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1、第第 9 9 章晶闸管及其应用章晶闸管及其应用本章学习目标本章学习目标9.1晶闸管简介晶闸管简介9.2可控整流电路可控整流电路9.3晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路9.4晶闸管的保护和防失控措施晶闸管的保护和防失控措施本章小结本章小结本章学习目标本章学习目标1.熟悉晶闸管的工作特性，理解其主要参数的含义。熟悉晶闸管的工作特性，理解其主要参数的含义。2.掌掌握握单单相相可可控控整整流流电电路路的的组组成成形形式式，理理解解电电阻阻性性负负载载可控整流电路的工作原理。可控整流电路的工作原理。3.了了解解单单结结晶晶体体管管的的工工作作特特性性、电电路路符符号号，理理解解单单结结晶晶体管触发电路的组
2、成及工作原理。体管触发电路的组成及工作原理。4.了解晶闸管常用的保护措施及防失控措施。了解晶闸管常用的保护措施及防失控措施。9.1晶闸管简介晶闸管简介9.1.1晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号9.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理9.1.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数9.1.4晶闸管的型号及简易检测晶闸管的型号及简易检测9.1.1晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号图图 ( (a) ) 所所示示是是常常见见晶晶闸闸管管外外形形，它它有有三三个个电电极极：阳阳极极 a、阴阴极极 c 和和控控制制极极 g。图图（b）是是晶晶闸闸管管的的符符号号，图图（c）是是晶晶闸闸管管内内部结构示意
3、图。部结构示意图。图图( (c) )可可见见，晶晶闸闸管管内内部部有有三三个个 PN 结结，分分别别用用 J1、J2 和和 J3 表示。表示。 晶晶体体闸闸流流管管( (简简称称晶晶闸闸管管，旧旧称称可可控控硅硅) ) 广广泛泛应应用用于于无无触触点点开关电路及可控整流设备中。开关电路及可控整流设备中。 9.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作特点有以下三点：晶闸管的工作特点有以下三点：晶晶闸闸管管的的这这些些工工作作特特性性是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的，可可用用示示意图来解释。意图来解释。1晶晶闸闸管管导导通通必必须须具具备备两两个个条条件件：一一是是晶晶闸闸管管阳
4、阳极极与与阴阴极极间必须接正向电压，二是控制极与阳极之间也接正向电压。间必须接正向电压，二是控制极与阳极之间也接正向电压。2晶晶闸闸管管一一旦旦导导通通后后，降降低低或或去去掉掉控控制制极极电电压压时时，晶晶闸闸管管仍然导通。仍然导通。3导导通通后后的的晶晶闸闸管管若若要要关关断断时时，必必须须减减小小阳阳极极电电流流使使其其小小于晶闸管的导通维持电流。于晶闸管的导通维持电流。晶晶闸闸管管可可以以看看成成由由一一只只 NPN 三三极极管管与与一一只只 PNP 三三极极管管组组成成，仅仅在在阳阳极极 a 和和阴阴极极 c 之之间间加加上上正正向向电电压压以以后后，V1V2 两两只只三极管因为没有
5、基极电流，所以均不导通。三极管因为没有基极电流，所以均不导通。若若在在 V1 的的基基极极 g ( (即即晶晶闸闸管管的的控控制制极极上上) )加加上上正正向向电电压压，使使 V1 产产生生基基极极电电流流 IG，此此电电流流经经 V1 放放大大以以后后，在在 V1 集集电电极极上上就就产产生生 IG 的的电电流流，经经过过 V2 再再次次放放大大，V2 的的集集电电极极电电流流达达到到 1 2 IG，而而此此电电流流又又重重新新反反馈馈到到 V1 作作为为 V1 基基极极电电流流又又一次被一次被 V1 放大，使两只三极管迅速饱和导通。放大，使两只三极管迅速饱和导通。即即晶晶闸闸管管阳阳极极
6、a 与与阴阴极极 c 之之间间完完全全导导通通。由由于于 V1 基基极极上上自自动动维维持持有有正正反反馈馈电电流流，所所以以即即使使去去掉掉 V1 基基极极 g 上上的的正正向向电电压压，V1 和和 V2 仍能继续保持饱和状态。仍能继续保持饱和状态。晶晶闸闸管管导导通通时时，V1、V2 饱饱和和导导通通总总压压降降约约 1 V 左左右右，如如果果阳阳、阴阴极极之之间间正正向向电电压压太太低低，使使渡渡过过阳阳极极的的电电流流难难以以维维持持导导通通值，值，V1、V2 就会截止，晶闸管即关断。就会截止，晶闸管即关断。晶晶闸闸管管的的控控制制极极电电压压、电电流流比比较较低低，电电压压只只有有几
7、几伏伏，电电流流只只有有几几十十到到几几百百毫毫安安，但但被被控控制制的的器器件件则则可可以以承承担担很很大大的的电电压压和通过很大的电流。和通过很大的电流。电电压压可可达达几几千千伏伏，电电流流可可大大到到几几百百安安以以上上。因因此此晶晶闸闸管管是是一一种种可可控控的的单单向向导导电电开开关关，常常用用于于以以弱弱电电支支控控制制强强电电的的各各类类电电路中。路中。9.1.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1额定正向平均电流在规定的环境温度和散热条件下，额定正向平均电流在规定的环境温度和散热条件下，允许通过阳极和阴极之间的电流平均值。允许通过阳极和阴极之间的电流平均值。2维维持持电电流流在
8、在规规定定的的环环境境温温度度、控控制制极极断断开开的的条条件件下下，要保持晶闸管处于导通状态所需要的最小正向电流。要保持晶闸管处于导通状态所需要的最小正向电流。3控控制制极极触触发发电电压压和和电电流流在在规规定定的的环环境境温温度度及及一一定定的的正正向向电电压压条条件件下下，使使晶晶闸闸管管从从关关断断到到导导通通，控控制制极极所所需需的的电电波波电压和电流。电压和电流。4正正向向阻阻断断值值电电压压控控制制极极断断开开，加加正正向向电电压压晶晶闸闸管管截截止止的的状状态态称称正正向向阻阻断断；此此时时允允许许加加到到晶晶闸闸管管上上的的正正向向电电压压最最大大值值称正向阻断峰电压。称正
9、向阻断峰电压。5反反向向阻阻断断峰峰电电压压控控制制极极断断开开，加加反反向向电电压压晶晶闸闸管管截截止止的的状状态态称称反反向向阻阻断断，此此时时允允许许加加到到晶晶闸闸管管上上的的反反向向电电压压最最大大值值称反向阻断峰值电压。称反向阻断峰值电压。9.1.4晶闸管的型号及简易检测晶闸管的型号及简易检测我我国国目目前前生生产产的的晶晶闸闸管管的的型型号号有有两两种种表表示示方方法法，即即 3CT 系系列和列和 KP 系列。系列。 一、型号一、型号3 C T 5/500表示正向阻断峰值电压表示正向阻断峰值电压( (V)500 V 表示额定正向平均电流表示额定正向平均电流( (A)5 A 表示晶
10、闸管元件表示晶闸管元件表示表示 N 型硅材料型硅材料表示表示 三个电极三个电极P K 200 10 D通态平均电压级别通态平均电压级别(小于小于100 A 的不标的不标) D 级为级为 0.7 V额定电压级别额定电压级别 为为 1000 V 额定正向平均电流额定正向平均电流 200 A 普通型普通型晶闸管晶闸管额额定定电电压压在在 1 000 V 以以下下的的每每 100 V 为为一一级级，1 000 V 到到 3 000 V 的的每每 200 V 为为一一级级。用用百百位位数数或或千千位位及及百百位位数数组组合合表示级数。表示级数。通通态态平平均均电电压压分分 9 级级，用用 A I 字字母
11、母表表示示，由由 0.4 12 V，每隔，每隔 0.1 V 为一级。为一级。二、简易检测二、简易检测1检检测测阳阳、阴阴极极正正、反反向向是是否否短短路路。可可用用万万用用表表 R 1 k 电电阻阻挡挡，测测试试阳阳、阴阴极极间间的的正正、反反向向电电阻阻，都都应应很很大大( (指指针针基基本本不动不动) )，否则元件内部有短路或性能不好。，否则元件内部有短路或性能不好。2检检测测控控制制极极是是否否短短路路或或断断开开。因因控控制制极极与与阴阴极极之之间间是是一一个个 PN 结，判断的原则同测普通晶体二极管方法相同。结，判断的原则同测普通晶体二极管方法相同。9.2单相可控整流电路单相可控整流
12、电路9.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 9.2.2单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路 9.2.19.2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路改改变变触触发发电电压压到到来来的的时时刻刻，亦亦即即改改变变控控制制角角 的的大大小小，就就改改变变了了导导通通角角 ，也也就就改改变变了了负负载载电电压压 vL 的平均值。的平均值。9.2.2单相桥式可控整流单相桥式可控整流由由可可见见，此此电电路路也也是是通通过过调调整整触触发发信信号号出出现现的的时时间间来来改改变变晶晶闸闸管管控控制制角角 和和导导通通角角 ，从从而而实实现现控控制制输输出出的的直直流流电电压压平平均均
13、值之目的。值之目的。动画单相桥式整流电路动画单相桥式整流电路晶晶闸闸管管除除了了用用于于可可控控整整流流电电路路外，还可作为无触点可控开关。外，还可作为无触点可控开关。如图当开关如图当开关 S 闭合后，电路处于值班状态。闭合后，电路处于值班状态。晶晶闸闸管管 V 的的 g 极极被被 B、间间导导线线短短路路接接地地而而使使晶晶闸闸管管截截止止。当当短短路路导导线线被被弄弄断断时时，电电源源 G 经经 R1 和和 R2 的的分分压压使使 g 极极获获得得触触发电压，晶闸管发电压，晶闸管 V 导通，防盗报警器导通，防盗报警器( (蜂鸣器蜂鸣器) )H 即发声报警。即发声报警。应用实例应用实例防盗报
14、警器防盗报警器( (断线报警器断线报警器) )9.39.3晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路9.3.1可控整流对触发电路的要求可控整流对触发电路的要求9.3.2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路晶晶闸闸管管由由阻阻断断转转化化为为导导通通，除除了了在在阳阳极极与与阴阴极极之之间间加加正正向向电电压压之之外外，还还必必须须在在控控制制极极加加正正向向触触发发电电压压。提提供供正正向向触触发发电电压的电路称为触发电路。压的电路称为触发电路。 9.3.1可控整流对触发电路的要求可控整流对触发电路的要求可可控控整整流流电电路路中中晶晶闸闸管管对对触触发发电电路路提提供供
15、给给控控制制的的触触发发信信号号有有下列几点要求：下列几点要求： 1触触发发电电压压必必须须在在晶晶闸闸管管承承受受正正向向电电压压时时加加到到它它的的控控制制极极上；上；2触触发发电电压压只只需需要要短短时时间间存存在在，因因此此常常用用脉脉冲冲电电压压( (电电子子技技术术中中把把瞬瞬间间突突变变、作作用用时时间间极极短短的的电电压压或或电电流流称称为为脉脉冲冲信信号号，简简称脉冲称脉冲) )。3触触发发脉脉冲冲应应有有一一定定的的幅幅值值和和功功率率并并有有足足够够的的移移相相范范围围以以达到能够心迹控制角之目的。达到能够心迹控制角之目的。4触触发发脉脉冲冲与与可可控控整整流流电电路路的
16、的交交流流电电压压频频率率相相同同并并保保持持一一定定的的相相位位角角关关系系，即即触触发发电电路路输输出出脉脉冲冲与与整整流流主主电电路路输输出出电电压压必必“同步同步”。9.3.2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路一、一、单结晶体管的结构和型号单结晶体管的结构和型号单单结结晶晶体体管管，它它有有三三个个电电极极，即即发发射射极极 e、第第一一基基极极 b1、第第二二基基极极 b2，只只有有一一个个 PN 结结，所所以以称称单单结结晶晶体体管管或或双双基基极极二二极极管。管。 单单结结晶晶体体管管的的图图形形符符号号如如图图( (b) )所所示示，发发射射极极箭箭头头倾倾斜斜指指向向 b1
17、，表示经，表示经 PN 结的电流只流向结的电流只流向 b1 极。极。 图图( (c) )是是它它的的等等效效电电路路图图。因因为为 e 和和 b1 间间是是一一个个PN 结结，故故用用二二极极管管 V 等等效效，其其正正向向压压降降 VD = 0.7 V。Rb1 表表示示 e 与与 b1 间间电电阻阻，它它随随发发射射极极电电流流而而变变，即即 IE 上上升升，Rb1下下降降。Rb2 表表示示 e 与与 b2 间间的的电电阻阻，数数值值与与 IE 无无关关。两两基基极极间间电电阻阻 Rbb = Rb1 + Rb2。 称为分压比，称为分压比， 一般在一般在 0.3 0.8 之间。之间。 单结晶体
18、管的型号有单结晶体管的型号有 BT31、 BT32、 BT33、 BT35 等。等。二、单结晶体管的负阻二、单结晶体管的负阻单单结结晶晶体体管管具具有有负负阻阻特特性性，如如图图( (a) )特特性性曲曲线线所所示示。所所谓谓负负阻特性，就是当发射极电流增加时，发射极电压阻特性，就是当发射极电流增加时，发射极电压 VE反而减小。反而减小。若若在在 b1、b2 间间加加固固定定电电压压 VBB，且且在在 e 和和 b1 间间加加一一个个可可调调节节的的电电源源 GE，则则当当 VE 从从 0 开开始始增增加加，但但小小于于 VBB 时时，因因二二极极管管 V 处处于于反反偏偏，故故不不导导通通，
19、此此时时只有很小的反向电流。只有很小的反向电流。当当 VEE = VBB 时，二极管时，二极管 V 反偏，帮反偏，帮 IE = 0。当。当 VE 继续升继续升高，使高，使 VE VBB + VD ( ( VD 是是 PN 结正向压降结正向压降) )， PN 结导通后，结导通后，P 区空穴将注入区空穴将注入 N 区，使区，使 e、b1 间空穴浓度增加，导电性能加强间空穴浓度增加，导电性能加强导致导致 Rbi 的减小，必然使的减小，必然使 VB1 减小，减小，它导致它导致 PN 结正向电压加大，结正向电压加大，Rb1 又进一步减小又进一步减小 。急急剧剧上上升升的的 IE 在在 RP 上上的的压压
20、降降加加大大，使使得得 VE 反反而而减减小小，呈呈现明显的负阻特性。现明显的负阻特性。BB + VD 为为峰峰点点电电压压 VP，IP 为峰点电流。为峰点电流。峰峰点点左左侧侧为为截截止止区区、峰峰点点右侧为负阻区。右侧为负阻区。当当 VE 下下降降到到谷谷点点电电压压 VV，Rb1 下下降降至至极极限限不不再再下下降降，此此时的电流称谷点电流时的电流称谷点电流 IV。谷谷点点电电流流 IV。谷谷点点的的左左侧侧为为负负阻阻区区，右右侧侧为为饱饱和和区区。管管子子处处在在饱饱和和区区时时，IE 很很大大而而 VE 很小。很小。三、单结晶体管振荡器三、单结晶体管振荡器v0 是是一一个个前前沿沿
21、陡陡峭峭的的电电压压脉脉冲冲。可可以以用用来来作作晶晶闸闸管管的的触触发发脉脉冲冲。改改变变 Re、C 的的值值，即即可可改改变变电电容容充充电电电电路路时时间间常常数数，从从而而改改变电压脉冲的振荡频率变电压脉冲的振荡频率( (或周期或周期) )。四、带有同步触发电路的可控整流电路四、带有同步触发电路的可控整流电路图图中中所所示示为为带带有有同同步步触触发发电电路路的的晶晶闸闸管管整流电路和电压波形图。整流电路和电压波形图。9.4晶闸管的保护和防失控措施晶闸管的保护和防失控措施9.4.1晶闸管的保护晶闸管的保护9.4.2带感性负载时的防失控措施带感性负载时的防失控措施9.4.1晶闸管的保护晶
22、闸管的保护一、晶闸管的过电流保护一、晶闸管的过电流保护晶晶闸闸管管过过电电流流保保护护方方法法有有：快快速速熔熔断断器器保保护护、灵灵敏敏继继电电器器保护和过载截止保护等。保护和过载截止保护等。快快速速熔熔断断器器在在电电路路中中的的位位置置可可以以在在整整流流电电路路的的交交流流侧侧，如如图图中中 FU1；也也可可在在整整流流电电路路的的直直流流侧侧与与晶晶闸闸管管或或负负载载串串联联，如如图中图中 FU2。在在熔熔断断器器与与晶晶闸闸管管元元件件相相串串联联时时，可可按按下下表表的的参参考考数数据据选选用快速熔断器的额定电流。用快速熔断器的额定电流。晶闸管额定电流晶闸管额定电流 / A5
23、10 20 30 50 100 200 300 500快速熔断器额定电流快速熔断器额定电流 / A8 15 30 50 80 150 300 500 800二、晶闸管的过电压保护二、晶闸管的过电压保护如如果果可可控控整整流流电电路路中中含含有有电电感感元元件件，则则电电路路切切断断时时可可能能引引起起晶晶闸闸管管上上的的过过电电压压。最最常常用用的的过过压压保保护护措措施施是是接接入入阻阻容容吸吸收收回回路路，如如 R1、C1 或或直直流流侧侧晶晶闸闸管管边边上上，图图中中的的 R2、C2。也也可可并并联在电感负载的两端，如图中联在电感负载的两端，如图中 R3、C3。9.4.2带感性负载时的防
24、失控措施带感性负载时的防失控措施电电感感性性负负载载可可用用电电感感 L 和和电电阻阻 R 串串连连表表示示。如如图图，当当晶晶闸闸管管导导通通时时，电电感感 L 中中存存储储了了磁磁场场能能量量。当当 v2 过过零零变变负负时时，电电感感中产生感应电动势，迫使晶闸管不能及时关断造成失控。中产生感应电动势，迫使晶闸管不能及时关断造成失控。通通常常在在负负载载两两端端并并联联二二极极管管，图图中中的的 V2 来来解解决决，当当交交流流电电压压 v2 过过零零或或变变负负时时，感感应应电电动动势势产产生生的的电电流流可可通通过过这这个个二二极极管管( (称称作作续续流流二二极极管管) )形形成成回
25、回路路电电流流。这这时时，V2 的的两两端端电电压压近近似似为为 0，晶晶闸闸管管受受反反向向电电压压二二迅迅速速关关断断。应应当当指指出出二二极极管管 V2 的的极极性性不不要要接接反反，否否则则引引起起短路事故。短路事故。本章小结本章小结1.晶晶闸闸管管是是一一种种可可控控整整流流元元件件，旧旧称称可可控控硅硅。它它的的导导通通条条件件时时阳阳极极电电位位高高于于阴阴极极电电位位( (加加正正向向电电压压) )，同同时时控控制制极极与与阴阴极极间间加加适适当当正正向向电电压压。晶晶闸闸管管导导通通后后控控制制极极就就失失去去控控制制作作用用，要要使使导导通通的的晶晶闸闸管管关关断断，必必须
26、须设设法法使使阳阳极极电电流流小小于于维维持持电电流流。因因此此在在阳阳极极电电压压过过零零或或变变为为负负值值时时，晶闸管就被关断。晶闸管就被关断。2.晶晶闸闸管管整整流流电电路路可可以以把把交交流流电电压压整整流流为为大大小小可可调调的的直直流流电电压压。它它是是通通过过改改变变晶晶闸闸管管控控制制角角 的的大大小小来来调调节节整整流流电路输出电压的大小。电路输出电压的大小。3.晶晶闸闸管管整整流流电电路路常常用用单单结结晶晶体体管管振振荡荡器器作作为为同同步步触触发发电电路路以以保保证证整整流流过过程程中中，晶晶闸闸管管始始终终保保持持脉脉动动直直流流电电，每每半半个个周周期期内内部部都
27、都有有相相同同的的控控制制角角 ，使使输输出出电电压压幅幅度度相相等等。达达到到同同步步的的关关键键是是单单结结晶晶体体管管振振荡荡器器和和主主电电路路采采用用同一交流电源变压器同一交流电源变压器( (称同步变压器称同步变压器) )。4.晶晶闸闸管管常常用用快快速速熔熔断断器器作作过过电电流流保保护护，用用阻阻容容吸吸收收回回路路作作过过压压保保护护，用用续续流流二二极极管管防防止止电电感感性性负负载载造造成成晶晶闸闸管管的失控。的失控。本章重点本章重点1.晶闸管的工作特性，其主要参数的含义。晶闸管的工作特性，其主要参数的含义。2.单相可控整流电路电阻性负载可控整流电路的工作原理。单相可控整流
28、电路电阻性负载可控整流电路的工作原理。3.单单结结晶晶体体管管的的工工作作特特性性、电电路路符符号号，理理解解单单结结晶晶体体管管触触发电路的组成及工作原理。发电路的组成及工作原理。4.晶闸管常用的保护措施及防失控措施。晶闸管常用的保护措施及防失控措施。本章难点本章难点1单单相相可可控控整整流流电电路路电电阻阻性性负负载载可可控控整整流流电电路路的的工工作作原理。原理。2单结晶体管触发电路的组成及工作原理。单结晶体管触发电路的组成及工作原理。3晶闸管常用的保护措施及防失控措施。晶闸管常用的保护措施及防失控措施。学时分配学时分配序序 号号 内内 容容学学 时时19.1晶闸管简介晶闸管简介229.2可控整流电路可控整流电路239.3晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路249.4晶闸管的保护和防失控措施晶闸管的保护和防失控措施25本章小结本章小结6本章总学时本章总学时8
