单向可控硅与双向可控硅结构电原理图及测试方法

单向可控硅与双向可控硅结构电原理图及测试方法可控硅的检测1.单向可控硅的检测万用表选用电阻R1档，用红黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑笔接的引脚为控制极G，红笔接的引脚为阴极K，另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A，红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短接线瞬间短接阳极A和控制极G，此时万用表指针应向右偏转，阻值读数为10欧姆左右。如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅已击穿损坏。2.双向可控硅的检测用万用表电阻R1档，用红黑两表笔分别测任意两引脚正反向电阻，结果其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时，该组红黑表笔所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G，另一空脚即为第二阳极A2。确定A、G极后，再仔细测量A1、G极间正反向电阻，读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1，红表笔所接引脚为控制极G。将黑表笔接已确定了的第二阳极A2，红表笔接第一阳极A1，此时万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。再用短接线将A2、G极瞬间短接，给G极加上正向触发电压，A2、A1间阻值约为10欧姆左右。随后断开A2、G极短接线，万用表读数应保持10欧姆左右。互换红黑表笔接线，红表笔接第二阳极A2，黑表笔接第一阳极A1。同样万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。用短接线将A2、G极间再次瞬间短接，给G极加上负向的触发电压，A1、A2间阻值也是10欧姆左右。随后断开A2、G极间短接线，万用表读数应不变，保持10欧姆左右。符合以上规律，说明被测双向可控硅管未损坏且三个引脚极性判断正确。检测较大功率可控硅管是地，需要在万用表黑笔中串接一节1.5V干电池，以提高触发电压。双向可控硅（TRIAC）在控制交流电源控制领域的运用非常广泛，如我们的日光灯调光电路、交流电机转速控制电路等都主要是利用双向可控硅可以双向触发导通的特点来控制交流供电电源的导通相位角，从而达到控制供电电流的大小1。然而对其工作原理和结构的描述，以我们可以查悉的资料都只是很浅显地提及，大部分都是对它的外围电路的应用和工作方式、参数的选择等等做了比较多的描述，更进一步的-哪怕是内部方框电路-内容也很难找到。由于可控硅所有的电子部件是集成在同一硅源之上，我们根本是不可能通过采用类似机械的拆卸手段来观察其内部结构。为了深入了解和运用可控硅，依据现有可查资料所给P型和N型半导体的分布图，采用分离元器件-三极管、电阻和电容-来设计一款电路，使该电路在PN的连接、分布和履行的功能上完全与双向可控硅类似，从而通过该电路来达到深入解析可控硅和设计实际运用电路的目的。1 双向可控硅工作原理与特点从理论上来讲，双向可控硅可以说是有两个反向并列的单向可控硅组成，理解单向可控硅的工作原理是理解双向可控硅工作原理的基础2-5。1.1单向可控硅单向可控硅也叫晶闸管，其组成结构图如图1-a所示，可以分割成四个硅区P、N、P、N和A、K、G三个接线极。把图一按图1-b 所示切成两半，就很容易理解成如图1-c所示由一个PNP三极管和一个NPN三极管为主组成一个单向可控硅管。在图1-c的基础上接通电源控制电路如图2所示，当阳极-阴极（A-K）接上正向电压V后，只要栅极G接通触发电源Vg，三极管Q2就会正向导通，开通瞬间Q1只是类似于接在Q1集电极的一个负载与电源正极接通，随后Q1也在Q2的拉电流下导通，此时由于C被充电，即便断开G极的触发电源 Vg，Q1和Q2在相互作用下仍能维持导通状态，只有当电源电压V变得相当小之后Q1和Q2才会再次截止。1.2 双向可控硅相比于单向可控硅，双向可控硅在原理上最大的区别就是能双向导通，不再有阳极阴极之分，取而代之以T1和T2，其结构示意图如图3-a所示，如果不考虑G级的不同，把它分割成图3-b所示，可以看出相当于两个单向可控硅反向并联而成1-2，如图3-c所示连接。当T1与T2之间接通电源后，给G极正向触发信号（相对于T1、T2所接电源负极而言），其工作原理如前面单向可控硅完全相同。当G极接负触发信号时，其工作过原理如图4所示，此时Q3的基极B和发射极E处于正偏电压而致使Q3导通，继而Q1导通给电容C充电后致Q2导通并保持导通状态。1.3 双向可控硅的主要特点双向可控硅的英文简称TRIC是英文Triad AC semiconductor switch的缩写，其意思是三端交流半导体开关，目前主要用于对交流电源的控制，主要特点表现在能在四个象限来使可控硅触发导通和保持导通，直到所接电源撤出或反向67。第一象限是T2接电源V的正极T1接电源V的负极，G触发信号Vg的正。第二象限是T2接电源V的正极T1接电源V的负极，G触发信号Vg的负。第三、四象限是T1接电源V的正极T2接电源V的负极，G触发信号分别接Vg的正、负极。2 类双向可控硅电路设计在理解了前面所述双向可控硅的内部结构和工作原理之后，依据其内部结构采用我们熟悉的晶体管来设计一种类似有双向可控硅工作的双向可触发电路。如图5所示，电路采用用7个三极管和几个电阻组成。把图5电路中PN结的结构按图6所示结构图描出，与图3-a、b比较很是相似。在图5所示电路中，内部电流在外界所接电源的极性不同而有两种流向，如It12 和It21所示，It12流向是从P2流入经N2-P1-N1流出，It21从P1流入经N2-P2-N32流出；G极触发电流Ig+由P2流入或Ig- 从N31流出。下面是所设计电路在四个象限的触发导通工作过程。2.1 T2接电源Vt21正极，T1接通电源Vt21负此时当G极接Vg+为正电压， Q4、Q5、Q6、Q7处于反向截止，Q1的B极和E极之间无正偏压也处于截止状态，Vg+由P2输入后经R3使Q2的B极和E极之间产生正偏电压而导通，从而促使Q3导通，这时即使撤出Vg+，在电容C1的的作用下，Q2、Q3也仍然能处于导通状态，只有当Vt21先反向或撤除才重回截止。当G极接 Vg为负，Q4、Q5、Q6、Q7同样处于反向截止状态，Q1的B极和E极之间因Vg产生正偏电压而导通，从而使Q3、Q2导通并得以保持导通状态。2.2 T1接电源Vt12正极，T2接通负电源Vt12的负极此时G极接Vg为正， Q1因B极和E极之间处于反向偏压而截止，Q3处于反向截止，Q2因B极和E极之间处于正向偏压导通而导致Q4、Q7的导通，从而Q6、Q7导通并保持导通状态，只有当Vt12先反向或撤除才重回截止。当G极接Vg为负，Q1、Q2、Q3和Q4处于反向截止， Q5的B极和E极之间因Vg而处于正偏导通，从而使Q6导通，继而Q7、Q6导通并得以保持导通状态。3 电路制作与实验验证为了验证所设计电路，采用比较常用的NPN三级管S8050和PNP三极管S8550来设计制作实际的测试电路板(PCB)，如图5所示。图6 中所标识的T2、T1和G与图5所示的相同，也类似于双向可控硅的T2、T1和G三个接线极。利用该模块电路串入负载接通正或负的直流电源和触发信号来测试，所得结果如图7所示，在正或负触发信号接入前电流表上的指示为0，当正或负触发信号接通并撤离后电流表指示依然保持原来的电流值。该实验表明该电路在正负电源供电情况下能双向触发导通。该模块电路在接通交流电源和脉冲控制信号时，其测验结果如图8所示。示波器探针1接触发信号，探针2接模块电路的两端T1-T2之间的电压。在触发信号为0是，T1-T2之间的电压等于电源电压值，表明该电路没有导通，当触发信号脉冲到来时，T1-T2两端的电压值为0，表明模块电路已经导通。 如图是一个由双向可控硅组成的交流稳压器电路。与单向可控硅稳压器相比较，其线路简单，性能可靠。当电网电压小于220V时，双向可控硅SCR2控制极上的电压也随电网电压减小而降低，致使VD2导通角小，C1端电压上升，从而使双向可控硅SCRl控制极电压升高，使输出电压上升。反之，输出电压下降，达到稳压。注；双向晶闸管的T1和T2不能互换。否则会损坏管子和相关的控制电路。检查晶闸管的触发能力（方法之一）要使晶闸管导通，必须满足下述条件：第一：晶闸管处于正向接法，即阳极接电源正极，阴极接电源负极；第二：给门要加上正触发信号VGT。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，仅当阳极电压VA降某一规定值或施加反向电压时，晶闸管才能关断。检查晶闸管触发能力的电路见图1。万用表选择R1（或R10）档。因表内电池电压仅1.5V低于正常的VGT值，（一般为2.54V），故不会损坏晶闸管。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，测出的电阻值较大，表针应停在无穷大处。然后合上开关，将门极与阳极接通，使门极电位升高，这相当于加上正触发信号，因此晶闸管导通，电阻读数为几欧至十几欧。第二步，再把开关断开，若读数不变，证明晶闸管质量良好。图中的开关可用一根导线代替，导线的一端固定在阳极上，另一端搭在门极上时相当于开关闭合。本方法仅适宜检查3CT13CT5等小功率晶闸管或小功率快速晶闸管（亦称高频晶闸管）。检查晶闸管的触发能力（方法之二）对于大功率晶闸管，因其通态压降较大，加之R1档提供的阳极电流低于维持电流IH，所以晶闸管不能完全导通，在开关断开时晶闸管会随之关断。检查3CT103CT100型晶闸管，可采用双表法，把两块万用表的R1档上再串联两节1.5V电池，把电源电压提升到4.5V左右。实例：按图1所示电路检查一只3CT20/500型晶闸管。把MF10型万用表均拨到R1档，然后串联使用。用一根导线将门极与阳极知路，这时MF30型万用表的读数为2W。再撤掉短路导线，晶闸管仍保持导通状态。检查晶闸管的触发能力(方法之三)利用图1的电路也可以检查晶闸管的触发能力。万用表拨到R10k档，该档电池电压较高，以提高阳极电压。万用表选择R10档，该档电池电压为1.5V。不接表时，表测出的电阻值很大。接表后晶闸管导通，表的电阻读数很小。此法只能检查小功率晶闸管。检查晶闸管的触发能力(方法之四)利用兆欧表和万用表检查晶闸管触发能力的电路见图1。将万用表拨至1mADC档，串联在电路中。首先断开开关，按额定转速摇兆欧表，兆欧表上的读数很快趋于稳定，说明晶闸管已正向击穿，把兆欧表的输出电压钳位于直流转折电压V（BO）上。此时晶闸管并未导通，所以毫安表读数为零。然后闭合开关，晶闸管导通，兆欧表读数变成零，毫安表指示出通态电流值。实例：用ZC25-4型兆欧表检查一只3CT20/500型晶闸管，万用表选择MF10型1mADC档。断开开关，按120r/min摇兆欧表时，兆欧表读数为25MW，毫安表无指示。闭合开关时，毫安表读数为0.21mA，兆欧表指零，证明晶闸管已导通。注间事项：（1）由于兆欧表提供的阳极电流很小，管子导通的并不理想，尤其对于大功率晶闸管，所需维持电流较大（例如3CT100型的IH=801mA），所以一旦断开开关，晶闸管又变成断态了。（2）晶闸管的导通时间应尽量缩短，以防兆欧表短中时间过久而烧毁发电机绕检查大功率双向晶闸管触发能力的方法由于小功率双向晶闸管的触发电流只有几十毫安，因此可用R1档检查其触发能力。大功率双向晶闸管则不然，例如BA40-700型40A/700V双向晶闸管的IGT=100mA，利用R1档已无法使管子触发。为此可采用图5.9.13所示电路，给万用表R1档外接一节1.5V电池E，将测试电压升到3V，同时增加测试电流（IM=3V/R0）。以500型万用表R1档为例，将E接在万用表“+”插孔与红表笔之间，这时总电压E+ E=3V。该电阻档的欧姆中心值R0=10，改装后的短路电流IM=（E+ E）/ R0=3V/10=300 mA，实际可提供100 mA左右的测试电流。图1中的虚线表示在测量时T1极与G 极可以短路，也可以开路。具体检查步骤见5.9.7。注意事项：本方法对检查大功率单向晶闸管也适用。双向晶闸管(TRIAC)普通晶闸管实质上属于直流器件。要控制交流负载，必须将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用感到不便。双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅用一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。其英文名称 TRIAC就是三端双向交流开关的意思。尽管从形式上可以把双向晶闸管看成两只普通晶闸管的组合，但实际上它是由七只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。小功率双向晶闸管一般采用塑料封存装，有的还带小散热极，外形如图1所示。典型产品有BCM1AM（1A/600V）、BCM3AM （3A/600V）、2N6075（4A/600V）、MAC218-10（8A/800V）等。大功率双向晶闸管大多采用RD91型封装，例如 BTA40-700型的主要参数是：IT=40A，VDRM=700V，IGT=100mA。双向晶闸管可广泛用于工业、交通、家电领域，实现交流调压、交流调速、交流开关、舞台调光、台灯调光等多种功能。此外，它还被用在固态继电器和固态接触器的电路中。双向晶闸管的结构与符号见图2。它属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。因该器件可以双向导通，故门极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2表示，不再划分成阳极或阴极。其特点是，当G极和T2极相对于T1的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。反之，当G极和T2极相对于T1 的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。双向晶闸管的伏发特性见图3，由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。下面介绍利用万用表R1档判定双向晶闸管电极的方法，同时还检查触发能力。1判定T2极由图2(a)可见，G极与T1极靠近，距T2极较远。因此，G-T1之间的正、反向电阻都很小。在用R1档测任意两脚之间的电阻时，只有G- T1之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧。而T2-G、T2- T1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明，如果测出某脚和其它两脚都不通，就肯定是T2极。另外，采用TO-220封装的双向晶闸管，T2极通常与小散热板连通。据此亦可确定T2极。2区分G极和T1极（1）找出T2极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为T1极，另一脚为G极。（2）把黑表笔接T1极，红表笔接T2极，电阻为无穷大。接着用红表笔尖把T2与G短路，给G极加上负触发信号，电阻值应为十欧左右（参见图4(a)）证明管子已经导通，导通方向为T1T2。再将红表笔尖与G极脱开（但仍接T2），如果电阻值保持不变，就表明管子在触发之后能维持之后能维持导通状态（见图4(b)）（3）把红表笔接T1极，黑表笔接T2极，然后使T2与G短路，给G极加上正触发信号，电阻值仍为十欧左右，与G极脱开后若阻值不变，则说明管子经触发后，在T2T1方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。否则是假定与实际不符，需从新作出假定，重复以上测量。显见，在识别G、T的过程中，也就检查了比向晶闸管的触发能力。实例：选择500型万用表档R1档检测一只由日本三菱公司生产的BCR3AM型双向晶闸管，外形见图1中。测量结果与上述规律完全相符，证明管子质量良好。注意事项：如果按哪种假定去测量，都不能使双向晶闸管触发导通，证明管子已损坏。为可靠起见，这里规定只用R1档检测，而不用R10档。这是因为R10档的电流较小，采用上述方法检查1A的双向晶闸管还双较可靠，但在检查3A或3A以上的双向晶闸管时，管子很难导通状态，一旦脱开G极，即自行关断，电阻值又变成无穷大。双向晶闸管(TRIAC)普通晶闸管实质上属于直流器件。要控制交流负载，必须将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用感到不便。双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅用一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。其英文名称 TRIAC就是三端双向交流开关的意思。尽管从形式上可以把双向晶闸管看成两只普通晶闸管的组合，但实际上它是由七只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。小功率双向晶闸管一般采用塑料封存装，有的还带小散热极，外形如图1所示。典型产品有BCM1AM（1A/600V）、BCM3AM （3A/600V）、2N6075（4A/600V）、MAC218-10（8A/800V）等。大功率双向晶闸管大多采用RD91型封装，例如 BTA40-700型的主要参数是：IT=40A，VDRM=700V，IGT=100mA。双向晶闸管可广泛用于工业、交通、家电领域，实现交流调压、交流调速、交流开关、舞台调光、台灯调光等多种功能。此外，它还被用在固态继电器和固态接触器的电路中。双向晶闸管的结构与符号见图2。它属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。因该器件可以双向导通，故门极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2表示，不再划分成阳极或阴极。其特点是，当G极和T2极相对于T1的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。反之，当G极和T2极相对于T1 的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。双向晶闸管的伏发特性见图3，由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。下面介绍利用万用表R1档判定双向晶闸管电极的方法，同时还检查触发能力。1判定T2极由图2(a)可见，G极与T1极靠近，距T2极较远。因此，G-T1之间的正、反向电阻都很小。在用R1档测任意两脚之间的电阻时，只有G- T1之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧。而T2-G、T2- T1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明，如果测出某脚和其它两脚都不通，就肯定是T2极。另外，采用TO-220封装的双向晶闸管，T2极通常与小散热板连通。据此亦可确定T2极。2区分G极和T1极（1）找出T2极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为T1极，另一脚为G极。（2）把黑表笔接T1极，红表笔接T2极，电阻为无穷大。接着用红表笔尖把T2与G短路，给G极加上负触发信号，电阻值应为十欧左右（参见图4(a)）证明管子已经导通，导通方向为T1T2。再将红表笔尖与G极脱开（但仍接T2），如果电阻值保持不变，就表明管子在触发之后能维持之后能维持导通状态（见图4(b)）（3）把红表笔接T1极，黑表笔接T2极，然后使T2与G短路，给G极加上正触发信号，电阻值仍为十欧左右，与G极脱开后若阻值不变，则说明管子经触发后，在T2T1方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。否则是假定与实际不符，需从新作出假定，重复以上测量。显见，在识别G、T的过程中，也就检查了比向晶闸管的触发能力。实例：选择500型万用表档R1档检测一只由日本三菱公司生产的BCR3AM型双向晶闸管，外形见图1中。测量结果与上述规律完全相符，证明管子质量良好。注意事项：如果按哪种假定去测量，都不能使双向晶闸管触发导通，证明管子已损坏。为可靠起见，这里规定只用R1档检测，而不用R10档。这是因为R10档的电流较小，采用上述方法检查1A的双向晶闸管还双较可靠，但在检查3A或3A以上的双向晶闸管时，管子很难导通状态，一旦脱开G极，即自行关断，电阻值又变成无穷大。可控硅快速测试器；控硅 测试仪测试仪由脉冲信号发生器、闭合导通环路、发光二极管、可控硅SCR等组成。 脉冲信号发生器即为由时基电路555和R1、R2、C等组成的多谐振荡器，其振荡频率为f=1.44/(R1+2R2)C。图示参数对应的振荡频率约为1Hz。由于R1R2，故电容C充电所对应的时间t充=0.693(R1+R2)C，与电容C放电所对应的时间t放=0.693R2C十分接近，所以脉冲发生器输出脉冲的占空比接近1:1。插上可控硅SCR，当按下按钮AN后，在555输出高电平时，发光二极管LED1、电阻R4、可控硅SCR、晶体管BG2形成闭合回路，发光管LED1发光；当555输出低电平时，LED2、R4、SCR、BG1形成闭合回路，发光管LED2发光，说明可控硅是好的。在测试时插上可控硅SCR后，发光管LED1、LED2应不亮，否则说明T1、T2的两极已短接。555构成的简易恒温控制器如图所示为简易恒温控制电路。该控制器由降压整流电源电路、温度传感器和RS触发控制电路等组成。降压整流电源电路输出 6V电压。温度传感器Rt1、Rt2由日光灯启动器改制而成，其中Rt1控制温度的下限值，Rt2控制温度的上限值，并利用温度计对其间隙进行校正。 。刚通电时，IC(555)因脚和脚均为低电平(地电位)而自3脚输出高电平，双向可控硅SCR触发导通，从而接通电热丝电源，对其进行加热，温度升高。当温度升至下限温度值时。Rt1因受热膨胀而接触触点，但IC脚因Rt2断开仍处于低电平，从而触发电路自保。温度继续上升，当升至上限值时，Rt2触点接通，相应脚电位为高电平(6V)，大于62/3=4V触发电平，从而使IC复位，由脚输出低电平，SCR截止，断开电热丝电源，停止加热。当温度下降后，Rt2断开。因555电路仍自保而由脚输出低电平。当温度继续下降至下限值时，Rt1断开，脚为低电平(地电位)。使IC重新置位，由脚输出高电平，SCR导通。电热丝加热。如此循环，保持一定的温度。