小家电原理使用与维修教案.doc

第一节常用电热材料

一、电热基础知识

电热器具是利用电能转化成热能的原理而制成各种器具的统称。在家用电器中，电热器具占有25％～35％的比例，如生活中常用的电熨斗、电饭锅、电烤箱、电热毯、远红外线辐射取暖器、电磁灶、微波炉等电热器具。

近几年，随着电子技术的发展及微电脑的广泛应用，电热器具进入了一个新的发展阶段，性能也越来越完善。利用电热比利用其它热源有下述优点：

⑴热效率高，约为50％～95％（煤的热效率为12％～20％，液体燃

料为20％～40％，气体燃料为50％～60％）。

⑵控温方便，精确度高，容易实现自动控制。

⑶清洁卫生，无烟灰，不产生有害气体，不污染环境。

⑷使用方便，与其它热源相比，无明火，且有安全保护装置，更加安

全可靠。一旦发生故障，因其结构简单，也易于维修。

⑸热惯性小。

㈠电热器具的类型：

家用电热器具按其用途大体可分为：厨房器具（如电饭锅、微波

炉、电热消毒柜、电热水壶等）、取暖用具（电热褥、电取暖器、电热饼等）、整容美发用具（电吹风、电熨斗等）、其它器具（如烘干机、除湿器等）

按加热方式的不同，电热器具大体可分为电阻式加热器、远红外式电热器具、电磁感应式加热器具及微波式电热器具。

1、电阻式电热器具

电阻加热是电热器具的主要加热形式。它是利用电流的热效应进行加热的。对被加热的物体来说，可分为直接加热和间接加热两种。

2、远红外式电热器具

远红外式电热器具是在电阻式加热器具的表面涂有远红外辐射涂料，通电加热时辐射出红外线来，从而达到加热的目的。这类电热器具的特点是热效率高。

常见的远红外式电热器具有红外辐射取暖器、消毒碗柜等，加热器是由特制的、能辐射远红外线的热管制成的。该热管的材料一般为搪瓷材料，经表面处理使其黑化，或在外表面上涂有远红外线涂料。当电流通过这样的电热管时，以波长3～1000μm辐射远红外线，被烤箱内食品所吸收，继而食品内部分子发生振动，产生热能，达到加热的目的。这种烤箱的热效率比电阻丝电烤箱高20％～30％。

3、电磁感应加热器具

电磁感应加热器具是利用电磁感应来加热的。铁磁材料放在交变磁场中，就能产生涡流，涡流在导体内部会克服内阻作回旋流动产生热量。利用这种方式加热的典型产品是电磁灶。

在电磁灶中，因工频电磁灶（50～60Hz）易产生振动和噪音，所有家用电磁灶一般都采用1500Hz以上的高频电磁灶。

4、微波式电热器具

微波是波长1mm～1m的电磁波，频率相应为300MHz～300000 MHz。食物是吸收微波的一种介质，在微波辐射之下，食物中水分子随微波频率的变化，在1s内作二十几亿次（2.450GHz）的摆动，食物中水分子之间的摩擦十分剧烈，从而产生足够的热量。微波炉就是微波加热的典型器具。

第二节电阻式电热元件

①开启式螺旋形电热元件

这类元件是电热丝绕制成螺旋状后嵌在绝缘或绝热材料制成的盘面凹槽里或专用支架上，电热丝直接裸露在空气中，发出的热量主要以辐射和对流的方式传给欲加热物件。

这种发热元件具有加热迅速、结构简单、价格便宜、维修方便等优点。缺点是：因其电阻丝裸露，电热丝本身带电，安全性差，稍有不慎而触及时，往往造成电击事故。它的工作温度约为800～850℃，碰到易燃物体易燃烧；电阻丝裸露在空气中易氧化，使用寿命短。

②罩盖式电热元件图

该类元件是将电热丝放置在罩盖中，常见的形式如图02-07所示的两种，其中（a）多用于电灶中，而（b）则多用于普通型电熨斗。

常见的罩盖式电热元件

③封闭式管状电热元件

这类元件是将电热丝置于绝缘导热材料的封闭系统内，下图是常见的外形不同的几种密闭式管状电热元件（简称电热管）。

④特殊电阻式电热元件

第三节远红外辐射器

远红外电热元件

远红外电热元件有管状远红外元件、板状远红外元件、红外线灯等。管状远红外电热元件又分为金属管状远红外元件和石英管状远红外元件两种。图02-09（a）是石英管状远红外元件结构示意图。红外线灯的结构见图02-09（b）。

图02-09 远红外电热元件结构图

PTC电热元件

PTC(Positive Temperature Coefficient)元件是一种具有正温度系数的热敏电阻。PTC电热元件的优越特性使其在电热水器、电吹风机、电暖器等电热器具中广泛应用。PTC电热元件的电阻率与温度的特性曲线如图02-010所示。从图中可以看出，当温度在TM以下时，呈现普通半导体特性，也就是当半导体陶瓷温度升高时电阻下降，为负温度系数；当温度升到TC(居

里点)与TN之间这一段范围内时，其电阻随着温度升高而急剧上升几个数量级(103～105倍)，呈现出强烈的正温度系数特性。这种阻值异常变化的现象称为PTC特性。

图02-10 PTC电热元件的电阻率与温度的特性曲线

通过对PTC元件的电阻率与温度特性分析可以看出，其受电源电压波动的影响很小。使用不同电源电压时，只要电压能为PTC元件提供足够的发热量，使元件达到居里点的温度，就不会对元件的工作温度产生影响。而且这种特殊半导体元件是采用陶瓷工艺制成的，电热元件不氧化，使用寿命长；利用陶瓷技术可制成不同形状及各种外形尺寸，结构灵活；发热量可随环境温度自动调节。当PTC元件结构等确定以后，散热系数和最高工作温度便确定了。如周围温度升高，发热量会减小；反之发热量会相应增大。PTC 电热元件具有很多优点，因此得到了迅速发展，并正在取代传统的电热元件。

在实际应用中，对不同功能的PTC元件的居里温度点有不同的要求。在元件的制作过程中，可通过制作工艺和添加不同材料来改变其居里温度点。例如：在钛酸钡中掺入锶(Sr）、锡(Sn)，可使居里点朝低温侧移动；掺入铅(Pb)则使居里点朝高温侧移动。目前，实际产品一般在－30～265℃范围内调节。

第四节电力电子器件

电力晶体管

GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。电力晶体管的结构

电力晶体管(Giant Transistor)简称GTR又称BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。[1]

电力晶体管工作原理

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。GTR通常工作在正偏(Ib>0)时大电流导通；反偏(Ib<0=时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。

电力晶体管特点

l 输出电压

可以采用脉宽调制方式，故输出电压为幅值等于直流电压的强脉冲序列。

2 载波频率

由于电力晶体管的开通和关断时间较长，故允许的载波频率较低，大部分变频器的上限载波频率约为1.2～1.5kHz左右。

3 电流波形

因为载波频率较低，故电流的高次谐波成分较大。这些高次谐波电流将在硅钢片中形成涡流，并使硅钢片相互间因产生电磁力而振动，并产生噪音。又因为载波频率处于人耳对声音较为敏感的区域，故电动机的电磁噪音较强。

4 输出转矩

因为电流中高次谐波的成分较大，故在50Hz时，电动机轴上的输出转矩与工频运行时相比，略有减小。

电力晶体管的基本特性

(1)静态特性

共发射极接法时可分为三个工作区：

①截止区。在截止区内，iB≤0，uBE≤0，uBC<0，集电极只有漏电流流过。

②放大区。iB >0，uBE>0，uBC<0，iC =βiB。

③饱和区。iB >Ics/β，uBE>0，uBC>0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。

结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。

(2)动态特性

GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。

电力晶体管的主要参数

(1)最高工作电压

(2)集电极最大允许电流ICM

(3)集电极最大允许耗散功率PCM

(4)最高工作结温TJM

二次击穿和安全工作区

(1)二次击穿

二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿。防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。

②必须有电压电流缓冲保护措施。[1]

(2)安全工作区

以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB (二次击穿电压)与ISB (二次击穿电流)组成的PSB (二次击穿功率)是一个不等功率曲线。为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比GTR的极限电压低很多。

第四节电力电子器件

晶闸管

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产

品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中

晶闸管导通条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

晶闸管（Thyristor）是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，并且它的其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的设备。1957年，美国通用电器公司开发出世界上第一个晶闸管产品，并于1958年使其商业化。[1]

结构

它是由一个P-N-P-N四层 (4 layers) 半导体构成的，中间形成了三个PN结。

按关断、导通及控制

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR）、双向晶闸

管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。

按引脚和极性

晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

按封装形式

晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

按电流容量分类

晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用陶瓷封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。

按关断速度

晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。（备注：高频不能等同于快速晶闸管）

第四节电力电子器件

晶闸管工作原理

晶闸管在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

半控型晶闸管的工作条件：

1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。

2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。

3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。

4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

全控型晶闸管的工作条件：

1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。

2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（或电流）的情

况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态。

3. 一旦晶闸管开始导通，它就被钳住在导通状态，而此时门极电流可以取消。晶闸管不能被门极关断，像一个二极管一样导通，直到电流降至零和有反向偏置电压作用在晶闸管上时，它才会截止。当晶闸管再次进入正向阻断状态后，允许门极在某个可控的时刻将晶闸管再次触发导通。[2] 4工作过程

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结图1，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管图2

当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,

晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

若门极电流为Ig，则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））（1—1）式

硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3所示。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸管处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig，由于足够大的Ig 流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2，产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1，产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图3，当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。

式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0，即使此时门极电流Ig=0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。

可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

第五节继电器与时间控制器

继电器

继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

因为继电器是由线圈和触点组两部分组成的，所以继电器在电路图中的图形符号也包括两部分：

一个长方框表示线圈；一组触点符号表示触点组合。当触点不多电路比较简单时，往往把触点组直接画在线圈框的一侧，这种画法叫集中表示法。

电符号和触点形式：

继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号

“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式：

1、动合型（常开）（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。

2、动断型（常闭）（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“D”表示。

3、转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。

2主要作用

继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、

通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。