《电子技术基础（第二版）》 课件 课题五 晶闸管及其应用

电子技术基础（第二版）249课题五晶闸管及其应用250晶闸管及其应用251任务一任务二晶闸管调光灯电路单结晶体管触发电路252任务一晶闸管调光灯电路学习目标253了解晶闸管的结构、图形符号和型号意义，熟悉其工作特性和主要参数理解晶闸管可控整流电路的原理掌握晶闸管调光灯电路的工作原理、安装、调试与检修任务引入254在书房里经常能看到调光台灯，如图5-1-1所示。调光台灯可通过调节流过白炽灯的电流大小控制灯光强弱，能有效保护视力。本任务是利用双向晶闸管制作调光灯电路，并掌握调光灯电路的工作原理和调试、检修方法，其电路板如图5-1-2所示。图5-1-1调光台灯图5-1-2晶闸管调光灯电路板255相关知识一、晶闸管晶闸管是晶体闸流管的简称，又称为可控硅整流管，俗称可控硅(SCR)。晶闸管不仅具有硅整流器的特性，更重要的是能以小功率信号控制大功率系统，可作为强电与弱电的接口，高效完成对电能的转换和控制。晶闸管的种类很多，包括普通型(单向型)、双向型、可关断型、快速型、光控型等，其中，普通晶闸管应用最广泛。256相关知识1.普通晶闸管的结构和图形符号普通晶闸管的结构如图5-1-3a所示，内部由PNPN四层半导体材料构成，中间形成三个PN结，外层P型半导体区引出阳极A，外层N型半导体区引出阴极K，中间P型半导体区引出控制极(或称为门极)G。普通晶闸管的图形符号如图5-1-3b所示。普通晶闸管的外形包括塑封式(小功率)、平板式(中功率)和螺栓式(中、大功率)等，其中，平板式晶闸管的外形如图5-1-3c所示。平板式和螺栓式晶闸管使用时固定在散热片上。257相关知识1.普通晶闸管的结构和图形符号图5-1-3普通晶闸管的结构、图形符号和外形a)结构b)图形符号c)外形258相关知识2.普通晶闸管的工作特性(1)正向阻断当晶闸管阳极与阴极间加正向电压，但控制极未加正向电压时，晶闸管不能导通，这种状态称为晶闸管的正向阻断。(2)触发导通当晶闸管阳极与阴极间加正向电压，且控制极与阴极间加一定大小和时间的触发电压时，晶闸管导通，这种状态称为晶闸管的触发导通。晶闸管一旦导通，控制极就失去了控制作用。要使晶闸管关断，必须减小晶闸管的正向电流，使其小于维持电流，晶闸管即可关断。259相关知识2.普通晶闸管的工作特性(3)反向阻断当晶闸管阳极与阴极间加反向电压时，不管控制极加怎样的电压，晶闸管都将关断，这种状态称为晶闸管的反向阻断。260相关知识3.普通晶闸管的主要参数(1)断态重复峰值电压UDRM控制极开路而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管阳极与阴极间的正向峰值电压。若加在晶闸管阳极与阴极间的正向电压大于UDRM，晶闸管可能会失控而自行导通。(2)反向重复峰值电压URRM控制极开路而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管阳极与阴极间的反向峰值电压。若加在晶闸管阳极与阴极间的反向电压大于URRM，晶闸管可能会被击穿而损坏。通常把UDRM和URRM中较小的那个数值作为晶闸管型号中的额定电压。在选用晶闸管时，额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍，以保证电路的工作安全。261相关知识3.普通晶闸管的主要参数(3)通态平均电流IT(AV)在规定的环境温度和散热条件下，结温为额定值时，允许连续通过晶闸管的工频正弦半波电流的平均值。需要注意的是，如果晶闸管的导通时间远小于正弦波的半个周期，即使通态平均电流没有超过额定值，但峰值电流也将非常大，可能超过晶闸管所能承受的极限。(4)通态平均电压UT(AV)在规定的环境温度和散热条件下，晶闸管导通并通过工频正弦半波额定电流时，晶闸管阳极与阴极间压降的平均值，一般为0.4~1.2V。262相关知识3.普通晶闸管的主要参数(5)维持电流IH在规定的环境温度下而控制极开路时，维持晶闸管持续导通所需要的最小电流，一般为几十到几百毫安。(6)控制极触发电流IGT在规定的环境温度下，晶闸管阳极与阴极间加一定的正向电压时，能安全地触发晶闸。管导通所需的最小控制极电流，一般为毫安级。(7)控制极触发电压UGT产生控制极触发电流所需要的控制极电压，一般为5V左右。263相关知识4.双向晶闸管双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，不仅能代替两只反极性并联的普通晶闸管，而且仅用一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。双向晶闸管广泛应用于工业、交通、家电领域，能实现交流调压、交流调速、交流开关和调光等多种功能，此外，还被用在固态继电器和固态接触器电路中。264相关知识4.双向晶闸管双向晶闸管的结构和图形符号如图5-1-4所示，其内部是一个三端NPNPN五层半导体结构，可看作是将具有公共控制极G的一对反向并联的普通晶闸管集成在同一块硅片上，电极T1和控制极(门极)G在芯片的正面，电极T2在芯片的背面，控制极区的面积远小于其余面积。265相关知识4.双向晶闸管由图5-1-4a可知，控制极G距电极T1较近，距电极T2较远，因此，G-T1间的正、反向电阻值均较小，而G-T2、T2-T1间的正、反向电阻值均为无穷大。由于双向晶闸管可以双向导通，因此两个电极T1、T2统称为主电极，不再划分为阳极或阴极。当控制极G和主电极T2相对于主电极T1的电压均为正时，T2为阳极，T1为阴极；反之，当控制极G和主电极T2相对于主电极T1的电压均为负时，T1为阳极，T2为阴极。266相关知识4.双向晶闸管图5-1-4双向晶闸管的结构和图形符号a)结构b)图形符号267相关知识4.双向晶闸管双向晶闸管的主电极T1、T2无论加正向电压还是加反向电压，其控制极G的触发信号无论是正向还是反向，它都能被触发导通，因此，双向晶闸管正、反两个方向都能导通，输出的不是直流而是交流。通常情况下，双向晶闸管包括以下四种触发方式:T2为正，T1为负，G相对T1为正。T2为正，T1为负，G相对T1为负T2为负，T1为正，G相对T1为正T2为负，T1为正，G相对T1为负上述四种触发方式所需要的触发电流是不一样的，触发方式(1)和触发方式(4)所需要的触发电流较小，而触发方式(2)和触发方式(3)所需要的触发电流较大。在使用时，一般采用触发方式(1)和触发方式(4)。268相关知识5.晶闸管的型号意义国产晶闸管的型号主要由四部分组成，各组成部分的意义见表5-1-1。表5-1-1国产晶闸管型号组成部分的意义269相关知识5.晶闸管的型号意义第一部分用字母“K”表示晶闸管。第二部分用字母表示晶闸管的类别。第三部分用数字表示额定通态平均电流。第四部分用数字表示额定电压。例如，KP1-2(1A、200V普通反向阻断型晶闸管)：K———晶闸管；P———普通反向阻断型；1———额定通态平均电流1A；2———额定电压200V。又如，KS5-4(5A、400V双向晶闸管)：K———晶闸管；S———双向型；5———额定通态平均电流5A；4———额定电压400V。270相关知识二、晶闸管可控整流电路(1)电路组成将单相半波整流电路中的整流二极管换成晶闸管即构成单相可控半波整流电路，如图5-1-5a所示。1.单相可控半波整流电路271相关知识1.单相可控半波整流电路(2)工作原理分析单相可控半波整流电路的波形如图5-1-5b所示。1)在ωt=0~α期间，u2为正半周，晶闸管V的阳极与阴极间加正向电压，此时控制极未加触发脉冲，晶闸管V处于正向阻断状态，输出电压uL=0。2)在ωt=α时，加入触发脉冲ug，晶闸管V触发导通。3)在ωt=α~π期间，尽管触发脉冲ug已经消失，但是晶闸管V仍保持导通，直到u2过零(ωt=π)时，通过晶闸管V的正向电流小于其维持电流，晶闸管自行关断。在此期间，uL=u2，极性为上正、下负。4)在u2为负半周时，晶闸管V的阳极与阴极间加反向电压，处于反向阻断状态，输出电压uL=0。272相关知识1.单相可控半波整流电路图5-1-5单相可控半波整流电路及其波形a)电路组成b)波形273相关知识1.单相可控半波整流电路晶闸管在一个周期内阳极与阴极间加正向电压而不导通的范围称为控制角α，导通的范围称为导通角θ，显然θ=180-α。控制角α越小，导通角θ越大，负载上输出电压平均值UL越大，改变控制角α的大小，就可以调整UL的大小。274相关知识1.单相可控半波整流电路(3)主要参数计算输出电压平均值输出电流平均值晶闸管承受的最高正向电压晶闸管承受的最高正向电压通过晶闸管的电流平均值275相关知识2.单相半控桥式整流电路(1)电路组成将单相桥式整流电路中的两只整流二极管换成晶闸管即构成单相半控桥式整流电路，如图5-1-6a所示。276相关知识2.单相半控桥式整流电路(2)工作原理分析单相半控桥式整流电路的波形如图5-1-6b所示。1)在ωt=0~α期间，u2为正半周，晶闸管V1和二极管V4加正向电压，此时控制极未加触发脉冲，晶闸管V1处于正向阻断状态，输出电压uL=0。2)在ωt=α时，加入触发脉冲ug，晶闸管V1触发导通。3)在ωt=α~π期间，尽管触发脉冲ug已经消失，但是晶闸管V1仍保持导通，直到u2过零(ωt=π)时，晶闸管V1自行关断。在此期间，uL=u2，极性为上正、下负。4)在u2为负半周时，晶闸管V2和二极管V3加正向电压，只要触发脉冲ug到来，晶闸管V2就会导通，负载上仍然得到上正、下负的电压。277相关知识2.单相半控桥式整流电路图5-1-6单相半控桥式整流电路及其波形a)电路组成b)波形278相关知识(3)主要参数计算输出电压平均值输出电流平均值晶闸管承受的最高正向电压晶闸管承受的最高反向电压通过晶闸管的电流平均值2.单相半控桥式整流电路279相关知识2.单相半控桥式整流电路图5-1-7所示为另外一种单相可控桥式整流电路，只使用一只晶闸管V5，其作用相当于串联在负载电路中的开关，电路的分析计算与单相半控桥式整流电路一样。图5-1-7使用一只晶闸管的单相可控桥式整流电路280相关知识3.三相半控桥式整流电路图5-1-8所示为最常用的三相半控桥式整流电路，图中六只整流器件分为两组，一组是晶闸管V1、V2、V3接成共阴极组，三只晶闸管的阳极分别接在三相电源上，因此，任何时刻总有一只晶闸管的阳极电位最高，若在其控制极加触发脉冲，它将被触发导通;另外一组是整流二极管V4、V5、V6接成共阳极组，三只二极管的阴极分别接在三相电源上，因此，任何时刻总有一只二极管阴极电位最低而处于导通状态。图5-1-8三相半控桥式整流电路281相关知识三、晶闸管调光灯电路双向二极管是与双向晶闸管同时问世的，常用来触发双向晶闸管，其结构、图形符号、等效电路及伏安特性曲线如图5-1-9所示。它是NPN三层对称性质的二端半导体器件，等效于基极开路、发射极与集电极对称的NPN型三极管，其正、反向伏安特性完全对称。当双向二极管两端的电压小于正向转折电压UBO时，呈高阻态；当两端电压大于UBO时，进入负阻区。同样，当两端电压小于反向转折电压UBR时，也进入负阻区。双向二极管的正向转折电压UBO一般包括三个等级：20~60V、100~150V、200~250V。1.双向二极管282相关知识1.双向二极管图5-1-9双向二极管a)结构b)图形符号c)等效电路d)伏安特性曲线283相关知识2.晶闸管调光灯电路的工作原理图5-1-10a所示为双向晶闸管V1与双向二极管V2等构成的调光灯电路，其波形如图5-1-10b所示。一般情况下，双向二极管V2处于高阻截止状态，只有当加到双向二极管V2上的外加电压高于其转折电压时，双向二极管才会导通。电路接通交流电源后，当交流电源电压处于正半周时，则通过白炽灯EL、电位器RP、电阻器R2对电容器C充电，当电容器C上的充电电压达到双向二极管V2的正向转折电压时，V2导通，给双向晶闸管V1的控制极加入正向触发脉冲ug，V1正向导通，白炽灯EL得到相应的正半周交流电压。在电源电压过零瞬间，通过双向晶闸管V1的电流小于其维持电流而自行关断。284相关知识2.晶闸管调光灯电路的工作原理当交流电源电压处于负半周时，电源对C反向充电，C上的电压为下正、上负，当C上的电压达到双向二极管V2的反向转折电压时，V2导通，给双向晶闸管V1的控制极加入反向触发脉冲ug，V1反向导通，白炽灯EL得到相应的负半周交流电压。电容器C通过限流电阻器R1、双向二极管V2对双向晶闸管V1控制极放电，触发双向晶闸管导通。285相关知识2.晶闸管调光灯电路的工作原理通过改变电位器RP的电阻值可以改变电源对电容器C充电的速度，也就改变了双向晶闸管V1的导通角。由于双向二极管的双向转折特性，电容器可在两个方向对双向晶闸管控制极放电，形成触发脉冲，实现交流调压，从而改变通过白炽灯的电流(平均值)实现连续调光。如果将白炽灯换成电熨斗、电热褥，也可实现连续调温。双向二极管省去了桥式整流回路，使电路变得简单可靠。286相关知识2.晶闸管调光灯电路的工作原理图5-1-10晶闸管调光灯电路及其波形a)电路组成b)波形287任务二单结晶体管触发电路学习目标288了解单结晶体管的结构、图形符号和工作特性熟悉单结晶体管的识别检测方法掌握微风扇调速电路的工作原理、安装、调试与检修任务引入289在本课题任务1的晶闸管调光灯电路中，双向晶闸管利用双向二极管提供触发信号进行触发。实际应用中，晶闸管的触发信号也可以由单结晶体管触发电路提供。在炎热的夏季，有时会用微风扇进行降温，如图5-2-1所示，转速越快，人体感觉越凉快，微风扇的转速是由调速电路控制的，其中的晶闸管就是利用单结晶体管触发电路进行触发的，其输出波形如图5-2-2所示。图5-2-1微风扇图5-2-2单结晶体管触发电路的输出波形任务引入290微风扇调速电路板如图5-2-3所示，本任务是通过微风扇调速电路的安装、调试与检修，掌握单结晶体管触发电路的工作原理及其在微风扇调速电路中的运用。图5-2-3微风扇调速电路板291相关知识一、单结晶体管单结晶体管又称为双基极二极管，其结构如图5-2-4a所示，内部只有一个PN结，从P型半导体区引出的电极为发射极E，从N型半导体区引出两个电极，分别称为第一基极B1(b1)和第二基极B2(b2)。1.单结晶体管的结构、图形符号和外形292相关知识

1.单结晶体管的结构、图形符号和外形293相关知识1.单结晶体管的结构、图形符号和外形图5-2-4单结晶体管a)结构b)图形符号c)等效电路294相关知识1.单结晶体管的结构、图形符号和外形单结晶体管的外形如图5-2-5所示，其外形和普通小功率三极管相似，常见型号包括BT31、BT33、BT35等，其中“B”表示半导体，“T”表示特种管，“3”表示3个电极，第四位数字表示耗散功率分别为100mW、300mW、500mW等。295相关知识2.单结晶体管的工作特性单结晶体管的伏安特性曲线如图5-2-6所示。在单结晶体管两个基极B1和B2之间加电压UBB，在发射极E和第一基极B1之间加可变电压UE。当UE<UA(UA=ηUBB)时，PN结截止，单结晶体管也截止，对应曲线中P点之前的区域，称为截止区。当UE达到峰点电压UP时，PN结开始导通，单结晶体管也开始导通，UP=Uon+UA，其中Uon为PN结的开启电压。随着IE的增大，RB1显著减小，UE相应下降，直至下降到谷点电压UV。在这一区域，单结晶体管具有明显的负阻特性，该区域称为负阻区。296相关知识2.单结晶体管的工作特性在谷点之后，当调大UE使IE继续增大时，UE略有上升，但是变化不大，对应曲线中V点之后的区域，称为饱和区。当发射极电压减小到UE<UV时，单结晶体管将重新截止。不同单结晶体管有不同的UP和UV；同一只单结晶体管，如果UBB不同，相应的UP和UV也不同。在触发电路中常选用UV低一些或IV大一些的单结晶体管。图5-2-5单结晶体管的外形图5-2-6单结晶体管的伏安特性曲线297相关