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1、目 录第一部分 基本理论- 1 -1.1 晶闸管的工作原理- 1 -1.2 单相半波可控整流电路- 2 -1.3 单相桥式整流电路- 5 -1.4 单结晶体管触发电路- 8 -第二部分 电力电子实训部分- 15 -实训一 晶闸管和单结晶体管的简单测试- 15 -实训二 单结晶体管触发电路安装、调试及故障分析处理- 20 -实训三 晶体管调光电路安装、调试及故障分析处理- 24 - 1 -第一部分 基本理论1.1 晶闸管的工作原理晶闸管是一种大功率PNPN四层半导体元件，具有三个PN结，引出三个极，阳极A、阴极K、门极（控制极）G，其外形及符号如图1-1所示，各管脚名称（阳极A、阴极K、具有控制
2、作用的门极G）标于图中。图1-1（b）所示为晶闸管的图形符号及文字符号。小电流塑封式小电流塑封式小电流螺旋式阴极（K）阴极（K）阳极（A）阳极（A）门极（G）门极（G） （b）电气图形符号及文字符号 （a）部分晶闸管外形图1-1 晶闸管的外形及符号 晶闸管的工作原理如下：（1）当晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极是否有正向触发电压或者承受反向电压，晶闸管不导通，只有很小的的反向漏电流流过管子，这种状态称为反向阻断状态。说明晶闸管像整流二极管一样，具有单向导电性。（2）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上反向电压或者不加电压，晶闸管不导通，这种状态称为正向阻断状态。这是二极管所不具备的。（3）当
3、晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上正向触发电压，晶闸管导通，这种状态称为正向导通状态。这就是晶闸管闸流特性，即可控特性。（4）晶闸管一旦导通后维持阳极电压不变，将触发电压撤除管子依然处于导通状态。即门极对管子不再具有控制作用。1.2 单相半波可控整流电路单相半波可控整流调光灯主电路实际上就是负载为阻性的单相半波可控整流电路，对电路的输出波形和晶闸管两端电压波形的分析在调试及修理过程中是非常重要的。我们的分析是在假设主电路和触发电路均正常工作的前提条件下进行的。TRu1u2uVTudid图1-2 调光灯主电路（单相半波可控整流电路）图1-2所示为单相半波可控整流电路，整流变压器起变换电压和隔离的
4、作用，其一次和二次电压瞬时值分别用u1和u2表示，二次电压u2为50Hz正弦波，其有效值为U2。当接通电源后，便可在负载两端得到脉动的直流电压，其输出电压的波形可以用示波器进行测量。（1）工作原理在分析电路工作原理之前，先介绍几个名词术语和概念。控制角：控制角也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。导通角：是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角的大小。移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。1）时的波形分析图1-3是时实际电路中输出电压和晶闸管两端电压的理论波形。图
5、1-3 时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形（c）输出电压波形 （d）晶闸管两端电压波形从理论波形图中我们可以分析出，在电源电压正半周区间内，在电源电压的过零点，即：时刻加入触发脉冲触发晶闸管VT导通，负载上得到输出电压的波形是与电源电压相同形状的波形；当电源电压过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压为零；在电源电压负半周内，晶闸管承受反向电压不能导通，直到第二周期触发电路再次施加触发脉冲时，晶闸管再次导通。图1-3（d）所示为时晶闸管两端电压的理论波形图。在晶闸管导通期间，忽略晶闸管的管压降，在晶闸管截止期间，管子将承受全部反向电压。2）时的波形分析改变晶闸管的触发时刻，即控制角的大
6、小即可改变输出电压的波形，图1-4所示为的输出电压的理论波形。在时，晶闸管承受正向电压，此时加入触发脉冲晶闸管导通，负载上得到输出电压的波形是与电源电压相同形状的波形；同样当电源电压过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压为零；在电源电压过零点到之间的区间上，虽然晶闸管已经承受正向电压，但由于没有触发脉冲，晶闸管依然处于截止状态。图1-4（d）所示为时晶闸管两端的理论波形图。其原理与相同。图1-4 时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形 （c）输出电压波形 （d）晶闸管两端电压波形由以上的分析和测试可以得出：在单相整流电路中，把晶闸管从承受正向阳极电压起到加入触发触发脉冲而导通之间的电角度
7、称为控制角，亦称为触发延迟角或移相角。晶闸管在一个周期内导通时间对应的电角度用表示，称为导通角，且。在单相半波整流电路中，改变的大小即改变触发脉冲在每周期内出现的时刻，则和的波形也随之改变，但是直流输出电压瞬时值的极性不变，其波形只在的正半周出现，这种通过对触发脉冲的控制来实现控制直流输出电压大小的控制方式称为相位控制方式，简称相控方式。理论上移相范围 。（2）基本的物理量计算1）输出电压平均值与平均电流的计算：可见，输出直流电压平均值Ud 与整流变压器二次侧交流电压U2和控制角有关。当U2给定后，Ud仅与有关，当时，则 ，为最大输出直流平均电压。当时，。只要控制触发脉冲送出的时刻，就可以在之
8、间连续可调。2）负载上电压有效值与电流有效值的计算：根据有效值的定义，U应是ud波形的均方根值，即负载电流有效值的计算：3）晶闸管电流有效值IT与管子两端可能承受的最大电压：在单相半波可控整流电路种，晶闸管与负载串联，所以负载电流的有效值也就是流过晶闸管电流的有效值，其关系为由图1-4中波形可知，晶闸管可能承受的正反向峰值电压为1.3 单相桥式整流电路单相桥式整流电路输出的直流电压、电流脉冲程度比单相半波整流电路输出的直流电压、电流小，且可以改善变压器存在直流磁化的现象。单相桥式整流电路分为单相桥式全控整流电路和单相桥式半控整流电路。1单相桥式全控整流电路单相桥式整流电路带电阻性负载的电路及工
9、作波形如图1-5所示。(a)电路图 (b) 波形图图1-5单相桥式全控整流电路电阻性负载晶闸管VT1和VT4为一组桥臂，而VT2和VT4组成另一组桥臂。在交流电源的正半周区间，即a端为正，b端为负， VT1和VT4会承受正向阳极电压，在相当于控制角的时刻给VT1和VT4同时加脉冲，则VT1和VT4会导通。此时，电流id从电源a端经VT1、负载Rd及VT4回电源b端，负载上得到电压ud为电源电压u2（忽略了VT1和VT4的导通电压降），方向为上正下负，VT2和VT3则因为VT1和VT4的导通而承受反向的电源电压u2不会导通。因为是电阻性负载，所以电流id也跟随电压的变化而变化。当电源电压u2过零
10、时，电流id也降低为零，也即两只晶闸管的阳极电流降低为零，故VT1和VT4会因电流小于维持电流而关断。而在交流电源负半周区间，即a端为负，b端为正，晶闸管VT2和VT3会承受正向阳极电压，在相当于控制角的时刻给VT2和VT3同时加脉冲，则VT2和VT3被触发导通。电流id从电源b端经VT2、负载Rd及VT3回电源a端，负载上得到电压ud仍为电源电压u2，方向也还为上正下负，与正半周一致。此时，VT1和VT4则因为VT2和VT3的导通而承受反向的电源电压u2而处于截止状态。直到电源电压负半周结束，电源电压u2过零时，电流id也过零，使得VT2和VT3关断。下一周期重复上述过程。从图中可看出，负载
11、上的直流电压输出波形与单相半波时多了一倍，晶闸管的控制角可从，导通角为。晶闸管承受的最大反向电压为，而其承受的最大正向电压为。单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算： 输出电压平均值的计算公式： 负载电流平均值的计算公式： 输出电压的有效值的计算公式： 负载电流有效值的计算公式： 流过每只晶闸管的电流的平均值的计算公式： 流过每只晶闸管的电流的有效值的计算公式： 晶闸管可能承受的最大电压为：2单相桥式半控整流电路在单相桥式全控整流电路中，由于每次都要同时触发两只晶闸管，因此线路较为复杂。为了简化电路，实际上可以采用一只晶闸管来控制导电回路，然后用一只整流二极管来代替另一只晶闸管。所以把
12、图1-5中的VT3和VT4换成二极管VD3和VD4，就形成了单相桥式半控整流电路，如图1-6所示。(a)电路图 (b) 波形图图1-6 单相桥式半控整流电路带电阻性负载单相半控桥式整流电路带电阻性负载时的电路如图1-6所示。工作情况同桥式全控整流电路相似，两只晶闸管仍是共阳极连接，即使同时触发两只管子，也只能是阳极电位高的晶闸管导通。而两只二极管是共阳极连接，总是阴极电位低的二极管导通，因此，在电源u2正半周一定是VD4正偏，在u2正半周一定是VD3正偏。所以，在电源正半周时，触发晶闸管VT1导通，二极管VD4正偏导通，电流由电源a端经VT1和负载Rd及VD4，回电源b端，若忽略两管的正向导通
13、压降，则负载上得到的直流输出电压就是电源电压u2，即ud=u2。在电源负半周时，触发VT2导通，电流由电源b端经VT2和负载Rd及VD3，回电源a端，输出仍是ud=u2，只不过在负载上的方向没变。在负载上得到的输出波形（如图1-6(b)所示）与全控桥带电阻性负载时是一样的。单相全控桥式整流电路带电阻性负载电路参数的计算： 输出电压平均值的计算公式：的移相范围是。 负载电流平均值的计算公式： 流过一只晶闸管和整流二极管的电流的平均值和有效值的计算公式： 晶闸管可能承受的最大电压为：1.4 单结晶体管触发电路前面已知要使晶闸管导通，除了加上正向阳极电压外，还必须在门极和阴极之间加上适当的正向触发电
14、压与电流。为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路。对晶闸管触发电路来说，首先触发信号应该具有足够的触发功率（触发电压和触发电流），以保证晶闸管可靠导通；其次触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿要陡峭；最后触发脉冲必须与主电路晶闸管的阳极电压同步并能根据电路要求在一定的移相范围内移相。图1-7所示为单相桥式半控整流电路的触发电路，其方式采用单结晶体管同步触发电路，其中单结晶体管的型号为BT33，电路图及参数如图1-7所示。单结晶体管图1-7 单结晶体管触发电路1单结晶体管（1）单结晶体管的结构单结晶体管的原理结构如图1-8（a）所示，图中e为发射极，b1为第一基极，b2为第二基极。由图可见，在
15、一块高电阻率的N型硅片上引出两个基极b1和b2，两个基极之间的电阻就是硅片本身的电阻，一般为。在两个基极之间靠近b1的地方合金法或扩散法掺入P型杂质并引出电极，成为发射极e。它是一种特殊的半导体器件，有三个电极，只有一个PN结，因此称为“单结晶体管”，又因为管子有两个基极，所以又称为“双极二极管”。1-8 单结晶体管（a）结构 （b）等效电路 （c）图形符号 （d）外形管脚排列单结晶体管的等效电路如图1-8（b）所示，两个基极之间的电阻，在正常工作时，是随发射极电流大小而变化，相当于一个可变电阻。PN结可等效为二极管VD，它的正向导通压降常为0.7V。单结晶体管的图形符号如图1-8(c)所示。触发电路常用的国产单
