可控硅原理及其在常用电器中的应用.doc

J JI IA AN NG GX XI I N NO OR RM MA AL L U UN NI IV VE ER RS SI IT TY Y 本科生毕业设计本科生毕业设计 论文 题目 题目 可控硅原理及其在常用电器中的可控硅原理及其在常用电器中的 应用应用 英文题目英文题目 SCRSCR principleprinciple andand itsits applicationapplication inin thethe commonlycommonly usedused electricalelectrical appliancesappliances 学学 号 号 0607020062 0607020062 学生姓名 学生姓名 马元波马元波 选题编号 选题编号 届届 别 别 20102010 学学 院 院 理电学院理电学院 专专 业 业 物理学物理学 指导教师指导教师 姓姓名名及及职职称称 刘忠民刘忠民 高级实验师高级实验师 评阅教师评阅教师 姓姓名名及及职职称称 I 声明声明 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 是本人在指导教师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果 其中除加以标注和致谢的地方外 不包 含其他人已经发表或撰写并以某种方式公开过的研究成果 也不包 含为获得其他教育机构的学位或证书而作的材料 其他同志对本研 究所做的任何贡献均已在文中作了明确的说明并表示谢意 本毕业设计 论文 成果是本人在江西师范大学读书期间在指 导教师指导下取得的 成果归江西师范大学所有 特此声明 声明人 毕业设计 论文 作者 学号 0607020062 声明人 毕业设计 论文 作者 签名 马元 波 签名日期 2010 年 3 月 4 日 II 摘要摘要 从目前电子工业的发展来看 尽管有各种新型的半导体材料不 断出现 但是半导体材料中98 仍是硅材料 硅材料仍是集成电路 产业的基础 其中可控硅具有体积小 重量轻 功率高 寿命长等 优点而得到了广泛的应用 本文主要通过论述单向可控硅 普通可 控硅 双向可控硅的基本原理 主要参数以及在常用电器中的应用 以此给读者简单介绍一下可控硅 关键词关键词 半导体 可控硅 集成电路 常用电器 III AbstractAbstract From the current perspective of the development of the electronics industry in spite of a variety of new semiconductor materials continue to appear but the semiconductor material is still 98 of the silicon material silicon material is still the basis of the integrated circuit industry in which SCR has a small size weight light high power long life and other advantages have been widely used This paper discusses a one way through the SCR general SCR the basic principles of bi directional thyristor the main parameters and application in the commonly used electrical appliances so as to give the reader a brief SCR KeyKey wordswords semiconductor silicon integrated circuits commonly used electrical appliances IV 目 录 声明声明 I 摘要摘要 II ABSTRACTABSTRACT III 1 1 绪论绪论 1 1 1 课题的背景及发展方向 1 1 2 本文的主要工作 2 2 2可控硅元件可控硅元件 2 2 1可控硅元件简介 2 2 1 1单向可控硅的工作原理和主要参数 3 2 1 2双向可控硅的工作原理和主要参数 6 2 1 3可控硅开关的损耗分析 8 3 3可控硅元件的应用可控硅元件的应用 9 3 1可控硅的几种典型应用 9 3 2可控硅在几种家用电器中的应用 12 3 3声光控延时灯 14 3 4单向可控硅在水塔水位自动控制器中的应用 15 3 5双向可控硅在电力拖动控制系统中的应用 16 3 6双向可控硅在仪器二次开发中的推广应用 18 结束语结束语 20 参考文献参考文献 21 致致 谢谢 22 1 1 1 绪论绪论 1 1 课题的背景及发展方向课题的背景及发展方向 半导体硅材料自从 60 年代被广泛应用于各类电子元器件以来 其用量平均 大约以每年 12 16 的速度增长 半导体硅材料以丰富的资源 优质的特性 日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多 的半导体材料 六十年代末七十年代初 在全国曾掀起过一个 可控硅 热 这个热潮持续甚久 影响很大 因而国内至今仍有人认为功率半导体的主体就 是可控硅 七十年代末 可控硅发展成为一个大家族并冠以一个标准化的名称 晶闸管 由于以开关技术调节功率 所以在器件上的损耗很小 因此被誉 为节能的王牌 其应用更是遍及各个领域 六七十年代 各种类型的晶闸管有很大的发展 其服务对象是以工业应用 为主 包括电力系统 机车牵引等 到了八九十年代 由于功率 MOSFET 的兴起 使电力电子步入了一个新的领域 为近代蓬勃发展的 4C 产业 即 communication computer consumer car 通信 计算机 消费电子 汽车 提供了新的活力 二十一世纪前后 功率半导体器件的发展进入了第三阶段 即集成电路结合愈来愈紧密的阶段 从目前电子工业的发展来看 尽管有各种新型的半导体材料不断出现 但 硅仍是集成电路产业的基础 半导体材料中 98 是硅 半导体器件的 95 以上 是用硅材料制作的 90 以上的大规模集成电路 LSI 超大规模集成电路 VLSI 甚大规模集成电路 ULSI 都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的 硅片 被称作集成电路的核心材料 硅材料产业的发展和集成电路的发展紧密相关 半导体硅材料分为多晶硅 单晶硅 硅外延片以及非晶硅 浇注多晶硅 淀积和溅射非晶硅等 晶闸管又叫可控硅 自从 20 世纪 50 年代问世以来已经 发展成了一个大的家族 它的主要成员有单向晶闸管 就是人们常说的普通晶 闸管 双向晶闸管 光控晶闸管 逆导晶闸管 可关断晶闸管 快速晶闸管 等等 当功率半导体器件不断发展时 前一阶段的主导产品并未退出历史舞台 晶闸管至今仍是一种重要产品 2 1 2 本文的主要工作本文的主要工作 本文主要简单介绍了普通可控硅 单向可控硅 和双向可控硅的工作原理以 及主要参数 想借此让读者对可控硅有个大概的了解 并介绍了一些可控硅的 实际应用 包括可控硅的几种典型应用 可控硅在常用电器中的应用 声光控 延时灯 单向可控硅在水塔水位自动控制器中的应用 双向可控硅在电力拖动 控制系统和仪器二次开发中的应用 限于本人学术水平 本文中并没有什么特别创新的技术和思想 只是想通 过对可控硅原理和常见实际应用的介绍 让更多的人关注可控硅的发展并积极 投身可控硅的理论和实际应用的研究 让可控硅能为人类做出更多更大的贡献 2 2 可控硅元件可控硅元件 2 12 1 可控硅元件简介可控硅元件简介 可控硅又叫晶闸管 是半导体晶体闸流管的简称 它是一种用小电流控制 大电流开关型半导体器件 常用的有普通可控硅 又称单向可控硅 和双向可 控硅两大类 由于具有体积小 质量轻 效率高 寿命长 耐振 无噪声 使 用方便等优点 因此在很短的时间内引起了国内 外 工 农业生产各部门极大 的重视 被广泛应用到各种生产设备和家用电器上 按其工作原理大致可以分 为四类 1 整流 把交流电变为大 小可调的直流电 2 逆变 把直流电变为一 定频率的交流电 3 直流开关 作直流回路开关或直流调压 4 交流开关 作交 流回路开关或交流调压 按其服务对象来分 可用于工业 农业 国防 交通 运输 矿山 冶金 轻工 化工等部门 在性能上 可控硅不仅具有单向导电性 而且还具有比硅整流元件 俗称 死硅 更为可贵的可控性 它只有导通和关断两种状态 可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备 如果超过此频率 因元件开关 损耗显著增加 允许通过的平均电流相降低 此时 标称电流应降级使用 3 可控硅的优点很多 例如 以小功率控制大功率 功率放大倍数高达几十 万倍 反应极快 在微秒级内开通 关断 无触点运行 无火花 无噪音 效 率高 成本低等等 可控硅的弱点 静态及动态的过载能力较差 容易受干扰而误导通 下面就单向可控硅和三端双向可控硅这两类可控硅分别做个简单介绍 2 1 12 1 1 单向可控硅的工作原理和主要参数单向可控硅的工作原理和主要参数 一 单向可控硅工作原理一 单向可控硅工作原理 首先让我们来认识一下单向可控硅 它的内部结构示意如图 1 a 所示 由图 1 a 可见 单向可控硅由四层 半导体 P N P N 组成 中间有 3 个 PN 结 J J 和 J 结 由 P 区引出阳极 11221233 A N 区引出阴极 K 中间的 P 区引出控制极 或称为门极 G 单向可控硅的 22 电路符号如图 1 b 所示 图 1 单向可控硅示意图和电路符号 a 结构示意图 b 电路符号 为了理解单向可控硅的工资原理 可以把单向可控硅等效地看成一个 PNP 型晶体管 T 与一个 NPN 型晶体管 T 组合而成 中间的 P 层和 N 层半导体为两 1221 个晶体管共用 阳极 A 相当于 T 的发射极 阴极 K 相当于 T 的发射极 如图 12 2 所示 理解单向可控硅工作原理的关键是了解控制极的作用 1 控制极不加电压或加反向电压 当控制极悬空或者控制极与阴极之间加反向电压 即 U 0 时 必有 GK I 0 如果在阳极与阴极之间加反向电压 即 U 0 由于 T T 的发射结 J J GAK12 4 均处于反向偏置 T T 处于截止状态 此时流过单向可控硅中的电流只是 J J 2121 结的反向饱和电流 I 0 单向可控硅处以阻断状态 如果在阳极与阴极之 3A 间加正向电压 即 U 0 J 结处于反偏状态 由于 I 0 T 必处于截止状态 AK2G2 此时单向可控硅中的电流只是 J 结的反向饱和电流 I 0 单向可控硅仍处 2A 于阻断状态 所以 当控制极不加电压或加反向电压时 I 0 单向可控硅处 G 于阻断状态 具有正 反阻断能力 图 2 单向可控硅的工作原理 a 等效结构 b 等效电路 2 控制极加正向电压 当控制极与阴极之间加正向电压 即 U 0 时 T 的发射结 J 处于正向 GK23 偏置 I 0 如果在阳极与阴极之间加反向电压 即 U 0 由于 T 的发射 GAK1 结 J 处于反向偏置 T 处于截止状态 所以单向可控硅处于阻断状态 11 I 0 如果阳极与阴极之间加正向电压 即 U 0 由于 T T 的发射结 AAK12 J J 处于正向偏置 集电结 J 处于反向偏置 T T 将处于放大状态 I 经 13212G T 放大后 T 的集电极电流 I I T 的集电极电流又是 T的基极电 222C2G21 流 经 T 放大 T 集电极电流 I I 此电流又流入 T 的基极进行 111C12G2 放大 如此循环 就形成了很强的正反馈 使 T T 很快进入饱和状态 单向 12 可控硅处于导通状态 单向可控硅导通后 阳极与阴极之间电压 U的数值很 AK 小 外加电源电压几乎全部降在负载上 3 单向可控硅的关断 由以上分析可见 当单向可控硅导通后 T 的基极始终有 T 的集电极电 21 流 I流过 而且 I的数值要比开始外加的 I 大得多 所以即使控制极电压 1C1CG 消失 I 0 仍可依靠管子本身的正反馈作用维持导通 所以 一旦单向可控 G 硅导通后 控制极将失去控制作用 单向可控硅导通后 如果想使它重新关断 必须把阳极电流 I 减小到使其不能维持正反馈 为此 可将阳极断开或在阳极 A 与阴极之间加反向电压 5 综上所述 在单向可控硅阳极与阴极间加正向电压的条件下 如果某时刻 在控制极与阴极之间加入正向电压 单向可控硅将由阻断状态转为导通状态 称之为触发导通 单向可控硅导通后 控制极将失去控制作用 如果要重新关 断单向可控硅 必须使其阳极电流小于一定的值 I 称为维持电流 或使阳极与 H 阴极之间电压 U减小到零 AK 二 单向可控硅的主要参数二 单向可控硅的主要参数 为了正确地使用单向可控硅 不仅要了解它的工作原理 还需要掌握它的 主要参数 1 正向重复峰值电压 UFRM 在控制极断开和单向可控硅处于正向阻断的条件下 单向可控硅的结温为 额定值时 允许美妙 50 次 每次持续时间不大于 10 ms 可重复加在单向可控硅 上的正向峰值电压 称为正向重复峰值电压 用 U表示 一般规定次电压值 FRM 为正向转折电压的 80 2 反向重复峰值电压 URRM 在与正向重复峰值电压相同的条件下 可以重复加在单向可控硅上的反向 峰值电压称为反向重复峰值电压 用 U表示 一般为反向转折电压的 80 RRM 3 额定电压 U N 通常把 U与 U中较小的一个电压值作为单向可控硅的额定电压 这 FRMRRM 是考虑到实际中加在管子上的电影一般是正 负对称电压 故以数值小的电压 为准 但由于瞬时过电压也会损坏管子 故选择管子时 为了安全起见 要求 管子的额定电压大于实际工作峰值电压的 2 3 倍 4 额定正向平均电流 IF 在环境温度为 40 和规定的散热条件下 允许通过单向可控硅中的工频正 弦半波电流的平均值 称为额定正向平均电流 I 通常所说的多少安的单向可 F 控硅就是指这个电流值 I 大小与周围环境温度 散热条件 元件导通角的大 F 小等因素有关 单向可控硅的额定电流用一定条件下的工频正弦半波平均电流 来标定 这是由于整流输出端所接负载常需要用平均电流衡量其性能 但是从 单向可控硅发热的角度来看 无论流过单向可控硅中的电流波形如何 单向可 控硅的导通角是多大只要设计的电流有效值等于额定电流 I 的有效值 那么单 F 向可控硅的发热便是等效的和允许的 5 维持电流 IH 在室温和控制极短路的条件下 能够维持单向可控硅继续导通所需的最小 阳极电流称为维持电流 I 如果单向可控硅的阳极电流小于此值时 单向可控 H 硅将由导通状态转为阻断状态 6 控制极触发电压 U和触发电流 I GKG 6 在室温 单向可控硅阳极与阴极间电压为 6V 的条件下 使单向可控硅从阻 断状态转为导通状态所需的最小控制极直流电流值称为触发电流 I 对应于触 G 发电流 I 时的控制极与阴极之间的直流电压 U称为触发电压 一般 U约为 GGKGK 1 5V I 为几十到几百 mA G 2 1 22 1 2 双向可控硅的工作原理和主要参数双向可控硅的工作原理和主要参数 一一 双向可控硅的工作原理双向可控硅的工作原理 双向可控硅亦称为双向晶闸管 其内部是一个 N P N P N 的五层结构 11223 为三端元件 它有三个电极 主电极 A 主电极 A 和控制极 或称门极 G 亦 12 为一闸极控制开关 无论从结构还是特性来看 都可以把它看成是一对反向并 联的普通可控硅 其结构 等效电路及符号如图 3 所示 图 3 双向可控硅的符号 结构和等效电路 双向可控硅的基本指控电路如图 4 所示 它的主电极 A A 与控制对象 21 负载 RL串联 相当于一个无触点开关 这个开关的 通 或 断 受控制 极 G 上的信号 u 称为触发信号 的控制 当主电极 A A 间有电压 G21 u 0 时 在触发信号 u 出现的瞬间 双向可控硅 A A 间便会导通 相 G21 当于开关的闭合状态 而且一旦导通以后 即使 u 喜爱欧式 也能保持导通状 G 态 知道 u 0 或主电极与负载串联电路中的电流减小到某一值 它才截止 截 止后相当于开关的断开状态 这样便可以用控制极上的小电流信号去控制主电 极回路中的大电流 7 图 4 双向可控硅的伏安特性曲线 一般说来 无论双向可控硅两个主电极 A A 间电压极性如何 只要在控 21 制极上加一定幅度的正 负脉冲 都能使其导通 所以 i 表示主电极中的电流 u 表示 A A 之间的电压 则两者之间的函数关系图像 称为伏安特性曲线 21 如图 4 所示 由该曲线可知 双向可控硅在第 象限和第 象限具有基本相同 的对称性能 按照主电极上的电压 u 和控制极上的触发脉冲电压 u 的极性 结合伏安特 G 性曲线 双向可控硅可以分为四种触发方式 定义如下 1 I 触发 在特性曲线第 象限 A 为正 控制极相对 A 为正的触发 21 2 I 触发 在特性曲线第 象限 A 为正 控制极相对 A 为负的触发 21 3 触发 在特性曲线第 象限 A 为负 控制极相对 A 为正的触发 21 4 触发 在特性曲线第 象限 A 为负 控制极相对 A 为负的触发 21 在这四种触发方式中 I 和 具有较高的灵敏度 是常用的两种触发方 式 在新型电热电动器具控制电路中 加在各双向可控硅控制极上的触发信号由单 片微电脑或集成电路输出 有的输出一个连续的正 或负 电压信号 有的输 出一连串与 50Hz 正弦交流电源同步的过零触发脉冲 前者称为电位触发 而后 者则称为脉冲触发 它们的波形分别如图 5 和图 6 图 5 图 6 二 双向可控硅的主要参数二 双向可控硅的主要参数 在各种控制电路中 双向可控硅是一个比较容易损坏的元件 一旦发现双 向可控硅损坏 只要更换相同参数的双向可控硅即可 双向可控硅的特性参数 较多 下面介绍维修时应该考虑的几个主要参数 1 断态重复峰值电压 额定电压 VDRM 在控制极断开 元件处于额定结温时 正 反向伏安特性急剧弯曲点所对 应的电压 称为断态不重复峰值电压 它的 80 称为断态重复峰值电压 通常 8 又称为额定电压 用 V表示 DRM 由于双向可控硅工作时 外加的电压峰值瞬间超过反向不重复峰值电压 即可造成双向可控硅永久损坏 而且由于环境温度升高或散热不良 均可能使 反向不重复峰值电压值下降 因此 选用双向可控硅时 其额定电压值应为实 际工作时可能最大电压的 2 3 倍 如电源电压为 220V 时 应选用额定电压在 500V 以上的双向可控硅 这样选择的元件才能经得起浪涌电压的作用 2 额定通态平均电流 额定电流 I AVT 在规定的条件下 双向可控硅导通时所允许的最大通态平均电流 称为额 定通态平均电流 将此电流按双向可控硅标准系列取相应的电流等级 通常简 称为额定电流 用 I表示 AVT 由于双向可控硅的电流过载能力比一般的电动机 电器小得多 所以选用 时 双向可控硅额定电流应为实际工作时最大电流的 1 5 2 倍 3 门极触发电流 I 电压 U GTGT 这是指能使双向可控硅可靠导通而加在控制极上的最小触发信号电流 电 压 值 如双向可控硅控制极得到的触发电流 电压 小于次数值 则双向可 控硅就可能不会导通 4 通态平均电压 U AVT 双向可控硅一旦导通 就相当于开关闭合 由于双向可控硅与负载时串联 的 所以此时两个主电极之间的电压越小越好 双向可控硅导通后 两主电极 之间电压的平均值 称为通态平均电压 通常简称为官压降 如双向可控硅的 官压降过大 可能会使它所控制的电动机 电磁阀等因得不到全电压而不能正 常工作 5 维持电流 室温下且控制极断开时 双向可控硅从较大的通态电流降至刚好能保持导 通必需的最小主电极电流 称为维持电流 只有当主电极电流减小到维持电流 一下时 双向可控硅才关断 2 1 32 1 3 可控硅开关的损耗分析可控硅开关的损耗分析 可控硅开关由电子元器件构成 只要接入系统带电后不可避免地要带来有 功损耗 这也是与传统机械开关相比的一个缺点 因此可控硅开关主电路的设 计上除充分考虑可靠性因素 同时也应考虑如何减低损耗 提高运行的经济性 9 l 可控硅开关的稳态关断下的损耗 主要是由流过静态均压电阻 动态均 压电阻的电流带来的 近似计算公式如下 2 2 13314 1000 dd p V PV CR n n R 其中 V 为开关阀的额定电压 单位为 V R 为动态均压电阻值 单位为欧 d R 为静态均压电阻值 单位为欧 P C 为动态均压容值 单位为 F d V 为元件额定耐压值 单位为 V 1000 为元件额定耐压值下的漏电流 单位为 A n 为可控硅串联数 Pl 的单位为千瓦 2 可控硅开关的稳态导通下的损耗 主要是由可控硅元件导通电阻带来的 近似计算公式如下 23 1000 ONN Pn VI 其中 V为可控硅导通压降电压 单位为 V ON n 为可控硅串联数 I为额定工作电流 单位为 A N P2 的单位为千瓦 可控硅开关的导通和关断的动态损耗主要是由动态均压电容的充放电在动 态均压电阻上形成的功耗 计算比较复杂 通常只有在可控硅开关频繁动作的 情况下予以考虑 3 3 可控硅元件的应用可控硅元件的应用 3 13 1 可控硅的几种典型应用可控硅的几种典型应用 1 1 锁存器电路 图7 1是一种由继电器J 电源 12V 开关K1和微动开关K2 组成的锁存器电路 当电源开关K1闭合时 因J回路中的开关K2和其触点J 1是断 开的 继电器J不工作 其触点1 2也未闭合 所以电珠L不亮 一旦人工触动一下 K2 J得电激活 对应的触点J 1 J 2闭合 L 点亮 此时微动开关K2不再起作用 10 已自锁 要使电珠L熄灭 只有断开电源开关K1便继电器释放 电珠L才会熄灭 所以该电路具有锁存器 J 1 自锁 的功能 图7 2 电路是用单向可控硅SCR 代 替图7 1中的继电器J 仍可完成图7 1的锁存器功能 即开关K1闭合时 电路不工 作 电珠L不亮 当触动一下微动开关K2时 SCR因电源电压通过R1对门极加电而 被触发导通且自锁 L点亮 此时K2不再起作用 要使L熄灭 只有断开K1 由此可 见 图7 2 电路也具有锁存器的功能 图7 2 与图7 1 虽然都具有锁存器功能 但它们的工作条件仍有区别 1 图7 1的锁存功能是利用继电器触点的闭合维 持其J线圈和L的电流 但图7 2中 是利用SCR自身导通完成锁存功能 2 图7 1 的与控制器件L 完全处于隔离状态 但图7 2中的SCR与L不能隔离 所以在实际 应用电路中 常把图7 1和图7 2电路混合使用 完成所需的锁存器功能 2 2 单向可控硅SCR 振荡器 图7 3 电路是利用SCR 的锁存性制作的低频振荡 器电路 图中的扬声器LS 8 0 5W 作为振荡器的负载 当电路接上电源时 由 于电源通过R1 对C1 充电 初始时 C1 电压很低 A B 端的电位器W的分压不能 触发SCR SCR 不导通 当C1 充得电压达到一定值时 A B 端电压升高 SCR 被触发而导通 一旦SCR 导通 电容器C1 通过SCR 和LS 放电 结果A B 端的电 压又下降 当A B 端电压下降到很低时 又使SCR 截止 一旦SCR 截止 电容器C1 又通过R1 充电 这种充放电过程反复进行形成电路的振荡 此时LS 发出响声 电路中的W 可用来调节SCR 门极电压的大小 以达到控制振荡器的频率变化 按 图中元件数据 C1 取值为0 22 4 F 电路均可正常工作 3 3 SCR 半波整流稳压电源 如图4 电路 是一种输出电压为 12V的稳压电源 该电路的特点是变压器B 将220V的电压变换为低压 16 20V 采用单向可控硅 SCR 半波整流 SCR 的门极G 从R1 D1和D2 的回路中的C点取出约13 4V 的电 压作为SCR 门阴间的偏置电压 电容器C1 起滤波和储能作用 在输出CD 端可 获得约 12V的稳压 电路工作时 当A 点低压交流为正半周时 SCR 导通对C1 充 电 当充电电压接近C点电压或交流输入负半周时 SCR 截止 所以C1 上充得电 压 即输出端CD 不会高于C 点的稳压值 只有储能电容C1 输出端对负载放电 其电压低于C 点电压时 在A 点的正半周电压才会给C1 即时补充充电 以维持输 出电压的稳定 图7 4 电路与电池配合已成功用于某设备作后备电源 该稳压 电源 按图中参数其输出电流可达2 3A 11 图7 4 4 SCR 全波整流稳压电源 上述的半波整流稳压电源 其缺点是电源的效率 低 其纹波也较大 图7 5 的SCR 全波整流稳压电源 完全克服了上述的缺点 该电路的输出电压也为12V 也可改接成其他电压输出 该电路实际是由图4的 两个半波整流和稳压电路组合而成 D1 SCR1 D4 等工作在交流的正半周 D2 SCR2 D6 等工作在交流的负半周 他们共同向输出的C D 端提供电流 电路中的D3 D5 起隔离作用 即D3 是防止A 点交流负半周时 其电流通过R1 D5 是防止A 点交流正半周时 其电流通过R2 的 电路的其他工作过程与上期 图7 4 相同 5 5 双向可控硅和固体继电器 SSR 利用双向可控硅BCR 制作调光器是BCR 最常见的应用 如图7 6 所示 由图可见 该SSR 产品是由双向可控硅BCR和光耦 合交流过零触发电路共同组成的 因此该SSR 的效率高 即功耗小 自身引起的 电噪声 脉冲式干扰 很小 利用图7 6 的内部电路 读者完全可以自制SSR 并 把他应用到控制电路中 如图7 7 可控制交流 220V 电源的插座电路 图中的光 耦合器MOC3041 为BCR 提供交流过流触发信号 一般MOC3041 的输入控制电流 约20mA 所以当控制信号为5V 时 其限流电阻取270 图中的R2 是控制BCR 门极 G 触发电流的 该值应随使用BCR 型号而调整的 一般6A 700V 的BCR 其 G极所需的触发电流约10mA 即可可靠触发BCR 工作 图中的Z 为交流电源插座 当图7 7 中的控制信号输出5V 电平时 BCR 导通 Z上即有220V的电压输出 反之 Z 无输出电压 6 6 抑制RF 干扰的辅助电路 当电路中使用了可控硅作多种控制电路时 一 般应附加抑制RF 干扰的辅助电路 尤其是使用了双向可控硅的电路 一般抑制 RF 干扰的电路是加在交流电源的输入端 如图7 8 所示 电路中的电感L1 L2 和电容器C1 的值已在图中标注 12 图7 3 23 2 可控硅在几种家用电器中的应用可控硅在几种家用电器中的应用 截至目前严重缺电的现实仍成为家用电器工业发展与产品消费的制约因素 可以认为 对家用电器实现能优化设计是家用电器行业进一步发展的必要条件 然而 节能技术在工业生产中取得进步的同时 在产品设计中却未受到真正的 重视 新技术 新工艺尚未在家用电器中形成规模应用 所以说 节能技术在 家用电器产品上的应用不仅是必要的 而且是很有潜力的 下面就介绍可控硅 在几种家用电器中的应用 1 双向可控硅调光电路 图 8 双时间常数的调光电路 图 8 给出了一个双时间常数的调光电路 图中 D 为开关电压为 25 40V 的 双向触发二极管 接通电源后 在交流电的一个半周内 电源电压经灯泡负载后 直接加在双向可控硅 KS 的两个主电极之间 最初由于双向触发二极管未导通 所以没有电压加在门极 G 因此无电流流过双向可控硅 此时 在电容 C 与电阻 1 R R构成的串联电路中 电容 C 按一定的时间常数逐渐充电 当电容两端电压 1W1 达到触发二极管的开关电压时 它便导通 电容 C 便通过 D 和 KS 的门极放电 1 13 双向可控硅触发导通 当加在双向可控硅二个主电极之间的交流电压过零时 双向可控硅自然关断 交流电源另半周的工作情况与上述类似 调 R可改变 C W 的充电时间常数 从而改变双向可控硅的触发时间 相位 使流过双向可控硅 1 的电流 即流过灯泡的电流 也变化 实现亮度调节 图 1 中 C R R 的作 221 用是减轻双向可控硅的通断转换的滞后性及灯泡亮度调节的突变性 2 电风扇调速器 双向可控硅调速器电路如图 9 所示 合上开关 K 接通电源 电容 C 按一定 3 的时间常数逐渐充电 当电容两端电压达到触发二极管 D 的开关电压时 D 导通 33 双向可控硅也触发导通 改变调节电位器 W 可改变电容 C 的时间常数 使双向 3 可控硅触发相位改变 流过双向可控硅的电流 即电风扇电机的电流 也变化 从 而实现电风扇转速的调节 图 9 双向晶问管调速器 图 9 中 R R C 的作用是克服滞后及突跳现象 366 D D4 C4 C R R 及 D 组成电动机启动补偿电路 R4 C 组成过电压 152367 吸收电路 L C C 组成干扰抑制滤波器 12 3 节电取暖器具的控温电路 图 10 调温电热取暖器电路 图 10 是用双向可控硅调温的电热取暖器电路 该电路主要由移相电路和双 向可控硅两部分组成 电位器 W 电阻 R 和电容器 C 等组成移相电路 C 两 211 14 端电压 U滞后于输入电压 U 一个相角 用 U控制双向触发二极管 D 再 1C1C1 由 D 触发双向可控硅 KS 使其导通 当电位器 W 的阻值较小时 相角 较小 双向可控硅 KS 的导通角较大 流过电热取暖器的电流较大 电热取暖器的温度较 高 反之 加大电位器 W 的阻值 相角 增大 双向可控硅的导通角减小 流过电 热取暖器的电流减小 电热取暖器的温度降低 所以调节电位器 W 就能连续调 节电热取暖器的温度 15 3 3 声光控延时灯声光控延时灯 这里介绍一种结构新颖的声光控延时灯 该装置白天呈关闭状态 只有夜 晚听到声响时才自动工作 具有节能实用的特点 电路图见图 组装好的产品 很方便的插在客厅使用 夜间回到家时 人未进门灯已亮 倍感温馨 更避免 了黑暗中摸找开关开灯的不便 非常实用 电路工作原理如图11 白天 光敏管DG 在光线照射下 反向电阻变小 IC1D 反相器11 脚输出高 电平经D1 使IC1A 的1 脚为高电平 IC1A 与非门3脚输出低电平 单向可控硅 SCR 截止 灯泡LAMP 保持不亮 夜间 光敏管DG 反向电阻变大 IC1D 反相器11 脚输出低电平 这时D1 起到了隔离的作用 当话筒MIC接收到脚步等声音时 经C2到IC1C 放大 输出的脉冲信号经C4 使IC1A 的1 脚得到低电平 IC1A 与非门3脚输出高电平 单向可硅SCR 导通 灯泡LAMP 点亮 同时C5 开始充电 使IC1B 反相器4 脚输出低电平 IC1A 与 非门3脚保持输出高电平 单向可控硅SCR保持导通 灯泡LAMP保持点亮 当C5充电完毕 IC1B 反相器输出变为高电平 IC1A与非门3 脚输出低电平 单向可控硅SCR 截止 灯泡LAMP 熄灭 当话筒MIC 再次接收到脚步等声音时 灯泡点亮延时熄灭 15 秒左右 依此循环 C5 充电时间 即灯泡延时时间 由C5 R3 的数值决定 R5 增大可 使声音灵敏度降低 图 11 声光控延时电路 16 3 43 4 单向可控硅在水塔水位自动控制器中的应用单向可控硅在水塔水位自动控制器中的应用 下面介绍用单向可控硅制作的水塔自动供水器 该控制器具有电路简单 元件易购的特点 造价不足十五元钱 由于采用电极通交流控制的方法降低了 水对电板的腐蚀 故性能稳定可靠 工作原理 电路原理如图 12 使用过程中水位下降至 B 点以下时 A B C 断开 V1 由饱和转为截止 V2 导通 同时因 A 断电 V4截止使 V3 饱和导通 进 而使 T1 触发导通 继电器 J 动作 常开触点闭合 水泵开始工作 水位超过 B 点时 B C 点接通 B 点有交流电流通过经 D1 D2 R2 C2 整流向 V1 提控偏 流 V1 饱和使集电极电位下降为 0 3V 使 V2 截止 停止向 T1 提供触发电流 由 于 T1 工作在直流状态下 导通后具有自保持功能 故失去触发电流仍然导通 水泵不会停止工作 直至水位上升至 A 点 A 点亦与 C 点接通 使 V4 正偏导通 V3 截止 致使 J 释放 电机停止工作 由于 V3 的截止 T1 也因失去持续电流 而截止 当水位下降至 A 点以下 V3 再次导通时 因 B 与 C 仍连通 V1 导通 V2 截止 使 T1 没有触发电流 故继电器 J 仍不动作 直到水位降至 B 以下再 次重复上述过程 图 12 中 C1 是用来隔直流的 R2 R8 为放电电阻 元件选择 除 V2 要求穿透电流小外 只要满足 60 的 NPN 型小功率三极管都可使用 D1 D6 选用整流管 1N4001 T1 采用普通单向可控硅 电路只要安装无误 通电即可 正常工作 图 12 17 3 53 5 双向可控硅在电力拖动控制系统中的应用双向可控硅在电力拖动控制系统中的应用 众所周知 电力拖动控制系统的核心问题就是要对拖动工作机械的电动机 进行控制 有触点的自动控制 如接触器 其主要缺点是运行噪声大 触点易 磨损 开关频率低 电磁干扰大 有些生产机械上的接触器要求每小时动作 1500 3000 次 触点一星期就要损坏 用双向可控硅进行控制 寿命大大延长 维修工作量可以大大减少 受到设计和维护人员的好评 双向可控硅的结构 工作原理和特性参数在前面已经详细介绍了 下面就电路 基本原理和主要设备的选用做个简单的介绍 一 电路原理 该电路分主电路和触发电路两部分 主电路由自动空气开关 Q 熔断器 FU FU 双向可控硅 KS KS 三相交流异步电动机 M 组成 双向可控硅采 1313 用电源自行触发方式 触发电路由开关 K 和限流电阻 R 组成 当交流电压处于 正半周时 主电极 T 为正 T 为负 这时只要把开关 K 闭合一下 控制极 G 与 12 主电极 T 之间便加上一个反向触发电压 于是双向可控硅被触发导通 这时相 1 当于 触发方式 当电源电压过零时 双向可控硅就自动阻断 当电源电压 为负半周时 T 为负 T 为正 只要把开关 K 闭合一下 G 和 T 之间就加上一个正 121 向电压也能使双向可控硅触发导通 这时相当于 触发方式 当电源电压重 新过零时 双向可控硅就重新自动阻断 如此周而复始 双向晶闸管就起到一 个交流无触点双向开关的作用 这里的开关 K 可以是继电器的接点 也可以是微动开关 行程开关或晶体 管开关电路 例如 自动生产线中的行车在运行过程中每到一个工位要发出一 个信息 这时可以在每个工位上安装一个挡块 而在行车上安装一个行程开关 每当行车到达工位时 挡块使碰撞行程工关 使接点闭合一次 双向可控硅就 被触发导通 于是由数控系统发出指令 控制生产机械按预先编好的程序自动 运行 实现了生产的自动化 二 电路主要设备的选用 1 自动空气开关 Q 主要作用是接通和分断电路 还可作为线路过载 短 路或欠压保护 选用原则是其额定电流应大于或等于线路的计算电流 例如 37kw 控制异步电动机 可选用 DZ10 100A 的空气开关 2 熔断器 FU FU 异步电动机所用熔断器的主要作短路保护用 它的额 13 定电压应大于或等于电动机的额定电压 其额定电流应按下式选取 I 1 5 2 5 I PNMN 式中 I 熔体的额定电流 A PN 18 I 电动机的额定电流 A MN 3 双向可控硅 KS KS 13 1 普通可控硅在参数表或合格证中给出的额定电流是平均值 而双向可控 硅给出的额定电流是有效值 因此 在利用双向可控硅代替两个并联反接的普 通可控硅时 必须经过换算后再去挑选合格的元件 换算的公式是 I 0 45I TKS 式中 I 普通可控硅额定电流 A T I 双向可控硅额定电流 A KS 从普通可控硅参数系列中可以查到近似的数值为 100A 所以额定电流为 200A 的双向可控硅在作交流双向开关使用时 可以代替两只额定电流为 100A 的普通可控硅 2 由于手册或合格证上给出的数据都是在规定的条件下测定的 而实际工 作条件往往和规条件不同 而且还可能出现实际工作要求超过双向可控硅工作 能力的现象 所以在选定器件的参数时 必须留有余量 因此为了保证管子在 瞬时过电压时不被破坏 应该按额定电压为实际工作电压最大值 2 3 倍的数值 选择双向可控硅 3 由于可控硅的过载能力比一般电磁元件小 为了保证管子不致因电流过 大而烧毁 并考虑到发热情况与电流的有效值有关 应该使双向可控硅的额定 电流 有效值 为实际工作电流最大值的 1 5 2 倍 三 结论 1 双向可控硅无触点功率开关 用于交流异步电动机启动较频繁的场合 一般冶金企业可以大量采用 2 双向可控硅无触点功率开关 可以改善大功率电机启动时对电网的影响 而且动作迅速 寿命长 没有电磁式开关的噪声 振动和火花 能节电降耗 因此近几年来 逐渐获得广泛应用 19 3 63 6 双向可控硅在仪器二次开发中的推广应用双向可控硅在仪器二次开发中的推广应用 双向可控硅电路具有简捷 实用 价廉 通用性强之特点 在旧型号仪器 替代维修中加以推广应用 举一反三 便可达到旧仪器二次开发功效 1 电路原理 双向可控硅可以看成是一对反向并联的普通可控硅 可以大大的简化电路 它属于五层双向三端器件 有两个主电板 T1 和 T2 一个门电极 G 有四种门极 触发方式 且无论正脉冲或负脉冲都能使它触发导通 交流电过零自动关断 所以它的触发电路的设计灵活简便 控制双向可控硅通常取以下两种典型方式 通断控制 即把它作为开关将负载电路与电源接通几个周波 然后再断开 一定周波数 通过改变通断占空比达到调压的目的 起到一个通断频率可调的快 速无触点开关作用如图 13 塑封双向可控硅 KS 外形如图右下方所示 图 13 双向晶闸管开关参考电路 图 14 双向晶闸交流调压参考电路 相位控制 是将它在交流电源电压每一周期中 在选定的时刻内将负载与电 源接通 改变选定的时刻就是通过移相电路达到改变导通角调压 如图 14 双向 触发二极管 DS 五层双向两端器件 与 R C检成简单触发电路 调节电位器 R WW 20 阻值即可改变触发脉冲的相位 从而使负载得到大约自零到满压的可调交流 W 电压有效值 RC 串联电路用来吸收高次谐波保护双向可控硅目的 用以上两种方式制成交流调压或开关装置体积很小 独立性和通用性很强 且无触点连续可调 在替代维修中固定在被换代的老式调压 调速 调温及调 光控制器的原位置 根据所带负载大小 选择不同电流的双向可控硅 KS 并在 此塑封管背面加以足够面积的散热片 下面通过几例实验室常用旧仪器易损部 位的替代维修 以期达到二次开发利用 2 维修实例 1 自祸式交流接触调压器 参照图 2 电路 P P 端负载功率 12 3Kw 1kW 500W 分别采用 20A 600V 10A 600V 5A 600V 的双向可控硅 KS 并要有 一倍以上的耗散功率余量 直接替代后只能降压不能升压 且有一定最低电压 2 电磁式或电动式电热搅拌器 拆去已损的原为单相感应电机提供 25W 50W 电感性负载调速板或其它变阻器之类 选图 14 电路 P P 端接入 择 12 2A 600V 的 KS 已足够 调压电位器 R端串上适当电阻 使搅拌电机无起动死 W 角 对可调电热加热部份加电阻性负载 方法同上 3 旋转蒸发器 卸去毁坏的调速测速电路板块 选用图 14