開關課程設計

1、 目 錄1、 設計要求 22、 設計目的 21.熟悉晶閘管的開關作用 22.掌握橋式整流電路原理 63.掌握三極管的開關作用 84.掌握穩(wěn)壓管的作用 9 3、 設計的具體實現(xiàn) 101.系統(tǒng)概述 102.單元電路設計 113.仿真測試 134、 結(jié)論與展望 165、 心得體會及建議 166、 附錄 177、 參考文獻 18樓道觸摸延時開關設計報告1、 設計要求1. 設計一樓道觸摸延時開關，其功能是當人用手觸摸開關時，照明燈點亮，并延續(xù)一段時間后自動熄滅。2.開關的延時時間約1分鐘左右。2、 設計目的1.熟悉晶閘管的開關作用(1).晶閘管的開關作用晶閘管是一種開關組件，廣泛的應用在各種電路，以及電

2、子設備中。典型的小電流控制大電流的組件，通過一個電流很小的脈沖觸發(fā)，當晶閘管處于導通狀態(tài)時它的電阻變得很小相當于一跟導線。(2).晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結(jié),可以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復合管。如圖圖2-1.1所示：圖2-1.1等效圖圖2-1.2 器件符號當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此是兩個互相復合的晶體管電路，當有足夠的門極電流Ig流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導通。設

3、PNP管和NPN管的集電極電流分別為IC1和IC2，發(fā)射極電流相應為Ia和Ik，電流放大系數(shù)相應為1=IC1/Ia和2=IC2/Ik，設流過J2結(jié)的反相漏電流為ICO，晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和： (1)若門極電流為Ig，則晶閘管陰極電流為： 得出晶閘管陽極電流為： (2)硅PNP管和硅NPN管相應的電流放大系數(shù)1和2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未接受電壓的情況下，式(2)中Ig=0，(1+2)很小，故晶閘管的陽極電流IaICO，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)；當晶閘管在正向門極電壓下，從門極G流入電流Ig，由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射

4、結(jié)，從而提高放大系數(shù)2，產(chǎn)生足夠大的集電極電流IC2流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)1，產(chǎn)生更大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，這樣強烈的正反饋過程迅速進行。當1和2隨發(fā)射極電流增加而使得(1+2)1時，式(2)中的分母1-(1+2)0，因此提高了晶閘管的陽極電流Ia。這時，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定，晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導通后，式(2)中1-(1+2)0，即使此時門極電流Ig=0，晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導通，門極已失去作用。在晶閘管導通后，如果不斷地減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時

5、，由于1和2迅速下降，晶閘管恢復到阻斷狀態(tài)。(3) .晶閘管的工作條件晶閘管承受反向陽極電壓時，無論門極承受何種電壓,晶閘管都處于關斷狀態(tài)。晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓,無論門極電壓如何，晶閘管保持導通,即晶閘管導通后，門極失去作用。晶閘管在導通情況下，當主回路電壓或電流減小到接近于零時，晶閘管關斷。(4) .晶閘管的管腳鑒別單、雙晶閘管的判別：先任測兩個極，若正、反測指針均不動（R×1擋），可能是A、K或G、A極（對單向晶閘管）也可能是T2、T1或T2、G極 （對雙向晶閘管）。若其中有一次測量指示為

6、幾十至幾百歐，則必為單向晶閘管。且紅筆所接為K極，黑筆接的為G極，剩下即為A極。若正、反向測批示均為幾十 至幾百歐，則必為雙向晶閘管。再將旋鈕撥至R×1或R×10擋復測，其中必有一次阻值稍大，則稍大的一次紅筆接的為G極，黑筆所接為T1極，余下是T2極。 圖2-2 晶閘管管腳性能的差別：將旋鈕撥至R×1擋，對于16A單向晶閘管，紅筆接K極，黑筆同時接通G、A極，在保持黑筆不脫離A極狀態(tài)下斷開G極，指針應指示幾十歐至一百歐，此時可控硅已被觸發(fā)， 且觸發(fā)電壓低（或觸發(fā)電流?。?。然后瞬時斷開A極再接通，指針應退回位置，則表明可控硅良好。 對于16A雙向晶閘管，紅筆接T1極

7、，黑筆同時接G、T2極，在保證黑筆不脫離T2極的前提下斷開G極，指針應指示為幾十至一百多歐（視晶閘管電流大 小、廠家不同而異）。然后將兩筆對調(diào)，重復上述步驟測一次，指針指示還要比上一次稍大十幾至幾十歐，則表明晶閘管良好，且觸發(fā)電壓（或電流）小。 若保持接通A極或T2極時斷開G極，指針立即退回位置，則說明晶閘管觸發(fā)電流太大或損壞。可按圖2方法進一步測量，對于單向晶閘管，閉合開關K，燈應發(fā)亮，斷開K燈仍不息滅，否則說明晶閘管損壞。 對于雙向晶閘管，閉合開關K，燈應發(fā)亮，斷開K，燈應不息滅。然后將電池反接，重復上述步驟，均應是同一結(jié)果，才說明是好的。否則說明該器件已損壞。2. 掌握橋式整流電路原理(

8、1) .單相橋式整流電路的組成單相橋式整流電路由四只二極管組成，其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊電壓u2正、負半周內(nèi)正確引導流向負載的電流，使其方向不變。設變壓器副邊兩段分別為a和b，則a為“”、b為“”時應有電流留出a點，a為“-”、b為“”時應有電流流入a點；相反，a為“”、為“”時應有電流流入點，為“”、為“”時應有電流流出點；因而和點均應分別接兩只二極管，以引導電流；如圖2-3所示。圖2-3 橋式整流原理(2) .工作原理設變壓器副邊電壓，U2為其有效值。當2為正半周時，電流由a點流出，經(jīng)過V1、RL、D3流入b點，因而負載電阻RL上的電壓等于變壓器副邊電壓，即，V2和V4管承受的反響電

9、壓為u2。當u2為負半周時，電流由b點流出，經(jīng)V2、RL、V4流入a點，負載電阻RL上的電壓等于u2，即，V1、V3承受的反向電壓為u2。這樣，由于V1、V3和V2、V4兩對二極管交替導通，致使負載電阻RL上在u2的整個周期內(nèi)都有電流通過，而且方向不變，輸出電壓。如圖2-4所示為單相橋式整流電路各部分的電壓和電流的波形。 圖2-4 橋式整流電路電流、電壓波形(3) .輸出電壓平均值UO(AV)和輸出電流平均值IO(AV)根據(jù)圖2-4中所示uo的波形可知，輸出電壓的平均值 解得 由于橋式整流電路實現(xiàn)了全波整流電路，它將u2的負半周也利用起來，所以在變壓器副邊電壓有效值相同的情況下，輸出電流的平均

10、值（即負載電阻中的電流平均值） 在變壓器副邊電壓相同、且負載也相同的情況下，輸出電流的平均值也是半波整流電路的兩倍。根據(jù)諧波分析，橋式整流電路的基波UOIM的角頻率是u2的2倍，即100HZ，。故脈動系數(shù) 與半波整流電路相比，輸出電壓的脈動減小很多。3. 掌握三極管的開關作用三極管工作在飽和導通狀態(tài)(發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都是正偏置)時，其c-e極間電壓很小，比PN結(jié)的導通電壓還要低(硅管在0.5V以下)，c-e極間相當“短路”，即呈“開”的狀態(tài)。三極管在截止狀態(tài)(發(fā)射結(jié)、集電結(jié)都是反偏置)時，其c-e極間的電流極小(硅管基本上量不到)，相當于“斷開(即關)”的狀態(tài)。三極管開關電路的特點是開關速度極快

11、，遠遠比機械開關快，沒有機械接點，不產(chǎn)生電火花。開關的控制靈敏，對控制信號的要求低，導通時開關的電壓降比機械開關大，關斷時開關的漏電流比機械開關大。不宜直接用于高電壓、強電流的控制。4. 掌握穩(wěn)壓管的作用穩(wěn)壓二極管是一個特殊的面接觸型的半導體硅二極管，其V-A特性曲線與普通二極管相似，但反向擊穿曲線比較陡。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，由于它在電路中與適當電陰配合后能起到穩(wěn)定電壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然增大，穩(wěn)壓管從而反向擊穿，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓的變化卻相當小，利用這一特性，因此穩(wěn)壓管

12、在電路到起到了穩(wěn)壓的作用。 圖2-5 穩(wěn)壓管特性曲線穩(wěn)壓管與其普通二極管不同之處在于反向擊穿是可逆性的。當去掉反向電壓穩(wěn)壓管又恢復正常，但如果反向電流超過允許范圍，二極管將會發(fā)熱擊穿，所以，與其配合的電阻往往起到限流的作用。3、 設計的具體實現(xiàn)1. 系統(tǒng)概述系統(tǒng)框圖指示燈照明燈觸發(fā)電路整流電路延時電路(1) .系統(tǒng)原理圖 圖3-1.1 觸摸延時開關電路(2) 系統(tǒng)原理綜述二極管VD1VD4、晶閘管VS組成觸摸開關的主回路，R1、LED、與VD5構(gòu)成次回路，控制回路由三極管VT1VT3等組件組成，平時LED發(fā)光指示觸摸開關的位置，方便在夜間尋找開關。VT3的集電極被VD5控制在8V左右，VT1V

13、T3均處于截止狀態(tài)，VS因為無觸發(fā)電壓處于關斷狀態(tài)，故電燈不亮。需要開燈時，只要用手觸摸一下觸摸電極片M，因人體泄露電流經(jīng)R5與R4分壓后注入三極管VT3的基極，使VT3迅速導通。8V直流電經(jīng)過VT3的c-e極向電容C2充電，并經(jīng)過R2使VT2導通，VT1也隨之迅速導通，VS因門極獲得正向觸發(fā)電流而導通，燈H即被點亮。人手離開電極片M后，因C2儲存的電荷通過R2向VT2的發(fā)射結(jié)放電，所以仍能維持VT2、VT1及VS的導通，電燈H依然點亮。直至C2電荷基本放完，VT2由導通轉(zhuǎn)為截止，VT1也隨之截止，VS因失去觸發(fā)電流當交流電過零時即關斷，燈滅。改變R2、R3及C2的數(shù)值能調(diào)節(jié)電燈每次被點亮的時

14、間長短。采用附錄所示數(shù)據(jù)，每觸摸一次電極片M電燈H約能點亮1min左右。電阻R4的作用是使三極管VT3平時處于反偏狀態(tài)，以減小VT3的漏電流，確保在無觸摸信號時VT2始終處于截止狀態(tài)。若取消R4，往往因VT3管子質(zhì)量不佳，其漏電流可使電容C2兩端電壓不斷上升，最終會導致VT2誤導通使電燈H點亮。 2. 單元電路設計照明燈電路：照明電路采用220V交流輸出，將功率小于100W的燈泡與整流電路部分串聯(lián)連接。整流電路：電路中采用四個IN4007二極管，互相接成橋式結(jié)構(gòu)。利用二極管的電流導向作用，在交流輸入電壓U的正半周內(nèi)，二極管VD1、VD3導通，VD2、VD4截止，在負載RL上得到上正下負的輸出電

15、壓；在負半周內(nèi)，正好相反，VD1、VD3截止，VD2、VD4導通，流過負載RL的電流方向與正半周一致。因此，利用四個二極管，使得在交流電源的正、負半周內(nèi)，整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流電壓和電流。指示燈：VD1VD4、VS組成開關的主回路。平時，VS處于關斷狀態(tài)，燈不亮。VD1VD4輸出220V脈動直流電經(jīng)R1限流，VD5穩(wěn)壓，C2濾波輸出約8V左右的直流電供VT3使用。此時LED發(fā)光，指示開關位置，便于夜間尋找開關。延時電路：延時電路的實現(xiàn)，主要運用電容的充放電原理。在VT3得到觸發(fā)信號導通后，電流流經(jīng)電容C2進行充電，電容儲存一定量的電荷。當人手離開電極片后，觸發(fā)信號消失，電容放電

16、使VT2、VT1、VS保持一定時間內(nèi)處于導通狀態(tài)下，實現(xiàn)燈泡H延時1min左右后熄滅。延時時間長短主要由R2、C2充電時間常數(shù)決定，若要延長或縮短延時時間，可適當增大或減小R2、C2的數(shù)值。觸發(fā)電路：觸摸燈的觸摸開關是通過人體接觸后產(chǎn)生的電流泄露而工作的。當用手觸摸一下觸摸開關的電極片M時，人體泄漏電流使VT3導通。此時，電容C2開始充電，VT2、VT1隨即導通，晶閘管門極得到正向觸發(fā)電流導通。（其中泄露的電流十分微小，只有多少微伏。而人體本身帶的靜電都有幾千幾萬伏。所以觸摸開關對人體的影響是微乎其微的幾乎沒有。）3. 仿真測試(1).系統(tǒng)電路仿真觸摸延時開關電路的仿真測試，是基于Multis

17、im環(huán)境下進行仿真（元件選取如附錄所示），對系統(tǒng)做軟件仿真可以進一步加深對系統(tǒng)功能的認識。以下主要對系統(tǒng)電路，以及輸入信號、整流、濾波、穩(wěn)壓電路仿真。如圖3-1.2所示，為電極片受到觸發(fā)信號后，三極管VT3、VT2、VT1依次導通，并且伴隨著電容C2、C1的充電過程。當觸發(fā)消失后電容C2、C1放電，燈泡H維持點亮狀態(tài)，當1min左右后燈泡熄滅，回到如圖3-1.1所示狀態(tài)。對C2、R2元件的參數(shù)修改后，燈泡H可以維持點亮的時間長短也隨即發(fā)生變化。 圖3-1.2 觸摸延時開關電路仿真測試 (2).各功能電路仿真測試圖3-2.1為輸入信號仿真波形，輸入信號為完整的正弦波。經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后，波形

18、依次如圖3-2.2、3-2.3、3-2.4所示。圖3-2.1 輸入電壓仿真波形圖3-2.2 整流電路仿真波形圖3-2.3 濾波電路仿真波形圖3-2.4 穩(wěn)壓電路仿真波形4、 結(jié)論與展望經(jīng)過對觸摸延時開關電路的軟件仿真，以及結(jié)合所學理論知識分析，達到了最初的設計要求。能夠成功的按要求控制照明燈電路，實現(xiàn)用手觸摸電極片燈泡點亮，并在延時1min左右后自動熄滅，從而驗證了電路的可行性，說明系統(tǒng)設計所需元件參數(shù)選取符合要求，此系統(tǒng)電路可以用來批量生產(chǎn)。樓道觸摸延時開關較普通家用開關有其優(yōu)越之處，在方便的為樓道內(nèi)燈光控制之余，還體現(xiàn)了節(jié)能的主要目的。但是樓道觸摸延時也存在一定的小缺陷，出于安全考慮，在電

19、極片背面應焊一只2M左右的高值電阻，從電阻上引出軟線再接到電路板上的電阻R5，這樣可以確保只用這的絕對安全，使用時像開關一樣將其接入照明線路。5、 心得體會及建議樓道觸摸延時開關已經(jīng)在早些年就服務于大眾了，但是對于相關知識了解甚少。在本次的“0樓道觸摸延時開關設計”中，充分運用所學的模擬電子技術基礎知識、以及搜集的大量資料。明白了樓道觸摸延時開關的基本原理，并且用所學知識對一些電路圖改進，使其性能更加優(yōu)良。在對觸摸延時開關分析、制作的過程中，很好的鞏固了之前學到的模擬電子相關知識。重新學習了整流電路的相關內(nèi)容，對全波整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路有了更深刻的認識，不僅會熟練的運用計算公式，而且通過軟件仿真技術觀察各階段電路的變化，對各階段電路的波形有更形象的體會。此電路用到了晶閘管的門極觸發(fā)原理，在之前對晶閘管方面的學習只是皮毛，樓道觸摸開關電路的設計之中又用到了晶閘管的控制機理。經(jīng)過查閱大量的資料，現(xiàn)在掌握了晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、以及管腳判別方法，對以后的電路設計有很大的幫助。為了使觸摸延時開關電路的設計更為直觀，在設計