控制可控硅導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)調(diào)光器的設(shè)計(jì)

山西工程技術(shù)學(xué)院 崔建國(guó) 寧永香

引言：針對(duì)一般電氣商店只能購(gòu)買到小功率的調(diào)光器，設(shè)計(jì)一個(gè)千瓦級(jí)的大功率調(diào)光器，利用雙向觸發(fā)二極管與雙向可控硅等元件構(gòu)成調(diào)光電路，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，可以改變雙向可控硅的導(dǎo)通角，從而改變通過(guò)燈泡的電流（平均值）實(shí)現(xiàn)從熄滅到最亮的連續(xù)調(diào)光，如果將燈泡換電熨斗、電熱褥還可實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)溫，體現(xiàn)了這種調(diào)光器的多用型。

在一般電氣商店里所能買到的大多數(shù)調(diào)光器，僅適用于功率很小的燈，二百瓦的調(diào)光器已經(jīng)很了不起，500瓦以上的調(diào)光器更為罕見(jiàn)。設(shè)計(jì)一個(gè)千瓦級(jí)的大功率調(diào)光器，利用雙向觸發(fā)二極管與雙向可控硅等元件構(gòu)成調(diào)光電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器，可以改變雙向可控硅的導(dǎo)通角，從而改變通過(guò)燈泡的電流（平均值）實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光，可以將燈泡換成電熨斗、電熱褥等，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)它們連續(xù)調(diào)溫，體現(xiàn)了這種調(diào)光器的多用途型。

1 調(diào)光器分類

調(diào)光器可按控制方式和使用場(chǎng)合分類。按控制方式可以分為電阻調(diào)光器、調(diào)壓調(diào)光器、磁放大電抗調(diào)光器和電子調(diào)光器；按使用場(chǎng)合分為民用調(diào)光器、影視舞臺(tái)調(diào)光器、機(jī)場(chǎng)燈光調(diào)光器和晝光綜合控制系統(tǒng)。

電阻調(diào)光器：將電阻串接在白熾光源和電源的中間，改變電阻值便能調(diào)節(jié)光源中的電流，達(dá)到調(diào)光目的。它的缺點(diǎn)是耗能多、效率低、體積大、控制不便，優(yōu)點(diǎn)是交直流電源都可使用、沒(méi)有無(wú)線電干擾?？稍趯?shí)驗(yàn)室、電教示范和船舶導(dǎo)航設(shè)備的照明中使用。

調(diào)壓調(diào)光器：一種自耦變壓器，其次級(jí)電壓是通過(guò)調(diào)節(jié)電刷與變壓器鐵軛外纏繞的線圈的接觸位置來(lái)改變的。它具有耗能少、效率高、在額定功率內(nèi)增加負(fù)荷不影響原來(lái)所處的調(diào)光程度的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是只適用于交流電源、笨重、消耗較多的有色和黑色金屬、不能遠(yuǎn)距離控制。

磁放大電抗調(diào)光器：通過(guò)改變繞在鐵軛上直流繞組中電流的大小，改變交流繞組的感抗。它具有好的調(diào)光性能且控制方便，但體積大且笨重，已被電子調(diào)光器取代。

電子調(diào)光器：早期采用閘流管作為開(kāi)關(guān)元件，后來(lái)采用可控硅元件。這種調(diào)光器具有重量輕、體積小、效率高、容易遠(yuǎn)距離操縱等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛使用。它的缺點(diǎn)是若不采取有效的濾波措施，會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電干擾，并且對(duì)氣體放電光源如熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈等來(lái)說(shuō)，調(diào)光比較麻煩。本文所設(shè)計(jì)的調(diào)光器即屬于這種電子調(diào)光器（李中年.控制電器及應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.）。

2 控制可控硅導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)調(diào)光器的設(shè)計(jì)

2.1 可控硅簡(jiǎn)介

可控硅是一種半控器件，又名晶閘管，主要用在整流電路當(dāng)中，通過(guò)控制導(dǎo)通時(shí)間，改變輸出電壓的波形。

關(guān)于導(dǎo)通角和控制角，實(shí)際是應(yīng)用中認(rèn)為定義的倆個(gè)數(shù)值角度，在電力電子領(lǐng)域，導(dǎo)通角是指在一個(gè)周期內(nèi)，由電力電子器件（如晶閘管）控制其導(dǎo)通的角度。交流電一般為正弦波形，它的一個(gè)周期為360度，正半周占180度，負(fù)半周占180度。當(dāng)交流電通過(guò)可控硅時(shí)，可以讓交流電電流通過(guò)控制使其在0－180度的任一角度處開(kāi)始導(dǎo)通，即所謂可控整流，當(dāng)正半周加到可控硅的陽(yáng)極，在180度的某一角度時(shí)，在可控硅的控制極加一觸發(fā)脈沖，例如在30度加一脈沖，可控硅只能通過(guò)余下的150度的電流。這種使可控硅導(dǎo)電的起始角度例如上述的30°稱為控制角，用α表示。晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導(dǎo)通角，用θ表示，例如上述的150°，故從定義來(lái)說(shuō)α+θ=180°，如圖1所示，這倆者用來(lái)表示晶閘管在承受正向電壓的半個(gè)周期內(nèi)，它的導(dǎo)通或阻斷范圍，故有種說(shuō)法：導(dǎo)通角越大、控制角越小是 正確的（李仁.電器控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.）。

圖1 可控硅調(diào)光器的輸入輸出波形

2.2 2KW調(diào)光器設(shè)計(jì)

本文所介紹的簡(jiǎn)單調(diào)光器可以控制的功率可達(dá)2KW，其電氣原理圖如圖2所示。

圖2 電氣原理圖

可以看出該電路并不復(fù)雜，整個(gè)電路由一個(gè)三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件Tril、一個(gè)二端雙向觸發(fā)二極管D1、和一個(gè)由電阻和電容構(gòu)成的RC阻容網(wǎng)絡(luò)組成。阻容網(wǎng)絡(luò)的R由電位器P1、P2以及電阻R1構(gòu)成，阻容網(wǎng)絡(luò)的C由電容C2構(gòu)成。

工作原理很簡(jiǎn)單，上述阻容網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)移相電路，將移相后的電壓經(jīng)雙向觸發(fā)二極管D1加到可控硅Tril的柵極，當(dāng)調(diào)節(jié)電位器P1、P2時(shí)，移相角發(fā)生改變，移相后的電壓信號(hào)通過(guò)雙向觸發(fā)二極管D1、從而使可控硅Tril的導(dǎo)通角發(fā)生改變，如上述圖1的輸出波形所示，這樣輸出的電流也就發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。本設(shè)計(jì)中，RC阻容網(wǎng)絡(luò)中的電容器C2的充電時(shí)間可以用電位器P1來(lái)調(diào)整，電位器P2作為微調(diào)元件使用。

電容器C1和線圈L1用來(lái)抑制本電路產(chǎn)生的噪音尖峰。

對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，把P1調(diào)到最大電阻值，微調(diào)P2，以使負(fù)載燈正好熄滅。如果用一個(gè)200W以上的白熾燈泡作為負(fù)載，那么雙向可控硅Tril必須安裝傳熱率為6oC/W的散熱器。對(duì)這樣一個(gè)2KW的調(diào)光器來(lái)說(shuō)，抑制噪聲線圈L1的額定電流值應(yīng)為10A左右，（其電感量應(yīng)為70uH），保險(xiǎn)絲F1的額定電流應(yīng)取12A。

2.3 本設(shè)計(jì)的弊端

凡事有利就有弊，調(diào)光器通過(guò)改變可控硅的導(dǎo)通角可以調(diào)節(jié)通過(guò)負(fù)載（照明燈泡）的電流，這是本設(shè)計(jì)的“利”；但正是由于可控硅改變了導(dǎo)通角，同時(shí)危害了正弦波的波形，從而降低了功率因素值，通常PF(功率因數(shù))低于0.5，而且導(dǎo)通角越小時(shí)功率因素越差（1/4亮度時(shí)只有0.25）（韓廣興.電子元器件與實(shí)用電路基礎(chǔ)(修訂版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.）。

同樣，非正弦的波形（如圖1之輸出波形，已經(jīng)由輸入的正弦波形變?yōu)榉钦也ㄐ危┘哟罅酥C波系數(shù)。同時(shí)非正弦的波形會(huì)在線路上建立嚴(yán)重的打攪信號(hào)（EMI），在低負(fù)載時(shí)很容易形成不穩(wěn)定情形。

而且，如果負(fù)載為L(zhǎng)ED燈具，在普通可控硅調(diào)光電路輸出到LED的驅(qū)動(dòng)電源時(shí)還會(huì)出現(xiàn)意想不到的問(wèn)題，那就是輸入端的LC濾波器（假如使用LC濾波器）會(huì)使可控硅建立振蕩，這種振蕩對(duì)于白熾燈或鹵素?zé)羰菬o(wú)所謂的，因?yàn)榘谉霟舻臒釕T性使得人眼基本看不出這種振蕩，但是對(duì)于LED的驅(qū)動(dòng)電源就會(huì)建立音頻噪聲和閃爍。

故如果照明燈具為L(zhǎng)ED燈具，LED調(diào)光最好是采用PWM調(diào)光，利用電位器來(lái)控制PWM的工作比從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光，也就是說(shuō)，PWM調(diào)光是可以直接應(yīng)用于各種調(diào)光器的，無(wú)論照明燈具是傳統(tǒng)的白熾燈、鹵素?zé)暨€是目前提倡的節(jié)能LED燈具，這是調(diào)光器的最終解決方案，但這會(huì)增加很大成本（劉暢生.傳感器簡(jiǎn)明手冊(cè)及應(yīng)用電路[M].陜西:西安電子科技大學(xué)出版社,2006.）。

關(guān)于以上弊端的介紹本文不作解決方案。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上論述，我們發(fā)現(xiàn)這種利用改變可控硅導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)調(diào)光器的電路設(shè)計(jì)其實(shí)可以使用在日常生活的許多方面，如可以對(duì)電熨斗、電熱褥等電阻性負(fù)載實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)溫，但通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)弊端的介紹，本設(shè)計(jì)在電感性負(fù)載的使用方面目前，由于可控硅可能會(huì)與電感產(chǎn)生振蕩，故并沒(méi)有理想方案，但瑕不掩瑜，本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)仿真電路仿真測(cè)試，電路結(jié)構(gòu)完美、元件參數(shù)準(zhǔn)確，本設(shè)計(jì)還是可以應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方方面面。