雙向晶閘管工作原理

雙向晶閘管工作原理：

一、可控硅的概念和結(jié)構(gòu)
　　可控硅又叫晶閘管。自從20世紀50年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個PN結(jié)，對外有三個電極〔圖(a)〕：**層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號〔圖(b)〕可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷?，關(guān)鍵是多了一個控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。
　　二、可控硅的主要工作特性
　　為了能夠直觀地認識可控硅的工作特性，大家先看這塊示教板(圖)?？煽毓鑆S與小燈泡EL串聯(lián)起來，通過開關(guān)S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負極，控制極G通過按鈕開關(guān)SB接在3V直流電源的正極(這里使用的是KP5型可控硅，若采用KP1型，應(yīng)接在1.5V直流電源的正極)?？煽毓枧c電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給可控硅陽極和控制極所加的都是正向電壓。現(xiàn)在我們合上電源開關(guān)S，小燈泡不亮，說明可控硅沒有導(dǎo)通;再按一下按鈕開關(guān)SB，給控制極輸入一個觸發(fā)電壓，小燈泡亮了，說明可控硅導(dǎo)通了。這個演示實驗給了我們什么啟發(fā)呢?
　　這個實驗告訴我們，要使可控硅導(dǎo)通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發(fā)電壓?？煽毓鑼?dǎo)通后，松開按鈕開關(guān)，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。
　　可控硅的特點：是“一觸即發(fā)”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，可控硅就不能導(dǎo)通?？刂茦O的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使可控硅導(dǎo)通，卻不能使它關(guān)斷。那么，用什么方法才能使導(dǎo)通的可控硅關(guān)斷呢?使導(dǎo)通的可控硅關(guān)斷，可以斷開陽極電源(圖中的開關(guān)S)或使陽極電流小于維持導(dǎo)通的*小值(稱為維持電流)。如果可控硅陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓，那么，在電壓過零時，可控硅會自行關(guān)斷。
　　三、用萬用表可以區(qū)分可控硅的三個電極，測試可控硅的好壞
　　普通可控硅的三個電極可以用萬用表歐姆擋R×100擋位來測?？煽毓鐶、K之間是一個PN結(jié)，相當于一個二極管，G為正極、K為負極，所以，按照測試二極管的方法，找出三個極中的兩個極，測它的正、反向電阻，電阻小時，萬用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極K，剩下的一個就是陽極A了。測試可控硅的好壞：歐姆擋R×1，黑表筆(+)接陽極A，紅表筆(-)接陰極K，同時將控制極G與黑表筆碰觸(相當于加一正觸發(fā)電壓)一下，若能保持導(dǎo)通，則可控硅是好的。注：特大電流的可控硅，有可能不被觸發(fā)，得用低阻表(可提供較大的觸發(fā)電流)測量。
　　四、可控硅在電路中的主要用途
　　普通可控硅*基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流器電路屬于不可控整流電路。如果把二極管換成可控硅，就可以構(gòu)成可控整流電路。一個*簡單的單相半波可控整流電路。在正弦交流電壓U2的正半周期間，如果VS的控制極沒有輸入觸發(fā)脈沖Ug，VS仍然不能導(dǎo)通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時，可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通。Ug到來得早，可控硅導(dǎo)通的時間就早;Ug到來得晚，可控硅導(dǎo)通的時間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時間，就可以調(diào)節(jié)負載上輸出電壓的平均值UL。在電工技術(shù)中，常把交流電的半個周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經(jīng)歷的電角度稱為控制角α;在每個正半周內(nèi)可控硅導(dǎo)通的電角度叫導(dǎo)通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示可控硅在承受正向電壓的半個周期的導(dǎo)通或阻斷范圍的。通過改變控制角α或?qū)ń?theta;，改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL，實現(xiàn)了可控整流。在橋式整流電路中，只需要把兩個二極管換成可控硅就能構(gòu)成全波可控整流電路了。
　　五、可控硅控制極所需觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生
　　可控硅觸發(fā)電路的形式很多，常用的有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體三極管觸發(fā)電路、利用小可控硅觸發(fā)大可控硅的觸發(fā)電路，等等。今天大家制作的可控硅調(diào)壓器，多采用的是單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。
　　六、單結(jié)晶體管
　　單結(jié)晶體管又叫雙基極二極管(圖中BT-33)，是由一個PN結(jié)和三個電極構(gòu)成的半導(dǎo)體器件。在一塊N型硅片兩端，制作兩個電極，分別叫做**基極B1和**基極B2;硅片的另一側(cè)靠近B2處制作了一個PN結(jié)，相當于一只二極管，在P區(qū)引出的電極叫發(fā)射極E。為了分析方便，可以把B1、B2之間的N型區(qū)域等效為一個純電阻RBB，稱為基區(qū)電阻，并可看作是兩個電阻RB2、RB1的串聯(lián)。值得注意的是RB1的阻值會隨發(fā)射極電流IE的變化而改變，具有可變電阻的特性。如果在兩個基極B2、B1之間加上一個直流電壓UBB，則A點的電壓UA為：若發(fā)射極電壓UE
　　七、利用單結(jié)晶體管組成可控硅觸發(fā)電路
　　單結(jié)晶體管組成的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路在可控硅調(diào)壓器中已經(jīng)具體應(yīng)用了。它是由單結(jié)晶體管和RC充放電電路組成的。合上電源開關(guān)S后，電源UBB經(jīng)電位器RP向電容器C充電，電容器上的電壓UC按指數(shù)規(guī)律上升。當UC上升到單結(jié)晶體管的峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管突然導(dǎo)通，基區(qū)電阻RB1急劇減小，電容器C通過PN結(jié)向電阻R1迅速放電，使R1兩端電壓Ug發(fā)生一個正跳變，形成陡峭的脈沖前沿。隨著電容器C的放電，UE按指數(shù)規(guī)律下降，直到低于谷點電壓UV時單結(jié)晶體管截止。這樣，在R1兩端輸出的是尖頂觸發(fā)脈沖。此時，電源UBB又開始給電容器C充電，進入**個充放電過程。這樣周而復(fù)始，電路中進行著周期性的振蕩。調(diào)節(jié)RP可以改變振蕩周期。
　　八、在可控整流電路的波形圖中，發(fā)現(xiàn)可控硅正向電壓的每半個周期內(nèi)，發(fā)出**個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，也就是控制角α和導(dǎo)通角θ都相等，那么，單結(jié)晶體管張弛振蕩器怎樣才能與交流電源準確地配合以實現(xiàn)有效的控制呢?
　　為了實現(xiàn)整流電路輸出電壓“可控”，必須使可控硅承受正向電壓的每半個周期內(nèi)，觸發(fā)電路發(fā)出**個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，這種相互配合的工作方式，稱為觸發(fā)脈沖與電源同步。
　　在這里單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電源是取自橋式整流電路輸出的全波脈沖直流電壓。在可控硅沒有導(dǎo)通時，張弛振蕩器的電容器C被電源充電，UC按指數(shù)規(guī)律上升到峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管VT導(dǎo)通，在VS導(dǎo)通期間，負載RL上有交流電壓和電流，與此同時，導(dǎo)通的VS兩端電壓降很小，迫使張弛振蕩器停止工作。當交流電壓過零瞬間，可控硅VS被迫關(guān)斷，張弛振蕩器得電，又開始給電容器C充電，重復(fù)以上過程。這樣，每次交流電壓過零后，張弛振蕩器發(fā)出**個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，這個時刻取決于RP的阻值和C的電容量。調(diào)節(jié)RP的阻值，就可以改變電容器C的充電時間，也就改變了**個Ug發(fā)出的時刻，相應(yīng)地改變了可控硅的控制角，使負載RL上輸出電壓的平均值發(fā)生變化，達到調(diào)壓的目的。
　　雙向可控硅的T1和T2不能互換。否則會損壞管子和相關(guān)的控制電路。
　　1958年，從美國通用電氣公司研制成功**個工業(yè)用可控硅開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組、靜止的離子變流器進入以電力半導(dǎo)體器件組成的變流器時代?？煽毓璺謫蜗?/span>可控硅與雙向可控硅。單向可控硅一般用于彩電的過流、過壓保護電路。雙向可控硅一般用于交流調(diào)節(jié)電路，如調(diào)光臺燈及全自動洗衣機中的交流電源控制。
　　雙向可控硅是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開關(guān)器件，一直為家電行業(yè)中主要的功率控制器件。近幾年，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率雙向可控硅不斷涌現(xiàn)，并廣泛應(yīng)用在變流、變頻領(lǐng)域，可控硅應(yīng)用技術(shù)日益成熟。本文主要探討廣泛應(yīng)用于家電行業(yè)的雙向可控硅的設(shè)計及應(yīng)用。
　　雙向可控硅特點
　　雙向可控硅可被認為是一對反并聯(lián)連接的普通可控硅的集成，工作原理與普通單向可控硅相同。圖1為雙向可控硅的基本結(jié)構(gòu)及其等效電路，它有兩個主電極T1和T2，一個門極G，門極使器件在主電極的正反兩個方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向可控硅在第1和第3象限有對稱的伏安特性。雙向可控硅門極加正、負觸發(fā)脈沖都能使管子觸發(fā)導(dǎo)通，因此有四種觸發(fā)方式。

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