晶闸管及其应用课件

1、 第第 9 章晶闸管及其应用章晶闸管及其应用 本章学习目标本章学习目标 9.1晶闸管简介晶闸管简介 9.2可控整流电路可控整流电路 9.3晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 9.4晶闸管的保护和防失控措施晶闸管的保护和防失控措施 本章小结本章小结 本章学习目标本章学习目标 熟悉晶闸管的工作特性，理解其主要参数的含义。熟悉晶闸管的工作特性，理解其主要参数的含义。 掌握单相可控整流电路的组成形式，理解电阻性负载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。可控整流电路的工作原理。 了解单结晶体管的工作特性、电路符号，理解单结晶了解单结晶体管的工作特性、电路符号，理解单结晶

2、体管触发电路的组成及工作原理。体管触发电路的组成及工作原理。 了解晶闸管常用的保护措施及防失控措施。了解晶闸管常用的保护措施及防失控措施。 9.1晶闸管简介晶闸管简介 9.1.1晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号 9.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 9.1.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 9.1.4晶闸管的型号及简易检测晶闸管的型号及简易检测 9.1.1晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号 图图 ( (a) ) 所示是常见晶闸管外形，它有三个电极：阳极所示是常见晶闸管外形，它有三个电极：阳极 a、阴、阴 极极 c 和控制极和控制极 g。图（。图（b）是晶闸管的符号，图（）是晶闸管

3、的符号，图（c）是晶闸管内）是晶闸管内 部结构示意图。部结构示意图。 图图( (c) )可见，晶闸管可见，晶闸管 内部有三个内部有三个 PN 结，分别结，分别 用用 J1、J2 和和 J3 表示。表示。 晶体闸流管晶体闸流管( (简称晶闸管，旧称可控硅简称晶闸管，旧称可控硅) ) 广泛应用于无触点广泛应用于无触点 开关电路及可控整流设备中。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原理 晶闸管的工作特点有以下三点：晶闸管的工作特点有以下三点： 晶闸管的这些工作特性是晶闸管的这些工作特性是 由其内部结构决定的，可用示由其内部结构决定的，可用示 意图来解释。意图来解释。 1

4、晶闸管导通必须具备两个条件：一是晶闸管阳极与阴极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。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。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。于晶闸管的导通维持电流。 晶闸管可以看成由一只晶闸管可以看成由一只 NPN 三极管与一只三极管与一只 PNP 三极管组三极管组 成，仅在阳极成，仅在阳

5、极 a 和阴极和阴极 c 之间加上正向电压以后，之间加上正向电压以后，V1V2 两只两只 三极管因为没有基极电流，所以均不导通。三极管因为没有基极电流，所以均不导通。 若在若在 V1 的基极的基极 g ( (即晶闸管的控制极上即晶闸管的控制极上) )加上正向电压，加上正向电压， 使使 V1 产生基极电流产生基极电流 IG，此电流经，此电流经 V1 放大以后，在放大以后，在 V1 集电极集电极 上就产生上就产生 IG 的电流，经过 的电流，经过 V2 再次放大，再次放大，V2 的集电极电流的集电极电流 达到达到 1 2 IG，而此电流又重新反馈到，而此电流又重新反馈到 V1 作为作为 V1 基极

6、电流又基极电流又 一次被一次被 V1 放大，使两只三极管迅速饱和导通。放大，使两只三极管迅速饱和导通。 即晶闸管阳极即晶闸管阳极 a 与阴极与阴极 c 之间完全导通。由于之间完全导通。由于 V1 基极上自基极上自 动维持有正反馈电流，所以即使去掉动维持有正反馈电流，所以即使去掉 V1 基极基极 g 上的正向电压，上的正向电压， V1 和和 V2 仍能继续保持饱和状态。仍能继续保持饱和状态。 晶闸管导通时，晶闸管导通时，V1、V2 饱和导通总压降约饱和导通总压降约 1 V 左右，如果左右，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阳、阴极之间正向电压太低，使渡过阳极的电流难以维

7、持导通 值，值，V1、V2 就会截止，晶闸管即关断。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。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。路中。 9.1.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1

8、额定正向平均电流在规定的环境温度和散热条件下，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。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，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。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。电压和电流。 4正向阻断值电

9、压控制极断开，加正向电压晶闸管截止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。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。称反向阻断峰值电压。 9.1.4晶闸管的型号及简易检测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，即我国目前生产的晶闸管的

10、型号有两种表示方法，即 3CT 系系 列和列和 KP 系列。系列。 一、型号一、型号 3 C T 5/500 表示正向阻断峰值电压表示正向阻断峰值电压( (V)500 V 表示额定正向平均电流表示额定正向平均电流( (A)5 A 表示晶闸管元件表示晶闸管元件 表示表示 N 型硅材料型硅材料 表示表示 三个电极三个电极 P K 200 10 D 通态平均电压级别通态平均电压级别(小于小于100 A 的不标的不标) D 级为级为 0.7 V 额定电压级别额定电压级别 为为 1000 V 额定正向平均电流额定正向平均电流 200 A 普通型普通型 晶闸管晶闸管 额定电压在额定电压在 1 000 V

11、以下的每以下的每 100 V 为一级，为一级，1 000 V 到到 3 000 V 的每的每 200 V 为一级。用百位数或千位及百位数组合为一级。用百位数或千位及百位数组合 表示级数。表示级数。 通态平均电压分通态平均电压分 9 级，用级，用 A I 字母表示，由字母表示，由 0.4 12 V，每隔，每隔 0.1 V 为一级。为一级。 二、简易检测二、简易检测 1检测阳、阴极正、反向是否短路。可用万用表检测阳、阴极正、反向是否短路。可用万用表 R 1 k 电阻挡，测试阳、阴极间的正、反向电阻，都应很大电阻挡，测试阳、阴极间的正、反向电阻，都应很大( (指针基本指针基本 不动不动) )，否则元

12、件内部有短路或性能不好。，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检测控制极是否短路或断开。因控制极与阴极之间是一 个个 PN 结，判断的原则同测普通晶体二极管方法相同。结，判断的原则同测普通晶体二极管方法相同。 9.2单相可控整流电路单相可控整流电路 9.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 9.2.2单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路 9.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 改变触发电压到改变触发电压到 来的时刻，亦即改变来的时刻，亦即改变 控制角控制角 的大小，的大小， 就改变了导通角就改变了导通角 ， 也就改变了负载

13、电压也就改变了负载电压 vL 的平均值。的平均值。 9.2.2单相桥式可控整流单相桥式可控整流 由可见，此电路也是由可见，此电路也是 通过调整触发信号出现的通过调整触发信号出现的 时间来改变晶闸管控制角时间来改变晶闸管控制角 和导通角和导通角 ，从而实现，从而实现 控制输出的直流电压平均控制输出的直流电压平均 值之目的。值之目的。 动画单相桥式整流电路动画单相桥式整流电路 晶闸管除了用于可控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。外，还可作为无触点可控开关。 如图当开关如图当开关 S 闭合后，电路处于值班状态。闭合后，电路处于值班状态。 晶闸管晶闸管 V 的的 g 极被

14、极被 B、间导线短路接地而使晶闸管截止。、间导线短路接地而使晶闸管截止。 当短路导线被弄断时，电源当短路导线被弄断时，电源 G 经经 R1 和和 R2 的分压使的分压使 g 极获得触极获得触 发电压，晶闸管发电压，晶闸管 V 导通，防盗报警器导通，防盗报警器( (蜂鸣器蜂鸣器) )H 即发声报警。即发声报警。 应用实例应用实例 防盗报警器防盗报警器( (断线报警器断线报警器) ) 9.3晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 9.3.1可控整流对触发电路的要求可控整流对触发电路的要求 9.3.2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 晶闸管的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

15、与阴极之间加正向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。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：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；上； 2触发电压只需要短时间存在，因此常用脉冲电压触发电压只需要短时间存在，

16、因此常用脉冲电压( (电子技电子技 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。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 必必“同步同步”。 9.3.2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电

17、路 一、一、单结晶体管的结构和型号单结晶体管的结构和型号 单结晶体管，它有三个电极，即发射极单结晶体管，它有三个电极，即发射极 e、第一基极、第一基极 b1、第、第 二基极二基极 b2，只有一个，只有一个 PN 结，所以称单结晶体管或双基极二极结，所以称单结晶体管或双基极二极 管。管。 单结晶体管的图形符号如图单结晶体管的图形符号如图( (b) )所示，发射极箭头倾斜指向所示，发射极箭头倾斜指向 b1，表示经，表示经 PN 结的电流只流向结的电流只流向 b1 极。极。 图图( (c) )是它的等效电路图。因为是它的等效电路图。因为 e 和和 b1 间是一个间是一个PN 结，结， 故用二极管故用

18、二极管 V 等效，其正向压降等效，其正向压降 VD = 0.7 V。Rb1 表示表示 e 与与 b1 间电阻，它随发射极电流而变，即间电阻，它随发射极电流而变，即 IE 上升，上升，Rb1下降。下降。Rb2 表表 示示 e 与与 b2 间的电阻，数值与间的电阻，数值与 IE 无关。两基极间电阻无关。两基极间电阻 Rbb = Rb1 + Rb2。 称为分压比，称为分压比， 一般在一般在 0.3 0.8 之间。之间。 bb b1 R R 单结晶体管的型号有单结晶体管的型号有 BT31、 BT32、 BT33、 BT35 等。等。 二、单结晶体管的负阻二、单结晶体管的负阻 单结晶体管具有负阻特性，如

19、图单结晶体管具有负阻特性，如图( (a) )特性曲线所示。所谓负特性曲线所示。所谓负 阻特性，就是当发射极电流增加时，发射极电压阻特性，就是当发射极电流增加时，发射极电压 VE反而减小。反而减小。 若在若在 b1、b2 间加固定电压间加固定电压 VBB，且在，且在 e 和和 b1 间加一个可调间加一个可调 节的电源节的电源 GE，则当，则当 VE 从从 0 开始开始 增加，但小于增加，但小于 VBB 时，因二极时，因二极 管管 V 处于反偏，故不导通，此处于反偏，故不导通，此 时只有很小的反向电流。时只有很小的反向电流。 当当 VEE = VBB 时，二极管时，二极管 V 反偏，帮反偏，帮 I

20、E = 0。当。当 VE 继续升继续升 高，使高，使 VE VBB + VD ( ( VD 是是 PN 结正向压降结正向压降) )， PN 结导通后，结导通后， P 区空穴将注入区空穴将注入 N 区，使区，使 e、b1 间空穴浓度增加，导电性能加强间空穴浓度增加，导电性能加强 导致导致 Rbi 的减小，必然使的减小，必然使 VB1 减小，减小， 它导致它导致 PN 结正向电压加大，结正向电压加大，Rb1 又进一步减小又进一步减小 。 ),( BBBB bb b1 B1 VV R R V 急剧上升的急剧上升的 IE 在在 RP 上的压降加大，使得上的压降加大，使得 VE 反而减小，呈反而减小，呈

21、 现明显的负阻特性。现明显的负阻特性。 BB + VD 为峰点电压为峰点电压 VP， IP 为峰点电流。为峰点电流。 峰点左侧为截止区、峰点峰点左侧为截止区、峰点 右侧为负阻区。右侧为负阻区。 当当 VE 下降到谷点电压下降到谷点电压 VV， Rb1 下降至极限不再下降，此时下降至极限不再下降，此时 的电流称谷点电流的电流称谷点电流 IV。 谷点电流谷点电流 IV。谷点的左侧。谷点的左侧 为负阻区，右侧为饱和区。管为负阻区，右侧为饱和区。管 子处在饱和区时，子处在饱和区时，IE 很大而很大而 VE 很小。很小。 三、单结晶体管振荡器三、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

22、作晶闸管的触发脉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。改变冲。改变 Re、C 的值，即可改变电容充电电路时间常数，从而的值，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改变电压脉冲的振荡频率( (或周期或周期) )。 四、带有同步触发电路的可控整流电路四、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。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晶闸管的保护和防失控措施 9.4.1晶闸管的保护晶闸管的保护 9.4.2带感性负载时的防失控措施带感性负载时的防失控措施 9.4.1晶

23、闸管的保护晶闸管的保护 一、晶闸管的过电流保护一、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。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 图中图中 FU1；也可在整流电路的直流侧与晶闸管或负载串联，如；也可在整流电路的直流侧与晶闸管或负载串联，如 图中图中 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。用快速熔断器的额定电流。

24、 晶闸管额定电流晶闸管额定电流 / A5 10 20 30 50 100 200 300 500 快速熔断器额定电流快速熔断器额定电流 / A8 15 30 50 80 150 300 500 800 二、晶闸管的过电压保护二、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，如回路，如 R1、C1 或直流侧晶闸管边上，图中的或直流侧晶闸管边上，图中的 R2、C2。也可。也可 并联在电感负载的两端，如图中并联

25、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带感性负载时的防失控措施 电感性负载可用电感电感性负载可用电感 L 和电阻和电阻 R 串连表示。如图，当晶闸串连表示。如图，当晶闸 管导通时，电感管导通时，电感 L 中存储了磁场能量。当中存储了磁场能量。当 v2 过零变负时，电感过零变负时，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。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，图中通常在负载两端并联二极管，图中 的的 V2 来解决，当交流电压来解决，当交流电压 v2 过零或变过零或变 负时，感应电动势产生的电流可通过这负时，

26、感应电动势产生的电流可通过这 个二极管个二极管( (称作续流二极管称作续流二极管) )形成回路电形成回路电 流。这时，流。这时，V2 的两端电压近似为的两端电压近似为 0，晶，晶 闸管受反向电压二迅速关断。应当指出闸管受反向电压二迅速关断。应当指出 二极管二极管 V2 的极性不要接反，否则引起的极性不要接反，否则引起 短路事故。短路事故。 本章小结本章小结 晶闸管是一种可控整流元件，旧称可控硅。它的导通条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件时阳极电位高于阴极电位电位( (加正向电压加正向电压) )，同时控制极，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，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。晶闸管就被关断。 晶闸管整流电路可以把交流电压整流为大小可调的直流晶闸管整流电路可以把交流电压整流为大小可调的