单向 双向可控硅的工作原理和作用

双向可控硅的工作原理1.可控硅是 P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有 三个 PN 结，分析原理时，可以把它看作由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管 均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一 个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2 放大，其集电极电流ic2=B2ib2。因为BG2的集 电极直接与BG1的基极相连，所以ibl=ic2。此 时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极 电流icl=B1ibl=B1B2ib2。这个电流又流回到 BG2 的基极，表成正反馈，使 ib2 不断增大，如 此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可 控硅使饱和导通。由于 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以 一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了， 可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只 起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是 不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态 所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件 才能转化2,触发导通在控制极G上加入正向电压时(见图5) 因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电 子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内 部正反馈作用(见图2)的基础上，加上IGT的 作用，使可控硅提前导通，导致图 3 的伏安特性 0A段左移，IGT越大，特性左移越快。一、可控硅的概念和结构？晶闸管又叫可控硅。自从20 世纪50年代问世以来已经发展成了 一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸 管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用 的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体 材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极图2(a)：第一层P 型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制 极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号图2(b)可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G,这就使它具有与二极管完全不同的工作特 性。图2二、晶闸管的主要工作特性为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，大家先看这块示教板（图3）。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。 注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按 钮开关SB接在3V直流电源的正极（这里使用的是KP5型晶闸管，若 采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极）。晶闸管与电源的这种连 接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是 正向电压。现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有 导通；再按一下按钮开关SB,给控制极输入一个触发电压，小灯泡 亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢?图3这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极 A 与阴极 K 之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向 触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持 导通状态。晶闸管的特点： 是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加 的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触 发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导 通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源（图3 中 的开关S）或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。如 果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么， 在电压过零时，晶闸管会自行关断。三、用万用表可以区分晶闸管的三个电极吗?怎样测试晶闸管的好 坏呢?普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡RX100挡位来测。大 家知道，晶闸管G、K之间是一个PN结图2（a），相当于一个二 极管，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三 个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接 的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A 了。测 试晶闸管的好坏，可以用刚才演示用的示教板电路(图 3)。接通电源 开关S,按一下按钮开关SB，灯泡发光就是好的，不发光就是坏的四、晶闸管在电路中的主要用途是什么?普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流 电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可 控整流电路。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路图4(a) 在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发脉 冲Ug，VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发 脉冲Ug时，晶闸管被触发导通。现在，画出它的波形图图4(c)及 (d)，可以看到，只有在触发脉冲Ug到来时，负载RL 上才有电压 UL输出(波形图上阴影部分)Ug到来得早，晶闸管导通的时间就早； Ug 到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲 Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL(阴影部分的 面积大小)。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180，称 为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来 瞬间所经历的电角度称为控制角a；在每个正半周内晶闸管导通的 电角度叫导通角。很明显，a和。都是用来表示晶闸管在承受正 向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角a或导通 角改变负载上脉冲直流电压的平均值UL,实现了可控整流。五、在桥式整流电路中，把二极管都换成晶闸管是不是就成了可 控整流电路了呢?在桥式整流电路中，只需要把两个二极管换成晶闸管就能构成全 波可控整流电路了。现在画出电路图和波形图(图5)，就能看明白了。六、晶闸管控制极所需的触发脉冲是怎么产生的呢?晶闸管触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单 结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸 管的触发电路，等等。今天大家制作的调压器，采用的是单结晶体管 触发电路。七、什么是单结晶体管?它有什么特殊性能呢?单结晶体管又叫双基极二极管，是由一个PN结和三个电极构成的 半导体器件(图6)。我们先画出它的结构示意图图7(a)。在一块 N型硅片两端,制作两个电极，分别叫做第一基极B1和第二基极B2； 硅片的另一侧靠近B2处制作了一个PN结，相当于一只二极管，在P 区引出的电极叫发射极E。为了分析方便，可以把Bl、B2之间的N 型区域等效为一个纯电阻RBB，称为基区电阻，并可看作是两个电阻 RB2、RB1的串联图7(b)。值得注意的是RB1的阻值会随发射极 电流IE的变化而改变，具有可变电阻的特性。如果在两个基极B2、 B1之间加上一个直流电压UBB,则A点的电压UA为：若发射极电压 UEUA,二极管VD截止；当UE大于单结晶体管的峰点电压UP(UP二UD +UA)时，二极管VD导通，发射极电流IE注入RB1，使RB1的阻值 急剧变小，E点电位UE随之下降，出现了 IE增大UE反而降低的现 象，称为负阻效应。发射极电流IE继续增加，发射极电压UE不断下 降，当UE下降到谷点电压UV以下时，单结晶体管就进入截止状态。八、怎样利用单结晶体管组成晶闸管触发电路呢?单结晶体管组成的触发脉冲产生电路在今天大家制作的调压器中 已经具体应用了。为了说明它的工作原理，我们单独画出单结晶体管 张弛振荡器的电路(图8)。它是由单结晶体管和RC充放电电路组成 的。合上电源开关 S 后，电源 UBB 经电位器 RP 向电容器 C 充电，电 容器上的电压UC按指数规律上升。当UC上升到单结晶体管的峰点电 压UP时，单结晶体管突然导通，基区电阻RB1急剧减小，电容器C 通过PN结向电阻R1迅速放电，使R1两端电压Ug发生一个正跳变, 形成陡峭的脉冲前沿图8(b)。随着电容器C的放电，UE按指数 规律下降，直到低于谷点电压UV时单结晶体管截止。这样，在R1两 端输出的是尖顶触发脉冲。此时，电源UBB又开始给电容器C充电, 进入第二个充放电过程。这样周而复始，电路中进行着周期性的振荡。 调节RP可以改变振荡周期。九、在可控整流电路的波形图中，发现晶闸管承受正向电压的每 半个周期内，发出第一个触发脉冲的时刻都相同，也就是控制角a 和导通角0都相等，那么，单结晶体管张弛振荡器怎样才能与交流 电源准确地配合以实现有效的控制呢?为了实现整流电路输出电压“可控”，必须使晶闸管承受正向电 压的每半个周期内，触发电路发出第一个触发脉冲的时刻都相同，这 种相互配合的工作方式，称为触发脉冲与电源同步。*22OVl!V4CCi.L0. 022|i怎样才能做到同步呢?大家再看调压器的电路图（图 1）。请注意， 在这里单结晶体管张弛振荡器的电源是取自桥式整流电路输出的全 波脉冲直流电压。在晶闸管没有导通时，张弛振荡器的电容器 C 被电 源充电，UC按指数规律上升到峰点电压UP时，单结晶体管VT导通， 在 VS 导通期间，负载 RL 上有交流电压和电流，与此同时，导通的 VS 两端电压降很小，迫使张弛振荡器停止工作。当交流电压过零瞬 间，晶闸管 VS 被迫关断，张弛振荡器得电，又开始给电容器 C 充电， 重复以上过程。这样，每次交流电压过零后，张弛振荡器发出第一个 触发脉冲的时刻都相同，这个时刻取决于RP的阻值和C的电容量。 调节RP的阻值，就可以改变电容器C的充电时间，也就改变了第一 个Ug发出的时刻，相应地改变了晶闸管的控制角，使负载RL上输出 电压的平均值发生变化，达到调压的目的。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。