晶闸管及其应用

第9章晶闸管及其应用本章学习目标9.1晶闸管简介9.2可控整流电路9.3晶闸管的触发电路9.4晶闸管的保护和防失控措施本章小结本章学习目标1.熟悉晶闸管的工作特性，理解其主要参数的含义。2.掌握单相可控整流电路的组成形式，理解电阻性负载可控整流电路的工作原理。3.了解单结晶体管的工作特性、电路符号，理解单结晶体管触发电路的组成及工作原理。4.了解晶闸管常用的保护措施及防失控措施。9.1晶闸管简介9.1.1晶闸管的结构和符号9.1.2晶闸管的工作原理9.1.3晶闸管的主要参数9.1.4晶闸管的型号及简易检测9.1.1晶闸管的结构和符号图(a)所示是常见晶闸管外形，它有三个电极：阳极a、阴极c和控制极g。图（b）是晶闸管的符号，图（c）是晶闸管内部结构示意图。图(c)可见，晶闸管内部有三个PN结，分别用J1、J2和J3表示。晶体闸流管(简称晶闸管，旧称可控硅)广泛应用于无触点开关电路及可控整流设备中。9.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作特点有以下三点：晶闸管的这些工作特性是由其内部结构决定的，可用示意图来解释。1．晶闸管导通必须具备两个条件：一是晶闸管阳极与阴极间必须接正向电压，二是控制极与阳极之间也接正向电压。2．晶闸管一旦导通后，降低或去掉控制极电压时，晶闸管仍然导通。3．导通后的晶闸管若要关断时，必须减小阳极电流使其小于晶闸管的导通维持电流。晶闸管可以看成由一只NPN三极管与一只PNP三极管组成，仅在阳极a和阴极c之间加上正向电压以后，V1V2两只三极管因为没有基极电流，所以均不导通。若在V1的基极g(即晶闸管的控制极上)加上正向电压，使V1产生基极电流IG，此电流经V1放大以后，在V1集电极上就产生１IG的电流，经过V2再次放大，V2的集电极电流达到12IG，而此电流又重新反馈到V1作为V1基极电流又一次被V1放大，使两只三极管迅速饱和导通。即晶闸管阳极a与阴极c之间完全导通。由于V1基极上自动维持有正反馈电流，所以即使去掉V1基极g上的正向电压，V1和V2仍能继续保持饱和状态。晶闸管导通时，V1、V2饱和导通总压降约1V左右，如果阳、阴极之间正向电压太低，使渡过阳极的电流难以维持导通值，V1、V2就会截止，晶闸管即关断。晶闸管的控制极电压、电流比较低，电压只有几伏，电流只有几十到几百毫安，但被控制的器件则可以承担很大的电压和通过很大的电流。电压可达几千伏，电流可大到几百安以上。因此晶闸管是一种可控的单向导电开关，常用于以弱电支控制强电的各类电路中。9.1.3晶闸管的主要参数1．额定正向平均电流在规定的环境温度和散热条件下，允许通过阳极和阴极之间的电流平均值。2．维持电流在规定的环境温度、控制极断开的条件下，要保持晶闸管处于导通状态所需要的最小正向电流。3．控制极触发电压和电流在规定的环境温度及一定的正向电压条件下，使晶闸管从关断到导通，控制极所需的电波电压和电流。4．正向阻断值电压控制极断开，加正向电压晶闸管截止的状态称正向阻断；此时允许加到晶闸管上的正向电压最大值称正向阻断峰电压。5．反向阻断峰电压控制极断开，加反向电压晶闸管截止的状态称反向阻断，此时允许加到晶闸管上的反向电压最大值称反向阻断峰值电压。9.1.4晶闸管的型号及简易检测我国目前生产的晶闸管的型号有两种表示方法，即3CT系列和KP系列。一、型号3CT－5/500表示正向阻断峰值电压(V)[500V]表示额定正向平均电流(A)[5A]表示晶闸管元件表示N型硅材料表示三个电极PK200－10D通态平均电压级别(小于100A的不标)①D级为0.7V额定电压级别②[为1000V]额定正向平均电流[200A]普通型晶闸管②额定电压在1000V以下的每100V为一级，1000V到3000V的每200V为一级。用百位数或千位及百位数组合表示级数。①通态平均电压分9级，用A~I字母表示，由0.4~12V，每隔0.1V为一级。二、简易检测1．检测阳、阴极正、反向是否短路。可用万用表R1k电阻挡，测试阳、阴极间的正、反向电阻，都应很大(指针基本不动)，否则元件内部有短路或性能不好。2．检测控制极是否短路或断开。因控制极与阴极之间是一个PN结，判断的原则同测普通晶体二极管方法相同。9.2单相可控整流电路9.2.1单相半波可控整流电路9.2.2单相桥式可控整流电路9.2.1单相半波可控整流电路改变触发电压到来的时刻，亦即改变控制角的大小，就改变了导通角，也就改变了负载电压vL的平均值。9.2.2单相桥式可控整流由可见，此电路也是通过调整触发信号出现的时间来改变晶闸管控制角和导通角，从而实现控制输出的直流电压平均值之目的。动画单相桥式整流电路晶闸管除了用于可控整流电路外，还可作为无触点可控开关。如图当开关S闭合后，电路处于值班状态。晶闸管V的g极被B、Ｄ间导线短路接地而使晶闸管截止。当短路导线被弄断时，电源G经R1和R2的分压使g极获得触发电压，晶闸管V导通，防盗报警器(蜂鸣器)H即发声报警。应用实例防盗报警器(断线报警器)9.3晶闸管的触发电路9.3.1可控整流对触发电路的要求9.3.2单结晶体管触发电路晶闸管的触发电路晶闸管由阻断转化为导通，除了在阳极与阴极之间加正向电压之外，还必须在控制极加正向触发电压。提供正向触发电压的电路称为触发电路。9.3.1可控整流对触发电路的要求可控整流电路中晶闸管对触发电路提供给控制的触发信号有下列几点要求：1．触发电压必须在晶闸管承受正向电压时加到它的控制极上；2．触发电压只需要短时间存在，因此常用脉冲电压(电子技术中把瞬间突变、作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号，简称脉冲)。3．触发脉冲应有一定的幅值和功率并有足够的移相范围以达到能够心迹控制角之目的。4．触发脉冲与可控整流电路的交流电压频率相同并保持一定的相位角关系，即触发电路输出脉冲与整流主电路输出电压必“同步”。9.3.2单结晶体管触发电路一、单结晶体管的结构和型号单结晶体管，它有三个电极，即发射极e、第一基极b1、第二基极b2，只有一个PN结，所以称单结晶体管或双基极二极管。单结晶体管的图形符号如图(b)所示，发射极箭头倾斜指向b1，表示经PN结的电流只流向b1极。图(c)是它的等效电路图。因为e和b1间是一个PN结，故用二极管V等效，其正向压降VD=0.7V。Rb1表示e与b1间电阻，它随发射极电流而变，即IE上升，Rb1下降。Rb2表示e与b2间的电阻，数值与IE无关。两基极间电阻Rbb=Rb1+Rb2。称为分压比，一般在0.3~0.8之间。bbb1RR单结晶体管的型号有BT31、BT32、BT33、BT35等。二、单结晶体管的负阻单结晶体管具有负阻特性，如图(a)特性曲线所示。所谓负阻特性，就是当发射极电流增加时，发射极电压VE反而减小。若在b1、b2间加固定电压VBB，且在e和b1间加一个可调节的电源GE，则当VE从0开始增加，但小于VBB时，因二极管V处于反偏，故不导通，此时只有很小的反向电流。当VEE=VBB时，二极管V反偏，帮IE=0。当VE继续升高，使VEVBB+VD(VD是PN结正向压降)，PN结导通后，P区空穴将注入N区，使e、b1间空穴浓度增加，导电性能加强导致Rbi的减小，必然使VB1减小，它导致PN结正向电压加大，Rb1又进一步减小······。),(BBBBbbb1B1VVRRV急剧上升的IE在RP上的压降加大，使得VE反而减小，呈现明显的负阻特性。ＶBB+VD为峰点电压VP，IP为峰点电流。峰点左侧为截止区、峰点右侧为负阻区。当VE下降到谷点电压VV，Rb1下降至极限不再下降，此时的电流称谷点电流IV。谷点电流IV。谷点的左侧为负阻区，右侧为饱和区。管子处在饱和区时，IE很大而VE很小。三、单结晶体管振荡器v0是一个前沿陡峭的电压脉冲。可以用来作晶闸管的触发脉冲。改变Re、C的值，即可改变电容充电电路时间常数，从而改变电压脉冲的振荡频率(或周期)。四、带有同步触发电路的可控整流电路图中所示为带有同步触发电路的晶闸管整流电路和电压波形图。9.4晶闸管的保护和防失控措施9.4.1晶闸管的保护9.4.2带感性负载时的防失控措施9.4.1晶闸管的保护一、晶闸管的过电流保护晶闸管过电流保护方法有：快速熔断器保护、灵敏继电器保护和过载截止保护等。快速熔断器在电路中的位置可以在整流电路的交流侧，如图中FU1；也可在整流电路的直流侧与晶闸管或负载串联，如图中FU2。在熔断器与晶闸管元件相串联时，可按下表的参考数据选用快速熔断器的额定电流。晶闸管额定电流/A510203050100200300500快速熔断器额定电流/A815305080150300500800二、晶闸管的过电压保护如果可控整流电路中含有电感元件，则电路切断时可能引起晶闸管上的过电压。最常用的过压保护措施是接入阻容吸收回路，如R1、C1或直流侧晶闸管边上，图中的R2、C2。也可并联在电感负载的两端，如图中R3、C3。9.4.2带感性负载时的防失控措施电感性负载可用电感L和电阻R串连表示。如图，当晶闸管导通时，电感L中存储了磁场能量。当v2过零变负时，电感中产生感应电动势，迫使晶闸管不能及时关断造成失控。通常在负载两端并联二极管，图中的V2来解决，当交流电压v2过零或变负时，感应电动势产生的电流可通过这个二极管(称作续流二极管)形成回路电流。这时，V2的两端电压近似为0，晶闸管受反向电压二迅速关断。应当指出二极管V2的极性不要接反，否则引起短路事故。本章小结1.晶闸管是一种可控整流元件，旧称可控硅。它的导通条件时阳极电位高于阴极电位(加正向电压)，同时控制极与阴极间加适当正向电压。晶闸管导通后控制极就失去控制作用，要使导通的晶闸管关断，必须设法使阳极电流小于维持电流。因此在阳极电压过零或变为负值时，晶闸管就被关断。2.晶闸管整流电路可以把交流电压整流为大小可调的直流电压。它是通过改变晶闸管控制角的大小来调节整流电路输出电压的大小。3.晶闸管整流电路常用单结晶体管振荡器作为同步触发电路以保证整流过程中，晶闸管始终保持脉动直流电，每半个周期内部都有相同的控制角，使输出电压幅度相等。达到同步的关键是单结晶体管振荡器和主电路采用同一交流电源变压器(称同步变压器)。4.晶闸管常用快速熔断器作过电流保护，用阻容吸收回路作过压保护，用续流二极管防止电感性负载造成晶闸管的失控。本章重点1.晶闸管的工作特性，其主要参数的含义。2.单相可控整流电路电阻性负载可控整流电路的工作原理。3.单结晶体管的工作特性、电路符号，理解单结晶体管触发电路的组成及工作原理。4.晶闸管常用的保护措施及防失控措施。本章难点1．单相可控整流电路电阻性负载可控整流电路的工作原理。2．单结晶体管触发电路的组成及工作原理。3．晶闸管常用的保护措施及防失控措施。学时分配序号内容学时19.1晶闸管简介229.2可控整流电路239.3晶闸管的触发电路249.4晶闸管的保护和防失控措施25本章小结6本章总学时8