可控硅工作原理圖及應(yīng)用圖解

可控硅是可控硅整流元件的簡稱，是一種具有三個(gè)PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，一般由兩晶閘管反向連接而成。它的功能不僅是整流，還可以用作無觸點(diǎn)開關(guān)的快速接通或切斷;實(shí)現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變;將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等?？煽毓韬推渌雽?dǎo)體器件一樣，有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件。 目前可控硅在自動(dòng)控制、機(jī)電應(yīng)用、工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應(yīng)用。

可控硅從外形上區(qū)分主要有螺旋式、平板式和平底式三種。螺旋式應(yīng)用較多。

可控硅有三個(gè)極----陽極(A)、陰極(C)和控制極(G)，管芯是P型導(dǎo)體和N型導(dǎo)體交迭組成的四層結(jié)構(gòu)，共有三個(gè)PN 結(jié)，與只有一個(gè)PN結(jié)的硅整流二極管在結(jié)構(gòu)上迥然不同。可控硅的四層結(jié)構(gòu)和控制極的引入，為其發(fā)揮“以小控大”的優(yōu)異控制特性奠定了基礎(chǔ)。可控硅應(yīng)用時(shí)， 只要在控制極加上很小的電流或電壓，就能控制很大的陽極電流或電壓。目前已能制造出電流容量達(dá)幾百安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控 硅叫小功率可控硅，50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。

我們可以把從陰極向上數(shù)的第一、二、三層看面是一只NPN型號晶體管，而二、三、四層組成另一只PNP型晶體管。其中第二、第三層為兩管交迭共用?？僧嫵鰣D 1的等效電路圖。當(dāng)在陽極和陰極之間加上一個(gè)正向電壓E，又在控制極G和陰極C之間(相當(dāng)BG2的基一射間)輸入一個(gè)正的觸發(fā)信號，BG2將產(chǎn)生基極電流 Ib2，經(jīng)放大，BG2將有一個(gè)放大了β2 倍的集電極電流IC2 。因?yàn)锽G2集電極與BG1基極相連，IC2又是BG1 的基極電流Ib1 。BG1又把Ib1(Ib2)放大了β1的集電極電流IC1送回BG2的基極放大。如此循環(huán)放大，直到BG1、BG2完全導(dǎo)通。事實(shí)上這一過程是“一觸即 發(fā)”的，對可控硅來說，觸發(fā)信號加到控制極，可控硅立即導(dǎo)通。導(dǎo)通的時(shí)間主要決定于可控硅的性能。

可控硅一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通后，由于循環(huán)反饋的原因，流入BG2基極的電流已不只是初始的Ib2 ，而是經(jīng)過BG1、BG2放大后的電流(β1*β2*Ib2)，這一電流遠(yuǎn)大于Ib2，足以保持BG2的持續(xù)導(dǎo)通。此時(shí)觸發(fā)信號即使消失，可控硅仍保持導(dǎo) 通狀態(tài)，只有斷開電源E或降低E的輸出電壓，使BG1、BG2 的集電極電流小于維持導(dǎo)通的最小值時(shí)，可控硅方可關(guān)斷。當(dāng)然，如果E極性反接，BG1、BG2受到反向電壓作用將處于截止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)，即使輸入觸發(fā)信號， 可控硅也不能工作。反過來，E接成正向，而觸動(dòng)發(fā)信號是負(fù)的，可控硅也不能導(dǎo)通。另外，如果不加觸發(fā)信號，而正向陽極電壓大到超過一定值時(shí)，可控硅也會導(dǎo) 通，但已屬于非正常工作情況了。

可控硅這種通過觸發(fā)信號(小觸發(fā)電流)來控制導(dǎo)通(可控硅中通過大電流)的可控特性，正是它區(qū)別于普通硅整流二極管的重要特征。

由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表1

表1 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件

狀態(tài)條件說明

從關(guān)斷到導(dǎo)通1、陽極電位高于是陰極電位

2、控制極有足夠的正向電壓和電流兩者缺一不可

維持導(dǎo)通1、陽極電位高于陰極電位

2、陽極電流大于維持電流兩者缺一不可

從導(dǎo)通到關(guān)斷1、陽極電位低于陰極電位

2、陽極電流小于維持電流任一條件即可

應(yīng)用舉例：

可控硅在實(shí)際應(yīng)用中電路花樣最多的是其柵極觸發(fā)回路，概括起來有直流觸發(fā)電路，交流觸發(fā)電路，相位觸發(fā)電路等等。

1、直流觸發(fā)電路：

如圖2是一個(gè)電視機(jī)常用的過壓保護(hù)電路，當(dāng)E+電壓過高時(shí)A點(diǎn)電壓也變高，當(dāng)它高于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值時(shí)DZ道通，可控硅D受觸發(fā)而道通將E+短路，使保險(xiǎn)絲RJ熔斷，從而起到過壓保護(hù)的作用。

2、相位觸發(fā)電路：

相位觸發(fā)電路實(shí)際上是交流觸發(fā)電路的一種，如圖3，這個(gè)電路的方法是利用RC回路控制觸發(fā)信號的相位。當(dāng)R值較少時(shí)，RC時(shí)間常數(shù)較少，觸發(fā)信號的相移A1較少，因此負(fù)載獲得較大的電功率;當(dāng)R值較大時(shí)，RC時(shí)間常數(shù)較大，觸發(fā)信號的相移A2較大，因此負(fù)載獲得較少的電功率。這個(gè)典型的電功率無級調(diào)整電路在日常生活中有很多電氣產(chǎn)品中都應(yīng)用它。

可控硅主要參數(shù)有：

1、 額定通態(tài)平均電流

在一定條件下，陽極---陰極間可以連續(xù)通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。

2、 正向阻斷峰值電壓

在控制極開路未加觸發(fā)信號，陽極正向電壓還未超過導(dǎo)能電壓時(shí)，可以重復(fù)加在可控硅兩端的正向峰值電壓。可控硅承受的正向電壓峰值，不能超過手冊給出的這個(gè)參數(shù)值。

3、 反向陰斷峰值電壓

當(dāng)可控硅加反向電壓，處于反向關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，可以重復(fù)加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時(shí)，不能超過手冊給出的這個(gè)參數(shù)值。

4、 控制極觸發(fā)電流

在規(guī)定的環(huán)境溫度下，陽極---陰極間加一定電壓，使可控硅從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。

5、 維持電流

在規(guī)定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導(dǎo)通所必需的最小陽極正向電流。

采用可控硅技術(shù)對照明系統(tǒng)進(jìn)行控制具有:電壓調(diào)節(jié)速度快，精度高，可分時(shí)段實(shí)時(shí)調(diào)整，有穩(wěn)壓作用，采用電子元件，相對來說體積小、重量輕、成本低。但該調(diào)壓方式存在一致命缺陷，由于斬波，使電壓無法實(shí)現(xiàn)正弦波輸出，還會出現(xiàn)大量諧波，形成對電網(wǎng)系統(tǒng)諧波污染，危害極大，不能用在有電容補(bǔ)償電路中。(現(xiàn)代照明設(shè)計(jì)要求規(guī)定，照明系統(tǒng)中功率因數(shù)必須達(dá)到0.9以上，而氣體放電燈的功率因數(shù)在一般在0.5以下，所以都設(shè)計(jì)用電容補(bǔ)償功率因數(shù))在國外發(fā)達(dá)國家，已有明文規(guī)定對電氣設(shè)備諧波含量的限制，在國內(nèi)，北京、上海、廣州等大城市，已對諧波含量超標(biāo)的設(shè)備限制并入電網(wǎng)使用。

采用可控硅技術(shù)對照明系統(tǒng)進(jìn)行照度控制時(shí),可通過加裝濾波設(shè)備來有效降低諧波污染。

近年來，許多新型可控硅元件相繼問世，如適于高頻應(yīng)用的快速可控硅，可以用正或負(fù)的觸發(fā)信號控制兩個(gè)方向?qū)ǖ碾p向可控硅，可以用正觸發(fā)信號使其導(dǎo)通，用負(fù)觸發(fā)信號使其關(guān)斷的可控硅等等。

應(yīng)用介紹------可控硅在調(diào)光器中的應(yīng)用：

可控硅調(diào)光器是目前舞臺照明、環(huán)境照明領(lǐng)域的主流設(shè)備。

在照明系統(tǒng)中使用的各種調(diào)光器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)交流調(diào)壓器，老式的變壓器和變阻器調(diào)光是采用調(diào)節(jié)電壓或電流的幅度來實(shí)現(xiàn)的，如下圖所示。u1是未經(jīng)調(diào)壓的220V交流電的波形，經(jīng)調(diào)壓后的電壓波形為u2，由于其幅度小于u1，使燈光變暗。在這種調(diào)光模式中，雖然改變了正弦交流電的幅值，但并未改變其正弦波形的本質(zhì)。

與變壓器、電阻器相比，可控硅調(diào)光器有著完全不同的調(diào)光機(jī)理，它是采用相位控制方法來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓或調(diào)光的。對于普通反向阻斷型可控硅，其閘流特性表現(xiàn)為當(dāng)可控硅加上正向陽極電壓的同時(shí)又加上適當(dāng)?shù)恼蚩刂齐妷簳r(shí)，可控硅就導(dǎo)通;這一導(dǎo)通即使在撤去門極控制電壓后仍將維持，一直到加上反向陽極電壓或陽極電流小于可控硅自身的維持電流后才關(guān)斷。普通的可控硅調(diào)光器就是利用可控硅的這一特性實(shí)現(xiàn)前沿觸發(fā)相控調(diào)壓的。在正弦波交流電過零后的某一時(shí)刻t1(或某一相位角wt1)，在可控硅控制極上加一觸發(fā)脈沖，使可控硅導(dǎo)通，根據(jù)前面介紹過的可控硅開關(guān)特性，這一導(dǎo)通將維持到正弦波正半周結(jié)束。因此在正弦波的正半周(即0~p區(qū)間)中，0~wt1范圍可控硅不導(dǎo)通，這一范圍稱為控制角，常用a表示;而在wt1~p間可控硅導(dǎo)通，這一范圍稱為導(dǎo)通角，常用j表示。同理在正弦波交流電的負(fù)半周，對處于反向聯(lián)接的另一個(gè)可控硅(對兩個(gè)單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅而言)在t2時(shí)刻(即相位角wt2)施加觸發(fā)脈沖，使其導(dǎo)通。如此周而復(fù)始，對正弦波每半個(gè)周期控制其導(dǎo)通，獲得相同的導(dǎo)通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時(shí)間(或相位)，即改變了導(dǎo)通角j(或控制角a)的大小。導(dǎo)通角越大調(diào)光器輸出的電壓越高，燈就越亮。從上述可控硅調(diào)光原理可知，調(diào)光器輸出的電壓波形已經(jīng)不再是正弦波了，除非調(diào)光器處在全導(dǎo)通狀態(tài)，即導(dǎo)通角為180°(或p)。正是由于正弦波被切割、波形遭受破壞，會給電網(wǎng)帶來干擾等問題……

好的調(diào)光設(shè)備應(yīng)采取必要措施，努力降低使用可控硅技術(shù)后產(chǎn)生的干擾。