劳动版电子技术基础教学课件PPT晶闸管及其应用.ppt

第六章晶闸管及其应用 别名 可控硅 scr siliconcontrolledrectifier 是一种大功率半导体器件 出现于70年代 它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域 特点 体积小 重量轻 效率高 动作迅速 维修简单 操作方便 寿命长 容量大 正向平均电流达千安 正向耐压达数千伏 应用领域 整流 交流 直流 逆变 直流 交流 变频 交流 交流 斩波 直流 直流 此外还可作无触点开关等 6 1晶闸管 结构 a 阳极 p1 p2 n1 n2 k 阴极 g 控制极 一 晶闸管的结构 符号 符号 晶闸管相当于pnp和npn型两个晶体管的组合 图6 2晶闸管的外形及其符号 a 螺栓式 b 平板式 c 塑封式 d 符号 常见晶闸管外形 2 类型可控硅按其容量有大 中 小功率管之分 一般认为电流容量大于50a为大功率管 5a以下则为小功率管 小功率可控硅触发电压为1v左右 触发电流为零点几到几毫安 中功率以上的触发电压为几伏到几十伏 电流几十到几百毫安 按其控制特性 有单向可控硅和双向可控硅之分 晶闸管连接图 二 晶闸管的工作特性演示电路及操作过程1 演示电路 1 阳极与阴极之间通过灯泡接电源uaa 2 控制极与阴极之间通过电阻r及开关s接控制电源 触发信号 ugg 2 操作过程及现象 1 s断开 ugk 0 uaa为正向 灯泡不亮 称之为正向阻断 如图6 3 a 所示 2 s断开 ugk 0 uaa为反向 灯泡不亮 如图6 3 b 所示 3 s合上 ugk为正向 uaa为反向 灯泡不亮 称之为反向阻断 如图6 3 c 所示 图6 3晶闸管工作示意图 4 s合上 ugk为正向 uaa为正向 灯泡亮 称之为触发导通 如图6 3 d 所示 5 在 4 基础上 断开s 灯泡仍亮 称之为维持导通 如图6 3 e 所示 6 在 5 基础上 逐渐减小uaa 灯泡亮度变暗 直到熄灭 如图6 3 f 所示 7 ugg反向 uaa正向 灯泡不亮 称之为反向触发 如图6 3 g 所示 8 ugg反向 uaa反向 灯泡仍不亮 如图6 3 h 所示 3 现象分析及结论 1 由图6 3 c d 得出 晶闸管具有单向导电性 2 由图 a b d g h 得出 只有在控制极加上正向电压的前提下 晶闸管的单向导电性才得以实现 3 由图6 3 e 得出 导通的晶闸管即使去掉控制极电压 仍维持导通状态 4 由图6 3 f 得出 要使导通的晶闸管关断 必须把正向阳极电压降低到一定值才能关断 晶闸管导通的条件 1 晶闸管阳极电路 阳极与阴极之间 施加正向电压 2 晶闸管控制电路 控制极与阴极之间 加正向电压或正向脉冲 正向触发电压 晶闸管导通后 控制极便失去作用 依靠正反馈 晶闸管仍可维持导通状态 晶闸管关断的条件 1 降低阳极与阴极间的电压 使通过晶闸管的电流小于维持电流ih2 阳极与阴极间的电压减小为零3 将阳极和阴极间加反相电压 三 主要参数 ufrm 正向重复峰值电压 晶闸管耐压值 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下 允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压 一般取ufrm 80 ub0 普通晶闸管ufrm为100v 3000v 如果正弦半波电流的最大值为im 则 普通晶闸管if为1a 1000a uf 通态平均电压 管压降 在规定的条件下 通过正弦半波平均电流时 晶闸管阳 阴极间的电压平均值 一般为1v左右 ih 维持电流在规定的环境和控制极断路时 晶闸管维持导通状态所必须的最小电流 一般ih为几十 一百多毫安 ug ig 控制极触发电压和电流室温下 阳极电压为直流6v时 使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压 电流 一般ug为1到5v ig为几十到几百毫安 国产晶闸管的型号有两种表示方法 即kp系列和3ct系列 额定通态平均电流的系列为1 5 10 20 30 50 100 200 300 400 500 600 900 1000 a 等14种规格 额定电压在1000v以下的 每100v为一级 1000v到3000v的每200v为一级 用百位数或千位及百位数组合表示级数 四 晶闸管型号及其含义 3ct系列表示参数的方式如图所示 ct系列参数表示方式 表示晶闸管元件 表示n型硅材料 表示额定正向平均电流 a 表示正向阻断峰值电压 v 导通时平均电压组别共九级 用字母a i表示0 4 1 2v 额定电压 用百位或千位数表示取ufrm或urrm较小者 额定正向平均电流 if 如kp5 7表示额定正向平均电流为5a 额定电压为700v如kp200 10d 表示if 200a ud 1000v uf 0 7v的普通型晶闸管 五 普通晶闸管的简单测试1 测量可控硅内部的pn结可控硅的内部有三个pn结 这三个pn结的好坏直接影响可控硅的质量 所以使用可控硅之前 应该先对这三个pn结进行测量 测量方法如图所示 图11 8可控硅的测量 2 测试方法万用表选电阻r 1k或r 100挡 极性判别 用红 黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚 此时黑表笔的引脚为控制极g 红表笔的引脚为阴极k 另一空脚为阳极a 好坏判别 此时将黑表笔接已判断了的阳极a 红表笔仍接阴极k 此时万用表指针应不动 用短线瞬间短接阳极a和控制极g 此时万用表电阻挡指针应向右偏转 阻值读数为10欧姆左右 如阳极a接黑表笔 阴极k接红表笔时 万用表指针发生偏转 说明该单向可控硅已击穿损坏 6 2晶闸管整流电路 一 单相可控整流电路 1 单相半波可控整流电路 1 电路及工作原理 u2 0时 若ug 0 晶闸管不导通 控制极加触发信号 晶闸管承受正向电压导通 u2 0时 晶闸管承受反向电压不导通 故称可控整流 工作原理 t1 u 0时 可控硅承受反向电压不导通 即 晶闸管反向阻断 加触发信号 晶闸管承受正向电压导通 u2 0时 o 接电阻负载时单相半波可控整流电路电压 电流波形 动画 控制角 t1 o t2 2 导通角 工作波形 晶闸管承受的最高反向电压 2 主要参数计算 整流输出电压及电流的平均值 由公式可知 改变控制角 可改变输出电压uo 2 单相半控桥式整流电路 1 电路 2 工作原理 t1和d2承受正向电压 t1控制极加触发电压 则t1和d2导通 电流的通路为 a 1 电压u为正半周时 此时 t2和d1均承受反向电压而截止 t2和d1承受正向电压 t2控制极加触发电压 则t2和d1导通 电流的通路为 2 电压u为负半周时 b 此时 t1和d2均承受反向电压而截止 工作波形 2 动画 晶闸管承受的最高反向电压 2 主要参数计算 输出电压及电流的平均值 例 桥式可控整流电路中 u2 220v rl 3 可控硅控制角 15 180 求输出电压平均值ul的调节范围 以及可控硅 包括二极管 的电流平均值的最大值和承受的最大反向电压 191 3 64a 承受的最高反向电压 两种常用可控整流电路 电路特点 该电路只用一只晶闸管 且其上无反向电压 2 晶闸管和负载上的电流相同 1 电路特点 1 该电路接入电感性负载时 d1 d2便起续流二极管作用 2 动画 2 由于t1的阳极和t2的阴极相连 两管控制极必须加独立的触发信号 二 三相可控整流电路 1 三相半波可控整流电路2 三相半倥桥式整流电路 三相可控整流电路分析 为什么要采用三相整流 对于三相对称电源系统而言 单相可控整流电路为不对称负载 可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性 负载容量较大时 通常采用三相或多相电源整流电路 三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载 输出整流电压的脉动小 控制响应快 在许多场合得到了广泛应用 电源变压器的接线方式三相可控整流电路电源变压器一般采用d y或y d接线方式 以提供一条3及3的倍数次谐波电流通路 对于三相半波可控整流电路而言 次级绕组必须接成星形 以获得整流电源的中性点 故通常采用d y接线方式 共阴极接法 共阳极接法 三相可控整流电路分析 三相对称电源 1 三相半波可控整流电路 三相不可控半波 电阻负载 1 三相半波整流主电路2 工作过程及波形分析 1 高通电路 电压最高相的二极管会自动导通 强迫其他相的二极管关断 2 自然换相点 1 三相半波可控整流电路 三相半波 电阻负载a 0 1 三相半波可控主电路2 工作过程及波形分析 控制说明 1 自然换相点决定触发绝对导通的区间 控制角是以自然换相点为起点 2 均衡工作 有序控制 3 触发脉冲相隔120度 1三相半波可控整流电路 三相半波 电阻负载a 0 一 电阻负载 1 主电路2 工作过程及波形分析 电路特点 1 有器件导通时负载电压为导通器件所在相的相电压 2 电路中所有器件不导通时器件承受电压的是相电压 3 电路中有器件导通 其他不导通器件承受的是线电压 4 电阻负载 0时电流时连续的 导通角在多大范围内电阻负载时候电流是连续的 三相半波 电阻负载a 0 2 工作过程及波形分析 30 0 移相范围 电阻负载 电流断续 图三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载a 60 时的波形 三相半波可控整流电路 电阻负载 a 30 时的波形 三相半波可控整流电路 电阻负载 a 60 时的波形 当a 0时 ud最大 为 整流电压平均值的计算 a 30 时 负载电流连续 有 a 30 时 负载电流断续 晶闸管导通角减小 此时有 负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压 为变压器二次线电压峰值 即 晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值 即 2 20 2 21 2 22 三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路阻感负载时出现负电压 有些场合往往在负载两端并联一个续流二极管 以消除负半周的影响 三相半波可控整流电路还有一种共阳极组接法 其工作原理 电路波形及数量关系与共阴极组相同 但输出电压 电流极性相反 三相半波整流电路特点 优点1 整流所得波形平直 较单相而言 2 三相负载平衡 缺点1 变压器二次侧有直流分量通过 2 变压器利用率低 6 3负载类型对晶闸管整流的影响一 感性负载的影响1 感性负载半控桥式整流电路图6 31 a 是具有电感性负载的单相桥式半控整流电路 如前所述 在纯电阻负载的情况下 负载中的电流是断续的 当输入电压u2为零时 负载中的电流也减小为零 如图6 29 b 所示 但对于感性负载 情况就会发生变化 在u2的正半周内 由于ug1的触发作用 晶闸管v1与二极管v4同时导通 此时l的作用表现在减小晶闸管v1导通电流ia1的变化 如图6 31 b io t波形中的1 2段 波形幅度减小 比较平坦 图6 31电感性负载半控桥式整流电路及波形 其次 u2由正变负过零时 u2 0 ia1原要减小为零 但由于l两端要产生感应电动势 以阻止ia1的减小 故ia1并不为零 事实上 这时感应电动势的极性为下 上 它加在二极管v3 v1和r串联的电路两端 并使二极管v3的阳极具有正电位 晶闸管v1的阴极具有负电位 故晶闸管v1继续导通 电流路径是 l下 r 二极管v3 晶闸管v1 l上 图6 32有续流二极管的感性负载 半控桥式整流电路 必须强调 在这种情况下 二极管v3代替了v4 并和晶闸管v1一起组成导通电路 因此 ia1继续流过负载 波形如图11 12 b 中io波形的2 3段所示 在u2负半周 ug2接入 使得晶闸管v2触发导通 晶闸管v1才因承受反向电压而关断 于是负载电流转换成为晶闸管v2的导通电流ia2 以后的过程与前相似 由图11 1 b 可以看出 二极管在电源电压过零时换相 可控硅在触发时换相 输出电流是连续不断的 出现可控硅在感性负载时的导通时间比阻性负载时的导通时间长的状态 对于这种情况 一般来说 整流器仍能正常工作 但输出电压从零开始则不易调整 对控制角有严格限制的整流器也不易调整 2 加有续流二极管的半控桥式整流电路由以上分析可知 产生失控现象的原因是流过晶闸管的电流ia1 或ia2 减小时 l两端产生下 上 的感应电动势 因此 要消除失控现象 就必须设法减小感应电动势 克服的方法是在整个负载并联一个二极管v5 它的正极接在感性负载的下端 负极接在其上端 如图11 1 所示 一旦流过v1的电流ia1减小 致使l产生下正上负电动势时 二极管v5立即导通 将v1与v3串联电路短接 使晶闸管v1的阳极电压降为零 于是v1立即关断 由于v5为感性负载提供了一个放电回路 因而避免了感性负载的持续电流通过可控硅 故v5称为续流二极管 加续流二极管后 其感性负载的输出电压uo的波形与纯电阻负载时相同 计算公式也一样 但负载电流的波形不同了 因电感阻碍电流变化的作用 使流过负载的电流不但可以连续 而且基本上维持不变 电感越大 电流io的波形越接近于一条水平线 带反电动势负载的可控整流电路 1 该电路的工作过程 2 画出ul il的工作波形 6 4晶闸管的选择和保护 一 晶闸管的选择1 电压等级的选择2 电流等级的选择 二 晶闸管的保护 晶闸管承受过电压的能力极差 电压超过其反向击穿电压时 即使时间极短 也容易损坏 正向电压超过转折电压时 会产生误导通 导通后的电流较大 使器件受损 晶闸管的主要缺点 过流 过压能力很差 晶闸管的热容量很小 一旦过流 温度急剧上升 器件被烧坏 例如 一只100a的晶闸管过电流为400a时 仅允许持续0 02秒 否则将被烧坏 晶闸管的过压保护 1 阻容保护 利用电容吸收过压 其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中 然后释放到电阻中消耗掉 硒堆保护 硒整流片 晶闸管元件的阻容保护 硒堆为非线性元件 过压后迅速击穿 其电阻减小 抑制过压冲击 高电压过后 硒堆可恢复到击穿前的状态 2 硒堆保护 晶闸管的过流保护 1 快速熔断器保护 电路中加快速熔断器 当电路发生过流故障时 它能在晶闸管过热损坏之前熔断 切断电流通路 以保证晶闸管的安全 与晶闸管串联 接在输入端 接在输出端 快速熔断器接入方式有三种 如下图所示 2 过流继电器保护 3 过流截止保护 在输出端 直流侧 或输入端 交流侧 接入过电流继电器 当电路发生过流故障时 继电器动作 使电路自动切断 在交流侧设置电流检测电路 利用过电流信号控制触发电路 当电路发生过流故障时 检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲 从而使晶闸管导通角减小或立即关断 6 5晶闸管的触发电路 一 单结晶体管结构及工作原理1 结构 b2 b1 n a 示意图 单结晶体管结构示意图及其表示符号 工作原理 当ue ua uf up时 pn结反偏 ie很小 当ue up时 pn结正向导通 ie迅速增加 3 单结晶体管的伏安特性 ip iv 负阻区 ue up后 大量空穴注入基区 致使ie增加 ue反而下降 出现负阻 1 ue up时单结管截止 ue up时单结管导通 ue uv时恢复截止 单结晶体管的特点 2 单结晶体管的峰点电压up与外加固定电压ubb及分压比 有关 外加电压ubb或分压比 不同 则峰点电压up不同 3 不同单结晶体管的谷点电压uv和谷点电流iv都不一样 谷点电压大约在2 5v之间 常选用 稍大一些 uv稍小的单结晶体管 以增大输出脉冲幅度和移相范围 2 单结晶体管振荡电路 单结晶体管弛张振荡电路 单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及rc电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路 振荡过程分析 1 ue uc up时 单结管不导通 uo 0 r1 r2是外加的 不同于内部的rb1 rb2 前者一般取几十欧 几百欧 rb1 rb2一般为2 15千欧 此时r1上的电流很小 其值为 2 随电容的充电 uc逐渐升高 当uc up时 单结管导通 rb1 0 然后电容通过r1放电 当放电至uc uv时 单结管重新关断 使uo 0 r1上便得到一个脉冲电压 r2起温度补偿作用 up uv 峰点 谷点电压 uf pn结正向导通压降 振荡波形 注意 r值不能选的太小 否则单结管不能关断 电路亦不能振荡 c 电压波形 3 单结管触发电路 可控整流电路中 触发电路必须与主电路同步 若不同步 可控硅的导通角不定 一 电路 主电路 触发电路 二 波形关系 1 整流稳压电路部分 单结晶体管电路部分 2 触发电路 t 3 输出电压ul o o 1 单结管触发的可控整流电路中 主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上 问题讨论 2 触发电路中 整流后为什么加稳压管 3 一系列触发脉冲中 为什么只有第一个起作用 其移相范围 即控制角 的变化范围 有多大 4 输出电压如何调节 其大小如何计算 1 单结管触发的可控整流电路中 主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上 保证主电路和触发电路的电源电压同时过零 即两者同步 使电容在每半个周期均从零开始充电 从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同 即 角一样 以使输出平均电压不变 2 触发电路中 整流后为什么加稳压管 稳压管的作用 将整流后的电压变成梯形 即削波 使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上 从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间 不受交流电源电压变化的影响 3 一系列触发脉冲中 为什么只有第一个起作用 其移相范围 即控制角 的变化范围 有多大 根据单结管的特性 它一旦触发导通 在阳极电压足够大的条件下 即使去掉触发信号 仍能维持导通状态 因此 每半个周期中只有一个触发脉冲起作用 触发脉冲移相范围的计算 t 电源电压的周期 每半个周期出现第一个脉冲的时间为电容电压从0充到up的时间t 4 输出电压如何调节 其大小如何计算 rp 电容充电速度变慢 电压的调节 电压的计算 19 5应用举例 1 电瓶充电机电路 该电瓶充电机电路使用元件较少 线路简单 具有过充电保护 短路保护和电瓶短接保护 工作原理 r2 rp c t1 r3 r4构成了单结晶体管触发电路 当待充电电瓶接入电路后 触发电路获得所需电源电压开始工作 当电瓶电压充到一定数值时 使得单结晶体管的峰点电压up大于稳压管dz的稳定电压 单结晶体管不能导通 触发电路不再产生触发脉冲 充电机停止充电 触发电路和可控整流电路的同步是由二极管d和电阻r1来完成的 交流电压过零变负后 电容通过d和r1迅速放电 交流电压过零变正后d截止 电瓶电压通过r2 rp向c充电 改变rp之值 可设定电瓶的初始充电电流 6 7双向晶闸管简介 图6 52就是调光台灯的内部电路 现在 我们调节rp 你会发现 灯泡的亮度发生了变化 电路中的元件有你熟悉的 也有你不认识的 其中v1是双向晶闸管 v2是双向触发二极管 在调光电路中 v1及v2起到了关键性的作用 因此 有必要对双向晶闸管及双向二极管的特性进行分析 图11 21交流调光演示电路 一 双向晶闸管的结构和符号 1 特点 相当于两个反向晶闸管并联 两者共用一个控制极 2 符号 控制极 第一电极 第二电极 3 工作原理 ut1 ut2时 控制极相对于t2加正脉冲 晶闸管正向导通 电流从t1流向t2 ut2 ut1时 控制极相对于t2加负脉冲 晶闸管反向导通 电流从t2流向t1 双向晶闸管内部工作原理的详细分析 请参阅有关资料 2 用万用表检测双向晶闸管电极与触发能力1 判定t2极由图11 23 a 可见 g极与t1极靠近 距t2极较远 因此 g t1之间的正 反向电阻很小 在用r 1挡测任意两脚之间的电阻时 只有g t1之间显现低阻 正 反电阻仅为几十欧 而t2 g和t2 t1之间的正 反向电阻均为无穷大 这表明 如果测出某脚和其它两脚都不通 这肯定是t2极 2 区分g极与t1极 1 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