1、第第11章章 晶闸管及其应用电路晶闸管及其应用电路 11.1 晶闸管晶闸管 11.2 单相控制整流电路单相控制整流电路 11.3 单结晶体管出发电路单结晶体管出发电路 11.4 双向晶闸管及其应用电路双向晶闸管及其应用电路11.1 晶闸管晶闸管 11.1.1 晶闸管的实物图及其性能演示晶闸管的实物图及其性能演示 1 外形及其符号外形及其符号 图11.1晶闸管的外形及其符号 (a)螺栓式；(b)平板式；(c)塑封式；(d)符号 2 类型类型 可控硅按其容量有大、中、小功率管之分,一般认为电流容量大于50 A为大功率管,5 A以下则为小功率管,小功率可控硅触发电压为1 V左右,触发电流为零点几到几
2、毫安,中功率以上的触发电压为几伏到几十伏,电流几十到几百毫安。按其控制特性,有单向可控硅和双向可控硅之分。3 演示电路及操作过程 1)演示电路 电路的连接,如图11.2所示。UGGRSgkaUAA 图 11.2 晶闸管连接图 (1)阳极与阴极之间通过灯泡接电源UAA。(2)控制极与阴极之间通过电阻R及开关S接控制电源(触发信号)UGG。2）操作过程及现象 (1)S断开,UGK=0,UAA为正向,灯泡不亮,称之为正向阻断，如图11.3(a)所示。(2)S断开,UGK=0,UAA为反向,灯泡不亮,如图11.3(b)所示。(3)S合上,UGK为正向,UAA为反向,灯泡不亮,称之为反向阻断,如图11.
3、3(c)所示。UGGRSUAA(a)UGGRSUAA(b)UGGRSUAA(c)UGGRSUAA(d)UGGRSUAA(e)UGGRSUAA(f)亮暗灭UGGRSUAA(g)UGGRSUAA(h)图 11.3 晶闸管工作示意图 (4)S合上,UGK为正向,UAA为正向,灯泡亮,称之为触发导通,如图11.3(d)所示。(5)在(4)基础上,断开S,灯泡仍亮,称之为维持导通,如图11.3(e)所示。(6)在(5)基础上,逐渐减小UAA,灯泡亮度变暗,直到熄灭,如图11.3(f)所示。(7)UGG反向,UAA正向,灯泡不亮,称之为反向触发,如图11.3(g)所示。(8)UGG反向,UAA反向,灯泡仍
4、不亮,如图11.3(h)所示。3）现象分析及结论 (1)由图11.3(c)、(d)得出,晶闸管具有单向导电性。(2)由图(a)、(b)、(d)、(g)、(h)得出,只有在控制极加上正向电压的前提下,晶闸管的单向导电性才得以实现。(3)由图11.3(e)得出,导通的晶闸管即使去掉控制极电压,仍维持导通状态。(4)由图11.3(f)得出,要使导通的晶闸管关断,必须把正向阳极电压降低到一定值才能关断。11.1.2 晶闸管的内部结构及工作原理晶闸管的内部结构及工作原理 1内部结构内部结构 晶闸管的内部结构如图11.4(a)所示。由图可知，晶闸管由PNPN四层半导体构成,中间形成三个PN结:J1,J2,
5、J3,由最外层的P1、N2分别引出两个电极称为阳极a和阴极k,由中间的P2引出控制极g。2 工作原理工作原理 为了说明晶闸管的工作原理,可把四层PNPN半导体分成两部分,如图11.4(b)所示。P1,N1,P2组成PNP型管,N2,P2,N1组成NPN型管,这样,可控硅就好像是由一对互补复合的三极管构成的,其等效电路如图11.4(c)所示。P1N1P2N2J1J2J3gk N2kP2N1gP1N1P2aUGGRGkIGV2aIAV1IC1UAARAg(a)(b)(c)aIC2 图11.4内部结构及其等效电路 (a)内部结构示意图；(b)分解两个晶体管；(c)等效电路 如果在控制极不加电压,无论
6、在阳极与阴极之间加上何种极性的电压,管内的三个PN结中,至少有一个结是反偏的,因而阳极没有电流产生,当然就出现了图11.3(a)、(b)所示灯泡不亮的现象。如果在晶闸管ak之间接入正向阳极电压UAA后,在控制极加入正向控制电压UGG,V1管基极便产生输入电流IG,经V1管放大,形成集电极电流IC1=1UG,IC1又是V2管的基极电流,同样经过V2的放大,产生集电极电流IC2=12IG,IC2又作为V1的基极电流再进行放大。如此循环往复,形成正反馈过程,晶闸管的电流越来越大,内阻内阻急剧下降,管压降减小,直至晶闸管完全导通。这时晶闸管ak之间的正向压降约为0.61.2 V。因此流过晶闸管的电流I
7、A由外加电源UAA和负载电阻RA决定,即IAUAA/RA。由于管内的正反馈,使管子导通过程极短,一般不超过几微秒。图11.3(d)的演示就是证明。晶闸管一旦导通,控制极就不再起控制作用,不管UGG存在与否,晶闸管仍将导通。若要导通的管子关断,则只有减小UAA,直至切断阳极电流,使之不能维持正反馈过程,如图11.3(f)所示。在反向阳极电压作用下,两只三极管均处于反向电压,不能放大输入信号,所以晶闸管不导通。11.1.3 晶闸管的伏安特性曲线及其主要参数晶闸管的伏安特性曲线及其主要参数 1 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性如图11.5所示。以下分别讨论其正向特性和反向特性。1）
8、正向特性 (1)正向阻断状态。若控制极不加信号,即IG=0,阳极加正向电压UAA,晶闸管呈现很大电阻,处于正向阻断状态,如图中OA段。反向阻断D反向击穿正向阻断OCBA正向转折电压不稳定状态IG=0IFiAIG增加正向导通UFuAKUBRUBO 图 11.5 晶闸管的伏安特性 (2)负阻状态。当正向阳极电压进一步增加到某一值后,J2结发生击穿,正向导通电压迅速下降,出现了负阻特性,见曲线AB段,此时的正向阳极电压称之为正向转折电压,用UBO表示。这种不是由控制极控制的导通称为误导通,晶闸管使用中应避免误导通产生。在晶闸管阳极与阴极之间加上正向电压的同时,控制极所加正向触发电流IG越大,晶闸管由
9、阻断状态转为导通所需的正向转折电压就越小,伏安特性曲线向左移。(3)触发导通状态。晶闸管导通后的正向特性如图中BC段,与二极管的正向特性相似,即通过晶闸管的电流很大,而导通压降却很小,约为 1 V左右。2）反向特性 (1)反向阻断状态。晶闸管加反向电压后,处于反向阻断状态,如图中OD段,与二极管的反向特性相似。(2)反向击穿状态。当反向电压增加到UBR时,PN结被击穿,反向电流急剧增加,造成永久性损坏。2 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1）电压定额 (1)正向转折电压UBO。(2)正向阻断重复峰值电压UVM。(3)反向重复峰值电压URM。(4)通态平均电压UF。(5)额定电压UD。3 电流
10、定额电流定额 1)额定正向平均电流IF 2)维持电流IH 4 控制极定额控制极定额 1)控制极触发电压UG和触发电流IG 2)控制极反向电压UGR 11.1.4 晶闸管的型号晶闸管的型号 国产晶闸管的型号有两种表示方法,即KP系列和3CT系列。额定通态平均电流的系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、900、1000(A)等14种规格。额定电压在1000 V以下的,每100 V为一级;1000 V到3000 V的每200 V为一级,用百位数或千位及百位数组合表示级数。KP系列表示参数的方式如图 11.6 所示。其通态平均电压分为9级,用AI各字母表
11、示0.41.2 V的范围,每隔0.1 V为一级。额定电压UD级别额定通态平均电流IFP普通反向阻断型K闸流特性通态平均电压UF组别(小于100 A不标)图 11.6 KP系列参数表示方式 例如,型号为KP200-10D,表示IF=200A、UD=1000V、UF=0.7V的普通型晶闸管。3CT系列表示参数的方式如图11.7所示。特性参数分类BT35B耗散功率500 mW三个电极特种管半导体 图11.73 CT系列参数表示方式 11.1.5 普通晶闸管质量粗测普通晶闸管质量粗测 1 测量可控硅内部的测量可控硅内部的PN结结 可控硅的内部有三个PN结,这三个PN结的好坏直接影响可控硅的质量。所以使
12、用可控硅之前,应该先对这三个PN结进行测量。测量方法如图11.8 所示。图 11.8 可控硅的测量 2 测量可控硅的关断状态测量可控硅的关断状态 可控硅在反向连接时是不导通的,如果可控硅正向连接,但是没有控制电压,它也是不导通的。在这两种情况下,可控硅中间没有电流流过,属于关断状态。把万用表置在R1 k(或R10 k)挡,黑表棒接可控硅的阳极a,红表棒接阴极k,可控硅属于正向连接,表上显示的电阻应很大,把两根表棒对换后,再分别接可控硅的阳极和阴极,使可控硅处于反向连接状态,表上显示的电阻仍然应该很大,如图11.8(c)所示。3 测量可控硅的触发能力测量可控硅的触发能力 检查小功率晶闸管触发电路
13、如图11.9 所示。万用表置于R1(或R10)挡。测量分两步进行:第一步,先断开开关S,此时晶闸管尚未导通,测出的电阻值应是无穷大。然后合上开关,将控制极与阳极接通,使控制极电位升高,这相当于加上正触发信号,因此晶闸管导通,此时,其电阻值为几欧至几十欧。第二步,再把开关断开,若阻值不变,证明晶闸管质量良好。R1+RoEKP1KP5kgSa红黑 图 11.9 检查小功率晶闸管的触发能力 图中的开关可用一根导线代替,导线的一端固定在阳极上,另一端搭在控制极上时相当于开关闭合。本方法仅适用于检查KP1KP5等小功率晶闸管或小功率快速晶闸管。对于大功率晶闸管,因其通态压降较大,加之R1挡提供的阳极电流
14、低于维持电流IH,所以晶闸管不能完全导通,在开关断开时晶闸管会随时之关断。此时,可采用双表法,把两只万用表的R1()挡串联起来使用,得到3V电源电压。具体检测步骤同小功率晶闸管。11.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 11.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 1 电路组成电路组成 用晶闸管替代单相半波整流电路中的二极管就构成了单相半波可控整流电路,如图11.10（a）所示。u1Tru2uVuoRL图11.10u2U22t1t2ttaa0ug0uo、io0uoioUottauV0U22(b)图 11.10 单相半波整流 电路及波形 2 工作原理工作原理 设u2=U2sint。电路
15、各点的波形如图11.10(b)所示。在u2正半周,晶闸管承受正向电压,但在0t1期间,因控制极未加触发脉冲,故不导通,负载RL没有电流流过,负载两端电压uo=0,晶闸管承受u2全部电压。在t1=时刻,触发脉冲加到控制极,晶闸管导通,由于晶闸管导通后的管压降很小,约1V左右,与u2的大小相比可忽略不计,因此在t1期间,负载两端电压与u2相似,并有相应的电流流过。2 当交流电压u2过零值时,流过晶闸管的电流小于维持电流,晶闸管便自行关断,输出电压为零。当交流电压u2进入负半周时,晶闸管承受反向电压,无论控制极加不加触发电压,可控硅均不会导通,呈反向阻断状态,输出电压为零。当下一个周期来临时,电路将
16、重复上述过程。入控制极电压ug使晶闸管开始导通的角度称为控制角,=称为导通角,如图11.（b）所示。显然,控制角越小,导通角就越大,当=0时,导通角=,称为全导通。的变化范围为0。由此可见,改变触发脉冲加入时刻就可以控制晶闸管的导通角,负载上电压平均值也随之改变,增大,输出电压减小,反之,减小,输出电压增加,从而达到可控整流的目的。3 输出直流电压和电流输出直流电压和电流 由图11.10（b）可知,负载电压uo是正弦半波的一部分,在一个周期内,其平均值为)cos1(22)(sin22122UttdUUao 当=0,=时,晶闸管全导通,相当于二极管单相半波整流电路,输出电压平均值最大可至0.45
17、U2,当=,=0时,晶闸管全阻断,UO=0。负载电流的平均值为2)cos1(45.02ULLOORURUI2cos145.02(11.2)4 晶闸管上的电压和电流晶闸管上的电压和电流 由图11.10（b）可以看出,晶闸管上所承受的最高正向电压为2222UUUURMVM 晶闸管上承受的最高反向电压为 据11.1.3节中参数中额定电压的取值要求,晶闸管的额定电压应取其峰值电压的23 倍。如果输入交流电压为220 V,则VUUURMvm31122 应选额定电压为600 V以上的晶闸管。流过晶闸管的平均电流为VFOVIIII)25.1(额定电流为 11.2.2单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路
18、1 阻性负载阻性负载 1）电路组成电路组成 将二极管桥式整流电路中的两个二极管用两个晶闸管替换,就构成了半控桥式整流电路,如图11.11(a)所示。2）工作原理 设 u2=U2 sint,电路各点的波形如图11.11(b)所示。u1u2V1V2V3V4abuoRL(a)u2uguo、io00a0uoioV1、V4V2、V3ttt23(b)导通导通 图 11.11 单相半控桥式整流电路及波形 在u2的正半周,a端为正电压,b端为负电压时,V1和V4承受正向电压,当t=时刻触发晶闸管V1使之导通,其电流回路为:电源a端V1RLV4电源b端。若忽略V1、V4的正向压降,输出电压uO与u2相等,极性为
19、上正下负,这时V2、V3均承受反向电压而阻断。电源电压u2过零时,V1阻断,电流为零。在u2的负半周,a点为负,b点为正,V2和V3承受正向电压,当t=+时触发V2,使之导通,其电流回路为:电源b端V2RLV3电源a端,负载电压大小和极性与u2在正半周时相同,这时V1和V4均承受反向电压而阻断。当u2由负值过零时,V3阻断,电流为零。在u2的第二个周期内,电路将重复第一个周期的变化。如此重复下去,以至无穷。3）输出电压和电流 由图11.11(b)可见,半控桥式与半波整流电路相比,其输出电压的平均值要大 1 倍,LOOORUIUU2cos19.02 输出电流的平均值为即(11.6)(11.7)4
20、）晶闸管上的电压和电流 由工作原理分析可知,晶闸管和二极管承受的最高反向工作电压以及晶闸管可能承受的最大正向电压均等于电源电压的最大值,即2222UUUURMVM(11.7)(11.9)流过每个晶闸管和二极管电流的平均值等于负载电流的一半,即OVII21（11.10）2 感性负载感性负载 1）感性负载半控桥式整流电路 图11.12(a)是具有电感性负载的单相桥式半控整流电路。如前所述,在纯电阻负载的情况下,负载中的电流是断续的,当输入电压u2为零时,负载中的电流也减小为零,如图11.0(b)所示。但对于感性负载,情况就会发生变化。在u2的正半周内,由于ug1的触发作用,晶闸管V1与二极管V4同
21、时导通。此时L的作用表现在减小晶闸管V1导通电流ia1的变化,如图11.12(b)io-t波形中的12段,波形幅度减小,比较平坦。u1u2V1V2V3V4abuoR(a)Lu2ug0iot23t00t123ug1ug2ug3V4V3V3V4V4t6t5t4t3t2t1(b)图11.12 电感性负载半控桥式整流电路及波形 其次,u2由正变负过零时,u2=0,ia1原要减小为零,但由于L两端要产生感应电动势,以阻止ia1的减小,故ia1并不为零。事实上,这时感应电动势的极性为下“+”上“-”,它加在二极管V3、V1 和R串联的电路两端,并使二极管V3的阳极具有正电位,晶闸管V1的阴极具有负电位,故
22、晶闸管V1继续导通,电流路径是:L下“+”R 二极管V3 晶闸管V1 L上“-”u1u2V1V2V3V4uoRLV5图 11.13 有续流二极管的感性负载 半控桥式整流电路 必须强调,在这种情况下,二极管V3代替了V4,并和晶闸管V1一起组成导通电路。因此,ia1继续流过负载,波形如图11.12(b)中io波形的23段所示。在u2负半周,ug2接入,使得晶闸管V2触发导通,晶闸管V1才因承受反向电压而关断。于是负载电流转换成为晶闸管V2的导通电流ia2,以后的过程与前相似。由图11.1(b)可以看出,二极管在电源电压过零时换相,可控硅在触发时换相,输出电流是连续不断的,出现可控硅在感性负载时的
23、导通时间比阻性负载时的导通时间长的状态,对于这种情况,一般来说,整流器仍能正常工作,但输出电压从零开始则不易调整,对控制角有严格限制的整流器也不易调整。2）加有续流二极管的半控桥式整流电路 由以上分析可知,产生失控现象的原因是流过晶闸管的电流ia1（或ia2）减小时,L两端产生下“+”上“-”的感应电动势。因此,要消除失控现象,就必须设法减小感应电动势。克服的方法是在整个负载并联一个二极管V5,它的正极接在感性负载的下端,负极接在其上端,如图11.1所示。一旦流过V1的电流ia1减小,致使L产生下正上负电动势时,二极管V5立即导通,将V1与V3串联电路短接,使晶闸管V1的阳极电压降为零,于是V
24、1立即关断,由于V5为感性负载提供了一个放电回路,因而避免了感性负载的持续电流通过可控硅,故V5称为续流二极管。加续流二极管后,其感性负载的输出电压uo的波形与纯电阻负载时相同,计算公式也一样,但负载电流的波形不同了。因电感阻碍电流变化的作用,使流过负载的电流不但可以连续,而且基本上维持不变;电感越大,电流io的波形越接近于一条水平线。11.3 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 11.3.1 单结晶体管的结构及其性能单结晶体管的结构及其性能 1 外形及符号外形及符号 图11.14(a)所示为单结晶体管的外形图。可以看出,它有三个电极,但不是三极管,而是具有三个电极的二极管,管内只有一个PN
25、结,所以称之为单结晶体管。三个电极中,一个是发射极,两个是基极,所以也称为双基极二极管。双基极二极管的电路符号如图11.14(b)所示,文字符号用V表示。其中,有箭头的表示发射极e；箭头所指 方向对应的基极为第一基极b1,表示经PN结的电流只流向b1极;第二基极用b2表示。b2b1eb1b2b1eb1e(a)b2b2e(b)图 11.14 单结管的外形、符号图eb2b1P型硅N型硅(a)eab2b1Rb2Rb1Rbb(b)图 11.15 单结管结构及等效电路 2 单结管的结构单结管的结构 单结晶体管的结构如图11.15(a)所示。3 单结管的伏安特性单结管的伏安特性 用实验方法可以得出单结管的
26、伏安特性,如图11.16所示。在图11.16(a)中,两个基极b1与b2之间加一个电压UBB(b1接负,b2接正),则此电压在b1a与b2a之间按一定比例分配,b1a之间电压用UA表示为 叫分压比，不同的单结管有不同的分压比,其数值与管子的几何形状有关,约在0.30.9之间,它是单结管的很重要的参数。2121bbABBBBbbAARRRUURRRU式中 UEEReiEeUJRb2b2b1aRb1uAUBB(a)JuEB1饱和区截止区负阻区IVViEBIP0AUVPUPuEB1(b)图11.16 单结晶体管的特性 再在发射极e与基极b1间加一个电压UEE,将可调直流电源UEE通过限流电阻Re接到
27、e和b1之间,当外加电压uEB1uA+UJ时,PN结正偏,iE猛增,Rb1急剧下降,下降,uA也下降,PN结正偏电压增加,iE更大。这一正反馈过程使uEB1反而减小,呈现负阻效应,如图 11.16(b)中的PV段曲线。这一段伏安特性称之为负阻区;P点处的电压UP称为峰点电压,相对应的电流称之为峰点电流,峰点电压是单结管的一个很重要的参数,它表示单结管未导通前最大发射极电压,当UEB1稍大于UP或者近似等于UP时,单结管电流增加,电阻下降,呈现负阻特性,所以习惯上认为达到峰点电压UP时,单结管就导通,峰点电压UP为:UP=UBB+UJ,UJ为单结管正向压降。当uE降低到谷点以后,iE增加,uE也
28、有所增加,器件进入饱和区,如图 11.16(b)所示的VB段曲线。其动态电阻为正值。负阻区与饱和区的分界点V称为谷点，该点的电压称为谷点电压UV。谷点电压UV是单结管导通的最小发射极电压,在uEB10),则晶闸管被触发导通,电流方向是从T2流向T1;第三象限的曲线表明,T1极的电压高于T2极电压,我们称为反向电压,用U12表示。若控制极加负极性触发信号(IGUBO时,管子进入负阻区,当u超过反向转折电压UBR时,管子也能进入负阻区。双向触发二极管的耐压值UBO大致分为三个等级:2060 V、100150 V、20025 。1.4.3 交流调光台灯的应用电路交流调光台灯的应用电路 图11.27是
29、调光台灯的应用电路,图11.28为它的工作波形图。下面分析电路的工作原理。RL220 V，25 W68 k1.5 kR1V22CTSV13CT101C20.22 F/160 V220 VSuR2470 kRPC10.22 F/160 VR347 kGT2T1 图 11.27 调光台灯应用电路 u0uo0uL0ttt(a)(b)图 11.28 双向晶闸管交流调压波形图 触发电路由两节RC移相网络及双向二极管V2组成。当电源电压u为上正下负时,电源电压通过RP和R1向C1充电,当电容C1上的电压达到双向二极管V2的正向转折电压时,V2突然转折导通,给双向晶闸管的控制极一个正向触发脉冲uG,V1由T
30、2向T1方向导通,负载RL上得到相应的正半波交流电压(见图11.28(c)。在电源电压过零瞬间,晶闸管电流小于维持电流IH而自动关断。当电源电压u为上负下正时,电源对C1反向充电,C1上的电压为下正上负,当C1上的电压达到双向二极管V1的反向转折电压时,V1导通,给双向晶闸管的控制极一个反向触发脉冲uG,晶闸管由T1向T2方向导通,负载RL上得到相应的负半波交流电压。输出电压的调节是通过改变可变电阻RP的阻值,达到改变电容C1充电的时间常数的目的,也就改变了触发脉冲出现的时刻,使双向晶闸管的导通角(图11.28(c)受到控制,达到交流调压的目的。在图11.27 中,还设置了R2C2移相网络,它与RP、R1、C1一起构成两节移相网络,这样移相范围可接近180,使负载电压可从零伏开始调起,即灯光可从全暗逐渐调亮。
