控制可控硅导通角实现千瓦级调光器的设计

山西工程技术学院 崔建国 宁永香

引言：针对一般电气商店只能购买到小功率的调光器，设计一个千瓦级的大功率调光器，利用双向触发二极管与双向可控硅等元件构成调光电路，通过调节两个电位器，可以改变双向可控硅的导通角，从而改变通过灯泡的电流（平均值）实现从熄灭到最亮的连续调光，如果将灯泡换电熨斗、电热褥还可实现连续调温，体现了这种调光器的多用型。

在一般电气商店里所能买到的大多数调光器，仅适用于功率很小的灯，二百瓦的调光器已经很了不起，500瓦以上的调光器更为罕见。设计一个千瓦级的大功率调光器，利用双向触发二极管与双向可控硅等元件构成调光电路，通过调节电位器，可以改变双向可控硅的导通角，从而改变通过灯泡的电流（平均值）实现连续调光，可以将灯泡换成电熨斗、电热褥等，还可实现对它们连续调温，体现了这种调光器的多用途型。

1 调光器分类

调光器可按控制方式和使用场合分类。按控制方式可以分为电阻调光器、调压调光器、磁放大电抗调光器和电子调光器；按使用场合分为民用调光器、影视舞台调光器、机场灯光调光器和昼光综合控制系统。

电阻调光器：将电阻串接在白炽光源和电源的中间，改变电阻值便能调节光源中的电流，达到调光目的。它的缺点是耗能多、效率低、体积大、控制不便，优点是交直流电源都可使用、没有无线电干扰。可在实验室、电教示范和船舶导航设备的照明中使用。

调压调光器：一种自耦变压器，其次级电压是通过调节电刷与变压器铁轭外缠绕的线圈的接触位置来改变的。它具有耗能少、效率高、在额定功率内增加负荷不影响原来所处的调光程度的优点。缺点是只适用于交流电源、笨重、消耗较多的有色和黑色金属、不能远距离控制。

磁放大电抗调光器：通过改变绕在铁轭上直流绕组中电流的大小，改变交流绕组的感抗。它具有好的调光性能且控制方便，但体积大且笨重，已被电子调光器取代。

电子调光器：早期采用闸流管作为开关元件，后来采用可控硅元件。这种调光器具有重量轻、体积小、效率高、容易远距离操纵等优点，得到广泛使用。它的缺点是若不采取有效的滤波措施，会产生无线电干扰，并且对气体放电光源如荧光灯、高强度气体放电灯等来说，调光比较麻烦。本文所设计的调光器即属于这种电子调光器（李中年.控制电器及应用[M].北京:清华大学出版社,2007.）。

2 控制可控硅导通角实现千瓦级调光器的设计

2.1 可控硅简介

可控硅是一种半控器件，又名晶闸管，主要用在整流电路当中，通过控制导通时间，改变输出电压的波形。

关于导通角和控制角，实际是应用中认为定义的俩个数值角度，在电力电子领域，导通角是指在一个周期内，由电力电子器件（如晶闸管）控制其导通的角度。交流电一般为正弦波形，它的一个周期为360度，正半周占180度，负半周占180度。当交流电通过可控硅时，可以让交流电电流通过控制使其在0－180度的任一角度处开始导通，即所谓可控整流，当正半周加到可控硅的阳极，在180度的某一角度时，在可控硅的控制极加一触发脉冲，例如在30度加一脉冲，可控硅只能通过余下的150度的电流。这种使可控硅导电的起始角度例如上述的30°称为控制角，用α表示。晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角，用θ表示，例如上述的150°，故从定义来说α+θ=180°，如图1所示，这俩者用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期内，它的导通或阻断范围，故有种说法：导通角越大、控制角越小是 正确的（李仁.电器控制[M].北京:机械工业出版社,2013.）。

图1 可控硅调光器的输入输出波形

2.2 2KW调光器设计

本文所介绍的简单调光器可以控制的功率可达2KW，其电气原理图如图2所示。

图2 电气原理图

可以看出该电路并不复杂，整个电路由一个三端双向可控硅开关元件Tril、一个二端双向触发二极管D1、和一个由电阻和电容构成的RC阻容网络组成。阻容网络的R由电位器P1、P2以及电阻R1构成，阻容网络的C由电容C2构成。

工作原理很简单，上述阻容网络组成一个移相电路，将移相后的电压经双向触发二极管D1加到可控硅Tril的栅极，当调节电位器P1、P2时，移相角发生改变，移相后的电压信号通过双向触发二极管D1、从而使可控硅Tril的导通角发生改变，如上述图1的输出波形所示，这样输出的电流也就发生改变，从而实现调光。本设计中，RC阻容网络中的电容器C2的充电时间可以用电位器P1来调整，电位器P2作为微调元件使用。

电容器C1和线圈L1用来抑制本电路产生的噪音尖峰。

对本设计进行校准时，把P1调到最大电阻值，微调P2，以使负载灯正好熄灭。如果用一个200W以上的白炽灯泡作为负载，那么双向可控硅Tril必须安装传热率为6oC/W的散热器。对这样一个2KW的调光器来说，抑制噪声线圈L1的额定电流值应为10A左右，（其电感量应为70uH），保险丝F1的额定电流应取12A。

2.3 本设计的弊端

凡事有利就有弊，调光器通过改变可控硅的导通角可以调节通过负载（照明灯泡）的电流，这是本设计的“利”；但正是由于可控硅改变了导通角，同时危害了正弦波的波形，从而降低了功率因素值，通常PF(功率因数)低于0.5，而且导通角越小时功率因素越差（1/4亮度时只有0.25）（韩广兴.电子元器件与实用电路基础(修订版)[M].北京:电子工业出版社,2005.）。

同样，非正弦的波形（如图1之输出波形，已经由输入的正弦波形变为非正弦波形）加大了谐波系数。同时非正弦的波形会在线路上建立严重的打搅信号（EMI），在低负载时很容易形成不稳定情形。

而且，如果负载为LED灯具，在普通可控硅调光电路输出到LED的驱动电源时还会出现意想不到的问题，那就是输入端的LC滤波器（假如使用LC滤波器）会使可控硅建立振荡，这种振荡对于白炽灯或卤素灯是无所谓的，因为白炽灯的热惯性使得人眼基本看不出这种振荡，但是对于LED的驱动电源就会建立音频噪声和闪烁。

故如果照明灯具为LED灯具，LED调光最好是采用PWM调光，利用电位器来控制PWM的工作比从而实现调光，也就是说，PWM调光是可以直接应用于各种调光器的，无论照明灯具是传统的白炽灯、卤素灯还是目前提倡的节能LED灯具，这是调光器的最终解决方案，但这会增加很大成本（刘畅生.传感器简明手册及应用电路[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2006.）。

关于以上弊端的介绍本文不作解决方案。

3 结语

通过以上论述，我们发现这种利用改变可控硅导通角实现调光器的电路设计其实可以使用在日常生活的许多方面，如可以对电熨斗、电热褥等电阻性负载实现连续调温，但通过对设计弊端的介绍，本设计在电感性负载的使用方面目前，由于可控硅可能会与电感产生振荡，故并没有理想方案，但瑕不掩瑜，本设计经过仿真电路仿真测试，电路结构完美、元件参数准确，本设计还是可以应用在工农业生产的方方面面。