《低频电子线路分析》-低频电子线路分析-第九章

9.1可控硅工作原理9.1.1单向可控硅工作原理1.单向可控硅的伏安特性单向可控硅的阳极A和阴极K间的电压UAK和阳极电流IA以及控制极电流IG之间的关系称为可控硅的伏安特性，若用曲线表示这种关系，则称为伏安特性曲线，曲线分为正向特性和反向特性两部分，如图9.1所示。1)正向特性当可控硅的阳极电压为正，即UAK>0时，具有如下正向特性。下一页返回9.1可控硅工作原理(1)正向阻断状态:若控制极不加触发信号即IG=0时，此时可控硅处于截止状态，由于UAK的存在，可控硅呈现很大的电阻，处于正向阻断状态。(2)负阻状态:若控制极不加触发信号即IG=0时，此时如果UAK增大到正向转折电压时，可控硅会突然导通。此时可控硅可以通过较大的电流，而且压降很小，这种导通方法不是由控制极的控制而使可控硅导通的，极易造成可控硅因击穿而损坏，因此在可控硅的使用当中应避免这种情况的出现。(3)正向导通状态:若控制信号UGK增大到使T1和T2均饱和导通时，整个可控硅处于导通状态，导电特性如图9.1中的BC段，此时的伏安特性与二极管的正向伏安特性相似。可控硅的压降很小，但是通过的电流很大。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理2)反向特性当可控硅的阳极电压为负即UAK<0时，具有如下反向特性。(1)反向阻断状态:如果可控硅的阳极A与阴极K之间的电压为负即UAK<0，此时，UGK将不再起控制作用，可控硅处于反向阻断状态。(2)反向击穿状态:当UAK<0且UAK的值超过UBR时，PN结J1和J3均会被击穿，电流急剧增大，如果维持这种情况可控硅可能会被烧毁。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理2.单向可控硅的工作过程单向可控硅在正常工作的时候，其阳极A与阴极K之间应加正向电压，即满足UAK>0;同时控制极G和阴极K之间加正向控制电压，即UGK>0，且UAK>UGK。具体工作过程可用图9.2所示等效电路分析。(1)当UGK<=0时，可控硅内部等效的两个三极管T1和T2均处于截止状态，此时可控硅处于截止状态。(2)当阴极和控制极之间的电压UGK逐渐增大，并满足UGK>UT时，T1首先导通，进而导致IC1增大，使T2也导通。至此，两个等效三极管均处于导通状态，由于IC1的作用，即使撤去UGK，只要UAK继续存在，可控硅就将一直处于导通状态。这一过程称为导通过程。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理(3)可控硅处于维持导通状态，控制极G就不再起控制作用。如果此时需要使已经导通的可控硅关断，可以使UAK逐渐减小直至切断阳极A的电流，使之不能维持反馈。这一过程称为正向阻断过程。(4)如果可控硅的阳极A与阴极K之间接反向电压即UAK<0，可控硅将处于阻断状态。这一过程称为反向阻断过程。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理9.1.2双向可控硅工作原理1.双向可控硅的伏安特性如图9.3所示为双向可控硅的伏安特性曲线，将此图与单向可控硅特性曲线比较可看出双向可控硅的特性曲线与单向可控硅类似，只是双向可控硅正负电压均能导通。所以第三象限曲线与第一象限曲线类似，故双向可控硅可视为两个单向可控硅反相并联，双向可控硅的A1-A2的击穿电压也不同，即可看出正负半周的电压皆可以使双向可控硅导通。一般使双向可控硅截止的方法与单向可控硅相同，即设法降低两阳极间的电流到保持电流以下，双向可控硅即截止。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理2.双向可控硅的触发双向可控硅的触发与单向可控硅相似，可用直流信号、交流相位信号与脉冲信号来触发，所不同的是UA1-A2为负电压时，仍可触发双向可控硅。3.双向可控硅的相位控制双向可控硅的相位控制与单向可控硅很类似，但因双向可控硅能双向导通，在正负半周均能触发,可作为全波功率控制之用。因此双向可控硅除具有单向可控硅的优点，更方便交流功率控制。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理图9.4(a)为双向可控硅相位控制电路。电子技术中，常把交流电的半个周期定为

，称为电角度。这样，在交流电的正、负半周，从规定时刻(通常为零值)，开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角;晶闸管导通期间所对应的电角度叫导通角。在图9.4(a)中，适当调整触发电路的RC时间常数即可改变它的控制角。图9.4(b),(c)分别是控制角为

和导通角

时的UA1-A2及负载的电压波形。一般双向可控硅所能控制的负载远比单向可控硅小，大体上而言约在600V,40A以下。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理9.1.3可控硅的辨别与检测1.常见可控硅的型号图9.5所示为常见可控硅的参数标注。可控硅的种类较多，其他代号还有:K——快速型,S——双向型,N——逆导型以及G——可关断型等。如KS100——12G表示的是额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降为1V的双向可控硅。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理2.用万用表区分单向可控硅的三个电极单向可控硅的三个电极可以用万用表欧姆RX100挡来测定。晶闸管G,K之间是一个PN结，相当于一个二极管，G为正极、K为负极。所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理3.用万用表判定双向可控硅的三个电极1)判定T2极在RX1挡测任意两脚之间的电阻时，只有在G-A1之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧，而A2-G,A2-A1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明，如果测出某脚和其他两脚都不通，就肯定是A2极。另外，采用T0-220封装的双向可控硅，A2极通常与小散热板连通，据此亦可确定A2极。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理2)区分G极和A1极(1)找出A2极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为A1极，另一脚为G极。(2)把黑表笔接A1极，红表笔接A2极，电阻为无穷大。接着用红表笔尖把A2与G短路，给G极加上负触发信号，电阻值应为十欧左右，证明管子已经导通，导通方向为A1-A2。再将红表笔尖与G极脱开(但仍接A2，若电阻值保持不变，证明管子在触发之后能维持导通状态。上一页下一页返回9.1可控硅工作原理(3)把红表笔接A1极，黑表笔接A2极，然后使A2与G短路，给G极加上正触发信号，电阻值仍为十欧左右，与G极脱开后若阻值不变，则说明管子经触发后，在A2-A1方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。否则是假定与实际不符，需再作出假定，重复以上测量。显见，在识别G、A1的过程中，也就检查了双向可控硅的触发能力。无论按哪种假定去测量，都不能使双向可控硅触发导通，否则证明管子已损坏。上一页返回9.2可控硅的典型应用电路9.2.1可控硅整流电路1.单相半波可控整流电路把不可控的单相半波整流电路中的二极管用可控硅代替，就成为单相半波可控整流电路。下面将分析这种可控整流电路的工作情况。下一页返回9.2可控硅的典型应用电路图9.6为单相半波可控整流电路，负载电阻为RL。由图9.7可见，在输入交流电压u的正半周时，可控硅T承受正向电压，如图9.7(a)所示。假如在t1时刻给控制极加上触发脉冲，如图9.7(b)所示，可控硅导通，负载上得到电压。当交流电压。下降到接近于零值时，可控硅正向电流小于维持电流而关断。在电压u处于负半周时，可控硅承受反向电压，不可能导通，负载电压和电流均为零。在第二个正半周内，再在相应的t2时刻加入触发脉冲，可控硅再行导通。这样，在负载RL上就可以得到如图9.7(c)所示的电压波形。图9.7(d)所示的波形为可控硅所承受的正向和反向电压，其最高正向和反向电压均为输入交流电压的幅值U。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路显然，在可控硅承受正向电压的时间内，改变控制极触发脉冲的输入时刻(移相)，负载上得到的电压波形就随着改变，这样就控制了负载上输出电压的大小。导通角愈大，输出电压愈高。整流输出电压的平均值可以用控制角表示，即上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路从式(9.1)看出，当=0时()可控硅在正半周全导通，U0=0.45U，输出电压最高，相当于不可控二极管单相半波整流电压。若，U0=0，这时=0，可控硅全关断。根据欧姆定律，电阻负载中整流电流的平均值为此电流即为通过可控硅的平均电流。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路2.单相半控桥式整流电路单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少的优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。较常用的是半控桥式整流电路，简称半控桥，其电路如图9.8所示。电路与单相不可控桥式整流电路相似，只是其中两个臂中的二极管被可控硅所取代。在变压器副边电压u的正半周(a端为正)时，T1和D2承受正向电压。这时如对可控硅T1引入触发信号，则T1和D2导通，电流的通路为aT1RLD2b。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路这时T2和D1都因承受反向电压而截止。同样，在电压u的负半周，T2和D1承受正向电压。这时，如对可控硅T2引入触发信号，则T2和D1导通，电流的通路为bT2RLD1a。这时T1和D2处于截止状态。电压与电流的波形如图9.9所示。显然，与单相半波整流图9.7(c)相比，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即输出电流的平均值为上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路9.2.2可控硅的保护电路可控硅虽然具有很多优点，但是，它们承受过电压和过电流的能力很差。这是可控硅的主要弱点，因此，在各种可控硅装置中必须采取适当的保护措施。1.可控硅的过电流保护由于可控硅的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升而可能把PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路可控硅发生过电流的原因主要有:负载端过载或短路;某个可控硅被击穿短路，造成其他元件的过电流;触发电路工作不正常或受干扰，使可控硅误触发，引起过电流。可控硅承受过电流能力很差，例如一个100A的可控硅过电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏。由此可知，可控硅允许在短时间内承受一定的过电流，所以，过电流保护的作用就在于当发生过电流时，在尽量短的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路可控硅过电流保护措施有下列几种。1)快速熔断器普通熔断钟由于熔断时间长，用来保护可控硅很可能在可控硅烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用保护可控硅的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔钟，在同样的过电流倍数之下，它可以在可控硅损坏之前熔断，这是可控硅过电流保护的主要措施。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路快速熔断器的接入方式有三种，如图9.10所示。第一种是快速熔断器接在输出(负载)端，这种接法对输出回路的过载或短路起保护作用，但对元件本身故障引起的过电流不起保护作用。第二种是快速熔断器与元件串联可以对元件本身的故障进行保护。以上两种接法一般需要同时采用。第三种接法是快速熔断器接在输入端，这样可以同时对输出端短路和元件短路实现保护，但是熔断器熔断之后，不能立即判断是什么故障。熔断器的电流定额应该尽量接近实际工作电流的有效值，而不是按所保护的元件的电流定额(平均值)选取。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路2)过电流继电器在输出端(直流侧)装直流过电流继电器，或在输入端(交流侧)经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的开关跳闸。这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，由于过电流继电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定时间，如果短路电流比较大，这种保护方法不很有效。3)过流截止保护利用过电流的信号将晶闸管的触发脉冲移后，使晶闸管的导通角减小或者停止触发。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路2.可控硅的过电压保护可控硅耐过电压的能力极差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。如果正向电压超过其转折电压，则可控硅误导通，这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流较大，也可能使元件损坏或使可控硅的性能下降。因此必须采取措施消除可控硅上可能出现的过电压。引起过电压的主要原因，是因为电路中一般都接有电感元件。在切断或接通电路时，从一个元件导通转换到另一个元件导通时，以及熔断器熔断时，电路中的电压往往都会超过正常值。有时雷击也会引起过电压。可控硅过电压的保护措施有下列几种。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路1)阻容保护可以利用电容来吸收过电压，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器中，然后释放到电阻中去消耗掉。这是过电压保护的基本方法。阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧(输入端)、直流侧(输出端)或元件侧，如图9.11所示。2)硒堆保护硒堆(硒整流片)是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路9.2.3可控硅应用电路实例1.防盗报警器电路如图9.12所示。开关S闭合时，电路处于值班状态，可控硅触发极g被B、D间导线短路而使可控硅截止。当短路导线被弄断时，g极获得触发电压，可控硅导通，防盗报警器(蜂鸣器)H即发声报警。2.家用电风扇无级调速器现代家用电风扇一般都具有调速功能，通过调速，以满足人们对风速、风压、风量的不同要求。电风扇调速的方法很多，目前大多采用电子无级调速的方法。上一页下一页返回9.2可控硅的典型应用电路无级调速的核心是一双向可控硅，利用可控硅的可控特性，通过改变可控硅的导通角，使电风扇电机的端电压改变，达到调节电动机转速的目的。图9.13为一采用双向可控硅的无级调速电路。电源电压通过电位器RP、