模擬電子技術(shù)（第四版）課件：晶閘管及其應(yīng)用電路

晶閘管及其應(yīng)用電路10.1單向晶閘管

10.2單相可控整流電路

10.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

10.4雙向晶閘管及其應(yīng)用電路本章小結(jié)

習(xí)題

10.1單

向

晶

閘

管

10.1.1單向晶閘管的實(shí)物圖及其性能演示

1．外形及其符號(hào)單向晶閘管從外形上分,主要有螺栓式和平板式及塑封式等幾種,見圖10.1,它們都有三個(gè)電極,陽極a(或A),陰極k(或K)和控制極g(或G)。螺栓式晶閘管的陽極是一個(gè)螺栓,使用時(shí)把它緊擰在散熱器上,另一端有兩根引線,其中較粗的一根叫陰極,較細(xì)的一根叫做控制極。平板式晶閘管的中間金屬環(huán)是控制極,上面是陰極,區(qū)分的方法是陰極距控制極比陽極距控制極近。晶閘管的電路符號(hào)見圖10.1(d),文字符號(hào)常用SCR、V表示,本書用V表示。

圖10.1單向晶閘管的外形及其符號(hào)(a)螺栓式；

(b)平板式；

(c)塑封式；

(d)符號(hào)

2．類型晶閘管按其容量有大、中、小功率管之分,一般認(rèn)為電流容量大于50A的為大功率管,5A以下的則為小功率管,小功率晶閘管觸發(fā)電壓為1V左右,觸發(fā)電流為零點(diǎn)幾到幾毫安,中功率以上的觸發(fā)電壓為幾伏到幾十伏,電流幾十到幾百毫安。按其控制特性,有單向晶閘管和雙向晶閘管之分。

3．演示電路及操作過程

1)演示電路電路的連接如圖10.2所示。

(1)陽極與陰極之間通過燈泡接電源UAA。

(2)控制極與陰極之間通過電阻R及開關(guān)S接控制電源(觸發(fā)信號(hào))UGG。

圖

10.2單向晶閘管連接圖

2）操作過程及現(xiàn)象

(1)S斷開,UGK=0,UAA為正向,燈泡不亮,稱之為正向阻斷，如圖10.3(a)所示。

(2)S斷開,UGK=0,UAA為反向,燈泡不亮,如圖10.3(b)所示。

(3)S合上,UGK為正向,UAA為反向,燈泡不亮,稱之為反向阻斷,如圖10.3(c)所示。

(4)S合上,UGK為正向,UAA為正向,燈泡亮,稱之為觸發(fā)導(dǎo)通,如圖10.3(d)所示。

(5)在(4)基礎(chǔ)上,斷開S,燈泡仍亮,稱之為維持導(dǎo)通,如圖10.3(e)所示。

(6)在(5)基礎(chǔ)上,逐漸減小UAA,燈泡亮度變暗,直到熄滅,如圖10.3(f)所示。

(7)UGG反向,UAA正向,燈泡不亮,稱之為反向觸發(fā),如圖10.3(g)所示。

(8)UGG反向,UAA反向,燈泡仍不亮,如圖10.3(h)所示。圖10.3單向晶閘管工作示意圖

3）現(xiàn)象分析及結(jié)論

(1)由圖10.3(c)、(d)得出,晶閘管具有單向?qū)щ娦浴?/p>

(2)由圖10.3(a)、(b)、(d)、(g)、(h)得出,只有在控制極加上正向電壓的前提下,晶閘管的單向?qū)щ娦圆诺靡詫?shí)現(xiàn)。

(3)由圖10.3(e)得出,導(dǎo)通的晶閘管即使去掉控制極電壓,仍維持導(dǎo)通狀態(tài)。

(4)由圖10.3(f)得出,要使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷,必須把正向陽極電壓降低到一定值。

10.1.2單向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

1．內(nèi)部結(jié)構(gòu)

單向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10.4(a)所示。由圖可知，它由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成,中間形成三個(gè)PN結(jié):J1、J2、J3,由最外層的P1、N2分別引出兩個(gè)電極稱為陽極a和陰極k,由中間的P2引出控制極g。

2．工作原理

為了說明晶閘管的工作原理,可把四層PNPN半導(dǎo)體分成兩部分,如圖10.4(b)所示。P1、N1、P2組成PNP型管,N2、P2、N1組成NPN型管,這樣,晶閘管就好像是由一對(duì)互補(bǔ)復(fù)合的三極管構(gòu)成的,其等效電路如圖10.4(c)所示。

如果在控制極不加電壓,無論在陽極與陰極之間加上何種極性的電壓,管內(nèi)的三個(gè)PN結(jié)中,至少有一個(gè)結(jié)是反偏的,因而陽極沒有電流產(chǎn)生,當(dāng)然就出現(xiàn)了圖10.3(a)、(b)所示燈泡不亮的現(xiàn)象。

圖10.4內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其等效電路(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

(b)分解為兩個(gè)晶體管；

(c)等效電路

如果在晶閘管a、k之間接入正向陽極電壓UAA后,在控制極加入正向控制電壓UGG,V1管基極便產(chǎn)生輸入電流IG,經(jīng)V1管放大,形成集電極電流IC1=β1UG,IC1又是V2管的基極電流,同樣經(jīng)過V2的放大,產(chǎn)生集電極電流IC2=β1β2IG,IC2又作為V1的基極電流再進(jìn)行放大。如此循環(huán)往復(fù),形成正反饋過程,晶閘管的電流越來越大,內(nèi)阻急劇下降,管壓降減小,直至晶閘管完全導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管a、k之間的正向壓降約為0.6～1.2V。因此流過晶閘管的電流IA由外加電源UAA和負(fù)載電阻RA決定,即IA≈UAA/RA。由于管內(nèi)的正反饋,使管子導(dǎo)通過程極短,一般不超過幾微秒。圖10.3(d)的演示就是證明。

晶閘管一旦導(dǎo)通,控制極就不再起控制作用,不管UGG存在與否,晶閘管仍將導(dǎo)通。若要導(dǎo)通的管子關(guān)斷,只有減小UAA,直至切斷陽極電流才行,使之不能維持正反饋過程,如圖10.3(f)所示。在反向陽極電壓作用下,兩只三極管均處于反向電壓,不能放大輸入信號(hào),所以晶閘管不導(dǎo)通。晶閘管的工作原理也可以用伏安特性曲線來描述。

10.1.3晶閘管的伏安特性曲線及其主要參數(shù)

1．晶閘管的伏安特性

晶閘管的伏安特性如圖10.5所示。以下分別討論其正向特性和反向特性。

1）正向特性

(1)正向阻斷狀態(tài)。若控制極不加信號(hào),即IG=0,陽極加正向電壓UAA,晶閘管呈現(xiàn)很大電阻,處于正向阻斷狀態(tài),如圖中OA段。

(2)負(fù)阻狀態(tài)。當(dāng)正向陽極電壓進(jìn)一步增加到某一值后,J2結(jié)發(fā)生擊穿,正向?qū)妷貉杆傧陆?出現(xiàn)了負(fù)阻特性,見曲線AB段,此時(shí)的正向陽極電壓稱之為正向轉(zhuǎn)折電壓,用UBO表示。這種不是由控制極控制的導(dǎo)通稱為誤導(dǎo)通,晶閘管使用中應(yīng)避免誤導(dǎo)通產(chǎn)生。在晶閘管陽極與陰極之間加上正向電壓的同時(shí),控制極所加正向觸發(fā)電流IG越大,晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通所需的正向轉(zhuǎn)折電壓就越小,伏安特性曲線向左移。

圖

10.5單向晶閘管的伏安特性

(3)觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通后的正向特性如圖中BC段,與二極管的正向特性相似,即通過晶閘管的電流很大,而導(dǎo)通壓降卻很小,約為

1V左右。

2）反向特性

(1)反向阻斷狀態(tài)。晶閘管加反向電壓后,處于反向阻斷狀態(tài),如圖中OD段,與二極管的反向特性相似。

(2)反向擊穿狀態(tài)。當(dāng)反向電壓增加到UBR時(shí),PN結(jié)被擊穿,反向電流急劇增加,造成永久性損壞。

2．晶閘管的主要參數(shù)

1）電壓定額

(1)正向轉(zhuǎn)折電壓UBO。在額定結(jié)溫(100A以上為115°C,50A以下為100°C)和控制極斷開的條件下,陽極、陰極間加正弦半波正向電壓,使器件由阻斷狀態(tài)發(fā)生正向轉(zhuǎn)折,變成導(dǎo)通狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的電壓峰值,稱為正向轉(zhuǎn)折電壓,用UBO表示。

(2)正向阻斷重復(fù)峰值電壓UVM。在額定結(jié)溫及控制極開路的條件下,允許管子每秒正向阻斷50次,每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms,重復(fù)施加于晶閘管ak上的最大的正向峰值電壓,稱為正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UVM,其值UVM=0.8UBO。

(3)反向重復(fù)峰值電壓URM：在額定結(jié)溫及控制極開路條件下,允許管子每秒反向阻斷50次,每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms,重復(fù)施加于晶閘管ak上的最大的反向峰值電壓，稱為反向重復(fù)峰值電壓。其值URM=0.8UBR。

(4)通態(tài)平均電壓UF。在規(guī)定條件下,晶閘管正向通以額定的通態(tài)平均電流時(shí),陽極與陰極兩端壓降的平均值叫做通態(tài)平均電壓,又稱管壓降,一般在0.4～1.2V范圍內(nèi)。這個(gè)電壓越小,晶閘管導(dǎo)通時(shí)的功耗就越小。

(5)額定電壓UD。取UVM和URM中數(shù)值最大者作為晶閘管的額定電壓。為了安全,使用中一般取額定電壓為正常工作時(shí)峰值電壓的2～3倍。

2)電流定額

(1)額定正向平均電流IF。在規(guī)定的環(huán)境溫度(+40°C)和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下,允許通過電阻性負(fù)載單相工頻正弦半波電流的平均值稱為額定正向平均電流。為在使用中不使管子過熱,一般取IF是正常工作平均電流的1.5～2倍。（2)維持電流IH。在室溫和控制極開路的條件下,晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后維持導(dǎo)通所必需的最小電流叫做維持電流。維持電流小的晶閘管,工作比較穩(wěn)定。

3）控制極定額（1)控制極觸發(fā)電壓UG和觸發(fā)電流IG。在規(guī)定的環(huán)境溫度和陽極與陰極間加一定的正向電壓的條件下,使晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)所需的最小控制極直流電壓、最小控制極直流電流分別稱為控制極觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流?？刂齐妷盒〉木чl管,靈敏度高,便于控制,一般UG約為1～5V,IG約為幾毫安～幾百毫安,為保證可靠觸發(fā),實(shí)際值應(yīng)大于額定值。（2)控制極反向電壓UGR

。在規(guī)定結(jié)溫條件下,控制極與陰極之間所能加的最大反向電壓峰值叫做控制極反向電壓。UGR一般不超過10V。除此以外,還有反映晶閘管動(dòng)態(tài)特性的性能參數(shù),如導(dǎo)通時(shí)間ton、關(guān)斷時(shí)間toff、通態(tài)電流上升率di/dt、斷態(tài)電壓上升率du/dt等。10.1.4晶閘管的型號(hào)國(guó)產(chǎn)晶閘管的型號(hào)有兩種表示方法,即KP系列和3CT系列。額定通態(tài)平均電流的系列為1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、900、1000(A)等14種規(guī)格。額定電壓在1000V以下的,每100V為一級(jí);1000～3000V范圍內(nèi)的每200V為一級(jí),用百位數(shù)或千位及百位數(shù)組合表示級(jí)數(shù)。

KP系列表示參數(shù)的方式如圖10.6所示。其通態(tài)平均電壓分為9級(jí),用A～I(xiàn)各字母表示0.4～1.2V的范圍,每隔0.1V為一級(jí)。圖

10.6KP系列參數(shù)表示方式

例如,型號(hào)為KP200—10D,表示IF=200A、UD=1000V、UF=0.7V的普通型晶閘管。

3CT系列表示參數(shù)的方式如圖10.7所示。

圖

10.73CT系列參數(shù)表示方式

10.1.5單向晶閘管質(zhì)量粗測(cè)

1．測(cè)量單向晶閘管內(nèi)部的PN結(jié)我們知道,單向晶閘管的內(nèi)部有三個(gè)PN結(jié),這三個(gè)PN結(jié)的好壞直接影響單向晶閘管的質(zhì)量。所以使用單向晶閘管之前,應(yīng)該先對(duì)這三個(gè)PN結(jié)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法如圖10.8所示。

圖10.8單向晶閘管的測(cè)量(a)測(cè)量控制極與陰極;(b)測(cè)量陽極與控制極;(c)測(cè)量陽極與陰極單向晶閘管控制極g和陰極k之間只有一個(gè)PN結(jié),利用PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?就可以用萬用表的電阻擋對(duì)它進(jìn)行測(cè)量。萬用表先置在R×100(Ω)或R×10(Ω)擋,用紅表筆接單向晶閘管的陰極,黑表筆接控制極,這時(shí)PN結(jié)屬于正向連接,顯示電阻比較小。如果表針幾乎不動(dòng),顯示的電阻接近無窮大,說明這個(gè)PN結(jié)已經(jīng)斷路,晶閘管損壞,不能使用。再把萬用表的紅、黑表筆交換,這時(shí)候這個(gè)PN結(jié)屬于反向連接,測(cè)出電阻比較大。如圖10.8(a)所示。如果兩次測(cè)量,表上的指針幾乎都指向零,說明這個(gè)PN結(jié)已經(jīng)擊穿短路,不能使用。

單向晶閘管的陽極a與控制極g之間有兩個(gè)PN結(jié),它們反向串聯(lián)在一起,因此把萬用表置在R×10k電阻擋后,無論用紅表筆接陽極,黑表筆接控制極,或者紅表筆接控制極,黑表筆接陽極,表上顯示的電阻都應(yīng)很大(指針基本不動(dòng)),如圖10.8(b)所示,否則說明單向晶閘管已經(jīng)損壞。

2．測(cè)量單向晶閘管的關(guān)斷狀態(tài)

單向晶閘管在反向連接時(shí)是不導(dǎo)通的,如果單向晶閘管正向連接,但是沒有控制電壓,它也是不導(dǎo)通的。在這兩種情況下,單向晶閘管中間沒有電流流過,屬于關(guān)斷狀態(tài)。把萬用表置在R×1k(或R×10k)擋,黑表筆接陽極a,紅表筆接陰極k,單向晶閘管屬于正向連接,表上顯示的電阻應(yīng)很大；把兩根表筆對(duì)換后,再分別接單向晶閘管的陽極和陰極,使單向晶閘管處于反向連接狀態(tài),表上顯示的電阻仍然應(yīng)該很大,如圖10.8(c)

所示。

3．測(cè)量單向晶閘管的觸發(fā)能力

對(duì)于工作電流為5A以下的晶閘管，可采用圖10.9所示的方法進(jìn)行檢測(cè)。萬用表置于R×1(Ω)擋。檢測(cè)步驟如下：（1）

黑表筆接陽極a，紅表筆接陰極k，

阻值應(yīng)為無窮大，

如圖10.9（a）所示。

圖10.9檢測(cè)單向晶閘管的觸發(fā)能力

（2）紅表筆接在陰極k保持不動(dòng)，黑表筆在不脫離陽極a的前提下接觸控制極g，給控制極施加一個(gè)正的觸發(fā)信號(hào)，使晶閘管導(dǎo)通，阻值明顯減小，如圖10.9（b）所示。（3）紅表筆依然保持不動(dòng)，黑表筆在不脫離陽極a的前提下離開控制極g，晶閘管仍維持導(dǎo)通狀態(tài)，說明晶閘管具有觸發(fā)能力，如圖10.9（c）所示。否則，說明晶閘管已經(jīng)損壞。

對(duì)于大功率晶閘管，因其導(dǎo)通態(tài)壓降較大，加之R×1（Ω）擋提供的陽極電流低于維持電流IH，所以晶閘管不能完全導(dǎo)通，在開關(guān)斷開時(shí)晶閘管會(huì)隨之關(guān)斷。此時(shí)，可采用雙表法，把兩只萬用表的R×1（Ω）擋串聯(lián)起來使用，得到3V電源電壓。

具體檢測(cè)步驟同小功率晶閘管。

思

考

題

1.晶閘管具有什么特性?其導(dǎo)通的條件是什么？

2.怎樣才能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷？

3.晶閘管的正向伏安特性可以劃分為哪幾個(gè)部分？

4.現(xiàn)有一不知管腳名稱的普通型晶閘管,你能否根據(jù)對(duì)晶閘管的PN結(jié)的質(zhì)量檢查方法,用萬用表判斷出各電極來？

10.2單相可控整流電路

10.2.1單相半波可控整流電路

1．電路組成用晶閘管替代單相半波整流電路中的二極管就構(gòu)成了單相半波可控整流電路,如圖10.10（a）所示。

圖10.10單相半波整流電路及波形

2．工作原理設(shè)。電路各點(diǎn)的波形如圖10.10(b)所示。在u2正半周,晶閘管承受正向電壓,但在0～ωt1期間,因控制極未加觸發(fā)脈沖,故不導(dǎo)通,負(fù)載RL沒有電流流過,負(fù)載兩端電壓uo=0,晶閘管承受u2全部電壓。在ωt1=α?xí)r刻,觸發(fā)脈沖加到控制極,晶閘管導(dǎo)通,由于晶閘管導(dǎo)通后的管壓降很小,約1V左右,與u2的大小相比可忽略不計(jì),因此在ωt1～π期間,負(fù)載兩端電壓與u2相似,并有相應(yīng)的電流流過。當(dāng)交流電壓u2過零值時(shí),流過晶閘管的電流小于維持電流,晶閘管便自行關(guān)斷,輸出電壓為零。當(dāng)交流電壓u2進(jìn)入負(fù)半周時(shí),晶閘管承受反向電壓,無論控制極加不加觸發(fā)電壓,晶閘管均不會(huì)導(dǎo)通,呈反向阻斷狀態(tài),輸出電壓為零。當(dāng)下一個(gè)周期來臨時(shí),電路將重復(fù)上述過程。加入控制極電壓ug使晶閘管開始導(dǎo)通的角度α稱為控制角,θ=π－α稱為導(dǎo)通角,如圖10.１０（b）所示。顯然,控制角α越小,導(dǎo)通角θ就越大,當(dāng)α=0時(shí),導(dǎo)通角θ=π,稱為全導(dǎo)通。α的變化范圍為0～π。由此可見,改變觸發(fā)脈沖加入時(shí)刻就可以控制晶閘管的導(dǎo)通角,負(fù)載上電壓平均值也隨之改變,α增大,輸出電壓減小,反之,α減小,輸出電壓增加,從而達(dá)到可控整流的目的。

3．輸出直流電壓和電流由圖10.10（b）可知,負(fù)載電壓uO是正弦半波的一部分,在一個(gè)周期內(nèi)的平均值用UO表示，

其大小可用下式求出：

(10.1)當(dāng)α=0,θ=π時(shí),晶閘管全導(dǎo)通,相當(dāng)于二極管單相半波整流電路,輸出電壓平均值最大可至0.45U2,當(dāng)α=π,θ=0時(shí),晶閘管全阻斷,UO=0。

負(fù)載電流的平均值為

(10.2)4．晶閘管上的電壓和電流由圖10.10（b）可以看出,晶閘管上所承受的最高正向電壓為

(10.3)晶閘管上承受的最高反向電壓為

(10.４)據(jù)10.1.3節(jié)中參數(shù)中額定電壓的取值要求,晶閘管的額定電壓應(yīng)取其峰值電壓的2～3倍。如果輸入交流電壓為220V,則

應(yīng)選額定電壓為600V以上的晶閘管。

流過晶閘管的平均電流為

(10.5a)額定電流為

IF≥(1.5～2)IV

(10.5b)

例10.1

電路如圖10.10（a）所示,u2為正弦交流電,其有效值U2=100V,RL=10Ω,控制角α的調(diào)節(jié)范圍為30°～180°,試求:(1)輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍;

(2)晶閘管兩端的最大反向電壓;

(3)流過晶閘管的最大平均電流。

解

(1)α=30°時(shí),

α=180°時(shí),UO=0V所以,輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍為0～42V。

(2)(3)半波整流電路主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,所使用的元、器件少,缺點(diǎn)是輸出電壓低,脈動(dòng)大,變壓器利用率低,因此除了在要求不高、

負(fù)載電流較小的場(chǎng)合下應(yīng)用外,很少采用。

10.2.2單相半控橋式整流電路

1．阻性負(fù)載

1）電路組成將二極管橋式整流電路中的兩個(gè)二極管用兩個(gè)晶閘管替換,就構(gòu)成了半控橋式整流電路,如圖10.11(a)所示。

2）工作原理設(shè) ,電路各點(diǎn)的波形如圖10.11(b)所示。

圖

10.11單相半控橋式整流電路及波形

在u2的正半周,a端為正,b端為負(fù)時(shí),V1和V4承受正向電壓在ωt=α?xí)r刻觸發(fā)晶閘管V1，使之導(dǎo)通,其電流回路為:電源a端→V1→RL→V4→電源b端。若忽略V1、V4的正向壓降,輸出電壓uO與u2相等,極性為上正下負(fù),這時(shí)V2、V3均承受反向電壓而阻斷。電源電壓u2過零時(shí),V1阻斷,電流為零。在u2的負(fù)半周,a點(diǎn)為負(fù),b點(diǎn)為正,V2和V3承受正向電壓,當(dāng)ωt=π+α?xí)r觸發(fā)V2,使之導(dǎo)通,其電流回路為:電源b端→V2→RL→V3→電源a端,負(fù)載電壓大小和極性與u2在正半周時(shí)相同,這時(shí)V1和V4均承受反向電壓而阻斷。當(dāng)u2由負(fù)值過零時(shí),V3阻斷,電流為零。在u2的第二個(gè)周期內(nèi),電路將重復(fù)第一個(gè)周期的變化。如此重復(fù)下去,以至無窮。

3）輸出電壓和電流由圖10.11(b)可見,半控橋式與半波可控整流電路相比,其輸出電壓的平均值要大1倍,即

(10.6)

輸出電流的平均值為

(10.7)

4）晶閘管上的電壓和電流由工作原理分析可知,晶閘管和二極管承受的最高反向工作電壓以及晶閘管可能承受的最大正向電壓均等于電源電壓的最大值,即

(10.8)(10.9)流過每個(gè)晶閘管和二極管電流的平均值等于負(fù)載電流的一半,即

（10.10）

2．感性負(fù)載在以上討論的電路中,負(fù)載都是純電阻性的,但實(shí)際上有些負(fù)載（如電機(jī)繞組）呈電感性。由于感性負(fù)載上電流的變化落后于電壓的變化，這就有可能在電源正半周結(jié)束時(shí),陽極電流仍大于維持電流,使晶閘管不能及時(shí)關(guān)斷?，F(xiàn)以單相半控橋式整流電路為例,討論感性負(fù)載對(duì)整流電路的影響。

1）感性負(fù)載半控橋式整流電路圖10.12(a)是具有電感性負(fù)載的單相橋式半控整流電路。如前所述,在純電阻負(fù)載的情況下,負(fù)載中的電流是斷續(xù)的,當(dāng)輸入電壓u2為零時(shí),負(fù)載中的電流也減小為零,如圖10.１0(b)所示。但對(duì)于感性負(fù)載,情況就會(huì)發(fā)生變化。在u2的正半周內(nèi),由于ug1的觸發(fā)作用,晶閘管V1與二極管V4同時(shí)導(dǎo)通。此時(shí)L的作用表現(xiàn)在減小晶閘管V1導(dǎo)通電流ia1的變化,如圖10.12(b)iO-ωt波形中的1～2段,波形幅度減小,比較平坦。圖10.12電感性負(fù)載半控橋式整流電路及波形

u2由正變負(fù)過零時(shí),u2=0,ia1原要減小為零,但由于L兩端要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),以阻止ia1的減小,故ia1并不為0。事實(shí)上,這時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性為下“正”上“負(fù)”,它加在二極管V3、V1和R串聯(lián)的電路兩端,并使二極管V3的陽極具有正電位,晶閘管V1的陰極具有負(fù)電位,故晶閘管V1繼續(xù)導(dǎo)通,電流路徑是:

L下“正”→R→二極管V3→晶閘管V1→L上“負(fù)”

必須強(qiáng)調(diào),在這種情況下,二極管V3代替了V4,并和晶閘管V1一起組成導(dǎo)通電路。因此,ia1繼續(xù)流過負(fù)載,波形如圖10.12(b)中iO波形的2～3段所示。在u2負(fù)半周,ug2接入,使得晶閘管V2觸發(fā)導(dǎo)通,晶閘管V1才因承受反向電壓而關(guān)斷。于是負(fù)載電流轉(zhuǎn)換成為晶閘管V2的導(dǎo)通電流ia2,以后的過程與前相似。由圖10.1２(b)可以看出,二極管在電源電壓過零時(shí)換相,晶閘管在觸發(fā)時(shí)換相,輸出電流是連續(xù)不斷的,出現(xiàn)晶閘管在感性負(fù)載時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間比阻性負(fù)載時(shí)的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)的狀態(tài),對(duì)于這種情況,一般來說,整流器仍能正常工作,但輸出電壓從零開始則不易調(diào)整,對(duì)控制角有嚴(yán)格限制的整流器也不易調(diào)整。

2）加有續(xù)流二極管的半控橋式整流電路由以上分析可知,產(chǎn)生失控現(xiàn)象的原因是流過晶閘管的電流ia1（或ia2）減小時(shí),L兩端產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此,要消除失控現(xiàn)象,就必須設(shè)法減小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?？朔姆椒ㄊ窃谡麄€(gè)負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)二極管V5,它的正極接在感性負(fù)載的下端,負(fù)極接在其上端,如圖10.1３所示。一旦流過V1的電流ia1減小,致使L產(chǎn)生下正上負(fù)電動(dòng)勢(shì)時(shí),二極管V5立即導(dǎo)通,將V1與V3串聯(lián)電路短接,使晶閘管V1的陽極電壓降為零,于是V1立即關(guān)斷,由于V5為感性負(fù)載提供了一個(gè)放電回路,因而避免了感性負(fù)載的持續(xù)電流通過晶閘管,故V5稱為續(xù)流二極管。圖

10.13有續(xù)流二極管的感性負(fù)載半控橋式整流電路

加續(xù)流二極管后,其感性負(fù)載的輸出電壓uO的波形與純電阻負(fù)載時(shí)相同,計(jì)算公式也一樣,但負(fù)載電流的波形不同了。因電感阻礙電流變化的作用,使流過負(fù)載的電流不但可以連續(xù),而且基本上維持不變;電感越大,電流iO的波形越接近于一條水平線。必須注意,續(xù)流二極管的極性不能接錯(cuò),否則會(huì)造成短路等。

思考題

1.什么是控制角？什么是導(dǎo)通角？控制角的范圍有多大？

2.感性負(fù)載對(duì)整流電路有什么影響？

3.續(xù)流二極管的作用是什么？

在電路中如何連接續(xù)流二極管？

10.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

10.3.1單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)及其性能

1．外形及符號(hào)圖10.14(a)所示為單結(jié)晶體管的外形圖?？梢钥闯?它有三個(gè)電極,但不是三極管,而是具有三個(gè)電極的二極管,管內(nèi)只有一個(gè)PN結(jié),所以稱之為單結(jié)晶體管。三個(gè)電極中,一個(gè)是發(fā)射極,兩個(gè)是基極,所以也稱為雙基極二極管。雙基極二極管的電路符號(hào)如圖10.14(b)所示,文字符號(hào)用V表示。其中,有箭頭的表示發(fā)射極e；箭頭所指方向?qū)?yīng)的基極為第一基極b1,表示經(jīng)PN結(jié)的電流只流向b1極;第二基極用b2表示。

圖

10.14單結(jié)管的外形、

符號(hào)圖

2．單結(jié)管的結(jié)構(gòu)

單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖10.15(a)所示,它是在一塊電阻率比較高的N型硅片兩頭制作兩個(gè)接觸電極,分別叫第一基極b1和第二基極b2。在靠近第二基極b2的一側(cè)中間,用合金或擴(kuò)散法摻入P型雜質(zhì),形成一個(gè)PN結(jié),引出電極,稱為發(fā)射極e。單結(jié)管的等效電路如圖10.15(b)所示。發(fā)射極對(duì)基極呈現(xiàn)出PN結(jié),同時(shí)兩個(gè)基極b1與b2之間呈電阻性,稱基極電阻,Rbb=Rb1+Rb2,阻值范圍為3～12kΩ之間,具有正的溫度系數(shù),其中Rb1為b1與e間的電阻,阻值隨發(fā)射極電流iE而變化,Rb2為b2與e間的電阻,阻值維持不變。

圖

10.15單結(jié)管結(jié)構(gòu)及等效電路

3．單結(jié)管的伏安特性用實(shí)驗(yàn)方法可以得出單結(jié)管的伏安特性,如圖10.16所示。在圖10.16(a)中,兩個(gè)基極b1與b2之間加一個(gè)電壓UBB(b1接負(fù),b2接正),則此電壓在b1～a與b2～a之間按一定比例η分配,b1～a之間電壓用UA表示為

式中

叫分壓比，不同的單結(jié)管有不同的分壓比,其數(shù)值與管子的幾何形狀有關(guān),約在0.3～0.9之間,它是單結(jié)管的重要參數(shù)。

再在發(fā)射極e與基極b1間加一個(gè)電壓UEE,將可調(diào)直流電源UEE通過限流電阻Re接到e和b1之間,當(dāng)外加電壓uEB1<UA+UJ時(shí),PN結(jié)上承受了反向電壓,發(fā)射極上只有很小的反向電流通過,單結(jié)管處于截止?fàn)顟B(tài),這段特性區(qū)稱為截止區(qū)。如圖10.16（b）中的O′P段。圖10.16單結(jié)晶體管的特性

當(dāng)uEB1>uA+UJ時(shí),PN結(jié)正偏,iE猛增,Rb1急劇下降,η下降,uA也下降,PN結(jié)正偏電壓增加,iE更大。這一正反饋過程使uEB1反而減小,呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng),如圖10.16(b)中的PV段曲線。這一段伏安特性稱之為負(fù)阻區(qū);P點(diǎn)處的電壓UP稱為峰點(diǎn)電壓,相對(duì)應(yīng)的電流稱之為峰點(diǎn)電流,峰點(diǎn)電壓是單結(jié)管的一個(gè)很重要的參數(shù),它表示單結(jié)管未導(dǎo)通前最大發(fā)射極電壓,當(dāng)uEB1稍大于UP或者近似等于UP時(shí),單結(jié)管電流增加,電阻下降,呈現(xiàn)負(fù)阻特性,所以習(xí)慣上認(rèn)為達(dá)到峰點(diǎn)電壓UP時(shí),單結(jié)管就導(dǎo)通,峰點(diǎn)電壓UP為:UP=ηUBB+UJ,UJ為單結(jié)管正向壓降。當(dāng)uE降低到谷點(diǎn)以后,iE增加,uE也有所增加,器件進(jìn)入飽和區(qū),如圖10.16(b)所示的VB段曲線。其動(dòng)態(tài)電阻為正值。負(fù)阻區(qū)與飽和區(qū)的分界點(diǎn)V稱為谷點(diǎn)，該點(diǎn)的電壓稱為谷點(diǎn)電壓UV。谷點(diǎn)電壓UV是單結(jié)管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓,在uEB1<UV

時(shí),器件重新截止。

4.單結(jié)管的型號(hào)及使用常識(shí)

1）型號(hào)單結(jié)管的型號(hào)有BT31、

BT32、

BT33、

BT35等,型號(hào)組成部分各符號(hào)所代表的意義如圖10.17所示。

圖

10.17單結(jié)管型號(hào)的各符號(hào)意義

2）管腳的判別方法對(duì)于金屬管殼的管子,管腳對(duì)著自己,以凸口為起始點(diǎn),順時(shí)針方向數(shù),依次是e、b1、b2。對(duì)于環(huán)氧封裝半球狀的管子,平面對(duì)著自己,管腳向下,從左向右,依次為e、b2、b1,國(guó)外的塑料封裝管管腳排列,一般也和國(guó)產(chǎn)環(huán)氧封裝管的排列相同,

如圖10.14所示。

3）怎樣用萬用表識(shí)別單結(jié)晶體管的三個(gè)電極用萬用表R×100或R×1k電阻擋分別測(cè)試e、b1和b2之間的電阻值,可以判斷管子結(jié)構(gòu)的好壞,識(shí)別三個(gè)管腳,其示意圖如圖10.18所示。

e對(duì)b1:測(cè)正反向電阻;

e對(duì)b2:測(cè)正反向電阻。

b1對(duì)b2相當(dāng)于一個(gè)固定電阻,表筆正、反向測(cè)得電阻值不變,不同的管子,此阻值是不同的,一般在3～12kΩ之間。

利用以上測(cè)量結(jié)果,可找出發(fā)射極來。

圖

10.18單結(jié)管電極識(shí)別示意圖

由于e靠近b2,故e對(duì)b1的正向電阻比e對(duì)b2的正向電阻稍大一些,用這種方法可區(qū)別第一基極b1和第二基極b2。實(shí)際應(yīng)用中,如果b1、b2接反了,也不會(huì)損壞元件,只是不能輸出脈沖,或輸出的脈沖很小罷了。

10.3.2單結(jié)晶體管張弛振蕩器利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性可構(gòu)成自激振蕩電路,產(chǎn)生控制脈沖,用以觸發(fā)晶閘管,如圖10.19(a)所示。

圖10.19張弛振蕩器電路圖及波形圖(a)電路圖；

(b)波形圖

10.3.3單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路

1．電路組成及工作原理電路如圖10.20(a)所示,圖中下半部分為主回路,是一單相半控橋式整流電路。上半部分為單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。T為同步變壓器,它的初級(jí)線圈與可控橋路均接在220V交流電源上，次級(jí)線圈得到同頻率的交流電壓,經(jīng)單相橋式整流,變成脈動(dòng)直流電壓UAD,再經(jīng)穩(wěn)壓管削波變成梯形波電壓UBD。此電壓為單結(jié)管觸發(fā)電路的工作電壓,加削波環(huán)節(jié)的目的首先是起到穩(wěn)壓作用,使單結(jié)管輸出的脈沖幅值不受交流電源波動(dòng)的影響,提高了脈沖的穩(wěn)定性;其次,經(jīng)過削波后,可提高交流同步電壓的幅值,增加梯形波的陡度,擴(kuò)大移相范圍。由于主、觸回路接在同一交流電源上,起到了很好的同步作用,當(dāng)電源電壓過零時(shí),振蕩自動(dòng)停止,故電容每次充電時(shí),總是從電壓的零點(diǎn)開始,這樣就保證了脈沖與主電路晶閘管陽極電壓同步。

在每個(gè)周期內(nèi)的第一個(gè)脈沖為觸發(fā)脈沖,其余的脈沖沒有作用。調(diào)整電位器RP,使觸發(fā)脈沖移相,改變控制角α。

電路中各點(diǎn)波形如圖10.20(b)所示。

圖10.20單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路（a）

電路;（b）波形

2．對(duì)觸發(fā)電路的要求

為了保證可靠地觸發(fā),對(duì)觸發(fā)電路的要求是:

(1）觸發(fā)脈沖上升沿要陡,以保證觸發(fā)時(shí)刻的準(zhǔn)確;

(2）觸發(fā)脈沖電壓幅度必須滿足要求,一般為4～10V;

(3）觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度,以保證可靠觸發(fā);

(4）為避免誤導(dǎo)通,不觸發(fā)時(shí),觸發(fā)輸出的漏電壓小于0.2V;

(5)觸發(fā)脈沖必須與主電路的交流電源同步,以保證晶閘管在每個(gè)周期的同一時(shí)刻觸發(fā)。圖10.20(a)將主、

觸回路接在同一電源上,實(shí)現(xiàn)了同步的要求。

思

考

題

1.根據(jù)半導(dǎo)體的基本知識(shí)及PN結(jié)正反向電阻的不同,你能用萬用表的Ω擋判斷出單結(jié)管的三個(gè)電極嗎？（請(qǐng)實(shí)際做一下。）

2.怎樣調(diào)整單結(jié)管振蕩器的振蕩頻率？

3.在圖10.20(a)所示單結(jié)管同步觸發(fā)電路中,為什么要把單結(jié)振蕩器及可控整流電路接在同一電源上？

為什么要加接穩(wěn)壓管削波環(huán)節(jié)？

10.4雙向晶閘管及其應(yīng)用電路

你知道調(diào)光臺(tái)燈是如何調(diào)光的嗎？圖10.21就是調(diào)光臺(tái)燈的內(nèi)部電路?，F(xiàn)在,我們調(diào)節(jié)RP,你會(huì)發(fā)現(xiàn),燈泡的亮度發(fā)生了變化。電路中的元件有你熟悉的,也有你不認(rèn)識(shí)的。其中V1是雙向晶閘管,V2是雙向觸發(fā)二極管。在調(diào)光電路中,V1及V2起到了關(guān)鍵性的作用。

因此,有必要對(duì)雙向晶閘管及雙向二極管的特性進(jìn)行分析。

圖10.21交流調(diào)光演示電路

10.4.1雙向晶閘管

1．結(jié)構(gòu)與特性單向晶閘管實(shí)質(zhì)上屬于直流器件,要控制交流負(fù)載,必須將兩只晶閘管反極性并聯(lián),讓每只晶閘管控制一個(gè)半波,為此需用配套獨(dú)立的電路,使用極不方便。雙向晶閘管是在單向晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的晶閘管,而且僅用一個(gè)觸發(fā)電路,是目前比較理想的交流開關(guān)器件。小功率雙向晶閘管一般用塑料封裝,有的還帶小散熱板,外形如圖10.22所示。典型產(chǎn)品有BCM1AM(1A/600V)、BCM3AM(3A/600V)、2N6075(4A/600V)、MAC218—10(8A/800V)等,雙向晶閘管廣泛用于工業(yè)、交通、家電領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓、交流調(diào)速、交流開關(guān)、舞臺(tái)調(diào)光、臺(tái)燈調(diào)光等多種功能。此外,它還被用在固態(tài)繼電器和固態(tài)接觸器電路中。

圖10.22小功率雙向晶閘管外形(a）

BCM1AM;(b）

BCM3AM雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)如圖10.23(a)所示。由圖可知，它是由NPNPN五層半導(dǎo)體構(gòu)成的，對(duì)外引出三個(gè)電極，分別是T1、T2、G。因該器件可以雙向?qū)?故控制極G以外的兩個(gè)電極統(tǒng)稱為主端子,用T1、T2表示,不再劃分成陽極和陰極。其特點(diǎn)是,當(dāng)G極和T2極相對(duì)于T1的電壓均為正時(shí),T2是陽極,T1是陰極。反之,當(dāng)G極和T2極相對(duì)于T1的電壓均為負(fù)時(shí)，T1變?yōu)殛枠O,T2變?yōu)殛帢O。雙向晶閘管的電路符號(hào)，如圖10.23(b)所示,文字符號(hào)常用SCR、KS、V等表示,本書用V表示。

圖10.23雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)(a）

結(jié)構(gòu);(b）

符號(hào)

圖10.24是它的伏安特性。顯然,它具有比較對(duì)稱的正反向伏安特性。第一象限的曲線表明,T2極電壓高于T1極電壓,我們稱為正向電壓,用U21表示。若控制極加正極性觸發(fā)信號(hào)(IG>0),則晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通,電流方向是從T2流向T1;第三象限的曲線表明,T1極的電壓高于T2極電壓,我們稱為反向電壓,用U12表示。若控制極加負(fù)極性觸發(fā)信號(hào)(IG<0),則晶閘管也被觸發(fā),電流方向是從T1流向T2

。由此可見,雙向晶閘管只用一個(gè)控制極,就可以控制它的正向?qū)ê头聪驅(qū)?。?duì)于雙向晶閘管，不管其控制極電壓極性如何,它都可能被觸發(fā)導(dǎo)通,這個(gè)特點(diǎn)是單向晶閘管所沒有的。

圖

10.24雙向晶閘管的伏安特性

2．用萬用表檢測(cè)雙向晶閘管電極與觸發(fā)能力

1）判定T2極由圖10.23(a)可見,G極與T1極靠近,距T2極較遠(yuǎn)。因此,G、T1極之間的正、反向電阻很小。在用R×1擋測(cè)任意兩腳之間的電阻時(shí),只有G、T1極之間顯現(xiàn)低阻,正、反電阻僅為幾十歐。而T2

、G極和T2

、T1極之間的正、反向電阻均為無窮大。這表明,

如果測(cè)出某腳和其它兩腳都不通,這肯定是T2極。

2）區(qū)分G極與T1極

(1)找出T2極之后,首先假定剩下兩腳中某一腳為T1極,另一腳為G極。

3)測(cè)試觸發(fā)能力

(1)把黑表筆接T1極,紅表筆接T2極,電阻為無窮大。接著用紅表筆尖把T2極與G極短路并給G極加上負(fù)觸發(fā)信號(hào),電阻值應(yīng)為10Ω左右(見圖10.25(a)),證明管子已經(jīng)導(dǎo)通,導(dǎo)通方向?yàn)門1→T2

。再將紅表筆尖與G極脫開（但仍接T2極）,如果臨時(shí)性阻值保持不變,這表明管子在觸發(fā)之后能維持導(dǎo)通狀態(tài)(見圖10.25(b))。

圖10.25區(qū)分G極和T1極的方法

(2)把紅表筆接T1極,黑表筆接T2極,然后使T2極與G極短路,給G極加上正觸發(fā)信號(hào),電阻值仍為10Ω左右,與G極脫開后若阻值不變,則說明管子經(jīng)觸發(fā)后,在T2→T1方向上也能維持導(dǎo)通狀態(tài),因此具有雙向觸發(fā)性質(zhì)。由此證明上述假定正確。否則是假定與實(shí)際不符,需重新作出假定,重復(fù)以上測(cè)量。顯然,在識(shí)別G、T1極的過程中,也就檢查了雙向晶閘管的觸發(fā)能力。

10.4.2觸發(fā)二極管觸發(fā)二極管是雙向觸發(fā)二極管的簡(jiǎn)稱，亦稱二端交流器件，它與雙向晶閘管同時(shí)問世。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

價(jià)格低廉，

常用來觸發(fā)雙向晶閘管，

構(gòu)成過電壓保護(hù)電路、

定時(shí)器等。

雙向觸發(fā)二極管如圖10.26所示。圖（a）是實(shí)物圖，圖（b）是內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯觯p向觸發(fā)二極管是由NPN三層半導(dǎo)體構(gòu)成的，且兩端具有對(duì)稱性。圖（c）是雙向觸發(fā)二極管的電路符號(hào)，文字符號(hào)用V表示。圖（d）是伏安特性，可以看出，它的正、反向伏安特性與雙向晶閘管的相似，由于沒有控制極，所以工作在圖10.24中IG=0的那條特性曲線上。當(dāng)器件兩端的電壓u小于正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時(shí)，呈高阻態(tài)；當(dāng)u＞UBO時(shí)，

管子進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，當(dāng)u超過反向轉(zhuǎn)折電壓UBR時(shí)，

管子也能進(jìn)入負(fù)阻區(qū)。雙向觸發(fā)二極管的耐壓值UBO大致分為三個(gè)等級(jí)：

20～60V、

100～150V、

200～250V。

圖10.26雙向觸發(fā)二極管

10.4.3交流調(diào)光臺(tái)燈的應(yīng)用電路圖10.27是調(diào)光臺(tái)燈的應(yīng)用電路,圖10.28為它的工作波形圖。下面分析電路的工作原理。圖

10.27調(diào)光臺(tái)燈應(yīng)用電路

圖

10.28雙向晶閘管交流調(diào)壓波形圖

觸發(fā)電路由兩節(jié)RC移相網(wǎng)絡(luò)及雙向二極管V2組成。當(dāng)電源電壓u為上正下負(fù)時(shí),電源電壓通過