一种调光灯电路的研究与分析

摘要：本文聚焦基于单相交流调压的调光灯电路设计展开研究。该电路借助双向晶闸管，实现对电阻性和阻感性负载的电压精准调节，通过改变晶闸管控制角达成灯光亮度的灵活控制。设计涵盖主电路、触发电路和保护电路，全方位保障电路稳定可靠运行。从电路原理框图设计着手，深入剖析工作过程，确定合理最小控制角范围，满足多样化照明需求与平滑调光要求。基于主电路设计原理，运用Matlab搭建仿真模型，结合实验台实际测试进行研究。实验结果表明，该调光灯电路调光效果显著，操作简便且成本低廉，在家居和办公照明场景中应用前景广阔。

关键词：单相交流调压；仿真；Matlab; 控制角；模拟试验

Abstract 

This paper focuses on the design of dimming lamp circuit based on single-phase AC voltage regulation. With the help of bidirectional thyristors, the circuit realizes the precise voltage adjustment of resistive and resistive inductive loads, and realizes flexible control of light brightness by changing the control angle of the thyristor. The design covers the main circuit, trigger circuit and protection circuit to ensure the stable and reliable operation of the circuit in an all-round way. Starting from the design of the circuit principle block diagram, the working process is deeply analyzed to determine the reasonable minimum control angle range to meet the diverse lighting needs and smooth dimming requirements. Based on the principle of main circuit design, the simulation model was built by Matlab, and the actual test of the test bench was carried out. The experimental results show that the dimming effect of the dimming lamp circuit is remarkable, the operation is simple and the cost is low, and the application prospect in home and office lighting scenes is broad.

Keywords:Single AC voltage regulation; Emulation; Matlab;control angle;Simulation tests;

一、引言

随着生活水平提升，人们对照明系统的智能化与灵活性期望日益增加，这促使照明领域不断探索创新。单相交流调压调光灯电路凭借其独特优势，在照明控制领域备受瞩目。深入钻研该电路的工作原理、设计方案、仿真分析以及实验测试，对推动其在实际场景中的广泛应用意义重大。。

目前，市场上的调光灯电路技术多样，基于可控硅、晶闸管和数字信号处理等技术的方案较为常见。其中，基于可控硅和晶闸管的相位控制调光电路因结构简单、控制精度高、成本经济，成为主流调光电路设计之一。这类电路通过调整触发角，改变交流电导通时长，进而改变负载电压有效值，实现灯光亮度的调节，在家居、舞台等场所广泛应用，像调节白炽灯、卤钨灯亮度，以及控制电风扇转速等。

然而，现有调光电路在实际使用中存在诸多问题。调节精度不足导致调光效果不够细腻，难以满足特殊照明需求；效率不高造成能源浪费，不符合当下节能环保理念；灯具兼容性差限制了其应用范围；频闪现象还会影响视觉体验，长期使用可能损害视力。因此，调光灯电路的研究不能局限于现有技术的优化，还需探索新型电路设计、智能化控制方法和系统集成技术，以顺应照明市场的发展趋势，满足人们日益增长的照明需求。。

本研究旨在设计一种能平滑调光、节能环保且成本低廉的调光灯电路，选用晶闸管单相交流调压电路调节灯光亮度。围绕调光灯电路的设计与优化展开研究，深入剖析基于晶闸管的调光技术原理、实现方式和性能特点，探讨其在不同应用场景下的优劣，结合实验数据对比不同方案实际效果，针对现存问题提出优化建议，为智能调光灯具发展提供理论和技术支撑。

二、研究思路

本项目聚焦基于单相交流调压电路构建的调光灯电路。目标是设计一款输出电压能在0 - 220V之间平滑调节、输出电流最大值不超5A、节能环保且成本低廉的调光灯电路。根据实际负载工作状况，合理选定最小控制角范围，借助调光灯电路仿真分析，验证设计的可行性。研究思路与技术路线如图2.1所示。

图2.1 研究方法技术路线图

2.1 设计方案选择

综合考量各种因素，本设计选用晶闸管构成单相交流调压电路。鉴于实际应用中存在电阻性负载和阻感性负载两种情况，需分别进行电路设计与仿真验证，确保电路在不同负载条件下都能稳定可靠运行。

2.2 主电路设计

主电路设计采用两个晶闸管反并联后串联在交流电路中的结构。通过精准控制晶闸管的触发控制角，实现输出电压的灵活调节。在晶闸管选型时，充分考虑实际使用电压峰值，确保所选晶闸管的正向重复阻断峰值电压和反向耐压均高于实际电压峰值，保障电路安全稳定运行。

2.3 触发电路设计

图2.2 触发电路设计原理图

在单相交流调压电路里，晶闸管作为关键开关元件，其开通和关断由触发电路控制，触发电路设计原理图如图2.2所示。触发电路的设计需满足多项条件要求：触发脉冲宽度要确保晶闸管可靠导通，对于反电动势负载的变流器，应采用宽脉冲或脉冲列触发；触发脉冲要有足够幅度，以适应户外寒冷等恶劣环境；触发脉冲不能超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额；具备良好的抗干扰性能、温度稳定性以及与主电路的电气隔离，防止相互干扰[1]。

3.2.1 触发电路的组成

触发电路一般由同步信号产生、移相控制、脉冲形成与放大以及保护电路等部分构成。以KC05集成移相触发器为例，其触发电路集成了锯齿波电压合成、脉冲移相控制、脉冲形成与放大以及失交保护等功能，为晶闸管提供稳定可靠的触发信号。

3.2.2 触发电路的应用

在实际应用中，触发电路需根据负载性质进行针对性调整。电阻性负载时，晶闸管在正半周触发导通，输出电压等于电源电压；而阻感负载由于感性负载的特性，电流滞后电压一定角度，为避免直流分量产生，需采用宽脉冲或脉冲列触发方式。

2.4 保护电路设计

图2.3 保护电路基本原理图

为确保电路安全稳定运行，需过电流保护和过电压保护措施，保护电路基本原理如图2.3所示。单相交流调压电路中的保护电路，通过实时监测电流、电压、温度等参数，有效防范过载、过热、短路、漏电等故障引发的安全隐患。常见的保护方式包括过电流保护、过电压保护、过热保护、短路保护和漏电保护等，全方位保障调压电路及负载设备的安全。

2.5 仿真与调试

利用MATLAB/Simulink等专业仿真软件对电路进行仿真，通过模拟不同工况，验证电路设计的正确性和稳定性。在实际电路调试阶段，严格按照设计图纸进行接线，逐步调整触发角，观察灯光亮度变化，直至达到预期调光效果。

2.6 数据分析与总结

在实验过程中，详细记录电压波形、电流波形等关键参数，深入分析不同参数对灯光亮度的影响。通过对实验数据的整理和分析，总结电路性能特点，为进一步优化设计提供依据。

通过上述一系列步骤，完成单相调压电路的调光灯设计实验，实现对灯光亮度的有效调节。

三、研究基础

(1) 根据单相交流调压调光灯电路的原理图框图设计[2],如图3.1所示。深入分析电路工作过程，根据不同照明需求和平滑调节要求，选定合适的最小控制角范围。

图3.1 基于单相交流调压的调光灯电路设计框图

(2) 对重要器件进行参数计算和合理选型。针对图1所示的主电路，当负载是电阻性时用公式（3-1）、（3-2）、（3-3）进行分析计算，再利用Matlab仿真软件进行电路的仿真模拟，同时也在实验室搭建电路进行测试分析。

假设触发控制角为α时，则

主电路输出端的电压有效值为：

            （3-1）        

晶闸管的电流有效值：

          （3-2）   

电路的功率因数λ：

               （3-3）              

利用Matlab仿真软件进行电路仿真模拟，最后，借助学院实验室的QS - DLDZ1电力电子技术实验台，搭建简单实际电路进行测试，并对比分析，得出结论。

四、电路实验与研究分析

1. 单相交流调压电路带电阻负载时的仿真

图4.1 调光灯电路是电阻负载时的仿真

电阻负载的调光灯电路仿真模型[3]如图4.1所示。设置触发控制角等相关参数及其他仿真参数的调试（如图4.2所示），得到电路的输出电压波形，如图4.3所示。从仿真结果可以看出，在电阻负载情况下，电路输出电压随触发角变化呈现出一定规律，为后续实验提供了理论参考。

图4.2 触发控制角参数

图4.3  MATLAB仿真波形图-电阻性负载

2. 单相交流调压电路带阻感负载时的仿真

图4.4 调光灯电路是阻感负载时的仿真

阻感负载的调光灯电路仿真模型如图4.4所示。设置与电阻负载仿真类似的触发控制角等参数。经调试获得图4.6所示的电路输出电压波形图，对比电阻负载仿真结果，发现阻感负载下电压波形存在差异，这是由感性负载的特性所致，进一步验证了理论分析中关于阻感负载需要特殊触发方式的结论。

图4.5 MATLAB仿真波形图-阻感负载

图4.6  MATLAB仿真波形图-阻感负载

3. 实验测试及结果分析

在学院实验室的QS - DLDZ1电力电子技术实验台，进行实验电路接线、调试和实验测试。实验过程中，电路接线图如图4.7所示，实验电路输入交流电压有效值为，主要器件选型有：额定电流8A、额定电压650V的双向晶闸管；700mh的电感和400Ω的电阻。将电阻R和电感L作为调光灯负载，开展实验测试研究。

图4.7 QS-DLDZ1电力电子技术实验台上实验电路接线图

通过认真的实验与调试知，双向晶闸管的触发控制角α可以在0°~180°之间平滑调整。当触发控制角α=45°时，电阻负载实验结果如图4.8所示，阻感负载实验结果如图4.9所示。

图4.8 电阻负载时输出电压波形       图4.9  阻感负载时输出电压波形

当实验电路接入电阻性负载，且触发角α=45︒时，应用研究基础分析的式（3-1）计算，得到的输出电压理论值如下：

而实验测试结果如图4.10所示。对比发现，理论计算值与实验测试结果一致，且实验电路输出电压波形与Matlab仿真平台上的输出电压波形也高度吻合。

图4.10 电阻负载时实验输出电压

由此表明，本文研究的基于单相交流调压电路的调光灯电路的理论分析和仿真模拟具有一定的准确性，也验证了电路设计的可行性。对于阻感负载，实验再次证实了需要采用宽脉冲或脉冲列触发的必要性，避免了电流断续和直流分量的产生。

五、总结 

本研究了一种基于单相交流调压技术的调光灯电路，通过调节晶闸管触发角a实现了输出电压的有效控制，进而精准调节负载亮度。实验针对电阻性与电感性负载分别展开：电阻性负载可实现a在0-180°范围内连续调压，而电感性负载需采用特殊触发方式确保可靠换流。通过Matlab建模仿真与实际实验的双重验证，不仅完整呈现了不同触发角下的电压、电流波形特征，更证实了理论设计与实际应用的一致性。研究结果表明，该电路在两种典型负载条件下均具备良好的调光性能，为智能照明系统的工程应用提供了技术支撑。未来可通过优化触发控制策略、提升功率器件选型适配性等手段，进一步提高调光系统的动态响应精度与能效水平，推动调光技术向智能化、高效化方向发展。

参考文献

[1] 张星,冶艳艳.基于交流调压的灯光控制电路设计与仿真[J].科技创新与应用,2019,(27):102-103.

[2] 欧阳峰.晶闸管单相交流调压电路的设计及仿真[J].数码世界,2017,(12):75-76.

韩涛,肖波,詹习生,等.基于MATLAB的电力电子技术实验教学改革[J].湖北师范大学学报(自然科学版),2021,41(04):103-107.

通讯作者：李玉姣（1986-），讲师，研究方向为电力电子、自动化、智能控制；
基金项目：2024年度省级重点校企联合实验室项目（J1225011），2024年广州城市理工学院校级课程思政项目（J2124004），2024年广州城市理工学院校级大学生创新创业训练计划项目（J3124237）