由： 湯姆·哈里斯

　　你對(duì)電燈開關(guān)了解多少? JUPITERIMAGES / GETTY IMAGES

　　當(dāng)你布置一個(gè)家時(shí)， 光 就是一切。房間里的光線水平?jīng)Q定了你能做什么和不能做什么，它對(duì)你的感受有巨大的影響。例如，你不能很容易通過一根蠟燭閱讀，在1，500瓦的背景下，兩人的浪漫晚餐就不那么浪漫了。 鹵素?zé)?

　　問題在于，人們需要將一些房間用于多種目的，而這些不同的功能需要不同的光線量。輸入 調(diào)光開關(guān)，一個(gè)方便的電氣組件，可讓您通過簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕或滑動(dòng)杠桿來調(diào)整從近暗到完全照明的亮度水平。

　　在本文中，我們將研究其中一種日常設(shè)備，以了解它如何控制燈具。事實(shí)證明，內(nèi)部工作非?？?- 而且令人驚訝?，F(xiàn)代調(diào)光開關(guān)以完全出乎意料的方式工作。

　　老路

　　早期的調(diào)光開關(guān)有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的解決方案來調(diào)節(jié)光線水平 - 一個(gè) 可變電阻器.一個(gè)平凡的 電阻器 是一種不能很好地傳導(dǎo)電流的材料 - 它對(duì)移動(dòng)電荷提供了很大的阻力?？勺冸娮杵饔梢粔K電阻材料、一個(gè)固定接觸臂和一個(gè)移動(dòng)接觸臂組成。

　　當(dāng)電荷通過電阻器時(shí)，能量以熱量的形式損失。當(dāng)您將電阻器放入串聯(lián)電路中時(shí)，電阻器的 能源 消耗導(dǎo)致 壓降 在電路中，減少其他可用的能量 負(fù)荷 (的 電燈泡，例如)。減少 電壓 穿過燈泡會(huì)降低其光輸出。

　　這種解決方案的問題在于，您最終會(huì)使用大量能量來加熱電阻器，這無助于您照亮房間，但仍然會(huì)花費(fèi)您。除了效率低下之外，這些開關(guān)往往很麻煩且有潛在危險(xiǎn)，因?yàn)榭勺冸娮钑?huì)釋放大量熱量。

　　新的和改進(jìn)的方式

　　現(xiàn)代電阻器不是將能量從燈泡轉(zhuǎn)移到電阻器中，而是快速關(guān)閉和打開光電路，以減少流經(jīng)電路的總能量。燈泡電路每秒關(guān)閉多次。

　　轉(zhuǎn)換周期是圍繞家庭的波動(dòng)建立的 交流電 (交流)。交流電流有變化 電壓 極性 -- 在起伏中 正弦波，它從正電壓波動(dòng)到負(fù)電壓。換句話說，構(gòu)成交流電流的移動(dòng)電荷是不斷的 改變方向.在美國(guó)，它每秒經(jīng)歷一個(gè)循環(huán)(向一個(gè)方向移動(dòng)，然后向另一個(gè)方向移動(dòng))60次。下圖顯示了這個(gè)六十秒的周期。

　　現(xiàn)代調(diào)光開關(guān)”切碎“正弦波。每當(dāng)電流反轉(zhuǎn)方向時(shí)，它都會(huì)自動(dòng)關(guān)閉燈泡電路 - 也就是說，每當(dāng)電路中有零電壓運(yùn)行時(shí)。每個(gè)周期發(fā)生兩次，或每秒發(fā)生 120 次。當(dāng)電壓回升到一定水平時(shí)，它會(huì)重新打開燈電路。

　　這”開啟值“基于調(diào)光開關(guān)旋鈕或滑塊的位置。如果調(diào)光器調(diào)到更亮的設(shè)置，則在切斷后會(huì)很快打開。電路在大部分周期內(nèi)都是打開的，因此它每秒為燈泡提供更多的能量。如果調(diào)光器設(shè)置為較弱的光線，它將等到周期的稍后重新打開。

　　這是基本概念，但調(diào)光器實(shí)際上如何完成所有這些工作?在接下來的幾節(jié)中，我們將介紹使其工作的簡(jiǎn)單電路。

　　可控硅

　　在上一節(jié)中，我們看到調(diào)光器開關(guān)快速打開和關(guān)閉燈電路，以減少流向電燈開關(guān)的能量。該開關(guān)電路的核心元件是 三極管交流開關(guān)或 可控硅.

　　一個(gè) 可控硅 是一個(gè)小 半導(dǎo)體 設(shè)備，類似于二極管或晶體管。像晶體管一樣，三端雙向可控硅由不同的層組成 半導(dǎo)體材料.這包括 N型 具有許多自由電子的材料，以及 P型 材料，其中有許多自由電子可以去的“空穴”。有關(guān)這些材料的解釋，請(qǐng)查看 半導(dǎo)體的工作原理.并且，為了演示這些材料如何在簡(jiǎn)單的 晶體管看 放大器的工作原理.

　　以下是 N 型和 P 型材料在三端雙向可控硅中的排列方式。

　　您可以看到三端雙向可控硅有兩個(gè)端子，它們連接到電路的兩端。兩個(gè)端子之間始終存在電壓差，但隨著交流電的波動(dòng)而變化。也就是說，當(dāng)電流向一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，頂部端子帶正電，而底部端子帶負(fù)電，當(dāng)電流向另一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，頂部端子帶負(fù)電，而底部端子帶正電。

　　這 門 也通過 可變電阻器.這種可變電阻器的基本工作方式與舊調(diào)光器開關(guān)設(shè)計(jì)中的可變電阻器相同，但它不會(huì)浪費(fèi)那么多的能量產(chǎn)生熱量。如下圖所示，您可以看到可變電阻如何適應(yīng)電路。

　　那么這是怎么回事呢?簡(jiǎn)而言之：

　　三端雙向可控硅用作電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)。

　　柵極上的電壓控制開關(guān)動(dòng)作。

　　可變電阻控制柵極上的電壓。

　　巡回賽

　　當(dāng)端子上有“正?！彪妷憾鴸艠O上的電壓很小時(shí)，三端雙向可控硅將充當(dāng)開路開關(guān) - 它不會(huì)導(dǎo)電。這是因?yàn)閬碜訬型材料的電子沿著P型材料的邊界填充空穴，從而產(chǎn)生 耗盡區(qū)，自由電子或空穴很少的絕緣區(qū)域(參見 本頁 以全面解釋耗盡區(qū))。

　　如果對(duì) 門，它將破壞耗盡區(qū)，使電子可以穿過三端雙向可控硅。確切的順序取決于電流的方向 - 也就是說，您處于交流周期的哪個(gè)部分。假設(shè)電流在流動(dòng)，因此頂部端子帶負(fù)電，底部端子帶正電。電路的布置使得柵極上的電壓升壓將與頂部端子具有相同的電荷。所以我們得到的東西看起來像這樣：

　　當(dāng)柵極“帶電”時(shí)，柵極和下端之間的電壓差足夠強(qiáng)，可以讓電子在它們之間移動(dòng)。將電子移出N型材料 -- 面積 e -- 破壞 E區(qū)和D區(qū)之間的枯竭區(qū).將更多的自由電子引入?yún)^(qū)域 d 破壞 D和C之間的耗盡區(qū).來自面積的電子 c 可以向底部端子移動(dòng)，從一個(gè)孔跳到另一個(gè)孔的區(qū)域 d.這會(huì)在區(qū)域中引入更多孔 c，這讓電子移出 C和B之間的耗盡區(qū).電壓足夠強(qiáng)，可以從區(qū)域驅(qū)動(dòng)電子 一個(gè) 進(jìn)入孔洞區(qū)域 b，破壞 最后耗盡區(qū).隨著耗盡區(qū)的分散，電子可以從頂部端子自由移動(dòng)到底部端子 - 三端雙向可控硅現(xiàn)在是導(dǎo)電的!(注意：一些調(diào)光開關(guān)還包含類似的半導(dǎo)體器件，稱為 迪亞克，除了 可控硅.這些電路以相同的基本方式工作。

　　為了使三端雙向可控硅開始在其兩個(gè)端子之間導(dǎo)電，它需要一個(gè) 電壓升壓 在它的大門上。所需的電壓電平不會(huì)改變，但您可以調(diào)整柵極“充電”到此電壓所需的時(shí)間。這就是可變電阻和點(diǎn)火電容器的用武之地。

　　電流通過 可變電阻器 并收取 點(diǎn)火電容器 (電流在電容器的板上積聚電荷 - 參見 電容器的工作原理 了解更多信息)。當(dāng)電容器積聚一定量的電荷時(shí)，它具有將電流從柵極傳導(dǎo)到底部端子的必要電壓。它放電，使三端雙向可控硅導(dǎo)電。

　　轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)光器開關(guān)旋鈕可旋轉(zhuǎn) 接觸臂 (或接觸板)在可變電阻器上，增加或減少其總電阻。當(dāng)旋鈕設(shè)置為“暗淡”時(shí)，可變電阻器提供更大的電阻，因此它“保持”電流。因此，必要的升壓電壓不會(huì)在點(diǎn)火電容器上迅速建立。當(dāng)電容器充電到足以使三端雙向可控硅導(dǎo)電時(shí)，交流電流循環(huán)正在進(jìn)行中。如果將旋鈕轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向，可變電阻提供的電阻較小，并且電容器在波動(dòng)周期的早期達(dá)到必要的升壓電壓。

　　來自基本調(diào)光器開關(guān)的可變電阻器

　　一旦電流波動(dòng)回零電壓點(diǎn)，就沒有驅(qū)動(dòng)電流通過可控硅，因此電子停止移動(dòng)。耗盡區(qū)再次形成，三端雙向可控硅失去導(dǎo)電性，直到升壓電壓在柵極上積聚。

　　這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行得很好，但它確實(shí)產(chǎn)生了一個(gè)奇怪的問題：它往往會(huì)產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)特的 嗡嗡 在燈泡里。

　　調(diào)光器嗡嗡聲

　　基本調(diào)光開關(guān)的內(nèi)涵如果你連接一個(gè)非常便宜的調(diào)光開關(guān)，你可能會(huì)注意到一種奇怪的嗡嗡聲。這來自來自三端雙向可控硅的切碎電流引起的燈泡燈絲振動(dòng)。

　　如果您已閱讀 電磁鐵的工作原理，您知道流過線圈長(zhǎng)度的電線的電流會(huì)產(chǎn)生大量的磁場(chǎng)，而波動(dòng)的電流會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)的磁場(chǎng)。如果您已閱讀 燈泡的工作原理，你知道燈泡中心的燈絲只是一根盤繞的電線。因此，只要電流通過它，這個(gè)線圈的燈絲就會(huì)變得磁性，并且磁場(chǎng)會(huì)隨著交流電流而波動(dòng)，這是有道理的。

　　正常的波動(dòng)交流電流會(huì)逐漸波動(dòng)，磁場(chǎng)也會(huì)逐漸波動(dòng)。另一方面，當(dāng)三端雙向可控硅變得導(dǎo)電時(shí)，來自調(diào)光開關(guān)的斬波電流就會(huì)突然跳升。這種電壓的突然變化會(huì)突然改變磁場(chǎng)，這會(huì)導(dǎo)致燈絲振動(dòng) - 它被固定到位的金屬臂迅速吸引和排斥。除了產(chǎn)生柔和的嗡嗡聲外，突然變化的磁場(chǎng)還會(huì)產(chǎn)生微弱的磁場(chǎng) 無線電信號(hào) 可能會(huì)對(duì)附近造成干擾 電視 或 收音機(jī)!

　　更好的調(diào)光開關(guān)具有額外的組件來抑制嗡嗡聲效果。通常，調(diào)光器電路包括 電感扼流圈，纏繞在 鐵 核心，以及一個(gè)額外的 干擾電容.兩種設(shè)備都可以暫時(shí)存儲(chǔ)電荷并在以后釋放。這種“額外電流”可以消除由三端雙向可控硅開關(guān)引起的急劇電壓跳躍，以減少嗡嗡聲和無線電干擾。(見 電感器的工作原理 和 電容器的工作原理 了解更多信息。

　　一些高端調(diào)光開關(guān)，例如舞臺(tái)照明中常用的調(diào)光開關(guān)，是圍繞 自 耦 變壓器 而不是三端雙向可控硅。自耦變壓器使燈光變暗 下臺(tái) 流向光電路的電壓。自耦變壓器上的可移動(dòng)抽頭可調(diào)節(jié)降壓動(dòng)作，將燈光調(diào)暗到不同的水平。由于它不會(huì)斬碎交流電流，因此這種方法不會(huì)引起與三端雙向可控硅開關(guān)相同的嗡嗡聲。

　　還有很多其他調(diào)光開關(guān)品種，包括 觸摸板 調(diào)光器和 光電的 調(diào)光器，用于監(jiān)控房間內(nèi)的總光線水平并相應(yīng)地調(diào)整調(diào)光器。其中大多數(shù)都是圍繞同一個(gè)簡(jiǎn)單的想法構(gòu)建的 - 切斷交流電流以減少為燈泡供電的總能量。在最基本的層面上，這就是它的全部?jī)?nèi)容。