雙向可控硅詳解

1、雙向可控硅詳解雙向可控硅是一種硅可控整流器件，也稱作晶閘管。這種器件在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點(diǎn)控制，以小電流控制大電流，具有無火花、動(dòng)作快、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。因此，它被廣泛應(yīng)用于各種電器調(diào)速、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)溫以及各種電器過載自動(dòng)保護(hù)等電子電路中。雙向可控硅的外型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)從外表上看，雙向可控硅和普通可控硅很相似，也有三個(gè)電極。但是，它除了其中一個(gè)電極 g 仍叫做控制極外， 另外兩個(gè)電極通常卻不再叫做陽極和陰極，而統(tǒng)稱為主電極 tl 和 t2。它的符號(hào)也和普通可控硅不同，是把兩個(gè)可控硅反接在一起畫成的，如圖2 所示。它的型號(hào)， 在我國(guó)一般用 “3cts”或“ks”表示；

2、國(guó)外的資料也有用 “triac ”來表示的。雙向可控硅的規(guī)格、 型號(hào)、外形以及電極引腳排列依生產(chǎn)廠家不同而有所不同，但其電極引腳多數(shù)是按t1、t2、g 的顧序從左至右排列 (觀察時(shí)，電極引腳向下，面對(duì)標(biāo)有字符的一面 )。目前市場(chǎng)上最常見的幾種塑封外形結(jié)構(gòu)雙向可控硅的外形及電極引腳排列如下圖 1 所示。雙向可控硅的電路符號(hào)如圖2 所示。雙向可控硅的外形結(jié)構(gòu)和普通可控硅沒有多大區(qū)別， 幾十安以下的，則通常采用圖1 所示塑封外形結(jié)構(gòu)。幾十安到一百余安電流大小的則采用螺栓型；額定電流在200 安以上的一般都是平板型的；從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看， 雙向可控硅是一種 npnpn 型五層結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件， 見圖 3(

3、a)。為了便于說明問題， 我們不妨把圖 3(a）看成是由左右兩部分組合而成的，如圖 3(b)。這樣一來，原來的雙向可控硅就被分解成兩個(gè)pnpn 型結(jié)構(gòu)的普通可控硅了。如果把左邊從下往上看的p1n1p2n2 部分叫做正向的話，那么右邊從下往上看的n3p1n1p2 部分就成為反向， 它們之間正好是一正一反地并聯(lián)在一起。我們把這種聯(lián)接叫做反向并聯(lián)。因此，從電路功能上可以把它等效成圖3(c)，也就是說，一個(gè)雙向可控硅在電路中的作用是和兩只普通可控硅反向并聯(lián)起來等效的。這也正是雙向可控硅為什么會(huì)有雙向控制導(dǎo)通特性的根本原因。對(duì)于兩只反向并聯(lián)的普通可控硅來說，因?yàn)樗鼈兏髯远加凶约旱目刂茦O，所以必須通過兩個(gè)

4、控制極的協(xié)調(diào)工作，才能達(dá)到控制電路的目的。而雙向可控硅卻不同，它只有一個(gè)控制極，通過這唯一的控制極就能控制雙向可控硅的正常工作。顯然，它的觸發(fā)電路、比起兩只反向并聯(lián)的普通可控硅的觸發(fā)電路要簡(jiǎn)單得多。這不僅給設(shè)計(jì)和制造帶來很多方便，而且也使電路的可靠性得到提高，設(shè)備的體積縮小，重量減輕，這是雙向可控硅的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。雙向可控硅的特性曲線既然一個(gè)雙向可控硅是由兩只普通可控硅反向并聯(lián)而成的， 那么，我們會(huì)很自然地想到，它的特性曲線就應(yīng)該是由這兩只普通可控硅的特性曲線組合而成。 圖 4 示出了雙向可控硅的特性曲線。由圖可見，雙向可控硅的特性曲線是由一、三兩個(gè)象限內(nèi)的曲線組合成的。第一象限的曲線說明當(dāng)

5、加到主電極上的電壓使tc對(duì) t1 的極性為正時(shí)，我們稱為正向電壓，并用符號(hào)u21 表示。當(dāng)這個(gè)電壓逐漸增加到等于轉(zhuǎn)折電壓 ubo 時(shí)，圖 3(b)左邊的可控硅就觸發(fā)導(dǎo)通，這時(shí)的通態(tài)電流為i21，方向是從 t2 流向 tl。從圖中可以看到，觸發(fā)電流越大，轉(zhuǎn)折電壓就越低，這種情形和普通可控硅的觸發(fā)導(dǎo)通規(guī)律是一致的，當(dāng)加到主電極上的電壓使tl 對(duì) t2 的極性為正時(shí)，叫做反向電壓，并用符號(hào)u12 表示。當(dāng)這個(gè)電壓達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓值時(shí)，圖3（b)右邊的可控硅便觸發(fā)導(dǎo)通，這時(shí)的電流為i12，其方向是從 t1 到 t2。這時(shí)雙向可控硅的特性曲線，如圖 4 中第三象限所示。在上述兩種情況中，除了加到主電極上的電

6、壓和通態(tài)電流的方向相反外，它們的觸發(fā)導(dǎo)通規(guī)律卻是同的。如果這兩個(gè)并聯(lián)連接的管子特性完全相同的話，一，三象限的特性曲線就應(yīng)該是對(duì)稱的。通過對(duì)雙向可控硅特性曲線的分析可以知道；雙向可控硅不象普通可控硅那樣，必須在陽極和陰極之間加上正向電壓，管子才能導(dǎo)通。對(duì)雙向可控硅來說，無所謂陽極和陰極。它的任何一個(gè)主電極，對(duì)圖3(b)中的兩個(gè)可控硅管子來講，對(duì)一個(gè)管子是陽極，對(duì)另一個(gè)管子就是陰極，反過來也一樣。因此，雙向可控硅無論主電極加上的是正向或是反向電壓， 它都能被觸發(fā)導(dǎo)通。 不僅如此， 雙向可控硅還有一個(gè)重要的特點(diǎn)，這就是：不管觸發(fā)信號(hào)的極性如何， 也就是不管所加的觸發(fā)信號(hào)電壓ug 對(duì) t1 是正向還是

7、反向，雙向可控硅都能被觸發(fā)導(dǎo)通。雙向可控硅的這個(gè)特點(diǎn)是普通可控硅所沒有的。雙向可控硅的這種特性可使它具有特殊的功能，也就是可以用交流信號(hào)來作觸發(fā)信號(hào)使它能作為一個(gè)交流雙向開關(guān)使用。四種觸發(fā)方式由于在雙向可控硅的主。電極上，無論加以正向電壓或是反向電壓，也不管觸發(fā)信號(hào)是正向還是反向，它都能被觸發(fā)導(dǎo)通，因此它有以下四種觸發(fā)方式：(1)當(dāng)主電極 t2 對(duì) tl 所加的電壓為正向電壓， 控制積極 g 對(duì)第一電極 tl 所加的也是正向觸發(fā)信號(hào)（圖 5a） 。雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，電流i2l的方 向 從t2 流向 t1。由特性曲線可知，這時(shí)雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通規(guī)律是按第二象限的特性進(jìn)行的，又因?yàn)橛|發(fā)信號(hào)是正

8、向的，所以把這種觸發(fā)叫做“第一象限的正向觸發(fā)”或稱為i+觸發(fā)方式。(2)如果主電極 t2 仍加正向電壓， 而把觸發(fā)信號(hào)改為反向信號(hào)(圖 5b)，這時(shí)雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，通態(tài)電流的方向仍然是從t2 到 t1。我們把這種觸發(fā)叫做“第一象限的負(fù)觸發(fā)”或稱為i-觸發(fā)方式。(3)兩個(gè)主電極加上反向電壓u12(圖 5c)，輸入正向觸發(fā)信號(hào)，雙向可控硅導(dǎo)通后，通態(tài)電流從 t1 流向 t2。雙向可控硅按第三象限特性曲線工作，因此把這種觸發(fā)叫做+觸發(fā)方式。(4)兩個(gè)主電極仍然加反向電壓u12，輸入的是反向觸發(fā)信號(hào) (圖 5d)，雙向可控硅導(dǎo)通后，通態(tài)電流仍從t1 流向 t2。這種觸發(fā)就叫做 -觸發(fā)方式。雙向可

9、控硅雖然有以上四種觸發(fā)方式，但由于負(fù)信號(hào)觸發(fā)所需要的觸發(fā)電壓和電流都比較小。工作比較可靠，因此在實(shí)際使用時(shí)，負(fù)觸發(fā)方式應(yīng)用較多。需要什么樣的觸發(fā)電路雙向可控硅的觸發(fā)電路，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)用途不同大體上可分成兩類，一類是用來調(diào)節(jié)電壓、電流的，另一類是作為交流開關(guān)使用的，它們兩者的觸發(fā)電路也有所不同。用作調(diào)節(jié)電壓、電流的典型電路是燈光調(diào)節(jié)電路，它要求發(fā)光源上得到的是可調(diào)節(jié)的電壓和電流， 因此；它的觸發(fā)電路必須是能夠改變雙向可控硅導(dǎo)通角大小的，見圖 6。這種觸發(fā)電路可以象普通可控硅觸發(fā)電路一樣， 利用雙基極二極管組成，見圖7。通過調(diào)節(jié)電阻 r 的大小可以改變r(jià)c 時(shí)間常數(shù)，從而改變了觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的

10、時(shí)刻，達(dá)到改變可控硅導(dǎo)通角的目的。圖中脈沖變壓器t 初級(jí)的黑點(diǎn)表示變壓器次級(jí)得到的脈沖電壓正好與初級(jí)的電壓相位相反。串接在觸發(fā)回路中的二極管保證了只允許反向脈沖加到控制極g 和主電極 t1，從而實(shí)現(xiàn)了反向觸發(fā)。在這種觸發(fā)電路中，也可以用一種叫做雙向二極管的元件來代替雙基極二極管。雙向二極管是一種小功率五層二端元件，它的正反向伏安特性曲線和雙向可控硅一樣，但它沒有控制極，當(dāng)兩個(gè)極之間所加的電壓達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，雙向二極管便導(dǎo)通。圖8(a)就是利用雙向二極管2cts 組成的觸發(fā)電路。當(dāng)電源電壓處于正半周時(shí)，電源電壓通過rl 向 c1 充電，電容 c1 上的電壓極性是上正下負(fù)。當(dāng)這個(gè)電壓增高達(dá)到雙向二

11、圾管的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，雙向二極管突然轉(zhuǎn)折導(dǎo)通，使雙向可控硅的控制極g 和主電極 t1 之間得到一個(gè)正向觸發(fā)脈沖， 可控硅導(dǎo)通。這時(shí)就相當(dāng)于 i+觸發(fā)方式。在電源電壓過零的瞬間，雙向可控硅自動(dòng)阻斷；當(dāng)電源電壓處于負(fù)半周時(shí),電源電壓對(duì)電容c1 反向充電， c1 上電壓的極性為下正上負(fù)，當(dāng)這個(gè)電壓值充到等于雙向二極管的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，雙向二極管突然反向?qū)?，使雙向可控硅得到一個(gè)反向觸發(fā)信號(hào)，于是雙向可控硅導(dǎo)通。這時(shí)就相當(dāng)于 -觸發(fā)方式。在這個(gè)電路中，調(diào)節(jié)r1 韻阻值，可以改變r(jià)1c1的時(shí)間常數(shù)，因而改變了觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻，也就是改變了雙向可控硅的導(dǎo)通角，達(dá)到了調(diào)節(jié)燈光的目的。電路中各處電壓的波形見圖8（b

12、）其中 ul 是電燈兩端的電壓。雙向可控硅的另一類用途是作交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用。這時(shí)因?yàn)橹皇强刂破溟_通和關(guān)閉，不要求改變輸出電壓的大小，所以不需要復(fù)雜的觸發(fā)電路，一般只需用一個(gè)開關(guān)和一個(gè)限流電阻就可以達(dá)到目的。圖9 就是利用開關(guān) k 和限流電阻 r 組成的最簡(jiǎn)單的觸發(fā)電路。當(dāng)交流電壓處于正半周時(shí)，t1 為正，t2 為負(fù)，這時(shí)只要把開關(guān)k 閉合一下，控制極 g 與主電極 t1 之間便加上一個(gè)反向觸發(fā)電壓，于是雙向可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通。這時(shí)相當(dāng)于 -觸發(fā)方式。當(dāng)電源電壓過零時(shí)，雙向可控硅就自動(dòng)阻斷。當(dāng)電源電壓為負(fù)半周時(shí)， t1 為負(fù)， t2 為正，只要把開關(guān)k 閉合一下， g 和 tl 之間就加上一個(gè)正

13、向電壓，也能使雙向可控硅觸發(fā)導(dǎo)通。這時(shí)相當(dāng)于1+觸發(fā)方式。當(dāng)電源電壓重新過零時(shí)，雙向可控硅就重新自動(dòng)阻斷。如此周而復(fù)始，雙向可控硅就起到一個(gè)交流無觸點(diǎn)雙向開關(guān)的作用。這里的開關(guān) k 可以是繼電器接點(diǎn)，也可以是微動(dòng)開關(guān)、行程開關(guān)或晶體管開關(guān)電路。例如自動(dòng)生產(chǎn)線中的行車在運(yùn)行過程中，每到一個(gè)工位要發(fā)出一個(gè)信息。這時(shí)可以在每個(gè)工位上安裝一個(gè)擋塊，而在行車上安裝一個(gè)行程開關(guān)。每當(dāng)行車到達(dá)工位時(shí)，擋塊便碰撞行程開關(guān)使接點(diǎn)k 閉合一次，雙向可控硅就被觸發(fā)導(dǎo)通； 于是由數(shù)控系統(tǒng)s發(fā)出指令控制生產(chǎn)機(jī)械按預(yù)先編好的程序自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化。雙向可控硅性能、極性判別方法在實(shí)際應(yīng)用或是診斷電路故障時(shí)，常需要判

14、別雙向可控硅各電極的極性及其性能的好壞。下面介紹業(yè)余條件下的簡(jiǎn)易判別方法。極性的判別：將萬用電表量程開關(guān)置于“rx1”(或 rx10”)擋，用黑表筆固定接一電極，用紅表筆分別去測(cè)另兩個(gè)電極，當(dāng)測(cè)得的兩個(gè)阻值都是無窮大時(shí)，那么黑表筆所接電極就是t2。若測(cè)得的阻值不全為無窮大，則應(yīng)將黑表筆換接另一個(gè)電極再測(cè)。判別了電極 t2 后，用兩只表筆測(cè)t1 和 g 兩極，再調(diào)換表筆測(cè)一次，比較兩次測(cè)得的結(jié)果，測(cè)得阻值較小時(shí)，黑表筆所接電極就是t1，紅表筆所接電極就是控制極g。好壞的判別：在已知各電極極性的條件下，將萬用電表置“rx1”擋，黑表筆接 g，紅表筆接 tl，測(cè)得阻值為幾十歐姆 (因功率不同，其阻值

15、略有偏差)，紅表筆改接 t2，阻值應(yīng)無窮大；然后再將黑表筆接t1，紅表筆接g，測(cè)得結(jié)果應(yīng)為幾十歐，再將黑表筆改接 t2，阻值也應(yīng)無窮大。 用兩只表筆測(cè) t1、t2 兩極之間的電阻， 再調(diào)換表筆測(cè)一次，兩次測(cè)得的阻值均應(yīng)無窮大。測(cè)量結(jié)果若滿足上述要求，一般可以判定該器件是好的。如果 g 與 t1 之間的電阻等于零，或g 與 t2、t1 與 t2 之間的電阻都很小，就表明器件內(nèi)部巳擊穿或短路，如果g 與 t1 之間的電阻為無窮大，則表明器件內(nèi)部斷路。使用雙向可控硅要注意的問題在使用雙向可控硅時(shí)， 除了普通可控硅所應(yīng)注意的問題以外， 還需要注意以下幾點(diǎn)。、雙向可控硅通常有耐壓、額定導(dǎo)通電流、觸發(fā)電流

16、、漏電流和電壓降等參數(shù)，其中前兩項(xiàng)在應(yīng)用中最為重要。例如用其控制燈泡，由于燈泡未亮?xí)r燈絲電阻很小，點(diǎn)亮瞬間，沖擊電流要比正常工作時(shí)的電流大1020 倍，一旦選用管子參數(shù)時(shí)未留有足夠的余量，就有可能使管子受大電流沖擊而損壞。、普通可控硅在參數(shù)表或合格證中給出的額定電流是平均值，而雙向可控硅給出的額定電流是有效值。因此在利用雙向可控硅代替兩個(gè)并聯(lián)反接的普通可控硅時(shí)，必須經(jīng)過換算后再去挑選合格的元件。換算的公式是it=045iks。式中：it 普通可控硅額定電流 (安)；iks雙向可控硅額定電流 安)。例如，一個(gè)額定電流為500安的雙向可控硅在作為雙向開關(guān)使用時(shí)， 相當(dāng)于兩個(gè)多少額定電流值的普通可控硅?由換算公式可得，it=0.45x500(安)=225(安) 從普通可控硅參數(shù)系列中可以查到，近似的數(shù)值為200，安。所以額定電流為500安的雙向可控硅在作交流雙向開關(guān)使用時(shí)，可以代替兩只額定電流為200安的普通可控硅。、實(shí)際使用中，在選擇雙向可控硅的觸發(fā)電路時(shí)，一方面應(yīng)盡量選用較容易觸發(fā)的反向觸發(fā)信號(hào)，另一方面應(yīng)使觸發(fā)信號(hào)的電壓和電流盡可能的高些和大一些。通常應(yīng)該使觸發(fā)電流比手冊(cè)中查出的ic 值大一倍左右。、選擇雙向可控硅時(shí)，應(yīng)選額定電流值大于負(fù)載電流有效值的雙向可控硅。對(duì)于電容性負(fù)載還應(yīng)注意過電流