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晶闸管竟有这些用法,看完醍醐灌顶!(图文实例讲解)

2020-9-17 10:55:09  1155 晶闸管 电子元器件
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它是一种多层半导体器件,因此是其名称的“硅”部分。它需要一个门信号将其打开,即名称的“受控”部分,一旦打开,它的行为就像整流二极管,即名称的“整流器”部分。实际上,晶闸管电路符号表明该器件的作用类似于受控整流二极管。

晶闸管符号

但是,与作为两层(PN)半导体器件的结二极管或作为三层(PNP或NPN)开关器件的常用双极晶体管不同,晶闸管是包含以下内容的四层(PNPN)半导体器件:三个PN结串联,并用如图所示的符号表示。
像二极管一样,晶闸管是一种单向器件,也就是说,它只能在一个方向上传导电流,但是与二极管不同,晶闸管可以制成开路开关或整流二极管,具体取决于晶闸管门被触发。换句话说,晶闸管只能在开关模式下运行,不能用于放大
可控硅整流器SCR是三端双向可控硅(Triode AC),Diacs(Diode AC)和UJT(Unijunction Transistor)的几种功率半导体器件之一,它们都可以像非常快的固态AC开关一样工作,以控制较大的AC电压。和潮流。因此,对于电子专业的学生来说,这使得这些非常方便的固态设备可用于控制交流电动机,灯和相位控制。
晶闸管是一个三端设备,标记为:“阳极”,“阴极”和“门”,由三个PN结组成,可以以极快的速率将其接通和断开,也可以将其接通。 “ ON”表示半周期内可变的时间长度,以向负载提供选定的功率。晶闸管的工作方式可以最好地说明,假设它由两个背对背连接的晶体管组成,如图所示,它们是一对互补的再生开关。
晶闸管两个晶体管的类比

两个晶体管的等效电路示出了NPN晶体管的集电极电流TR 2直接供给到所述PNP晶体管的基极TR 1,而集电极电流TR 1进料进入的基TR 2。当每个晶体管从另一个的集电极-发射极电流中获取其基极-发射极电流时,这两个相互连接的晶体管相互依赖导通。因此,直到存在一个晶体管的基极电流,即使存在阳极到阴极的电压,也不会发生任何事情。
当晶闸管阳极端子相对于阴极为负时,中心NP结正向偏置,但两个外部PN结反向偏置,其行为与普通二极管非常相似。因此,晶闸管阻断了反向电流的流动,直到在某个高电压电平上超过了两个外部结的击穿电压点,并且晶闸管导通而不施加栅极信号。
这是晶闸管的重要负特性,因为晶闸管可能会因反向过电压以及高温或快速上升的dv / dt电压(例如尖峰)而无意中触发导通。
如果将阳极端子相对于阴极设为正,则两个外部PN结现在正向偏置,但中心NP结反向偏置。因此,正向电流也被阻止。如果将正电流注入到NPN晶体管TR 2的基极中,则所得的集电极电流在晶体管TR 1的基极中流动。这进而导致集电极电流在PNP晶体管TR 1中流动,从而增加TR 2的基极电流,依此类推。

典型晶闸管

当两个晶体管连接在一个不停止的再生反馈环路中时,它们相互之间迅速迫使彼此导通至饱和。一旦被触发导通,在阳极和阴极之间流经器件的电流仅受外部电路的电阻限制,因为器件导通时的正向电阻可能非常低,小于1Ω,因此其两端的电压降而且功率损耗也很低。
然后我们可以看到,晶闸管在“ OFF”状态下阻断了交流电源的两个方向的电流,并且可以通过向晶体管的基极施加正电流而将其“导通”并使其像普通的整流二极管一样工作。 ,TR 2,对于可控硅整流器称为“门”端子。
硅可控整流器的工作电压-电流IV特性曲线如下:
晶闸管IV特性曲线

一旦晶闸管被“接通”并且正向流过电流(阳极为正),由于两个内部晶体管的再生锁存作用,栅极信号将失去所有控制。再生开始后施加任何门信号或脉冲将完全没有影响,因为晶闸管已经导通并完全导通。
与晶体管不同,SCR不能偏置为沿着负载线在其阻塞状态和饱和状态之间停留在某个有源区域内。栅极“导通”脉冲的幅度和持续时间对器件的操作影响很小,因为其传导是内部控制的。然后,向器件施加瞬时栅极脉冲足以使其导通,即使栅极信号被完全去除,它也将永久保持“ ON”。
因此,晶闸管也可以被认为是具有两个稳定状态“ OFF”或“ ON” 的双稳态锁存器。这是因为在没有施加门信号的情况下,可控硅整流器会阻止交流波形两个方向上的电流,并且一旦将其触发导通,则再生锁存功能意味着仅通过使用其门就无法再次将其“关闭” 。
那么,如何关闭晶闸管?。一旦晶闸管自锁为“ ON”状态并通过电流,则只能通过完全消除电源电压并因此完全消除阳极(I A)电流,或将其阳极减小至通过某种外部手段(例如,打开开关)使阴极电流降至通常称为“最小保持电流” I H的值以下。
因此,必须将阳极电流减小到此最小保持水平以下,并且持续足够长的时间,以使内部锁存的pn结的晶闸管在再次向器件施加正向电压而不会自动自导之前恢复其阻断状态。显然然后晶闸管在第一地点进行,其阳极电流,这也是它的负载电流,我大号必须高于其保持电流值越大。即我大号  >我ħ。
由于只要阳极电流减小到此最小保持值以下,晶闸管就能够将其“关闭”,因此,当在正弦交流电源上使用时,SCR将自动以接近交叉点的某个值将其自身“关闭”。我们知道,在每个半周期的整个周期内,该值将保持“ OFF”,直到施加下一个门触发脉冲。
由于交流正弦电压的极性在每个半周期连续从正变为负,因此可控硅可在正波形的180 o零点处将其“关闭” 。这种效应被称为“自然换向”,是可控硅整流器的一个非常重要的特性。
在由直流电源供电的电路中使用晶闸管时,由于直流电源电压是连续的,因此不会出现这种自然换向条件,因此必须在适当的时候提供其他方式来“关闭”晶闸管,因为一旦触发,晶闸管就会保持导通。
但是,在交流正弦电路中,每半个周期就会发生自然换向。然后,在交流正弦波形的正半周期内,晶闸管正向偏置(阳极为正),并且可以使用门信号或脉冲将a触发为“ ON”。在负半周期内,阳极变为负,而阴极为正。晶闸管被该电压反向偏置,即使存在栅极信号也无法导通。
因此,通过在交流波形的正半波期间的适当时间施加门信号,可将晶闸管触发导通,直到正半波周期结束。因此,相位控制(俗称)可用于沿交流波形正半部分的任意点触发晶闸管,如图所示,可控硅整流器的许多用途之一是在交流系统的功率控制中。
晶闸管相位控制

在每个正半周期开始时,SCR为“ OFF”。在施加门脉冲时,触发SCR导通,并在正周期内完全锁存为“ ON”。如果在半个周期的开始(θ= 0 o)触发晶闸管,则负载(灯)将在交流波形(半波整流的交流)的整个正周期处于高电平时处于“ ON”状态。平均电压为0.318 x Vp
随着栅极触发脉冲的施加沿半个周期(θ= 0 o  至90 o)增加,灯点亮的时间更少,并且传递到灯的平均电压也会成比例地减小其亮度。
然后,我们可以将可控硅整流器用作交流调光器,以及在各种其他交流电源应用中使用,例如:交流电动机速度控制,温度控制系统和功率调节器电路等。
到目前为止,我们已经看到晶闸管实质上是半波器件,当阳极为正时,晶闸管仅在周期的正半部分导通,而当阳极为负时,与栅极信号无关,晶闸管像二极管一样阻止电流流动。
但是,还有更多的半导体器件以“晶闸管”的名义出现,它们可以双向进行全波器件导通,也可以通过门信号将其关断。
此类设备包括“关断晶闸管”(GTO),“静态感应晶闸管”(SITH),“ MOS控制晶闸管”(MCT),“硅控制开关”(SCS),“三极晶闸管”(TRIAC)和“仅举几例:“光激活晶闸管”(LASCR),所有这些器件都具有各种额定电压和电流,这使其非常适合在非常高功率的应用中使用。
晶闸管摘要可控硅整流器俗称晶闸管是可以被视为可以在重电力负载的开关可以使用两种相互连接的晶体管三结PNPN半导体器件。可以通过施加到其栅极端子的单个正电流脉冲将它们锁定为“ ON”,并将无限期保持“ ON”,直到阳极到阴极的电流降至其最小锁定水平以下。
晶闸管的静态特性
  • 晶闸管是只能在开关模式下工作的半导体器件。
  • 晶闸管是电流驱动的器件,较小的栅极电流控制较大的阳极电流。
  • 仅在正向偏置且触发电流施加到栅极时传导电流。
  • 晶闸管一旦被触发“ ON”,其作用就如同整流二极管。
  • 阳极电流必须大于保持电流以保持导通。
  • 无论是否施加栅极电流,反向偏置时均会阻止电流流动。
  • 一旦触发“ ON”,即使不再施加栅极电流(如果阳极电流高于锁存电流),也会被锁存为“ ON”。
晶闸管是高速开关,可用于代替许多电路中的机电继电器,因为它们没有活动部件,没有接触电弧或遭受腐蚀或脏污。但是,除了简单地将大电流切换为“ ON”和“ OFF”之外,还可以使晶闸管控制交流负载电流的平均值,而不会消耗大量功率。晶闸管功率控制的一个很好的例子是控制电灯,加热器和电动机的速度。

王栋春 2020-9-17 22:00:22
非常详细
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孔令伟 2020-9-18 19:33:30
谢谢楼主分享,谢谢!
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王友让 2020-10-3 16:56:38
写得详细,谢谢分享
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jf_34395241 2020-10-5 07:12:02
学习学习,还是套话太多
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efans_c46a79 2020-10-18 19:37:22
受教了,谢谢楼主大大
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