由： 湯姆·哈里斯

　　你對電燈開關了解多少? JUPITERIMAGES / GETTY IMAGES

　　當你布置一個家時， 光 就是一切。房間里的光線水平決定了你能做什么和不能做什么，它對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。 鹵素燈.

　　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 調光開關，一個方便的電氣組件，可讓您通過簡單地轉動旋鈕或滑動杠桿來調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備，以了解它如何控制燈具。事實證明，內部工作非常酷 - 而且令人驚訝。現代調光開關以完全出乎意料的方式工作。

　　老路

　　早期的調光開關有一個非常簡單的解決方案來調節光線水平 - 一個 可變電阻器.一個平凡的 電阻器 是一種不能很好地傳導電流的材料 - 它對移動電荷提供了很大的阻力。可變電阻器由一塊電阻材料、一個固定接觸臂和一個移動接觸臂組成。

　　當電荷通過電阻器時，能量以熱量的形式損失。當您將電阻器放入串聯電路中時，電阻器的 能源 消耗導致 壓降 在電路中，減少其他可用的能量 負荷 (的 電燈泡，例如)。減少 電壓 穿過燈泡會降低其光輸出。

　　這種解決方案的問題在于，您最終會使用大量能量來加熱電阻器，這無助于您照亮房間，但仍然會花費您。除了效率低下之外，這些開關往往很麻煩且有潛在危險，因為可變電阻會釋放大量熱量。

　　新的和改進的方式

　　現代電阻器不是將能量從燈泡轉移到電阻器中，而是快速關閉和打開光電路，以減少流經電路的總能量。燈泡電路每秒關閉多次。

　　轉換周期是圍繞家庭的波動建立的 交流電 (交流)。交流電流有變化 電壓 極性 -- 在起伏中 正弦波，它從正電壓波動到負電壓。換句話說，構成交流電流的移動電荷是不斷的 改變方向.在美國，它每秒經歷一個循環(向一個方向移動，然后向另一個方向移動)60次。下圖顯示了這個六十秒的周期。

　　現代調光開關”切碎“正弦波。每當電流反轉方向時，它都會自動關閉燈泡電路 - 也就是說，每當電路中有零電壓運行時。每個周期發生兩次，或每秒發生 120 次。當電壓回升到一定水平時，它會重新打開燈電路。

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

　　這是基本概念，但調光器實際上如何完成所有這些工作?在接下來的幾節中，我們將介紹使其工作的簡單電路。

　　可控硅

　　在上一節中，我們看到調光器開關快速打開和關閉燈電路，以減少流向電燈開關的能量。該開關電路的核心元件是 三極管交流開關或 可控硅.

　　一個 可控硅 是一個小 半導體 設備，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”。有關這些材料的解釋，請查看 半導體的工作原理.并且，為了演示這些材料如何在簡單的 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端子，它們連接到電路的兩端。兩個端子之間始終存在電壓差，但隨著交流電的波動而變化。也就是說，當電流向一個方向移動時，頂部端子帶正電，而底部端子帶負電，當電流向另一個方向移動時，頂部端子帶負電，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光器開關設計中的可變電阻器相同，但它不會浪費那么多的能量產生熱量。如下圖所示，您可以看到可變電阻如何適應電路。

　　那么這是怎么回事呢?簡而言之：

　　三端雙向可控硅用作電壓驅動開關。

　　柵極上的電壓控制開關動作。

　　可變電阻控制柵極上的電壓。

　　巡回賽

　　當端子上有“正常”電壓而柵極上的電壓很小時，三端雙向可控硅將充當開路開關 - 它不會導電。這是因為來自N型材料的電子沿著P型材料的邊界填充空穴，從而產生 耗盡區，自由電子或空穴很少的絕緣區域(參見 本頁 以全面解釋耗盡區)。

　　如果對 門，它將破壞耗盡區，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部分。假設電流在流動，因此頂部端子帶負電，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：

　　當柵極“帶電”時，柵極和下端之間的電壓差足夠強，可以讓電子在它們之間移動。將電子移出N型材料 -- 面積 e -- 破壞 E區和D區之間的枯竭區.將更多的自由電子引入區域 d 破壞 D和C之間的耗盡區.來自面積的電子 c 可以向底部端子移動，從一個孔跳到另一個孔的區域 d.這會在區域中引入更多孔 c，這讓電子移出 C和B之間的耗盡區.電壓足夠強，可以從區域驅動電子 一個 進入孔洞區域 b，破壞 最后耗盡區.隨著耗盡區的分散，電子可以從頂部端子自由移動到底部端子 - 三端雙向可控硅現在是導電的!(注意：一些調光開關還包含類似的半導體器件，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端子之間導電，它需要一個 電壓升壓 在它的大門上。所需的電壓電平不會改變，但您可以調整柵極“充電”到此電壓所需的時間。這就是可變電阻和點火電容器的用武之地。

　　電流通過 可變電阻器 并收取 點火電容器 (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)。當電容器積聚一定量的電荷時，它具有將電流從柵極傳導到底部端子的必要電壓。它放電，使三端雙向可控硅導電。

　　轉動調光器開關旋鈕可旋轉 接觸臂 (或接觸板)在可變電阻器上，增加或減少其總電阻。當旋鈕設置為“暗淡”時，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在點火電容器上迅速建立。當電容器充電到足以使三端雙向可控硅導電時，交流電流循環正在進行中。如果將旋鈕轉向另一個方向，可變電阻提供的電阻較小，并且電容器在波動周期的早期達到必要的升壓電壓。

　　來自基本調光器開關的可變電阻器

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

　　這個系統運行得很好，但它確實產生了一個奇怪的問題：它往往會產生一個獨特的 嗡嗡 在燈泡里。

　　調光器嗡嗡聲

　　基本調光開關的內涵如果你連接一個非常便宜的調光開關，你可能會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。

　　如果您已閱讀 電磁鐵的工作原理，您知道流過線圈長度的電線的電流會產生大量的磁場，而波動的電流會產生波動的磁場。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，這個線圈的燈絲就會變得磁性，并且磁場會隨著交流電流而波動，這是有道理的。

　　正常的波動交流電流會逐漸波動，磁場也會逐漸波動。另一方面，當三端雙向可控硅變得導電時，來自調光開關的斬波電流就會突然跳升。這種電壓的突然變化會突然改變磁場，這會導致燈絲振動 - 它被固定到位的金屬臂迅速吸引和排斥。除了產生柔和的嗡嗡聲外，突然變化的磁場還會產生微弱的磁場 無線電信號 可能會對附近造成干擾 電視 或 收音機!

　　更好的調光開關具有額外的組件來抑制嗡嗡聲效果。通常，調光器電路包括 電感扼流圈，纏繞在 鐵 核心，以及一個額外的 干擾電容.兩種設備都可以暫時存儲電荷并在以后釋放。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。

　　一些高端調光開關，例如舞臺照明中常用的調光開關，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 流向光電路的電壓。自耦變壓器上的可移動抽頭可調節降壓動作，將燈光調暗到不同的水平。由于它不會斬碎交流電流，因此這種方法不會引起與三端雙向可控硅開關相同的嗡嗡聲。

　　還有很多其他調光開關品種，包括 觸摸板 調光器和 光電的 調光器，用于監控房間內的總光線水平并相應地調整調光器。其中大多數都是圍繞同一個簡單的想法構建的 - 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，這就是它的全部內容。