当您进行家居装修的时候，光线意味着一切。一个房间的亮度直接决定了您能做什么和不能做什么，而且它也会对您的感官产生巨大的影响。举例来说，靠一支蜡烛的光亮就无法轻松地阅读，而在1,500瓦卤素灯下的二人浪漫晚餐也会变得不那么浪漫。

问题在于人们需要一些房间来实现多种功能，而这些不同的功能又需要不同的亮度。调光开关是一个便利的电子器件，通过旋钮或滑杆可以将亮度从几乎无光逐渐调节到最大亮度。

本文将探讨这个日常装置中的一员，了解它是如何控制灯座的。您会发现，它内部的工作原理相当酷，而且令人惊奇。现代的调光开关以一种完全出人意料的方式进行工作。

早期的调光开关采用一种颇为直接的方式来调节亮度，那就是使用可变电阻器。普通电阻器是导电能力不强的材料，会对电荷的移动产生大量的阻力。一个可变电阻器由一块电阻材料、一个固定的接触臂和一个可移动的接触臂组成。 

借助这样的设计，您可以通过调节电荷在电阻材料中移动的距离来改变电阻器的总阻力。如果接触臂往左，电路里流动的电荷只需经过电阻材料的一小部分。如果接触臂完全往右，电荷则必须在更多的电阻材料中移动。

电荷通过电阻器时，能量以热量的形式散失。把电阻器串联到电路中时，电阻器的能量消耗会导致电路中出现压降，从而减少了分配给其他载荷（比如灯泡）的电量。如果通过灯泡的电压下降，灯泡的亮度也会减弱。

这个方法存在的问题就是您最终用了很多的能量来给电阻器加热，但它并没有替您照亮房间，却让您花费很大。除了低效率之外，这些开关还很笨重并存在潜在的危险，因为可变电阻器会释放出大量的热量。

在接下来的部分我们将看到现代调光开关采用的一种更为高效的方式

现代的电阻器不再采用原先把灯泡中的能量转移到电阻器的方法，而是通过快速切断和开启电路的方法来减少流经电路的总能量。灯泡电路每秒钟会被切断很多次。 

这个开关周期是根据家用交流电 (AC) 的波动而形成。交流电流改变着电压的极性——在一个波状的正弦波中，它在正负两极电压间波动。换句话说，构成交流电流的移动电荷不断地改变着方向。在美国，这样的周期（先朝一个方向移动，再朝另一个方向）每秒发生60次。下图显示了这个每秒60次的周期。

一个现代的调光开关“切断”了正弦波。当电流变向的时候，也就是每当电路中的电压为零的时候，调光开关会自动将照明电路切断。这种情况在每个周期中会发生两次，也就是每秒120次。当电压重新回升到一定的强度，调光开关会重新开启照明电路。

这一“接通值”是由调光开关上的旋钮或滑杆的位置决定的。如果将调光器设定为变亮，在电路切断后它会很快开启。一个周期中大部分的电路都是开启的，因此它每秒能给灯泡提供更多的能量。如果将调光器设定为变暗，它会一直等到周期的后期再开启。

这是基本的概念，但是究竟调光器是如何做到这些的呢？接下来的几部分中，我们来看一下实现这一工作原理的简单电路。

在上文中我们看到，为了减少供给照明开关的能量，调光开关会迅速地开启和关闭照明电路。在这个切换电路中，最关键的要素是一个三极管交流电开关，或者叫作三端双向可控硅开关。 

三端双向可控硅开关是一个很小的半导体装置，类似于二极管或晶体管。类似于晶体管的三端双向可控硅开关由很多层不同的半导体材料制成，它包括N型材料（包含许多自由电子）和P型材料（包含许多自由电子可进入的“空穴”）。关于这些材料的说明，请参见半导体工作原理。

这里是N型和P型材料在三端双向可控硅开关中的排列方式。

您会发现三端双向可控硅开关有两个电极，分别与电路的两端接通。在这两个电极之间往往存在一个电压差，但是它会随着交流电的波动而改变。也就是说，当电流单向通过时，上接头为阳极，下接头为负极。当电流流向另一个方向时，上接头为负极，而下接头则为阳极。

这个门也同样以可变电阻器的方式与电路接通。这个可变电阻器的基本工作原理和在旧式调光开关设计中的可变电阻器是一样的，不同的是它不会浪费这么多能量来产生热量。在下图中您可以看到可变电阻器是如何在电路中工作的。

那么这是怎么一回事呢？简单地说：

· 三端双向可控硅开关作为一个电压驱动的开关。

· 门上的电压控制着开关的动作。

· 可变电阻器控制着门上的电压。

接下来的部分，我们会更详细地探讨这一过程。

当两个电极间的电压“正常”并且门上几乎没有电压时，三端双向可控硅开关就会成为一个打开的开关——它不会导电。这是因为来自N型材料的电子沿着P型材料的边缘进入空穴，产生一个耗尽区，即一处几乎没有自由电子和空穴的区域（请参见本页关于耗尽区的详细说明）。 

如果您给门提供足够强劲的电压，它就会破坏耗尽区，使电子能够通过三端双向可控硅开关移动。确切的次序随着电流的方向（也就是处于交流电周期的那个部分）而改变。我们可以这样理解：因为电流在流动，所以上接头是阴极而下接头则为阳极。这样的电路安排使门上增加的电压将与上接头承载相同的电荷。因此我们可以得出类似于以下的结论：

当门在“充电”时，门和下接头间的电压差变得足够大，使得电子在它们之间开始移动。从N型材料（e 区）移出的电子破坏了e区和d区之间的耗尽区。接着电压差把更多的自由电子带到d区，破坏了d区和c区之间的耗尽区。来自c 区的电子会朝着下接头移动，在d区的空穴之间跳动。这也给c区带来了更多的空穴，使电子可以从c区和b区之间的耗尽区移出来。这里的电压很强，足以把电子从a区带到b区的空穴中，破坏最后一个耗尽区。随着耗尽区的消失，电子可以在上接头和下接头间自由移动，三端双向可控硅开关此时开始导电！（注意：除了三端双向可控硅开关之外，一些调光开关还包含一个类似的半导体装置，称为两端交流开关。这些电路的工作原理都基本相同。）

为了让三端双向可控硅开关开始传导两个电极间的电流，门上需要有一个升压器。这个必需的电压水平不会改变，但是您可以调节从门开始“充电”到达到这一电压所需要的时间。此时就需要可变电阻器和触发电容发挥作用。

电流通过可变电阻器给触发电容充电（电流在电容板上累积电荷——有关更多信息，请参见电容器工作原理）。当电容积聚一定的电量，它就有足够的电压把电流从门传导至下接头。当它开始放电，三端双向可控硅开关就开始导电。

以可变电阻器上的接触臂（或接触板）为中心旋转调光开关上的旋钮，可以增加或减少总的电阻。当旋钮设定在“变暗”时，可变电阻器会提供更多的电阻来“阻止”电流。因此，所需的增压电压就无法像在触发电容上那样迅速地累积。当电容充了足够的电量使三端双向可控硅开关开始导电时，交流电流的周期就开始正常进行。如果您把旋钮转向另一个方向，可变电阻器会减少阻力，电容就能在周期的伊始即得到所需的增压电压。

一旦电流波动回到零电压，三端双向可控硅开关中便没有电流通过，电子也会停止移动。耗尽区再次形成，三端双向可控硅开关停止导电，直到增压电压在门上重新累积。

这个系统运作得非常好，但也产生了一个奇怪的问题：它常常会在灯泡里产生一种明显的蜂鸣声。在接下来的部分，我们会寻找根源所在。

如果您给一个非常廉价的调光开关接上电源，您会听到一阵奇怪的蜂鸣声。这是由于三端双向可控硅开关切断了电流而引起的灯丝振动。 

如果您已经读过电磁体工作原理，就会明白电量在线圈里流动会产生巨大的磁场，电流的波动会产生一个波动的磁场。如果您已经读过电灯泡工作原理，就会明白灯泡中心的灯丝其实是一个金属线圈。它的意义在于，一旦接通电流，灯丝线圈就会产生磁性，并且磁场会随着交流电流一起波动。

正常的波状交流电流是逐渐波动的，所以磁场也是如此。另一方面，一旦三端双向可控硅开关开始导电，调光开关中被切断的电流就立刻形成电压。这一电压的突然转移立刻改变了磁场，引起灯丝振动——它迅速地下降，并在金属臂的作用下反弹回原来的位置。除了会产生轻微的蜂鸣声之外，这个突然的磁场变化还会产生微弱的无线电信号，对附近的电视或收音机产生干扰！

较好的调光开关有额外用于降低蜂鸣效果的元件。通常，调光电路中包括一个扼流圈，就是一定长度的金属丝包裹起一块铁芯，和一个额外的干扰电容。这两个装置都能暂时存储电荷并在以后释放。这个“额外的电流”可以用来消除由三端双向可控硅开关引起的电压突变，从而减少蜂鸣和无线电干扰。（有关更多信息，请参见电感器工作原理和电容器工作原理。）

一些高端的调光开关（例如在舞台灯光中常用的开关）是围绕一个自耦变压器构造起来的，而不是三端双向可控硅开关。这个自耦变压器通过逐步降低照明电路中的电压来调暗灯光。自耦变压器上的一个可移动活栓可以把灯光逐步降低到不同亮度。由于它不用切断交流电流，因此这个方法不会像三端双向可控硅开关那样产生蜂鸣。

此外还有很多其他调光开关种类，有触摸调光器和光电调光器，它们通过监控房间内的总体亮度来相应地调节调光器。大部分这些开关的构造都基于同样的简单概念——即通过切断交流电流来减少灯泡中的总能量供给。归根到底，这也是调光开关的本质所在。