控制可控硅導通角實現千瓦級調光器的設計

山西工程技術學院 崔建國 寧永香

引言：針對一般電氣商店只能購買到小功率的調光器，設計一個千瓦級的大功率調光器，利用雙向觸發二極管與雙向可控硅等元件構成調光電路，通過調節兩個電位器，可以改變雙向可控硅的導通角，從而改變通過燈泡的電流（平均值）實現從熄滅到最亮的連續調光，如果將燈泡換電熨斗、電熱褥還可實現連續調溫，體現了這種調光器的多用型。

在一般電氣商店里所能買到的大多數調光器，僅適用于功率很小的燈，二百瓦的調光器已經很了不起，500瓦以上的調光器更為罕見。設計一個千瓦級的大功率調光器，利用雙向觸發二極管與雙向可控硅等元件構成調光電路，通過調節電位器，可以改變雙向可控硅的導通角，從而改變通過燈泡的電流（平均值）實現連續調光，可以將燈泡換成電熨斗、電熱褥等，還可實現對它們連續調溫，體現了這種調光器的多用途型。

1 調光器分類

調光器可按控制方式和使用場合分類。按控制方式可以分為電阻調光器、調壓調光器、磁放大電抗調光器和電子調光器；按使用場合分為民用調光器、影視舞臺調光器、機場燈光調光器和晝光綜合控制系統。

電阻調光器：將電阻串接在白熾光源和電源的中間，改變電阻值便能調節光源中的電流，達到調光目的。它的缺點是耗能多、效率低、體積大、控制不便，優點是交直流電源都可使用、沒有無線電干擾?？稍趯嶒炇?、電教示范和船舶導航設備的照明中使用。

調壓調光器：一種自耦變壓器，其次級電壓是通過調節電刷與變壓器鐵軛外纏繞的線圈的接觸位置來改變的。它具有耗能少、效率高、在額定功率內增加負荷不影響原來所處的調光程度的優點。缺點是只適用于交流電源、笨重、消耗較多的有色和黑色金屬、不能遠距離控制。

磁放大電抗調光器：通過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。它具有好的調光性能且控制方便，但體積大且笨重，已被電子調光器取代。

電子調光器：早期采用閘流管作為開關元件，后來采用可控硅元件。這種調光器具有重量輕、體積小、效率高、容易遠距離操縱等優點，得到廣泛使用。它的缺點是若不采取有效的濾波措施，會產生無線電干擾，并且對氣體放電光源如熒光燈、高強度氣體放電燈等來說，調光比較麻煩。本文所設計的調光器即屬于這種電子調光器（李中年.控制電器及應用[M].北京:清華大學出版社,2007.）。

2 控制可控硅導通角實現千瓦級調光器的設計

2.1 可控硅簡介

可控硅是一種半控器件，又名晶閘管，主要用在整流電路當中，通過控制導通時間，改變輸出電壓的波形。

關于導通角和控制角，實際是應用中認為定義的倆個數值角度，在電力電子領域，導通角是指在一個周期內，由電力電子器件（如晶閘管）控制其導通的角度。交流電一般為正弦波形，它的一個周期為360度，正半周占180度，負半周占180度。當交流電通過可控硅時，可以讓交流電電流通過控制使其在0－180度的任一角度處開始導通，即所謂可控整流，當正半周加到可控硅的陽極，在180度的某一角度時，在可控硅的控制極加一觸發脈沖，例如在30度加一脈沖，可控硅只能通過余下的150度的電流。這種使可控硅導電的起始角度例如上述的30°稱為控制角，用α表示。晶閘管在一個電源周期中處于通態的電角度稱為導通角，用θ表示，例如上述的150°，故從定義來說α+θ=180°，如圖1所示，這倆者用來表示晶閘管在承受正向電壓的半個周期內，它的導通或阻斷范圍，故有種說法：導通角越大、控制角越小是 正確的（李仁.電器控制[M].北京:機械工業出版社,2013.）。

圖1 可控硅調光器的輸入輸出波形

2.2 2KW調光器設計

本文所介紹的簡單調光器可以控制的功率可達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雜，整個電路由一個三端雙向可控硅開關元件Tril、一個二端雙向觸發二極管D1、和一個由電阻和電容構成的RC阻容網絡組成。阻容網絡的R由電位器P1、P2以及電阻R1構成，阻容網絡的C由電容C2構成。

工作原理很簡單，上述阻容網絡組成一個移相電路，將移相后的電壓經雙向觸發二極管D1加到可控硅Tril的柵極，當調節電位器P1、P2時，移相角發生改變，移相后的電壓信號通過雙向觸發二極管D1、從而使可控硅Tril的導通角發生改變，如上述圖1的輸出波形所示，這樣輸出的電流也就發生改變，從而實現調光。本設計中，RC阻容網絡中的電容器C2的充電時間可以用電位器P1來調整，電位器P2作為微調元件使用。

電容器C1和線圈L1用來抑制本電路產生的噪音尖峰。

對本設計進行校準時，把P1調到最大電阻值，微調P2，以使負載燈正好熄滅。如果用一個200W以上的白熾燈泡作為負載，那么雙向可控硅Tril必須安裝傳熱率為6oC/W的散熱器。對這樣一個2KW的調光器來說，抑制噪聲線圈L1的額定電流值應為10A左右，（其電感量應為70uH），保險絲F1的額定電流應取12A。

2.3 本設計的弊端

凡事有利就有弊，調光器通過改變可控硅的導通角可以調節通過負載（照明燈泡）的電流，這是本設計的“利”；但正是由于可控硅改變了導通角，同時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)低于0.5，而且導通角越小時功率因素越差（1/4亮度時只有0.25）（韓廣興.電子元器件與實用電路基礎(修訂版)[M].北京:電子工業出版社,2005.）。

同樣，非正弦的波形（如圖1之輸出波形，已經由輸入的正弦波形變為非正弦波形）加大了諧波系數。同時非正弦的波形會在線路上建立嚴重的打攪信號（EMI），在低負載時很容易形成不穩定情形。

而且，如果負載為LED燈具，在普通可控硅調光電路輸出到LED的驅動電源時還會出現意想不到的問題，那就是輸入端的LC濾波器（假如使用LC濾波器）會使可控硅建立振蕩，這種振蕩對于白熾燈或鹵素燈是無所謂的，因為白熾燈的熱慣性使得人眼基本看不出這種振蕩，但是對于LED的驅動電源就會建立音頻噪聲和閃爍。

故如果照明燈具為LED燈具，LED調光最好是采用PWM調光，利用電位器來控制PWM的工作比從而實現調光，也就是說，PWM調光是可以直接應用于各種調光器的，無論照明燈具是傳統的白熾燈、鹵素燈還是目前提倡的節能LED燈具，這是調光器的最終解決方案，但這會增加很大成本（劉暢生.傳感器簡明手冊及應用電路[M].陜西:西安電子科技大學出版社,2006.）。

關于以上弊端的介紹本文不作解決方案。

3 結語

通過以上論述，我們發現這種利用改變可控硅導通角實現調光器的電路設計其實可以使用在日常生活的許多方面，如可以對電熨斗、電熱褥等電阻性負載實現連續調溫，但通過對設計弊端的介紹，本設計在電感性負載的使用方面目前，由于可控硅可能會與電感產生振蕩，故并沒有理想方案，但瑕不掩瑜，本設計經過仿真電路仿真測試，電路結構完美、元件參數準確，本設計還是可以應用在工農業生產的方方面面。