可控硅的工作原理.doc

一、可控硅的工作原理可控硅是可控硅整流器的简称。它是由三个PN结四层结构硅芯片和三个电极组成的半导体器件。图3-29是它的结构、外形和图形符号。可控硅的三个电极分别叫阳极(A)、阴极(K)和控制极(G)。当器件的阳极接负电位(相对阴极而言)时，从符号图上可以看出PN结处于反向，具有类似二极管的反向特性。当器件的阳极上加正电位时(若控制极不接任何电压)，在一定的电压范围内，器件仍处于阻抗很高的关闭状态。但当正电压大于某个电压(称为转折电压)时，器件迅速转变到低阻通导状态。加在可控硅阳极和阴极间的电压低于转折电压时，器件处于关闭状态。此时如果在控制极上加有适当大小的正电压(对阴极)，则可控硅可迅速被激发而变为导通状态。可控硅一旦导通，控制极便失去其控制作用。就是说，导通后撤去栅极电压可控硅仍导通，只有使器件中的电流减到低于某个数值或阴极与阳极之间电压减小到零或负值时，器件才可恢复到关闭状态。图3-30是可控硅的伏安特性曲线。图中曲线I为正向阻断特性。无控制极信号时，可控硅正向导通电压为正向转折电压(UB0)；当有控制极信号时，正向转折电压会下降(即可以在较低正向电压下导通)，转折电压随控制极电流的增大而减小。当控制极电流大到一定程度时，就不再出现正向阻断状态了。曲线为导通工作特性。可控硅导通后内阻很小，管子本身压降很低，外加电压几乎全部降在外电路负载上，并流过比较大的负载电流，特性曲线与二极管正向导通特性相似。若阳极电压减小(或负载电阻增加)，致使阳极电流小于维持电流IH时，可控硅从导通状态立即转为正向阻断状态，回到曲线I状态。曲线为反向阻断特性。当器件的阳极加以反向电压时，尽管电压较高，但可控硅不会导通(只有很小的漏电流)。只有反向电压达到击穿电压时，电流才突然增大，若不加限制器件就会烧毁。正常工作时，外加电压要小于反向击穿电压才能保证器件安全可靠地工作。可控硅的重要特点是：只要控制极中通以几毫安至几十毫安的电流就可以触发器件导通，器件中就可以通过较大的电流。利用这种特性可用于整流、开关、变频、交直流变换、电机调速、调温、调光及其它自动控制电路中。二、可控硅的主要技术参数1正向阻断峰值电压(VPFU)是指在控制极开路及正向阻断条件下，可以重复加在器件上的正向电压的峰值。此电压规定为正向转折电压值的80。2反向阻断峰值电压(VPRU)它是指在控制极断路和额定结温度下，可以重复加在器件上的反向电压的峰值。此电压规定为最高反向测试电压值的80。3额定正向平均电流(IF)在环境温度为+40C时，器件导通(标准散热条件)可连续通过工频(即指供电网供给的电源频率一般为50Hz或60Hz，我国规定为50Hz)正弦半波电流的平均值。4正向平均压降(UF)在规定的条件下，器件通以额定正向平均电流时，在阳极与阴极之间电压降的平均值。5维持电流(IH)在控制极断开时，器件保持导通状态所必需的最小正向电流。6控制极触发电流(Ig)阳极与阴极之间加直流6V电压时，使可控硅完全导通所必需的最小控制极直流电流。7控制极触发电压(Ug)是指从阻断转变为导通状态时控制极上所加的最小直流电压。普通小功率可控硅参数见表3-lO。表3-10 普通小功率可控硅参数型号额定正向平均电流（A）正向阻断峰值电压（V）反向阻断峰值电压（V）最大正向平均压降（V）维持电流（mA）控制极触发电压（V）控制极电流（mA）控制极最大允许正向电压（V）3CT113030003030001.2202.520103CT553030003030001.2403.550103CT10103030003030001.2603.570103CT20203030003030001.2603.57110*正向阻断峰值电压及反向阻断峰值电压在303000范围内分档。三、多种用途的可控硅根据结构及用途的不同，可控硅已有很多不同的类型，除上述介绍的整流用普通可控硅之外还有；快速可控硅。这种可控硅可以工作在较高的频率下，用于大功率直流开关、电脉冲加工电源、激光电源和雷达调制器等电路中。双向可控硅。它的特点是可以使用正的或负的控制极脉冲，控制两个方向电流的导通。它主要用于交流控制电路，如温度控制、灯光调节及直流电极调速和换向电路等。逆导可控硅。主要用于直流供电车辆(如无轨电车)的调速。可关断可控硅。这是一种新型可控硅，它利用正的控制极脉冲可触发导通，而用负的控制极脉冲可以关断阳极电流，恢复阻断状态。利用这种特性可以做成无触点开关或用于直流调压、电视机中行扫描电路及高压脉冲发生器电路等。可控硅的用途很广泛，下面仅举两例来说明可控硅电路的工作过程。图3-31是采用双基极管的可控硅调压电路，D1D2组成全波桥式整流电路。BG双基极管构成可控硅的同步触发电路(是一个张弛振荡器)。整流电压经电阻R1降压后加在A、B两点。整流后脉动电压的正半周通过R4、W向电容C充电，当充电电压达到双基极管峰点电压UP时，BG由截止转为导通，电容C通过b1e结及R。迅速放电，其放电电流在R。上产生一个尖脉冲，成为触发可控硅(SCR)极的触发信号，从而导致可控硅导通。可控硅导通后其正向压降很低，所以张弛振荡器即停止工作，电源电压过零时(由于无滤波电容，故为单向脉动电压)可控硅就自动关断。待下一个正半周到来时，电容C又充电，重复上述过程。因而串联于整流电路的负载RL上就得到个受控的脉冲电压。电容C的充电速度与R4、W及C的乘积有关，所以调节W之值，即能改变电容C充电到U，值的时间也就可以改变可控硅的导通时间，从而改变了负载上电压的大小。图3-32是一种利用可控硅做成的感应(接近)开关。它是利用人体电容和电阻与电路上电容C1，并联促使氖管N导通点燃，从而在电阻R1上产生可控硅的触发信号，使可控硅导通，点着串于可控硅电路里的灯泡。也可在电路里串接继电器，带动其他电器装置的开启或关闭。四、用万用表检查可控硅的好坏1判定可控硅的电极小功率可控硅的电极从外形上可以差别，一般阳极为外壳，阴极线比控制极引线长，如图3-29所示。如果其它型式的封装，不知电极引线时可以用万用表的电阻档进行判别。从可控硅的结构图上可以看出，阴极与控制极之间有一个PN结，而阳极与控制极之间有两个反向串联的PN结。用电表R100档先测出控制极。方法是将负表笔试接某一电极，正表笔依次碰触另外两个电极，假如有一次阻值很小(约几百欧姆)，另一次阻值很大(约几千欧姆)，说明负表笔接的正是控制极(G)。在阻值小的那次测量中，接正表笔的一端是阴极(C或K)，阻值大的那次，接正表笔的是阳极(A)；若两次测出的阻值均很大，说明负表笔接的不是控制极，应更换另外一个电极，重复上述判别2检查可控硅的好坏对于一个良好的可控硅应包括以下内容：三个PN结均是良好的；可控硅反向电压时能够阻断，不导通；可控硅正向在控制极开路时能够阻断；如果控制极加了正向电流，而阳极加正向电压时可控硅可以导通，且撤去控制极电流后仍能维持导通。对于前三项可以通过测量极间电阻的方法判别，后一条要进行导通试验。(1)测极间电阻。用万用表电阻档测阳极与控制极之间、阳极与阴极之间的电阻。注意，宜用电表电阻最高档，阻值均应很高。如阻值很小，并用低阻档再量阻值仍较小，表明可控硅已击穿、管子是坏的。阳极和阴极之间的正向电阻值(即阳极接负表笔，阴极接正表笔时阻值)，反映可控硅正向阻断特性，阻值愈大，表示正向漏电流愈小。阳极与阴极之间的反向阻值反映可控硅的反向阻断特性，阻值愈大，表示反向漏电流愈小。测控制极与阴极之间的电阻。用R10或R100档测量为宜。如果正向电阻(控制极接负笔，阴极接正笔)极大，接近处，表示控制极与阴极之间已经烧毁，管子已坏。至于反向电阻应很大，不过有些管子控制极与阴极之间的反向电阻并不太高，这也是正常的。表3-11给出测量3CT5B可控硅的G、C极间电阻数据，供参考。表3-11 3CT5可控硅G、C极间电阻值 表笔接法万用表档次A eq oac(,-)C eq oac(,+)A eq oac(,+)C eq oac(,-)G eq oac(,-)C eq oac(,+)G eq oac(,+)C eq oac(,-)A eq oac(,-)G eq oac(,+)A eq oac(,+)G eq oac(,-)R145R10120R1K1.4K100KR10K2K50K(2)导通试验。利用万用表的直流电流档(100mA档或更大些电流档)，需外加6V直流电源，按图3-33所示电路接好。先不合开关K，此时电流表指示应很小(正向阻断)，当K闭合时电流应有100mA左右。电流若很小表明管子正向压降太大或已损坏。再断开K，电表指示应仍为100mA左右基本上无变化。切断6V电源再一次重复上述过程，如一切同前表示管子导通性能是良好的。在没有万用表时，用6.3V小灯泡代替电表也可以，导通时灯泡亮。五、单结晶体管单结晶体管的结构和电路符号如图3-34所示。因为它只有一个PN结，所以称为单结晶体管。但由于它有两个基极，故又称双基极二极管。它的外形与三极管相似，也有三只管脚，其中一个是发射极(e)，另外两个是基极(b1和b2)。它是一种具有负阻特性的器件(电流增加而电压降反而减小的特性)。图3-35是它的伏安特性曲线及等效电路。双基极管可组成弛张振荡器、自激多谐振荡器以及定时延时等电路，具有电路结构简单、热稳定性好等优点。从双基极管的伏安特性可以看清其工作原理。当两基极b1、b2间加上电压Ubb时(参见典型应用电路(图3-36)，等效电路中A点电压为式中可称为单结管的分压比，是由管子内部结构所决定的，一般为0.30.9之间。输入电压UUbb时，发射极与基极之间的PN结处于反向偏置，管子截止，电流很小。当输入电压UbeUbb+UD时，(UD为二极管正向压降约为0.7V)PN结正向导电，Ie明显增加，rbl阻值迅速减小，Ue相应下降。这种电压随电流增加反而下降的特性就是双基极管的负阻特性。管子由截止区进入负阻区的交界点称为峰点。与其对应的发射极电压和电流分别称为峰点电压VP和峰点电流IP，显然UPUbb。随着发射极电流Ie不断增加，Ue不断下降，降至某一点时不再下降了，这一点称为谷点。谷点之后管子特性进入了饱和区。与谷点对应的发射极电压Uu与发射极电流Iu分别称为谷点电压和谷点电流。显然Uu是维持单结管导通的最小发射极电压，只要UeUu管子又会重新截止。特性进入饱和区后，发射极与第一基极间的电流达到饱和状态，所以Ue继续增加时，