汽车电工与电子技术 课件 项目7、8 晶闸管及其应用、数字电路基础

项目7

晶闸管及其应用(8-3)晶闸管（Thyristor）[别名：可控硅（SCR)]

它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的应用由弱电领域扩展到强电领域。

体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）、使用维护简单。

特点种类

有普通型、双向型、可关断型和快速型等。应用领域逆变

可控整流（交流直流）斩波（直流交流）变频（交流交流）（直流直流）此外还可作无触点开关等(8-4)晶闸管的基础知识1.

结构A（阳极）P1P2N1PN结N2K（阴极）G（控制极）晶闸管外形内部结构图形符号a)塑封式小容量b)、c）型螺旋式中等容量d）平板式大容量AKGJ1J2J3(8-5)KAA工作原理分析示意图AIGßIGßßIGKAP1GT1T2GG两种工作状态:导通与截止（阻断）J1J3J2P2PPPN1NNNN2SBUG+-+-UARAIAT1T2GSBUG+--+UARAA导通截止T1T2+-+-UARAKAGSBUG阻断工作过程UAK

>0

、UGK>0时T1导通T2导通形成正反馈一步导通，晶闸管迅速饱和导通；IB1=

IGIC2=

IB2=IB1IC1=ßIB1=bIG=IB2UAK

<0

、UGK≥0时,晶闸管截止。KK正反馈T1进迅速饱和导通(8-6)（1）晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）；（2）晶闸管正向导通后，令其截止，必须减小UAK，或加大回路电阻，使晶闸管中电流的正反馈效应不能维持。晶闸管导通后，去掉UGK，依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；晶闸管截止的条件：

晶闸管具有单向导电性正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号；晶闸管一旦导通，控制极失去作用。若使其关断，必须降低UAK或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。结论(8-7)3.

(1)晶闸管伏安特性IG1=0AIG2IG3正向反向URRMIAIHITUDSMUDRMUAKURSM0IG3>IG2>IG1

正向特性：控制极开路时，随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当U=UDSM时，晶闸管自动导通。UAK

—

阳极、阴极间的电压I

—

阳极电流

反向特性：随反向电压增加，反向漏电流稍有增加，当U=URSM

时，反向击穿。UDRM：断态重复峰值电压，一般

UDRM=80%UDSM,普通约为100V~3000V

。URRM：反向重复峰值电压。一般URRM=80%URSM。普通约为100V~3000V。IT：额定正向平均电流。当环境温度为40℃时,在电阻性负载，导电角不小于170o的电路中，晶闸管允许的最大平均电流。普通晶闸管IT1A~1000A。(2)①②

IH：维持电流。在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十到一百多毫安。③

UDSM：断态不重复峰值电压—正向转折电压。正常工作时,UAK应小于UDSM

。URSM：反向不重复峰值电压。正常工作时，反向电压必须小于URSM。⑧

④⑤⑥UT

：正向管压降平均电压。在规定的条件下，晶闸管导通电流为IT时，阳、阴两极间的电压平均值。一般约为1V。⑦UG、IG：控制极触发电压和电流。在室温下，UAK为直流6V时，使晶闸管完全导通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。(8-8)IT含义说明t

2

IT0iT晶闸管型号通态平均电压（UT）额定电压级别（UDRM）P—普通晶闸管K—快速晶闸管S—双向晶闸管晶闸管晶闸管类型K额定通态平均电流（IT）(8-9)晶闸管电压、电流级别额定通态电流（IT）通用系列为1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A等14种规格。额定电压（UDRM）通用系列为：1000V以下的每100V为一级，1000V到3000V的每200V为一级。通态平均电压（UT）等级一般用A~I字母表示，由0.4~1.2V每0.1V为一级。(8-10)可控整流电路1.单相半波可控整流电路电阻性负载电路及工作原理

u2>0时，加上触发电压uG

，晶闸管导通。且uL

的大小随uG

加入的时刻而变化；u2<0时，晶闸管不通，uL=0。故称可控整流。u2uTuLAGKRL（1）u2uGuLuT

u1工作波形

：控制角

：导通角输出电压及电流的平均值tttt0000(8-11)（2）电感性负载电路及工作原理DuLu2uTu2正半周时晶闸管导通，u2过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内仍维持导通，失去单向导电作用。D称为续流二极管,加入D的目的就是消除反电动势的影响。Au1工作波形（不加续流二极管）

u2ttttuGuLuT加续流二极管后工作波形t

tILAVuLuT（3）电压与电流的计算（加入续流二极管后的情况）负载中的电压及电流ULAV=

ILAV当

L>>R时，ILAV在整个周期中可近似看做直流。RLGK(8-12)晶闸管电压选择步骤

根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向重复峰值电压。一般取：UDRM

=URRM=（1.5~2）U2M

根据UDRM

、URRM选取晶闸管电压的额定值晶闸管电流选择ITM=（3~3.5）IT(8-13)ITAV=晶闸管的中电流IT=平均值:有效值:晶闸管的选择晶闸管电压>

（1.5~2）U2M晶闸管电流>

（1.5）×(8-14)单相全波可控整流电路电阻性负载桥式可控整流电路（1）电路及工作原理u2>0的导通路径：u2+T1

RLD2

u2-T1T2D1D2RLuLu2+-T1T2D1D2RLuLu2-+u2<0的导通路径：u2+T2

RLD1

u2-（2）工作波形tttt

u2uGuLuT1（3）输出电压及电流的平均值ULAV=ILAV=(8-15)电感性负载桥式可控整流电路u2T1T2D1D2DuLRL

该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。两种常用可控整流电路的特点电路特点u2TD2D1D4uLRLD3该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。晶闸管和负载上的电流相同。（1）电路组成晶闸管起调压作用。（2）电路组成T1T2D1D2u2uLRL

该电路接入电感性负载时，D1、D2

便起续流二极管作用。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。T1T2D1D2RuLu2E+-带反电动势负载的可控整流电路该电路的工作过程。画出uL、iL的工作波形。触发电路1.单结晶体管工作原理（发射极）B2B1PNEB2B1RB2RB1(1)结构等效电路（2）工作原理B2RB1RB2B1AUBBuE<UA+UF=UP

时，PN结反偏，iE很小；uE

UP时，PN结正向导通,iE迅速增加。

PN结管内基极体电阻

--分压比(0.35~0.75)UP--峰点电压UF--PN结正向导通压降(第二基极)（第一基极）（3）特性和参数

UEUVIV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。IE0UV、IV

—谷点电压、电流（维持单结管导通的最小电压、电流。）UP—

峰点电压（单结管由截止变导通所需发射极电压。）E单结管符号EB2B1单结管重要特点UAUE<UV时单结管截止；UE>UP时单结管导通。iEEIP截止区UPRB1+RB2一般为2~15千欧。单结晶体管振荡电路ucttuouvup振荡波形R1R2RCUuCu0EUp-UD

随电容的充电，uC逐渐升高。当uC

UP

时，单结管导通。然后电容放电，R2上便得到一个脉冲电压。UP、UV

—峰点、谷点电压UD

—PN结正向导通压降00

电容放电至uC

uV时，单结管重新关断，使

u0

0。单结晶体管触发电路R1起温度补偿作用注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡。振荡过程分析

利用单结晶体管的负阻特性和RC电路的充放电特性，组成频率可变的振荡电路。

单结管触发的可控整流电路主电路u2uabU2MU2Mucb削波整流UZ波形关系udb电容充、放电ueb触发脉冲UP-UDUPUVttttt00000uL0t输出电压u2>0的导通路径：u3+(A)T1

RLD2

u3-(B)u2<0的导通路径：u3+(B)

T2

RLD1

u3-(A)u1T1T2D1D2uLu3R2aR1RPCu2RbcdeDZ触发电路RLuCAB思考题

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？触发电路中，整流后为什么加稳压管？2.1.问题讨论

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？

目的是：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。1.触发电路中，整流后为什么加稳压管？

稳压管的作用是：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。2.TheEnd!数字电路Thedigitalcircuit

在电子电路中，描述各种物理量的电信号分为模拟信号(Analogsignal)和数字信号（Digitalsignal）

两大类。为了便于信息存储、分析和传输，常常将模拟信号转换成数字信号，利用数字逻辑这一强有力的工具来分析和设计复杂的数字电路或数字系统。了解数字电路的基本概念和特点，各种数制与码制及其转換规律，能叙述逻辑代数和其运算法则。掌握各种门电路、触发器、寄存器、计数器等电路的原理及逻辑功能。了解555定时器的工作原理。掌握常用汽车集成电路在汽车电子电路中的具体应用。能查阅相关数字电路手册，了解各种数字集成电路的引脚排列、性能特点和使用方法。学习目标6.1组合逻辑门电路6.1.1数字电路的基本概念1．数字信号数字信号：随时间不连续变化和突变的电信号，也称为脉冲信号。（1）脉冲幅度A：脉冲信号变化的最大值。（2）脉冲上升时间tr：从脉冲10%的幅度上升到90%所需的时间。（3）脉冲下降时间tf：从脉冲90%的幅度下降到10%所需的时间。（4）脉冲宽度tp：从上升沿50%幅度到下降沿50%幅度所需时间。（5）脉冲周期T：周期性脉冲信号前后两次出现的间隔时间。（6）脉冲频率f：单位时间内的脉冲数。2．数字电路的特点信号方面：为脉冲信号，只有“有”和“无”（或“大”和“小”）两种信号状态。数字电路对信号易于识别，抗干扰能力较强。结构方面：多采用集成电路。分析方法方面：主要研究电路的输入端与输出端之间的逻辑关系。功能方面：它可以方便地对信号进行各种运算处理；还可以模拟人脑进行逻辑判断、逻辑思维，因此可以制成数字电子计算机，使设备装置实现智能化。

正逻辑：高电平用“1”表示，低电平用“0”表示。6.1.2

数制与编码1．数制表示数值大小的各种计数方法称为计数体制，简称数制。二进制数转换成十进制数的方法是按权展开，再求各位数值之和。1．数制十进制整数转换为二进制数的常用方法是除二取余法。2．编码用数字或某种文字符号来表示某一对象和信号的过程叫编码。在数字系统中，任何信息包括各种特定的对象、信号等需要转化为二进制代码来处理。

将十进制数的0~9十个数字用二进制数表示的代码，称为二－十进制码，又称BCD码。

常用的二－十进制码为8421BCD码，它取了四位自然二进制数的前10种组合，即0000(0)～1001(9)。

8421BCD码二进制十进制二进制十进制0000001106

0001101117

00102

100080011310019

01004010156.1.3逻辑门电路(Logicgate)1．基本逻辑门电路（1）逻辑与和与门电路逻辑表达式：Y=A·B=AB

输入AB输出Y000010100111

与门状态表

逻辑关系：有0出0，全1为1。&ABY（2）逻辑或和或门电路逻辑表达式：Y=A+B

或门状态表

逻辑关系：有1出1，全0出0。输入AB输出Y000011101111≥1

ABY（3）逻辑非和非门电路逻辑表达式：

非门状态表

逻辑关系：入1出0，入0出1。AY01101YA2．复合逻辑门电路（1）与非门电路逻辑关系：有0出1，全1出0。逻辑表达式：

（2）或非门电路逻辑关系：有1出0，全0出1。逻辑表达式：

（3）异或门电路逻辑关系：同则出0，不同出1。逻辑表达式：

（4）同或门电路逻辑关系：同则出1，异则出0。逻辑表达式：

3．集成逻辑门电路（1）TTL与非门电路对于TTL门电路，接地或串联小电阻接地，相当于接低电平；接电源、悬空或串联大电阻接地相当于接高电平。（2）TTL三态输出与非门当EN有效时，相当于与非门；当EN无效时，不管A、B的状态如何，输出端开路，总处于高阻态或禁止状态。图6.17三态输出与非门逻辑符号6.1.4组合逻辑电路1．逻辑代数运算法则与定律（1）基本运算规则（2）基本代数规律（3）吸收规则（4）反演定理2．组合逻辑电路的分析(Theanalysisoftheassemblylogiccircuit)（1）由逻辑图写出各输出端的逻辑表达式；（2）化简和变换各输出端的逻辑表达式；（3）列出真值表；（4）根据真值表和逻辑表达式对逻辑进行分析，最后确定其功能。

步骤：3．组合逻辑电路的设计（1）对设计要求进行分析，确定输入、输出变量，及它的逻辑赋值（什么时候为1，什么时候为0）；（2）根据逻辑功能列出真值表，如果状态赋值不同，得到的真值表也不一样；（3）根据真值表写出逻辑表达式；（4）简化和变换逻辑表达式，从而画出逻辑图。

步骤：4．编码器(encoder)用文字、符号或数码表示特定对象的过程称为编码(coding)。在数字电路中用二进制代码表示有关信号，称为二进制代码。用来完成编码工作的逻辑电路称为编码器。将某种信号编成二进制代码的电路称为二进制编码器。（1）二进制编码器二–十进制编码器执行的逻辑功能是将十进制数的0～9十个数编为二–十进制代码，由4位二进制代码来表示。（2）二–十进制编码器5．译码器(decoder)译码器是编码器的逆过程，它的功能是将二进制代码按编码时的原意转换为相应的信息状态。能实现译码功能的电路称译码器。8421BCD译码器是常用的能将二进制代码译成对应输出信号的数字电路。（1）3线–8线译码器把4位BCD代码0000~1001译成10个高、低电平输出信号，又称4线–10线（4/10）译码器。（2）二–十进制译码器（3）显示译码器最常用的显示译码器是直接驱动半导体数码管的七段显示译码器。6.2时序逻辑电路(Temporallogiccircuit)触发器是组成时序逻辑电路的基本部件。它在某一时刻的输出状态不仅与该时刻的输入信号有关,还与电路原来的输出状态有关。时序逻辑电路的特点：触发器分为：RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器。

（1）具有0和1两个稳定状态。在触发信号作用下,可以从一种稳定状态转换到另一种稳定状态。

（2）具有记忆功能。

触发器的状态不仅和当时的输入有关,而且和以前的输出状态有关,这是触发器和门电路的最大区别。双稳态触发器的特点：6.2.1集成触发器(Thet