R×1或R×10挡复测,其中必有一次阻值稍大,则稍大的一次红笔接的为G极,黑笔所接为T1极,余下是T2极。
图2-2晶闸管管脚
●性能的差别:
将旋钮拨至R×1挡,对于1~6A单向晶闸管,红笔接K极,黑笔同时接通G、A极,在保持黑笔不脱离A极状态下断开G极,指针应指示几十欧至一百欧,此时可控硅已被触发,且触发电压低(或触发电流小)。
然后瞬时断开A极再接通,指针应退回∞位置,则表明可控硅良好。
对于1~6A双向晶闸管,红笔接T1极,黑笔同时接G、T2极,在保证黑笔不脱离T2极的前提下断开G极,指针应指示为几十至一百多欧(视晶闸管电流大小、厂家不同而异)。
然后将两笔对调,重复上述步骤测一次,指针指示还要比上一次稍大十几至几十欧,则表明晶闸管良好,且触发电压(或电流)小。
若保持接通A极或T2极时断开G极,指针立即退回∞位置,则说明晶闸管触发电流太大或损坏。
可按图2方法进一步测量,对于单向晶闸管,闭合开关K,灯应发亮,断开K灯仍不息灭,否则说明晶闸管损坏。
对于双向晶闸管,闭合开关K,灯应发亮,断开K,灯应不息灭。
然后将电池反接,重复上述步骤,均应是同一结果,才说明是好的。
否则说明该器件已损坏。
2.掌握桥式整流电路原理
(1).单相桥式整流电路的组成
单相桥式整流电路由四只二极管组成,其构成原则就是保证在变压器副边电压u2正、负半周内正确引导流向负载的电流,使其方向不变。
设变压器副边两段分别为a和b,则a为“+”、b为“-”时应有电流留出a点,a为“-”、b为“+”时应有电流流入a点;相反,a为“+”、b为“-”时应有电流流入b点,a为“-”、b为“+”时应有电流流出b点;因而a和b点均应分别接两只二极管,以引导电流;如图2-3所示。
图2-3桥式整流原理
(2).工作原理
设变压器副边电压
,U2为其有效值。
当u2为正半周时,电流由a点流出,经过V1、RL、D3流入b点,因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压,即
,V2和V4管承受的反响电压为-u2。
当u2为负半周时,电流由b点流出,经V2、RL、V4流入a点,负载电阻RL上的电压等于-u2,即
,V1、V3承受的反向电压为u2。
这样,由于V1、V3和V2、V4两对二极管交替导通,致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过,而且方向不变,输出电压
。
如图2-4所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。
图2-4桥式整流电路电流、电压波形
(3).输出电压平均值UO(AV)和输出电流平均值IO(AV)
根据图2-4中所示uo的波形可知,输出电压的平均值
解得
由于桥式整流电路实现了全波整流电路,它将u2的负半周也利用起来,所以在变压器副边电压有效值相同的情况下,输出电流的平均值(即负载电阻中的电流平均值)
在变压器副边电压相同、且负载也相同的情况下,输出电流的平均值也是半波整流电路的两倍。
根据谐波分析,桥式整流电路的基波UOIM的角频率是u2的2倍,即100HZ,
。
故脉动系数
与半波整流电路相比,输出电压的脉动减小很多。
3.掌握三极管的开关作用
三极管工作在饱和导通状态(发射结和集电结都是正偏置)时,其c-e极间电压很小,比PN结的导通电压还要低(硅管在0.5V以下),c-e极间相当“短路”,即呈“开”的状态。
三极管在截止状态(发射结、集电结都是反偏置)时,其c-e极间的电流极小(硅管基本上量不到),相当于“断开(即‘关’)”的状态。
三极管开关电路的特点是开关速度极快,远远比机械开关快,没有机械接点,不产生电火花。
开关的控制灵敏,对控制信号的要求低,导通时开关的电压降比机械开关大,关断时开关的漏电流比机械开关大。
不宜直接用于高电压、强电流的控制。
4.掌握稳压管的作用
稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管,其V-A特性曲线与普通二极管相似,但反向击穿曲线比较陡。
稳压二极管工作于反向击穿区,由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用,故称为稳压管。
稳压管反向电压在一定范围内变化时,反向电流很小。
当反向电压增高到击穿电压时,反向电流突然增大,稳压管从而反向击穿,电流虽然在很大范围内变化,但稳压管两端的电压的变化却相当小,利用这一特性,因此稳压管在电路到起到了稳压的作用。
图2-5稳压管特性曲线
稳压管与其普通二极管不同之处在于反向击穿是可逆性的。
当去掉反向电压稳压管又恢复正常,但如果反向电流超过允许范围,二极管将会发热击穿,所以,与其配合的电阻往往起到限流的作用。
3、设计的具体实现
1.系统概述
系统框图
延时电路
照明灯
指示灯
触发电路
整流电路
(1).系统原理图
图3-1.1触摸延时开关电路
(2)系统原理综述
二极管VD1~VD4、晶闸管VS组成触摸开关的主回路,R1、LED、与VD5构成次回路,控制回路由三极管VT1~VT3等组件组成,平时LED发光指示触摸开关的位置,方便在夜间寻找开关。
VT3的集电极被VD5控制在8V左右,VT1~VT3均处于截止状态,VS因为无触发电压处于关断状态,故电灯不亮。
需要开灯时,只要用手触摸一下触摸电极片M,因人体泄露电流经R5与R4分压后注入三极管VT3的基极,使VT3迅速导通。
8V直流电经过VT3的c-e极向电容C2充电,并经过R2使VT2导通,VT1也随之迅速导通,VS因门极获得正向触发电流而导通,灯H即被点亮。
人手离开电极片M后,因C2储存的电荷通过R2向VT2的发射结放电,所以仍能维持VT2、VT1及VS的导通,电灯H依然点亮。
直至C2电荷基本放完,VT2由导通转为截止,VT1也随之截止,VS因失去触发电流当交流电过零时即关断,灯灭。
改变R2、R3及C2的数值能调节电灯每次被点亮的时间长短。
采用附录所示数据,每触摸一次电极片M电灯H约能点亮1min左右。
电阻R4的作用是使三极管VT3平时处于反偏状态,以减小VT3的漏电流,确保在无触摸信号时VT2始终处于截止状态。
若取消R4,往往因VT3管子质量不佳,其漏电流可使电容C2两端电压不断上升,最终会导致VT2误导通使电灯H点亮。
2.单元电路设计
●照明灯电路:
照明电路采用220V交流输出,将功率小于100W的灯泡与整流电路部分串联连接。
●整流电路:
电路中采用四个IN4007二极管,互相接成桥式结构。
利用二极管的电流导向作用,在交流输入电压U的正半周内,二极管VD1、VD3导通,VD2、VD4截止,在负载RL上得到上正下负的输出电压;在负半周内,正好相反,VD1、VD3截止,VD2、VD4导通,流过负载RL的电流方向与正半周一致。
因此,利用四个二极管,使得在交流电源的正、负半周内,整流电路的负载上都有方向不变的脉动直流电压和电流。
●指示灯:
VD1~VD4、VS组成开关的主回路。
平时,VS处于关断状态,灯不亮。
VD1~VD4输出220V脉动直流电经R1限流,VD5稳压,C2滤波输出约8V左右的直流电供VT3使用。
此时LED发光,指示开关位置,便于夜间寻找开关。
●延时电路:
延时电路的实现,主要运用电容的充放电原理。
在VT3得到触发信号导通后,电流流经电容C2进行充电,电容储存一定量的电荷。
当人手离开电极片后,触发信号消失,电容放电使VT2、VT1、VS保持一定时间内处于导通状态下,实现灯泡H延时1min左右后熄灭。
延时时间长短主要由R2、C2充电时间常数决定,若要延长或缩短延时时间,可适当增大或减小R2、C2的数值。
●触发电路:
触摸灯的触摸开关是通过人体接触后产生的电流泄露而工作的。
当用手触摸一下触摸开关的电极片M时,人体泄漏电流使VT3导通。
此时,电容C2开始充电,VT2、VT1随即导通,晶闸管门极得到正向触发电流导通。
(其中泄露的电流十分微小,只有多少微伏。
而人体本身带的静电都有几千几万伏。
所以触摸开关对人体的影响是微乎其微的几乎没有。
)
3.仿真测试
(1).系统电路仿真
触摸延时开关电路的仿真测试,是基于Multisim环境下进行仿真(元件选取如附录所示),对系统做软件仿真可以进一步加深对系统功能的认识。
以下主要对系统电路,以及输入信号、整流、滤波、稳压电路仿真。
如图3-1.2所示,为电极片受到触发信号后,三极管VT3、VT2、VT1依次导通,并且伴随着电容C2、C1的充电过程。
当触发消失后电容C2、C1放电,灯泡H维持点亮状态,当1min左右后灯泡熄灭,回到如图3-1.1所示状态。
对C2、R2元件的参数修改后,灯泡H可以维持点亮的时间长短也随即发生变化。
图3-1.2触摸延时开关电路仿真测试
(2).各功能电路仿真测试
图3-2.1为输入信号仿真波形,输入信号为完整的正弦波。
经过整流、滤波、稳压后,波形依次如图3-2.2、3-2.3、3-2.4所示。
图3-2.1输入电压仿真波形
图3-2.2整流电路仿真波形
图3-2.3滤波电路仿真波形
图3-2.4稳压电路仿真波形
4、结论与展望
经过对触摸延时开关电路的软件仿真,以及结合所学理论知识分析,达到了最初的设计要求。
能够成功的按要求控制照明灯电路,实现用手触摸电极片灯泡点亮,并在延时1min左右后自动熄灭,从而验证了电路的可行性,说明系统设计所需元件参数选取符合要求,此系统电路可以用来批量生产。
楼道触摸延时开关较普通家用开关有其优越之处,在方便的为楼道内灯光控制之余,还体现了节能的主要目的。
但是楼道触摸延时也存在一定的小缺陷,出于安全考虑,在电极片背面应焊一只2MΩ左右的高值电阻,从电阻上引出软线再接到电路板上的电阻R5,这样可以确保只用这的绝对安全,使用时像开关一样将其接入照明线路。
5、心得体会及建议
楼道触摸延时开关已经在早些年就服务于大众了,但是对于相关知识了解甚少。
在本次的“0楼道触摸延时开关设计”中,充分运用所学的模拟电子技术基础知识、以及搜集的大量资料。
明白了楼道触摸延时开关的基本原理,并且用所学知识对一些电路图改进,使其性能更加优良。
在对触摸延时开关分析、制作的过程中,很好的巩固了之前学到的模拟电子相关知识。
重新学习了整流电路的相关内容,对全波整流电路、滤波电路、稳压电路有了更深刻的认识,不仅会熟练的运用计算公式,而且通过软件仿真技术观察各阶段电路的变化,对各阶段电路的波形有更形象的体会。
此电路用到了晶闸管的门极触发原理,在之前对晶闸管方面的学习只是皮毛,楼道触摸开关电路的设计之中又用到了晶闸管的控制机理。
经过查阅大量的资料,现在掌握了晶闸管的基本结构、工作原理、以及管脚判别方法,对以后的电路设计有很大的帮助。
为了使触摸延时开关电路的设计更为直观,在设计过程中用到了很多次计算机仿真技术。
从对系统整体电路的仿真,到各单元电路的仿真,都做了详细的数据、波形、效果记录。
经过计算机仿真对电路功能的实现,做出了触摸开关的实际产品,对动手实践方面有了很大的提高。
因为所学知识、能力和水平所限,在本次楼道触摸延时开关的设计过程中可能存在很多疏漏、欠妥和错误之处,希望能够多加指正,以便以后不断改进。
六、附录
VD52CW198V、1/2W稳压二极管
VSMCR100-8触发电流小的1A、600V小型塑封普通晶闸管
VD1~VD4IN4007整流二极管
LED普通图形红色发光二极管
VT19012PNP型三极管
VT29011NPN型三极管
VT39014NPN型三极管
R1、R35.1MΩRTX-1/8W型碳膜电阻
R25.1MΩRTX-1/8W型碳膜电阻
R420kΩRTX-1/8W型碳膜电阻
R5100kΩRTX-1/8W型碳膜电阻
C10.01μF独石或涤纶电容
C210μFCD11-16V型电解电容
C322μFCD11-16V型电解电容
照明灯≤100W白炽灯
七、参考文献
[1]陈有卿.新颖实用分立组件电子制作138例.人民邮电出
版社.2001
[2]腾国仁.电子技能训练教程.煤炭工业出版社.2000
[3]童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版).高等教育
出版社.2009
[4]彭介华.电子技术课程设计指导.高等教育出版社.2001
[5]康华光.电子技术基础(模拟部分).高等教育出版
社.1988
[6]唐赣,聂典.Multisim10原理图仿真与PowerPCB5.0.1
印刷制电路板设计.电子工业出版社.2009
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