鲁达 项目4晶闸管
晶闸管根据内部结构的差异，主要可以分为单向晶闸管、双向晶闸管等两类。
下面我们重点对单向、双向晶闸管的结构、符号、参数、工作原理及其应用，作一个系统的介绍。一、单向晶闸管结构与工作原理
1．单向晶闸管的结构与符号
单向晶闸管是由NPNP四层的半导体材料组成的器件，中间形成三个PN结，相当于由NPN三极管与PNP三极管组成的复合结构。单向晶闸管有三个电极，分别为阳极A、阴极K、控制极G。其组成结构、等效电路、电路符号如图1所示。
常见的单向晶闸管的外形结构，如图2所示。
2．单向晶闸管的工作原理
单向晶闸管的工作原理，可以通过图3的实验电路来说明。
（1）如图3（a）所示，在A-K之间加正向电压，即阳极接电源的正极，阴极接电源的负极，在G-K之间加正向电压。当开关为断开状态时，灯泡不亮，说明单向晶闸管不导通。如将开关闭合，给控制极加上正电压，这时灯泡亮了，说明单向晶闸管处于导通状态。单向晶闸管导通后，将开关断开，灯泡仍然亮着，表明晶闸管仍可导通，这说明晶闸管一旦导通后，控制极就失去了控制作用。
（2）如图3（b）所示，给A-K之间反向电压，即阳极接电源的负极，阴极接电源的正极。控制极加电压，或不加电压；加正向电压，或加反向电压，灯泡都不会亮，说明单向晶闸管不导通。
（3）如图3（c）所示，在A-K之间加正向电压，在G-K之间加反向电压，即控制极加反向电压时，灯泡不会亮，说明单向晶闸管不导通。
（4）如图3（d）所示，给A-K之间反向电压，在G-K之间加反向电压，灯泡不会亮，说明单向晶闸管不导通。
进一步的实验还表明，要使导通后的单向晶闸管变为关断状态，必须使阳极电压降到足够小才行。
由此我们可以得到下面的结论：
单向晶闸管导通必须具备两个条件，一是A-K之间必须加正向电压；二是在G-K之间必须加正向电压。单向晶闸管一旦导通后，即使去掉控制极电压，单向晶闸管仍然导通。要使导通后的单向晶闸管变为关断状态，必须使阳极电压降到足够小才行，当阳极电压为零或为负电压时，单向晶闸管即会处于关断状态。
单向晶闸管导通之后，其A-K之间的正向压降只有1V左右；单向晶闸管控制极所需的电压比较低，电压只须几伏，控制极的电流只须几十至几百毫安；单向晶闸管导通之后，其A-K极之间则可以通过很大的电流。单向晶闸管的这些特性，可实现小电流控制大电流的作用。
3．单向晶闸管的主要参数
单向晶闸管有三大方面的主要参数，电压参数、电流参数、控制极参数。
（1）电压参数
正向阻断峰值电压。指在控制极断路和单向晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在单向晶闸管两端的正向电压的峰值。也即3CT系列型号中所标的电压值。
额定电压。是指单向晶闸管长期正常工作时，允许加的电压值，也即KP系列型号中所标的电压值。
（2）电流参数
额定正向平均电流。指在规定的温度条件下，允许通过工频正弦半波电流的平均值，也即型号中所标的电流值。
维持电流。在控制极断路时，维持单向晶闸管继续导通的最小正向电流。
（3）控制极参数
控制极触发电流。阳极与阴极之间加直流6V电压时，使单向晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电流。此电流值一般为几十到几百mA。
控制极触发电压。从阻断转变为导通状态时控制极上所加的最小直流电压。此电压值一般为1～5V。
4．单向晶闸管的型号
目前国产的晶闸管的型号有两种表示方法，即3CT系列和KP系列，此两种表示方法参数的规定有一定的差别，如图4所示。
5．单向晶闸管极性的判断
单向晶闸管极性的判别方法有两种。
一是从外形来判断。单向晶闸管的电极，有的可从外形封装来判断，外壳一般为阳极，阴极引线则比控制极引线长。
二是用万用表进行判别。将万用表的量程用×1k挡，分别测量各脚间的正反向电阻值，如测得某两脚之间的电阻值为∞，再将两表笔对调，重测这两脚之间的电阻，如阻值较小，约几千欧姆，则这时黑表笔所接的引脚为控制极G，红表笔所接的引脚为阴极K，另一个引脚就为阳极A。在测量中如出现正反向阻值都很大，则应更换引脚重新测量，直到出现上述的情况为止。
6．单向晶闸管质量好坏的判别
单向晶闸管质量好坏的判别，可以用万用表的电阻挡，分别测量晶闸管的极间电阻和触发性能的好坏来进行判断，方法如下。
（1）用万用表测量极间电阻
用×1k挡测A-K极之间的正反向电阻，控制极空着，正反向阻值均应为∞。电阻值越大，表明正反向漏电电流愈小。如果测得的阻值很低，说明晶闸管已经击穿短路。
用×1k挡测A-G极之间的正反向电阻，阴极空着，正反向阻值均应为∞。若电阻值很小则单向晶闸管已经损坏。
用×1k挡测G-K极之间的正反向电阻，阳极空着。当黑笔接G极、红笔接K极时，应出现正向导通的情况，交换表笔重测，反向阻值应为∞。如不能出现这种情况，则表明控制极与阴极之间的PN结已经损坏。单向晶闸管各个电极之间电阻值的规律，如图5所示。
（2）用万用表测量触发性能
万用表的量程用×1挡，红笔点住K极不动，黑笔点住A极不动，让单向晶闸管的G极瞬间碰一下A极，随即让G极离开A极，若万用表的能处于导通状态，则单向晶闸管的触发性能是良好的。
二、单向晶闸管的应用
1．单向晶闸管在可控整流电流中的应用
在实际应用电路中，单向晶闸管主要应用在单相半波可控整流、单相桥式可控整流、三相可控整流等电路中。
（1）单相半波可控整流
二极管单相半波整流电路大家很熟悉，这种整流电路的特点是，输出的电压波形是完整的半个波形，即其整流输出的电压是不可调的，负载上的电压Uo=UL=0.45U2。如果把单相半波整流电路中的二极管，换成单向晶闸管，即成为单相半波可控整流电路，电路如图6所示。
单相半波可控整流电路的工作原理。根据单向晶闸管的特性，A-K之间加正向电压、G-K之间加正向电压，单向晶闸管就会导通。要使导通后的单向晶闸管变为关断状态，必须使阳极电压降到足够小才行。在电源交流电压为正半周、并且控制极加有触发信号时，晶闸管才会导通，负载上才会有电压输出；当电源电压为负半周时，单向晶闸管会关断，负载上就会无电压输出，这样就实现了半波整流功能。如果我们改变G-K之间正向电压的起始时刻，则就能改变单向晶闸管在正半周里的导通时间，就能改变输出电压的大小，从而实现可控整流。
通常把晶闸管开始承受正向电压到控制极加上触发信号，使晶闸管开始导通，这一段时间所对应的电角度，叫做控制角，用α来表示，控制角又叫移相角。
我们把晶闸管导通时间所对应的电角度，叫导通角，用θ来表示。
如图7所示，控制角α的变化范围叫移相范围，理论上为0°～180°。而导通角θ的变化范围则为180°～0°，导通角越大，整流后输出的电压越高。由图5-27（a）可见，控制角较小时，整流后输出的电压UL较高，图(b)中，当控制角较大时，整流后输出的电压UL就较低。整流输出电压的调节，是通过改变控制角来实现的。
单相半波可控整流电路输出电压的大小，可以由下式来确定：
由上式可见，α越小，UL越大，α=0°时，单向晶闸管全导通，输出电压与二极管半波整流一样UL=0.45U2，α=180°时，晶闸管全关断，输出电压UL=0。
负载上的电流为：
单向晶闸管流过的电流为：IV=IL
单向晶闸管承受的最大反向电压为：
（2）单相半控桥式整流电路
单相半控桥式整流电路的组成。如果把单相桥式整流电路中的两只整流二极管，换成单向晶闸管，就可以构成单相半控桥式整流电路，电路如图8所示。其中RL为电阻性负载，单向晶闸管V1、V2及整流二极管VD5、VD6，构成整流桥路，由于只用了两个单向晶闸管，所以称半控桥式整流电路。
单相半控桥式整流电路的工作原理。在交流电源电压为正半周（A点为正，B点为负）时，VD5导通，V2将处于正向电压作用下，当未加触发信号，它处于正向阻断状态。当ωt=α时，控制极加入了触发脉冲，使V2导通，有电流IL通过负载，电流的路径为：A→VD5→RL→V2→B。而V1与VD6承受反向电压而阻断。在交流电源电压为负半周（A点为负，B点为正）时，VD6导通，V1将处于正向电压作用下，当未加触发信号，它处于正向阻断状态。当ωt=α+π时，控制极加入了触发脉冲，使V1导通，有电流IL通过负载，其路径为：B→VD6→RL→V1→A。而VD5和V2均承受反向电压而阻断。在一个周期的正、负半周里，负载RL上的电流方向总是相同的，电压的极性总是固定的，桥路起到了整流作用。整流输入电压、触发电压、负载上的电压波形，如图9所示。
（3）单结晶体管同步触发可控整流电路
同步触发半控桥式整流电路。在可控整流电路中，单向晶闸管的触发信号是不能采用一般的触发信号的。因为在可控整流电路中，单向晶闸管在每次承受正向电压的半个周期内，要求它接受第一个触发脉冲的时刻必须相同，否则，如果电源电压每个半周的控制角α不同，整流输出电压的大小就会变化，从而会使输出的直流电压不稳定。为了防止出现这种情况，电源电压的每半个周期内，触发信号加到单向晶闸管门极上的触发时间必须相同，也即必须保证每半个周期内触发的控制角相等，α1=α2=α，触发信号与主电源电压波形的应同步。实用的同步触发电路如图5-30所示，工作时的波形图如图5-31所示。
单结晶体管触发电路（图10的左半部分）、可控整流电路主电路（图10的右半部分），各个元件的作用与电路的工作原理，在前面已经分析过。
同步触发半控桥式整流电路的工作原理。图中，T为变压器，它的初级绕组接在主电路的同一电源上，在次级绕组上得到的电压，与主电路输入的电压是同频率的交流电压，次级电压经VD1~VD4的桥式整流之后，变成单向脉动直流，再经电阻R1、稳压管VZ构成的稳压电路，在稳压管两端将输出一个限幅的梯形波电压，图11（a）所示。
以此电压用作单结晶体管触发电路的电源，当主电路上交流电压过零时，单结晶体管两个基极b1和b2之间的电压也为零。此时，电容C上存在电压，已通过单结晶体管的发射极e、基极b1和电阻Rb1迅速放电至零，这样就确保了每一个半周开始瞬间，电容C总是从零开始充电，最终实现了触发信号和主电路的同步。单结晶体管触发电路在每个电源电压的半个周期内会产生多个充放电脉冲，图11（b）与（c）所示，但只有第一个脉冲起作用，触发脉冲信号同时加到整流桥路的两个单向晶闸管的控制极上，使其中承受正向电压的那个单向晶闸管导通。
触发脉冲信号相位的调节原理——整流输出电压的调节原理。由上分析可知，单向晶闸管的导通时刻，只取决于阳极电压为正半周时，加到控制极上第一个触发脉冲的时间。在实际电路中，我们可以通过改变R、C元件的参数，即改变R、C充放电的时间常数，来调节振荡电路输出脉冲信号的相位，以实现输出电压可调。如果电容C的容量越小或电阻的阻值越小，充电将越快，第一个脉冲到来的时间就越提前，单向晶闸管的控制角α将越小，导通角θ 将越大，整流输出电压的平均值UL就越高。在实际电路中，采用改变充放电回路电位器RP的阻值的方法，来调节充电电路的时间常数，实现改变控制角α的大小，达到整流输出电压可调的目的。
2．晶闸管调光电路
利用单结晶体管触发电路、单向晶闸管和二极管桥式整流电路，可以构成一个实用的调光电路，如图12所示。因该电路输出的是直流电压，故只适合于对白炽灯进行调光，不适合于荧光灯管类灯具的调光。其工作原理较简单，可自己进行分析。
3.触摸延时开关电路
这里介绍一个简单实用的触摸延时开关电路，它具有简单、廉价、性能好等特点，很适合爱好者自行制作。
延迟开关电路见图13 ，D1--D1，SCR 组成开关的主回路，BG1，BG2 等组成开关的控制回路。
平时，BG1，BG2 均处于截止状态，SCR 阻断，电灯 H 不亮。此时220V交流电经 D1--D4 整流、R3 和DW 使 LED 发光，用作夜间指示开关位置。这时流过H的电流仅 2mA 左右，不足使电灯 H 发光。需要开灯时，只有用手指摸一下电极片 M，因人体泄露电流经 R5，R6 注入 BG2 的基极，BG2 迅速导通。BG2 集电极为低电平，BG1 也随之导通，因此有触发电流经 BG1 注入 SCR 的控制极使 SCR 开通，电灯 H 就通电发光。在 BG2 导通瞬间，C1 通过 BG2 的 c-e 极间被并联在 DW 的两端，因此被迅速充上约 12V 左右的电压。电灯点亮后，人手离开 M，虽然 BG2 恢复截止状态但由于 C1 所存储的电荷通过 R1 向 BG1 发射结放电，使 BG1 依然保持导通状态，所以电灯继续发亮。当 C1 电荷基本放完后，BG1 恢复截止态，SCR失去触发电流，当交流电过零时，SCR 关断，电灯熄灭。
开关延迟时间主要由电阻 R1，R2 和电容 C1 的数值决定，下面提供一组实验数据供大家参考。如要进一步增大延时时间，可加大 C1 容量。除上述主要因素外，BG1 的放大倍数以及 SCR 的触发灵敏度对延时时间也有影响。
注意：本电路与市电直接相接，在调试过程中要十分注意，以免触电。有条件的朋友，可以先用隔离变压器把市电隔离，再进行调试。电阻 R6 的引线要短，一头直接焊在电极片 M 的背面，另一头焊上一跟软线，再接到印板上的 R5。采用两个高阻值电阻的目的是为了确保使用者的绝对安全。
三、双向晶闸管
普通的单向晶闸管，实质上属于直流控制器件，要控制交流负载，必须将两只单向晶闸管反极性并联起来，让每只管控制一个半波才行，显然这样使用起来是很不方便的。双向晶闸管，是在单向晶闸管的基础上发展而成的器件，它不仅能代替两只反极性并联的单向晶闸管，而且只需一个触发电路，使用起来很方便，是目前较为理想的交流开关器件。
1.双向晶闸管的结构与符号
从内部构造来看，双向晶闸管是由多只三极管、电阻构成的集成器件，它属于NPNPN五层器件，有三个电极，分别是T1、T2、G。这三个电极中，G为控制极，T1、T2不再划分阴阳极，而是统称为主电极，T1、T2之间相当于一个受G极控制的交流开关。
中小功率的管一般采用塑料封装，有的还带有散热板，外形结构与中小功率的塑封三极管非常相似，只是型号参数表示方法不同而已。其结构与符号如图14所示。
双向晶闸管在实际使用中，比较典型的产品主要有BCM1AM(1A/600V)、BCM3AM(3A/600V)、MAC218-10(8A/800V)等等。
2．双向晶闸管极性的判断、触发能力的检查方法
双向晶闸管极性的判断、触发能力的检查，用用万用表×1Ω挡，方法如下。
（1）判断T2极
由图14可见，G极与T1极靠近，T2极与T1、G极较远，G-T1之间的正、反向电阻都应很小，T2极与T1、G极之间正反电阻都应很大。我们用×1Ω挡测任意两脚之间的电阻时，若有两个脚之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧，则这两个脚就为T1、G极；如果测得某脚与其它两脚正、反向电阻均为无穷大，则该脚一定是T2极。
一般，采用TO-220封装的双向晶闸管，散热板通常就是T2极。
（2）判断G极和T1极
找出T2极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为T1极，另一脚为G极。把黑表笔接T1极，红表笔接T2极，电阻应为无穷大。接着用红表笔尖把T2与G短路，给G 极加上负触发信号，万用表的电阻值应为十欧左右，说明管子已经被触发导通，导通方向为T1→T2。再将红表笔尖与G极脱开，但红笔仍接T2极不动，若万用表的电阻值保持不变，则说明管子在触发之后能维持导通状态。
红表笔接T1极，黑表笔接T2极，然后使T2与G短路，给G 极加上正触发信号，电阻值仍为十欧左右，与G 极脱开后若阻值仍不变，则说明管子经触发后，在T2→T1方向上也能维持导通状态，管子具有双向触发性质。由此也就证明上述假设是正确的。如果在测量过程中，都不会出现双向晶闸管触发导通的情况，证明管子已损坏。
我们在判断G极和T1极的过程中，也就检查了双向晶闸管的触发能力。
3.双向晶闸管的应用实例
我们已经知道，用单向晶闸管与单结晶体管触发电路相结合，可以构成调光电路，但这种调光电路只能对白炽灯进行调光，不能对日光灯进行调光，也不能对电风扇进行调速。用双向晶闸管则可以很容易构成调光、调速电路。
电路如图15所示，电路的工作原理是，当调节R时，就可以改变RC充放电电路的时间常数，也就改变了双向触发二极管的转折导通电压的时间，从而改变了双向晶闸管的控制角，使加到负载的电压得到改变，达到调速、调光的目的。
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