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晶闸管的工作原理与应用1、晶闸管(SCR)晶体闸流管简称晶闸管,也称为可控硅整流元件(SCR),是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件。在性能上,晶闸管不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性,它只有导通和关断两种状态。晶闸管的优点很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍;反应极快,在微秒级内开通、关断;无触点运行,无火花、无噪声;效率高,成本低等。因此,特别是在大功率UPS供电系统中,晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用。晶闸管的弱点:静态及动态的过载能力较差,容易受干扰而误导通。晶闸管从外形上分类主要有:螺栓形、平板形和平底形。2、普通晶闸管的结构和工作原理晶闸管是PNPN四层三端器件,共有三个PN结。分析原理时,可以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图1(a)所示,图1(b)为晶闸管的电路符号。图1晶闸管等效图解图2.1晶闸管的工作过程晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此是两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通。设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2,发射极电流相应为Ia和Ik,电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J2结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:Ia=IC1+IC2+ICO=α1Ia+α2Ik+ICO(1)若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:Ik=Ia+Ig。因此,可以得出晶闸管阳极电流为:)(1212IIIgCO(2)硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2随其发射极电流的改变而急剧变化。当晶闸管承受正向阳极电压,而门极未接受电压的情况下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO,晶闸管处于正向阻断状态;当晶闸管在正向门极电压下,从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结,从而提高放大系数α2,产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数α1,产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结,这样强烈的正反馈过程迅速进行。当α1和α2随发射极电流增加而使得(α1+α2)≈1时,式(1)中的分母1-(α1+α2)≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。这时,流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定,晶闸管已处于正向导通状态。晶闸管导通后,式(1)中1-(α1+α2)≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通,门极已失去作用。在晶闸管导通后,如果不断地减小电源电压或增大回路电阻,使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时,由于α1和α2迅速下降,晶闸管恢复到阻断状态。2.2晶闸管的工作条件由于晶闸管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,此条件见表1。表1晶闸管导通和关断条件状态条件说明从关断到导通(1)阳极电位高于阴极电位；(2)控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通(1)阳极电位高于阴极电位；(2)阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断(1)阳极电位低于阴极电位；(2)阳极电流小于维持电流任一条件即可(1)晶闸管承受反向阳极电压时,无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。(2)晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。(3)晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。(4)晶闸管在导通情况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断。3晶闸管的伏安特性和主要参数3.1晶闸管的伏安特性晶闸管阳极A与阴极K之间的电压与晶闸管阳极电流之间关系称为晶闸管伏安特性,如图2所所示。正向特性位于第一象限,反向特性位于第三象限。图2晶闸管伏安特性参数示意图(1)反向特性当门极G开路,阳极加上反向电压时(见图3),J2结正偏,但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流,当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后,同时J3结也击穿,电流迅速增加,如图2的特性曲线OR段开始弯曲,弯曲处的电压URO称为“反向转折电压”。此后,晶闸管会发生永久性反向击穿。图3阳极加反向电压图4阳极加正向电压(2)正向特性当门极G开路,阳极A加上正向电压时(见图4),J1、J3结正偏,但J2结反偏,这与普通PN结的反向特性相似,也只能流过很小电流,这叫正向阻断状态,当电压增加,如图2的特性曲线OA段开始弯曲,弯曲处的电压UBO称为“正向转折电压”。由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后,J2结发生雪崩倍增效应,在结区产生大量的电子和空穴,电子进入N1区,空穴进入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合。同样,进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿后，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉。这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍有增加,电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图2中的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，晶闸管便进入正向导电状态——通态,此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，如图2的BC段。(3)触发导通在门极G上加入正向电压时(如图5所示),因J3正偏,P2区的空穴进入N2区,N2区的电子进入P2区,形成触发电流IGT。在晶闸管的内部正反馈作用(如图2)的基础上,加上IGT的作用,使晶闸管提前导通,导致图2中的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。图5阳极和门极均加正向电压3.2晶闸管的主要参数(1)断态重复峰值电压UDRM门极开路,重复率为每秒50次,每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压,UDRM=90%UDSM,UDSM为断态不重复峰值电压。UDRM应比UBO小,所留的裕量由生产厂家决定。(2)反向重复峰值电压URRM其定义同UDRM相似,URRM=90%URSM,URSM为反向不重复峰值电压。(3)额定电压选UDRM和URRM中较小的值作为额定电压,选用时额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍,应能承受经常出现的过电压。三、用万用表可以区分晶闸管的极性与好坏普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡R×100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。单结晶体管的工作原理单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构、符号和等效电呼如图1所示。一、单结晶体管的特性从图1可以看出，两基极b1与b2之间的电阻称为基极电阻：rbb=rb1+rb2式中：rb1----第一基极与发射结之间的电阻，其数值随发射极电流ie而变化，rb2为第二基极与发射结之间的电阻，其数值与ie无关；发射结是PN结，与二极管等效。若在两面三刀基极b2、b1间加上正电压Vbb，则A点电压为：VA=[rb1/(rb1+rb2)]vbb=(rb1/rbb)vbb=ηVbb式中：η----称为分压比，其值一般在0.3---0.85之间，如果发射极电压VE由零逐渐增加，就可测得单结晶体管的伏安特性，见图2（1）当Ve＜ηVbb时，发射结处于反向偏置，管子截止，发射极只有很小的漏电流Iceo。（2）当Ve≥ηVbbVDVD为二极管正向压降（约为0.7伏），PN结正向导通，Ie显著增加，rb1阻值迅速减小，Ve相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对就的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Vp和峰点电流Ip和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=ηVbb（3）随着发射极电流ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不在降了，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压，Vv和谷点电流Iv。（4）过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，所以uc继续增加时，ie便缓慢地上升，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果Ve＜Vv，管子重新截止。二、单结晶体管的主要参数（1）基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1、b2之间的电阻，一般为2--10千欧，其数值随温度上升而增大。（2）分压比η由管子内部结构决定的常数，一般为0.3--0.85。（3）eb1间反向电压Vcb1b2开路，在额定反向电压Vcb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。（4）反向电流Ieob1开路，在额定反向电压Vcb2下，eb2间的反向电流。（5）发射极饱和压降Veo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。（6）峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流。如何用万用表区分单结晶体管的极性和好坏①发射极e：万用表置于R×1K档，任意测量两个管脚间的正反向电阻，其中必有两个电极间的正反向电阻是相等的（这两个管脚分别为第一基极b1和第二基极b2）。则剩余一个管脚为发射极e。（∵单结晶体管是在一块高电阻率的N型硅半导体基片上引出两个欧姆接触的电极作为两个基极b1和b2，b1和b2之间的电阻就是硅片本身的电阻，正反向电阻相同约为3-10KΩ）②b1、b2极：测量发射极与某一基极间的正向电阻，阻值较大的为b1，阻值较小的为b2。如何用万用表区分三极管的极性和好坏a)R×100或R×1k挡测量三极管三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测三极管为PNP型管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管。(b)c和发射极e。(以PNP为例)将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。C高频管的截止频率大于3MHz，而低频管的截止频率则小于3MHz，一般情况下，二者是不能互换的。D在实际应用中、小功率三极管多直接焊接在印刷电路板上，由于元件的安装密度大，拆卸比较麻烦，所以在检测时常常通过用万用表直流电压挡，去测量被测三极管各引脚的电压值，来推断其工作是否正常，进而判断其好坏。如何用万用表区分稳压二极管与普通二极管的极性好坏常用稳压二极管的外形与普通小功率整流二极管的外形基本相似。当其壳体上的型号标记清楚时，可根据型号加以鉴别。当其型号标志脱落时，可使用万用表电阻挡很准确地将稳压二极管与普通整流二极管区分开来。具体方法是：首先利用万用表R×1K挡，按前述方法把被测管的正、负电极判断出来。然后将万用表拨至R×10K挡上，黑表笔接被测管的负极，红表笔接被测管的正极，若