第五节晶闸管单相可控调压电路.

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1、第七章 常用电气控制电路 148第五节 晶闸管单相可控调压电路 一、 晶闸管的结构及其工作原理 晶闸管的结构常用的小功率晶闸管有螺旋式和塑封式两种，如图7-25（a）、（b）所示。晶闸管内部是一个由硅半导体材料做成的管芯，由管芯引出三个极，称阳极A、阴极K和门极G(又称控制极)，它的图形符号如图7-25（c），文字符号为T 。晶闸管管芯内部结构示意图如图7-26（a）、（b）所示。由图7-26（a）看出，去掉与三个引出线(三个极)有关的金属导体后，余下的是接在一起的P、N、P、N四层半导体。将图进一步简化，其内部结构示意图就变成图7-26（b）的形式。由该图看出，四层半导体有J1、J2、和J3

2、、三个PN结，三个电极分别由其最外层的P层，N层和中间的P层引出。所以晶闸管是一个四层三端半导体器件。 晶闸管的工作原理 普通二极管是一个双层(P，N)半导体，只有一个PN结。当二极管接电源使其P层电位高于N层时，二极管导通，称为正向接法，或叫作加正向电压；反之，称为反向接法，或叫作加反向电压。 当晶闸管上加的电压使其阳极A的电位高于阴极K的电位时，称晶闸管承受正向阳极电压,由图7-26（b）看出，该极性电压虽然使晶闸管两端的PN结J1、J3承受正向电压，但中间的PN结J2承受反向电压，所以晶闸管不能导通，称为晶闸管的正向阻断状态，也称关断状态；当晶闸管上加的电压使其阳极A的电位低于阴极K的电

3、位时，称晶闸管承受反向阳极电压，该极性电压使晶闸管两端的PN结J1、和J3承受反向电压，虽然中间的PN结J2、承受正向电压，晶闸管也不能导通，称为反向阻断状态，也称关断状态。 以上是晶闸管门极不加任何电压的情况，由此得出结论：晶闸管的门极不加电压时，不论晶闸管阳极和阴极间加何种极性的电压，正常情况下的晶闸管都不导通，这点与普通二极管不同，此时晶闸管具有正，反向阻断能力。晶闸管的阳极与阴极之间加正向阳极电压，同时在门极G与阴极K之间加电压使门极的电位高于阴极时，称门极承受正向门极电压，则有门极电流流入门极，如图7-27所示。IG较小时，晶闸管仍处乎正向阻断状态，即关断状态。当IG达到一定数值时，

4、晶闸管由关断状态转为导通状态。这表明，在晶闸管承受正向电压条件下，门极对其导通与否有控制作用。导通后的晶闸管类似二极管导通时的情形，管子电压降较小。晶闸管一旦导通后，不论门极是否继续加正向电压，并不影响晶闸管的导通，即门极在晶闸管导通后失去了控制作用。 晶闸管承爱反向电压时，门极与阴极之间不论如何种极性的电压，也不管门极电流的大小均不能使晶闸管由关断转变为导通。 当晶闸管导通后的阳极流电IA减小到某数值以下时，阳极电流IA会突然降为零，说明此时晶闸管由导通转变为关断，即恢复阻断状态。由此看出，保持晶闸管导通状态有一个最小阳极电流限制，称它为维持电流IH 。晶闸管在正向阳极电压作用下，当门极加正

5、向门板电压并建立了足够大的门极电流时， 晶闸管由正向阻断转变为导通。为了说明问题，可将晶闸管的四层半导体的三个PN结看成由两部分组成，即可认为晶闸管等效为一个PNP和一个NPN组合的复合管，这样就可以采用三极管的工作原理来进行分析，见图7-28。 当晶闸管承受正向阳极电压时，J1、和J3、结均处于正向偏置，而J2、结则处于反向偏置，欲使晶闸管导通，必须设法消除 J2结的阻挡作用。图7-28中三极管V1的集电极同三极管V2的基极相接，只要有相应的门极电流流入，就会形成强烈的正反馈，造成复合管的饱和导通，即晶闸管导通。设V1管与V2管的集电极电流分别为IC1及IC2，发射极电流分别为IA及 IK

6、, 共基极放大电流系数分别为 和 ，晶闸管的工作过程可简单表示如下：流入IG时 设流过J2、结的反向漏电流为ICO ，则由于发射极电流很小时（12）很小，所以当IG0时 IAIOC ，晶闸管处于正向阻断状态。当门极电流IG达到一定值时，发射极电流的增大很快，随着发射极电流的增大，（12）迅速增大，甚至（12）1 。此时阳极电流急剧增加，IA的大小由阳极电源电压及负载电阻的比值来确定；由于晶体管强烈正反馈作用，也能保持IA值不变，即晶闸管仍继续导通。只有设法使晶闸管阳极电流减少到一定程度，导致（12）减小，使其内部正反馈无法维持时，晶闸管才会恢复阻断， 由上述分析可以看出，门极在一定条件下能触发

7、晶闸管使其导通，但无法使其由导通转变为阻断状态，即关断。想使晶闸管关断必须使晶闸管的阳极电流IA降到维持电流IH以下。二、 单结管触发电路 晶闸管导通并能正常工作的条件是，除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触发信号。产生和控制触发信号的电路称为晶闸管触发电路。为了保证晶闸管的可靠工作，对触发电路有以下几点要求： 触发时能提供足够的触发脉冲电压和电流。由于晶闸管控制极参数的分散性及随温度变化的不稳定性，要求触发电路对同一类型的晶闸管均能触发导通，又不损坏控制极。一般要求在触发电路接晶闸管控制极时，输出脉冲的幅度为410V。 晶闸管不应导通时，触发电路输出的漏电电

8、压不应超过0.25V，以免发生误导通。 触发脉冲的前沿要陡，为使触发时间准确，一般要求前沿时间小于10微秒。 触发脉冲要有足够的宽度。因为晶闸管的开通需要一定时间，触发脉冲必需大于这一时间才能达到可靠地触发对于电阻性负载的电路，一般要求脉冲宽度大于20微秒。 触发电路必须与主电路同步。脉冲的相位能平稳移动，并有足够宽的移相范围。对于单相可控整流电路，移相范围要求接近或大于150。 同时满足上述要求才能使可控整流电路可靠而稳定地工作。触发电路的种类很多，这里仅介绍目前应用较为普遍的单结管触发电路。 单结管的结构及特性 单结管是单结晶体管的简称，又称为双基极晶体管。它的内部结构见图7-29(a)。

9、在一个N型硅片的上下两端各引出一个电极：下边的称为第一基极b1 ，上边的称为第二基极b2(故称双基极晶体管)，在硅片另一侧靠近b2的部位掺入P型杂质，引出阳电极，称为发射极e，发射极与N型硅片间构成一个PN结(故称单结管)；图7-29（b）是单结管的符号。图7-30(a)虚线框内是单结管的等效电路，外接实验用电源EB 及EE ，图7-30(b)是单结管的特性曲线。自PN结处的A点至两个基极b1、b2 之间的等效电阻分别为rb1 rb2 ，当接上电源EE后，A点与b1之间的电压为 （7-1） 式中 ，称为单结管的分压比，其数值主要与管子的结构有关，一般在0.50.8之间。 图中EE为加在发射极回

10、路的可调电源。当UEB1从零开始增加且低于UA时PN结承受反向电压，仅有反向电流流过PN结，rb1 呈现很大的电阻，单结管处于截止状态，见特性曲线AP段。当 UEB1UVD+UA 时（UVD为PN结的死区电压），PN结承受正向电压，从P区向N型硅片注入空穴与电子复合，使rb1 急剧减小，IE迅速增加；rb1 越小，发射极电压UEB1也越小，呈现出负阻特性，见特性曲线PV段。过了V点后，单结管进入饱和导通状态，与二极管特性相似，见特性曲线VB段。 这样，单结管的特性曲线可以大致分为三个区：截止区、负阻区和饱和区。曲线中的P点称为峰点，对应于P点的电压值为峰点电压UP UP= UVD+UA UA=

11、UBB （7-2） 对应峰点的电流称为峰点电流IP。曲线中V点称为谷点，对应V点的电压、电流值分别称为谷点电压UV 和谷点电流IV 。 单结管振荡电路 利用单结管的负阻特性和RC电路的充放电特性，可以组成频率可变的振荡电路，如图7-31( a)所示。 当接通电源电压EB后，一方面通过R1及R2加在单结管V的基极bl及b2上，在R1上的压降为IBBR1，见图7-31(b)，同时又通过电阻R向电容C充电，使单结管发射极电压u E按指数规律升高图中t0t1段。当u E升高使UEB1达到单结管的峰点电压UP值时(图中t1时刻)，单结管导通，电容C上的电压迅速通过发射结及电阻R1放电(因单结管的rb1降

12、低、 且R1R)，u E也迅速下降图中t1t2段 ，u EB1(为UV与IVR1之和)时，管子截止，电容C又充电(图中t2t3段) 重复上述过程，于是在电阻R1上得到一系列尖峰脉冲，如图7-31(b)所示。若近似取t0t1等于（t2t3）+( t3t4 )，即T1近似等于脉冲周期T，则T可以从下面的方程求出 （7-3）解式(7-3)得 （7-4）当u C充到单结管峰点电压UP时，t=t1,若R1、R2比rb1、rb2小得多，则UBBEB,，将UPEB 代人上式 则脉冲周期 （7-5） 由此式可以看出，当单结管选定以后，改变R或C的数值即可改变脉冲周期的大小。当u C达到UP以后，电容开始放电；

13、在放电过程中，若认为电容主要是向R1放电的话，则 （7-6） 当放电到谷点时，t=t2 ， 则脉冲宽度 （7-7） 由此式可见，当单结管及电容均已确定时，改变电阻R1的数值可以适当地调节脉冲宽度。一般情况R150100。 电阻R2起温度补偿作用，因为UPUBB+UVD见式(72)，当温度升高时UVD 减小，即UP随温度升高而减小，但单结管的基极间电阻RBB随温度升高而增加，使IBB随之减小，则R2上的压降IBBR2相应减小，结果使UBB升高，从而补偿了UVD的减小，使UP基本不变，保证产生脉冲的时间稳定。一般情况下R2300500。 单结管触发电路 上述的单结管振荡电路还不能直接用于晶闸管整流

14、电路中，因为可控整流电路还要求触发脉冲与主电路的电源电压同步。也就是在晶闸管承受正向电压时送出触发脉冲，而且对应每个半周期所发出第一个脉冲的相位应是相同的，当需要对整流电压uVD进行调节时，对应每个半周期的触发脉冲均需作相同的移动，这样才能保证每个半周期中晶闸管的导电角是一致的。因为单相可控整流电路的交流电源电压的零点为控制角的起算点，如果在每次电源电压过零后一定的角度发出第一个脉冲，这样就达到了触发电路与主电路同步的目的。为此在单结管触发电路中，当每次电源电压过零点时，应设法把电容C上贮存的电荷放掉，重新从零开始充电，只要充电电阻R不变，则发出第一个脉冲的时间就是固定的。触发电路如图7-32所示。它是采用变压器获得同步的电路，图中T为同步变压器，它的初级绕组与主电路由同一个交流电源供电。电源u1经变压器T降压后进行整流，得到图7-33中uVD波形；再经电阻R3和稳压管V3削波，得到uZ波形，它是个梯形波，用它作为单结管振荡电路的同步电源，当交流电源电压过零时，uZ 也过零，即单结管的UBB0，由式（7-2）可知UP0，单结管的e-b1之间导通，所以电容C将迅速放完所存电荷。图7-33中uC在每次电源电压过零时从零开始充电，这样就保证了触发电路与主电路之间严格的同步关系。uG是电阻R1上取出