由： 汤姆·哈里斯

　　你对电灯开关了解多少? JUPITERIMAGES / GETTY IMAGES

　　当你布置一个家时， 光 就是一切。房间里的光线水平决定了你能做什么和不能做什么，它对你的感受有巨大的影响。例如，你不能很容易通过一根蜡烛阅读，在1，500瓦的背景下，两人的浪漫晚餐就不那么浪漫了。 卤素灯.

　　问题在于，人们需要将一些房间用于多种目的，而这些不同的功能需要不同的光线量。输入 调光开关，一个方便的电气组件，可让您通过简单地转动旋钮或滑动杠杆来调整从近暗到完全照明的亮度水平。

　　在本文中，我们将研究其中一种日常设备，以了解它如何控制灯具。事实证明，内部工作非常酷 - 而且令人惊讶。现代调光开关以完全出乎意料的方式工作。

　　老路

　　早期的调光开关有一个非常简单的解决方案来调节光线水平 - 一个 可变电阻器.一个平凡的 电阻器 是一种不能很好地传导电流的材料 - 它对移动电荷提供了很大的阻力。可变电阻器由一块电阻材料、一个固定接触臂和一个移动接触臂组成。

　　当电荷通过电阻器时，能量以热量的形式损失。当您将电阻器放入串联电路中时，电阻器的 能源 消耗导致 压降 在电路中，减少其他可用的能量 负荷 (的 电灯泡，例如)。减少 电压 穿过灯泡会降低其光输出。

　　这种解决方案的问题在于，您最终会使用大量能量来加热电阻器，这无助于您照亮房间，但仍然会花费您。除了效率低下之外，这些开关往往很麻烦且有潜在危险，因为可变电阻会释放大量热量。

　　新的和改进的方式

　　现代电阻器不是将能量从灯泡转移到电阻器中，而是快速关闭和打开光电路，以减少流经电路的总能量。灯泡电路每秒关闭多次。

　　转换周期是围绕家庭的波动建立的 交流电 (交流)。交流电流有变化 电压 极性 -- 在起伏中 正弦波，它从正电压波动到负电压。换句话说，构成交流电流的移动电荷是不断的 改变方向.在美国，它每秒经历一个循环(向一个方向移动，然后向另一个方向移动)60次。下图显示了这个六十秒的周期。

　　现代调光开关”切碎“正弦波。每当电流反转方向时，它都会自动关闭灯泡电路 - 也就是说，每当电路中有零电压运行时。每个周期发生两次，或每秒发生 120 次。当电压回升到一定水平时，它会重新打开灯电路。

　　这”开启值“基于调光开关旋钮或滑块的位置。如果调光器调到更亮的设置，则在切断后会很快打开。电路在大部分周期内都是打开的，因此它每秒为灯泡提供更多的能量。如果调光器设置为较弱的光线，它将等到周期的稍后重新打开。

　　这是基本概念，但调光器实际上如何完成所有这些工作?在接下来的几节中，我们将介绍使其工作的简单电路。

　　可控硅

　　在上一节中，我们看到调光器开关快速打开和关闭灯电路，以减少流向电灯开关的能量。该开关电路的核心元件是 三极管交流开关或 可控硅.

　　一个 可控硅 是一个小 半导体 设备，类似于二极管或晶体管。像晶体管一样，三端双向可控硅由不同的层组成 半导体材料.这包括 N型 具有许多自由电子的材料，以及 P型 材料，其中有许多自由电子可以去的“空穴”。有关这些材料的解释，请查看 半导体的工作原理.并且，为了演示这些材料如何在简单的 晶体管看 放大器的工作原理.

　　以下是 N 型和 P 型材料在三端双向可控硅中的排列方式。

　　您可以看到三端双向可控硅有两个端子，它们连接到电路的两端。两个端子之间始终存在电压差，但随着交流电的波动而变化。也就是说，当电流向一个方向移动时，顶部端子带正电，而底部端子带负电，当电流向另一个方向移动时，顶部端子带负电，而底部端子带正电。

　　这 门 也通过 可变电阻器.这种可变电阻器的基本工作方式与旧调光器开关设计中的可变电阻器相同，但它不会浪费那么多的能量产生热量。如下图所示，您可以看到可变电阻如何适应电路。

　　那么这是怎么回事呢?简而言之：

　　三端双向可控硅用作电压驱动开关。

　　栅极上的电压控制开关动作。

　　可变电阻控制栅极上的电压。

　　巡回赛

　　当端子上有“正常”电压而栅极上的电压很小时，三端双向可控硅将充当开路开关 - 它不会导电。这是因为来自N型材料的电子沿着P型材料的边界填充空穴，从而产生 耗尽区，自由电子或空穴很少的绝缘区域(参见 本页 以全面解释耗尽区)。

　　如果对 门，它将破坏耗尽区，使电子可以穿过三端双向可控硅。确切的顺序取决于电流的方向 - 也就是说，您处于交流周期的哪个部分。假设电流在流动，因此顶部端子带负电，底部端子带正电。电路的布置使得栅极上的电压升压将与顶部端子具有相同的电荷。所以我们得到的东西看起来像这样：

　　当栅极“带电”时，栅极和下端之间的电压差足够强，可以让电子在它们之间移动。将电子移出N型材料 -- 面积 e -- 破坏 E区和D区之间的枯竭区.将更多的自由电子引入区域 d 破坏 D和C之间的耗尽区.来自面积的电子 c 可以向底部端子移动，从一个孔跳到另一个孔的区域 d.这会在区域中引入更多孔 c，这让电子移出 C和B之间的耗尽区.电压足够强，可以从区域驱动电子 一个 进入孔洞区域 b，破坏 最后耗尽区.随着耗尽区的分散，电子可以从顶部端子自由移动到底部端子 - 三端双向可控硅现在是导电的!(注意：一些调光开关还包含类似的半导体器件，称为 迪亚克，除了 可控硅.这些电路以相同的基本方式工作。

　　为了使三端双向可控硅开始在其两个端子之间导电，它需要一个 电压升压 在它的大门上。所需的电压电平不会改变，但您可以调整栅极“充电”到此电压所需的时间。这就是可变电阻和点火电容器的用武之地。

　　电流通过 可变电阻器 并收取 点火电容器 (电流在电容器的板上积聚电荷 - 参见 电容器的工作原理 了解更多信息)。当电容器积聚一定量的电荷时，它具有将电流从栅极传导到底部端子的必要电压。它放电，使三端双向可控硅导电。

　　转动调光器开关旋钮可旋转 接触臂 (或接触板)在可变电阻器上，增加或减少其总电阻。当旋钮设置为“暗淡”时，可变电阻器提供更大的电阻，因此它“保持”电流。因此，必要的升压电压不会在点火电容器上迅速建立。当电容器充电到足以使三端双向可控硅导电时，交流电流循环正在进行中。如果将旋钮转向另一个方向，可变电阻提供的电阻较小，并且电容器在波动周期的早期达到必要的升压电压。

　　来自基本调光器开关的可变电阻器

　　一旦电流波动回零电压点，就没有驱动电流通过可控硅，因此电子停止移动。耗尽区再次形成，三端双向可控硅失去导电性，直到升压电压在栅极上积聚。

　　这个系统运行得很好，但它确实产生了一个奇怪的问题：它往往会产生一个独特的 嗡嗡 在灯泡里。

　　调光器嗡嗡声

　　基本调光开关的内涵如果你连接一个非常便宜的调光开关，你可能会注意到一种奇怪的嗡嗡声。这来自来自三端双向可控硅的切碎电流引起的灯泡灯丝振动。

　　如果您已阅读 电磁铁的工作原理，您知道流过线圈长度的电线的电流会产生大量的磁场，而波动的电流会产生波动的磁场。如果您已阅读 灯泡的工作原理，你知道灯泡中心的灯丝只是一根盘绕的电线。因此，只要电流通过它，这个线圈的灯丝就会变得磁性，并且磁场会随着交流电流而波动，这是有道理的。

　　正常的波动交流电流会逐渐波动，磁场也会逐渐波动。另一方面，当三端双向可控硅变得导电时，来自调光开关的斩波电流就会突然跳升。这种电压的突然变化会突然改变磁场，这会导致灯丝振动 - 它被固定到位的金属臂迅速吸引和排斥。除了产生柔和的嗡嗡声外，突然变化的磁场还会产生微弱的磁场 无线电信号 可能会对附近造成干扰 电视 或 收音机!

　　更好的调光开关具有额外的组件来抑制嗡嗡声效果。通常，调光器电路包括 电感扼流圈，缠绕在 铁 核心，以及一个额外的 干扰电容.两种设备都可以暂时存储电荷并在以后释放。这种“额外电流”可以消除由三端双向可控硅开关引起的急剧电压跳跃，以减少嗡嗡声和无线电干扰。(见 电感器的工作原理 和 电容器的工作原理 了解更多信息。

　　一些高端调光开关，例如舞台照明中常用的调光开关，是围绕 自 耦 变压器 而不是三端双向可控硅。自耦变压器使灯光变暗 下台 流向光电路的电压。自耦变压器上的可移动抽头可调节降压动作，将灯光调暗到不同的水平。由于它不会斩碎交流电流，因此这种方法不会引起与三端双向可控硅开关相同的嗡嗡声。

　　还有很多其他调光开关品种，包括 触摸板 调光器和 光电的 调光器，用于监控房间内的总光线水平并相应地调整调光器。其中大多数都是围绕同一个简单的想法构建的 - 切断交流电流以减少为灯泡供电的总能量。在最基本的层面上，这就是它的全部内容。