晶闸管及其应用课件

1、第9章 晶闸管及其应用9.1 晶闸管9.2 单相可控整流电路9.3 单结晶体管触发电路9.4 晶闸管应用举例9.5 实训：晶闸管应用电路测试9.1.1晶闸管的结构和工作原理1普通晶闸管结构晶闸管内部结构示意图、符号和外形如图9-1所示。从晶闸管内部结构示意图可以看出，它由PNPN四层半导体交替叠合而成，中间形成三个PN结。阳极A从上端P区引出，阴极K从下端N区引出，又在中间P区上引出控制极（或称门极）G。晶闸管中通过阳极的电流比控制极中的电流大得多，所以一般晶闸管控制极的导线比阳极和阴极的导线要细。在通过大电流时，都要带上散热片。9.1 晶闸管下一页返回2晶闸管导通和关断原理在图9-2晶闸管的

2、导通试验中，可以反映出晶闸管的导通条件及关断方法。图9-2（a）中，晶闸管阳极经灯泡接电源正极，阴极接电源负极。当控制极不加电压时，灯泡不亮，说明晶闸管没有导通。如果在控制极上加正电压，即图9-2（b）中合上开关S，则灯亮，说明晶闸管导通。然后将开关S断开，如图9-2（c）所示，去掉控制极上的电压，灯继续亮。若要熄灭灯，可以减小阳极电流，或阳极加负电压，如图9-2（d）所示。通过这些试验可得出以下结论：1）晶闸管导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压，同时控制极和阴极之间加适当的正向电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。9.1 晶闸管下一页返回上一页2）导通以后的晶闸管，控制极就失去作用

3、。要使其关断必须在阳极上加反向电压或将阳极电流减小到足够小的程度（维持电流IH以下）。晶闸管的这种特性可以用图9-3来解释。因为晶闸管具有三个PN结，所以可以把晶闸管看成由一只NPN三极管与一只PNP三极管组成，在阳极A和阴极K之间加上正向电压以后，T1、T2两只三极管因为没有基极电流，所以三极管中均无电流通过，此时若在T1管的基极G（即晶闸管的控制极）加上正向电压，使基极产生电流IG，此电流经晶体管T2放大以后，在T1的集电极上就产生1IG电流，又因为T1的集电极就是T2的基极，所以经过T2再次放大，9.1 晶闸管下一页返回上一页在T2集电极上的电流达到21IG。而此电流重新反馈到T1基极，

4、又一次被T1放大，如此反复下去，T1与T2之间因为强烈的正反馈，使两只三极管迅速饱和导通。此时，它的压降约1V左右。以后由于T1基极上已经有正反馈电流，所以即使取掉T1基极G上的正向电压，T1与T2仍能继续保持饱和导通状态。9.1.2晶闸管的伏安特性和主要参数1晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性即阳极和阴极之间电压UAK与阳极电流IA的关系曲线，如图9-4所示。9.1 晶闸管下一页返回上一页控制极上的电压称为晶闸管的触发电压，触发电压可以是直流、交流或脉冲信号。在无触发信号时，如果在阳极和阴极之间加上额定的正向电压UAK，则在晶闸管内只有很小的正向漏电流通过，它对应特性曲线的oa段，以后逐渐增大

5、阳极电压到b点，此时晶闸管会从阻断状态突然转向导通状态。b点所对应的阳极电压称为无触发信号时的正向转折电压（或称“硬开通”电压），用UBO表示。晶闸管导通后，阳极电流IA的大小就由电路中的阳极电压和负载电阻来决定。如果晶闸管上实际承受的阳极电压大于“硬开通”电压，就会使晶闸管的性能变坏，甚至损坏晶闸管。在工作时，这种导通是不允许的。9.1 晶闸管下一页返回上一页晶闸管导通后，减小阳极电流IA，并使IA IH，晶闸管会突然从导通状态转向阻断状态。在正常导通时，阳极电流必须大于维持电流IH。当晶闸管的控制极上加上适当大小的触发电压UG（触发电流IG）时，晶闸管的正向转折电压会大大降低，如图9-4中

6、IG1、IG2所示。触发信号电流越大，晶闸管导通的正向转折电压就降的越低。晶闸管的反向特性与二极管十分相似。当晶闸管的阳极和阴极两端加上不太大的反向电压时，管中只有很小的反向漏电流通过，如图中oc段所示，这说明管子处在反向阻断状态。如果把反向电压增加到d点时，反向漏电流将会突然急剧增加，这个反向电压称为反向击穿电压UBR（或称为反向转折电压）。9.1 晶闸管下一页返回上一页2.晶闸管的主要参数1）额定正向平均电流IF 在环境温度小于40OC和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管的工频正弦半波电流的平均值，简称正向电流。通常所说多少安的晶闸管，就是指这一电流。当散热条件较差、环境温度较高和元件导通

7、角较小时，所允许通过的电流要降低。由于晶闸管的过载能力比一般电磁元件差，因而在选择晶闸管时，其通态平均电流IF应为安装处实际通过的最大平均电流的1.52倍，使其有一定的安全余量。2）维持电流IH 在控制极开路和规定环境温度下，维持晶闸管导通的最小阳极电流。当晶闸管正向电流小于维持IH时，会自行关断。9.1 晶闸管下一页返回上一页3）触发电压UG和触发电流IG 在室温时，晶闸管上加6V直流电压的条件下，使晶闸管从关断到完全导通所需的最小控制极直流电压和电流。一般UG为15V，IG为几十到几百mA。4）正向转折电压UBO 在额定结温和控制极开路条件下，晶闸管从关断转为导通的正弦波半波正向电压峰值。

8、5）正向重复峰值电压UFRM 在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压。一般取UFRM为正向转折电压UBO之间的80。6）反向电压峰峰值URRM 在额定结温和控制极断开时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，用URRM表示。按规定此电压为反向转折电压UBR的80%。9.1 晶闸管下一页返回上一页3型号命名国产晶闸管有两种表示方法，即3CT系列和KP系列。9.1 晶闸管下一页返回上一页9.1.3双向晶闸管简介普通晶闸管是单向导通器件，在作交流电路控制时，需两个元件反并联，才能实现两个方向控制导通，这使装置变得复杂。双向晶闸管相当于两个普通

9、晶闸管反并联，且具有触发电路简单、工作性能可靠的优点。1双向晶闸管的结构与特性双向晶闸管的外形以及图形符号，分别见图9-5（a） 、9-5（b）所示，它的文字符号常采用TCL、SCR、CT及KG、KS等表示。双向晶闸管是由制作在同一单晶片上，有一个控制极的两只反向并联的单向晶闸管所构成。9.1 晶闸管下一页返回上一页它是N-P-N-P-N五层三端半导体器件，见图9-5（c）所示。双向晶闸管也有三个电极，但它没有阴、阳极之分，而统称为主电极T1和T2，另一个电极G也称为控制极。2双向晶闸管的伏安特性双向晶闸管的一个重要特性是：它的主电极T1和T2无论是加正向电压还是反向电压，其控制极G的触发信号

10、无论是正向还是反向，它都能被“触发”导通。由于双向晶闸管具有正、反两个方向都能控制导通的特性，所以它的输出电压不像单向晶闸管那样是直流，而是交流形式。因此双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第1象限，反向部分位于第2象限，如图9-6所示。9.1 晶闸管返回上一页可控整流电路是利用晶闸管的单向导电可控特性，把交流电变成大小能控制的直流电的电路，通常称为主电路。在单相可控整流电路中，最简单的是单相半波可控整流电路，应用最广泛的是单相桥式半控整流电路。9.2.1单相半波可控整流电路1电路组成单相半波可控整流电路如图9-7（a）所示。它与单相半波整流电路相比较，所不同的只是用晶闸管代替

11、了整流二极管。9.2 单相可控整流电路下一页返回2工作原理接上电源，在电压u2正半周开始时，如果电路中a点为正，b点为负，对应在图9-7(b)的角范围内。此时晶闸管T两端具有正向电压，但是由于晶闸管的控制极上没有触发电压uG，因此晶闸管不能导通。经过角度后，在晶闸管的控制极上，加上触发电压uG,如图9-7(b)所示。晶闸管T被触发导通，负载电阻中开始有电流通过，在负载两端出现电压uo，见图9-7(b)。在T导通期间，晶闸管压降近似为零。9.2 单相可控整流电路下一页返回上一页这角称为控制角（由称移相角），是晶闸管阳极从开始承受正向电压到出现触发电压uG之间的角度。改变角度，就能调节输出平均电压

12、的大小。角的变化范围称为移相范围，通常要求移相范围越大越好。经过以后，u2进入负半周，此时电路a端为负，b端为正，晶闸管T两端承受反向电压而截止，所以io = 0，uo = 0。在第二个周期出现时，重复以上过程。晶闸管导通的角度称为导通角，用表示。由9-7(b)可知=。9.2 单相可控整流电路下一页返回上一页3输出平均电压当变压器次级电压为 时，负载电阻RL上的直流平均电压可以用控制角表示，即 看出，当= 0时（=）晶闸管在正半周全导通，Uo = 0.45U2,输出电压最高，相当于二极管单相半波整流电压。若=, Uo = 0， 这时= 0，晶闸管全关断。9.2 单相可控整流电路下一页返回上一页

13、根据欧姆定律，负载电阻RL中的直流平均电流为 此电流即为通过晶闸管的平均电流。2电感性负载与续流二极管电感性负载可用电感元件L和电阻元件R串联表示,如图9-8所示。晶闸管触发导通时, 电感元件中存贮了磁场能量, 当u2过零变负时,电感中产生感应电势，晶闸管不能及时关断,造成晶闸管的失控，为了防止这种现象的发生，必须采取相应措施。通常是在负载两端并联二极管D（图9-8虚线）来解决。当交流电压u2过零值变负时，9.2 单相可控整流电路下一页返回上一页感应电动势eL产生的电流可以通过这个二极管形成回路。因此这个二极管称为续流二极管。这时D的两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。有了续流二极管

14、以后，输出电压D的波形就和电阻性负载时一样。9.2.2单相桥式半控整流电路1. 电路组成单相桥式半控整流电路如图9-9(a)所示。其主电路与单相桥式整流电路相比，只是其中两个桥臂中的二极管被晶闸管T1、T2所取代。9.2 单相可控整流电路下一页返回上一页2. 工作原理接上交流电源后，在变压器副边电压u2正半周时(a端为正，b端为负)，T1、D1、处于正向电压作用下，当t=时，控制极引入的触发脉冲uG使T1导通，电流的通路为：aT1RLD1b，这时T2和D2均承受反向电压而阻断。在电源电压u2过零时，T1阻断，电流为零。同理在u2的负半周(a端为负，b端为正)，T2、D2处于正向电压作用下，当t

15、=+时，控制极引入的触发脉冲uG使T2导通，电流的通路为：bT2RLD2a，这时T1、D1承受反向电压而阻断。当u2由负值过零时，T2阻断。可见，无论u2在正或负半周内，流过负载RL的电流方向是相同的，其负载两端的电压波形如图9-9(b)所示。9.2 单相可控整流电路下一页返回上一页由图9-9(b)可知，输出电压平均值比单相半波可控整流大一倍。即看出，当= 0时（=）晶闸管在半周内全导通，Uo = 0.9U2,输出电压最高,相当于不可控二极管单相桥式整流电压。若=, Uo = 0， 这时= 0，晶闸管全关断。根据欧姆定律，负载电阻RL中的直流平均电流为 流经晶闸管和二极管的平均电流为 9.2

16、单相可控整流电路下一页返回上一页晶闸管和二极管承受的最高反向电压均为 。综上所述，可控整流电路是通过改变控制角的大小实现调节输出电压大小的目的，因此，也称为相控整流电路。9.2 单相可控整流电路返回上一页晶闸管由阻断转入导通，除了在阳极与阴极之间加上正向电压外，还必须在控制极与阴极之间加上适当的正向触发电压；改变触发脉冲出现的时间，就可以改变控制角（或导通角）的大小，达到改变输出电压大小的目的。提供正向触发电压的电路称为触发电路。为了保证晶闸管可靠地工作，对触发电路有以下几点要求：（1）触发脉冲的电压和电流值应大于晶闸管UG和IG参数的要求，一般触发电压为410V。（2）为了使触发时间准确，触

17、发脉冲要有足够陡的上升沿，一般要求上升前沿要小于10s。9.3 单结晶体管触发电路下一页返回（3）触发脉冲要有足够的宽度。因为晶闸管的开通时间为6 s左右，故触发脉冲的宽度不能小于6s，对于电感性负载，其脉冲宽度要大于2050s。（4）不触发时，触发电路的输出电压应小于0.150.2V，以避免误触发。（5）由触发脉冲所产生的控制角要能平稳移动并有足够宽的移动范围。对于单相可控整流电路，控制角的范围要求接近或大于1500。（6）触发电路必须与主电路同步，否则输出电压的波形具有非周期性，造成输出电压平均值不稳定。9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页触发电路的种类很多，其中单结晶体管组成的触发

18、电路送出的是尖脉冲，它具有前沿陡、抗干扰强和温度补偿性能好的优点，并且电路较为简单，因此在单相可控整流电路中得到广泛应用。9.3.1单结晶体管1. 结构与符号单结晶体管又称双基极管，其结构如图9-10(a)所示。它有三个电极，但在结构上只有PN结。有发射极E，第一基极B1和第二基极B2，其符号见图9-10(b)。9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页2.伏安特性单结晶体管的等效电路如图9-10(c)所示，两基极间的电阻为RBB = RB1 + RB2，用D表示PN结。RBB的阻值范围为215K之间。如果在Bl、B2两个基极间加上电压UBB，则A与Bl之间既RB1两端得到的电压为 式中称为分

19、压比，它与管子的结构有关，一般在0.50.9之间，是单结晶体管的主要参数之一。单结晶体管的伏安特性是指它的发射极特性UE = f（IE）。9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页图9-11(a)是测量伏安特性的实验电路，在B2、Bl间加上固定电源EB，获得正向电压UBB,并将可调直流电源EE通过限流电阻RE接在E和Bl之间。当外加电压UEUBB+UD时(UD为PN结正向压降)，PN结承受反向电压而截止，故发射极回路只有微安级的反向电流，单结晶体管处于截止区，如图9-11 (b)的ap段所示。在UE =VBB+VD时，对应于图9-11 (b)中的P点，该点的电压和电流分别称为峰点电压UP和峰点

20、电流IP。由于PN结承受了正向电压而导通，此后RB1 急剧减小，UE随之下降，IE迅速增大，单结晶体管呈现负阻特性，负阻区如图9-11 (b)中的PV段所示。9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页V点的电压和电流分别称为谷点电压UV和谷点电流UV。过了谷点以后，IE继续增大，UE略有上升，但变化不大，此时单结晶体管进入饱状态，图中对应于谷点V以右的特性，称为饱和区。当发射极电压减小到UEUV时，单结晶体管由导通恢复到截止状态。综上所述，峰点电压UP是单结晶体管由截止转向导通的临界点。 所以，UP由分压比和电源电压决定UBB。谷点电压UV是单结晶体管由导通转向截止的临界点。一般UV = 25

21、V（UBB = 20V）。9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页9.3.2 单结晶体管振荡电路利用单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放电特性，可组成单结晶体管振荡电路，其基本电路如图9-12所示。当合上开关S接通电源后，将通过电阻R向电容C充电(设C上的起始电压为零)，电容两端电压uC按= RC的指数曲线逐渐增加。当uC 升高至单结晶体管的峰点电压VP时，单结晶体管由截止变为导通，电容向电阻R1放电，由于单结晶体管的负阻特性和R1又是一个50100的小电阻，电容C的放电时间常数很小，放电速度很快，于是在R1上输出一个尖脉冲电压uG。在电容的放电过程中，uE急剧下降，当uEUV(谷点电压)时

22、，9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页单结晶体管便跳变到截止区，输出电压uG降到零，即完成一次振荡。放电一结束，电容又开始重新充电并重复上述过程，结果在C上形成锯齿波电压，而在R1上得到一个周期性的尖脉冲输出电压uG，如图9-12 (b)所示。调节R（或变换C）以改变充电的速度，从而调节图9-12 (b)中的时刻，如果把uG接到晶闸管的控制极上，就可以改变控制角的大小。9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页9.3.3 单结晶体管的同步触发电路图9-14是由单结晶体管触发的桥式半控整流电路。上部为主电路，下部为触发电路。晶闸管T1、T2只有在承受正向电压的半周内才能触发导通。为了使T1

23、和T2每次开始导通的控制角都相同，触发脉冲与主回路电源电压的相位配合需要同步；图9-14中是利用同步变压器来实现的，触发电路的电压uZ，是电源电压ul经同步变压器变压、桥式整流、稳压管稳压而得到的梯形波电压（削去顶上一块，所谓削波），如图9-15(a)所示。当ul过零时，u2也过零，使单结晶体管的VBB电压过零，此时管子的E与B1等效成一个PN结，9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页电容C就通过它很快放电完毕，而在下一半波又重新开始充电（图9-15(b)）。这样就使每个半周第一个触发脉冲uBl出现的时间都相同，从而达到同步的目的（图9-15(c)）。要注意每次发出的第一个脉冲同时触发两个

24、晶闸管，但只是其中承受正向电压的那个晶闸管导通。电位器RP的作用是“移相”，调节RP可以改变电容器C的充电的快慢，从而改变发出第一个脉冲的时间，以实现改变控制角，达到控制输出电压uo的目的。但RP的值不能太小，否则在单结晶体管导通后，电流不能降到谷点电流之下，管子不能截止，造成单结晶体管“直通”。当然，RP的值也不能太大，太大会减小移相范围。一般RP取几千欧到几十千欧。9.3 单结晶体管触发电路下一页返回上一页为了确保输出脉冲电压的宽度及使晶闸管不会出现不能触发和误触发的现象，在单结晶体管触发电路中，电容一般在0.11F范围内，电阻R1一般在50100之间。单结晶体管触发电路的特点是线路简单、

25、调节方便、输出功率小，输出脉冲窄，适用于触发50A以下的晶闸管。9.3 单结晶体管触发电路返回上一页晶闸管除了用于可控整流电路外，还广泛的应用于交流调压、无触点交流开关、温度控制、灯光调节及交流电动机调速等领域中应用广泛。9.4.1电子调速器家用电缝纫机根据不同的缝纫内容，要求电动机有不同的转速。例如刺绣时要求每分钟200针左右，而在直缝长料时，要求每分钟8001000针左右。图9-16电路中用晶闸管控制电动机无级调速后，能在每分钟90900针范围内无级变化。图9-16中电位器RP、电阻R1、R2，电容C和单结晶体管BT33组成了张弛振荡电路。电阻R3和稳压管DZ组成了稳压限幅环节。9.4 晶

26、闸管应用举例下一页返回交流电动机M与直流侧的晶闸管T1串接，所以控制晶闸管中的电流就能达到电动机的调速的目的。9.4.2交流调压电路图9-17是用双向触发二极管D触发双向晶闸管T的交流调压电路。双向触发二极管的特性是两端电压不论极性如何，只要达到一定数值时就迅速导通，并且导通后的压降变小，其伏安特性如图9-18所示。在图9-17中，当电源电压处于正半周时，电源通过RP、R3向C2充电，电容C2上的电压为上正下负，当电压达到双向触发二极管D的导通电压时，D突然导通，使T的控制极G得到一个正向触发信号，晶闸管导通；当电源电压处于负半周时，9.4 晶闸管应用举例下一页返回上一页电源对电容C2反向充电

27、，C2上的电压为下正上负，当此电压值达到双向触发二极管D的导通电压时，D突然导通，亦使T得到触发信号而导通。调节RP可改变T的导通角，接入R1、R2和C1作为导通角的辅助调节支路以扩大调节范围。图9-17中D可选用2CTS型双向触发二极管；双向晶闸管可选用KS型，其耐压在400V以，且额定电流要大于最大负载电流，使用时还应外装散热片；C1、C2的耐压应不少于160V，各电阻的功率为0.5W。9.4 晶闸管应用举例下一页返回上一页9.4.3光控电子开关 图9-19为一光控电子开关的原理图。光控电子开关的“开”和“关”是靠晶闸管的导通和阻断来实现的，而晶闸管的导通和阻断又是受自然光的亮度（或人为亮

28、度）的大小所控制的。该装置适合作为街道、宿舍走廊或其它公共场所照明灯，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。其工作原理如下：220V交流电通过灯泡H及整流桥后，变成直流脉动电压，作为正向偏压，加在晶闸管T及其支路上。白天，亮度大于一定程度时，光敏二极管D呈现底阻状态1K，使三极管V截止，其发射极无电流输出，晶闸管T因无触发电流而阻断。9.4 晶闸管应用举例下一页返回上一页此时流过灯泡H的电流2.2mA，灯泡H不能发光。电阻R1和稳压二极管DW使三极管V偏压不超过6.8V，对三极管起保护作用。夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态100K，使三极管V正向导通，发射极约有0.8V的电压，

29、使晶闸管T触发导通，灯泡H发光。RP是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。9.4 晶闸管应用举例返回上一页9.5实训：晶闸管应用电路测试9.5.1晶闸管识别与测试1极性测试：普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡R100挡位来测。大家知道，晶闸管G、K之间是一个PN结，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。下一页返回9.5实训：晶闸管应用电路测试2好坏测试：1）用万用表R10档，黑表笔接阳极，红表笔接阴极，指针应接近。2）保持上面的测试状态并

30、用控制极去接触黑表笔，指针应指示很小阻值，约为60200，表明晶闸管能触发导通。3）控制极离开黑表笔，指针不回到零仍然保持在60200不动，表明晶闸管是好的，能持续导通。（有些晶闸管因维持电流较大，万用表的电流不足以维持它导通，当控制极离开黑表笔后，指针会回到零，也是正常的），如果在控制极没有接触黑表笔时，阻值就很小，说明晶闸管已击穿；或者当控制极接触黑表笔时，指针也不动说明此时晶闸管已断路。下一页上一页返回9.5实训：晶闸管应用电路测试3双向晶闸管的检测1）用万用表R1K档，黑表笔接T1红表笔接T2表针应不动或微动，调换两表笔，表针仍不动或微动为正常。2）将万用表量程换到R1档，黑表笔接T1

31、，红表笔接T2，将触发极与T2短接一下后离开，万用表应保持到几到几十欧姆的读数；调换两表笔，再次将触发极与T2短接一下后离开，万用表指针情况同上。经过、两项测量，情况与所述相符，表示元器件是好的，若情况与第2次结果不符，可采用所示方法测量。3）对功率较大或功率较小但质量较差的双向晶闸管，应将万用表接12节干电池，黑表笔接电源负极。然后再按2）所述方法测量判断。下一页上一页返回9.5实训：晶闸管应用电路测试4晶闸管在电路中的主要用途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。9.5.2晶闸管应用电路Multisim仿真测试1晶闸管的触发导通性能测试1)创建电路在EWB的电路工作区按图9-20连接电路并存盘下一页上一页返回9.5实训：晶闸管应用电路测试2）晶闸管的触发导通性能测试接通S2，观察灯泡是否发光。接通S1，加上触发电流，