晶閘管及其工作原理.ppt

第六章晶閘管及其應(yīng)用電路 6 1晶閘管 6 2晶閘管整流電路 6 4晶閘管的選擇和保護(hù) 6 5晶閘管的觸發(fā)電路 6 3負(fù)載對(duì)晶閘管整流的影響 6 1晶閘管 一 晶閘管的結(jié)構(gòu) 符號(hào) A陽極 K陰極 G門極 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管的符號(hào) 晶閘管的導(dǎo)電特點(diǎn) 1 晶閘管具有單向?qū)щ娞匦?2 晶閘管的導(dǎo)通是通過門極控制的 晶閘管導(dǎo)通的條件 1 陽極與陰極間加正向電壓 2 門極與陰極間加正向電壓 這個(gè)電壓稱為觸發(fā)電壓 以上兩個(gè)條件 必須同時(shí)滿足 晶閘管才能導(dǎo)通 導(dǎo)通后的晶閘管關(guān)斷的條件 1 降低陽極與陰極間的電壓 使通過晶閘管的電流小于維持電流IH 2 陽極與陰極間的電壓減小為零 3 將陽極與陰極間加反向電壓 只要具備其中一個(gè)條件就可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷 二 晶閘管的工作特性 1 晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通 就能維持導(dǎo)通狀態(tài) 門極失去控制作用 要使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷 必須減小陽極電流到維持電流IH以下 小結(jié) 2 晶闡管具有 可控 的單向?qū)щ娞匦?所以晶閘管又稱單向可控硅 可控 有兩層含義 一是晶閘管的導(dǎo)通是受門極控制的 二是導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷是受陽極與陰極間電壓控制的 由于門極所需的電壓 電流比較低 電路只有幾十至幾百毫安 而陽極A與陰極K可承受很大的電壓 通過很大的電流 電流可大到幾百安培以上 因此 晶闡管可實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制 三 晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 結(jié)溫為額定值 門極斷開 允許重復(fù)加在晶閘管A與K間的正向峰值電壓 反向重復(fù)峰值電壓URRM 結(jié)溫為額定值 門極斷開 允許重復(fù)加在晶閘管A與K間的反向峰值電壓 通態(tài)平均電流IT AV 在規(guī)定的環(huán)境溫度和散熱條件下 結(jié)溫為額定值 允許通過的工頻正弦半波電流的平均值 通態(tài)平均電壓UT AV 結(jié)溫穩(wěn)定 通過的工頻正弦半波額定的平均電流 晶閘管導(dǎo)通時(shí) A與K間的電壓平均值 習(xí)慣上稱為導(dǎo)通時(shí)的管壓降 維持電流IH 在規(guī)定的環(huán)境溫度下 門極斷路時(shí) 維持晶閘管導(dǎo)通所必須的最小電流 晶閘管由通到斷的臨界電流 四 晶閘管的型號(hào) 五 晶閘管的簡(jiǎn)單測(cè)試 6 2晶閘管整流電路 一 單相可控整流電路 二 三相可控整流電路 晶閘管組成的整流電路可以在交流電壓不變的情況下 方便地改變直流輸出電壓的大小 即可控整流 一 單相可控整流電路 1 單相半波可控整流電路 單相半波可控整流電路 單相半波整流電路 2 t1 t2 u2 u2 uL iL 1 電路組成及工作原理 t1 t1 t2 t2 u1 u2 2 t1 t2 t1 t1 t2 t2 控制角 從晶閘管開始承受正向電壓到被觸發(fā)導(dǎo)通所對(duì)應(yīng)的電角度 導(dǎo)通角 晶閘管實(shí)際導(dǎo)通的角度 改變 的大小 即可改變輸出電壓uL的波形 越大 越小 把控制角 的變化范圍稱為移相范圍 單相半波可控整流電路的移相范圍為 0 2 主要參數(shù)計(jì)算 輸出電壓的平均值 負(fù)載電流平均值 通過晶閘管的平均電流 晶閘管承受的最大電壓 3 電路特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 電路簡(jiǎn)單 調(diào)整方便 缺點(diǎn) 輸出電壓脈動(dòng)大 設(shè)備利用率低 例6 1單相半波可控整流電路中 變壓器二次側(cè)電壓U2 120V 當(dāng)控制角分別為0o 90o 120o 180o時(shí) 負(fù)載上的平均電壓分別是多少 解 0o時(shí) 90o時(shí) 120o時(shí) 180o時(shí) 改變控制角 的大小可改變輸出電壓的高低 移相范圍為 0o 180o 2 單相半控橋式整流電路 1 電路組成及工作原理 正半周 單相整流電路 單相可控整流電路 t 時(shí) V1 V4正向阻斷 V2 V3反向阻斷 uL 0 t 時(shí) V1 V4導(dǎo)通 V2 V3反向阻斷 uL u2 t 時(shí) V1 V4關(guān)斷 uL 0 uL iL 負(fù)半周 t 時(shí) V2 V3反向阻斷 V1 V4正向阻斷 uL 0 t 時(shí) V2 V3反向阻斷 V1 V4導(dǎo)通 uL u2 t 時(shí) V1 V4關(guān)斷 uL 0 單相橋式可控整流電路的移相范圍為 0 2 主要參數(shù)計(jì)算 輸出電壓的平均值 負(fù)載電流平均值 通過晶閘管的平均電流 晶閘管承受的最大電壓 3 電路特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 輸出電壓脈動(dòng)小 設(shè)備利用率高 缺點(diǎn) 元件多 例6 2一單相橋式可控整流電路 輸入電壓U2 220V RL 5 要求輸出電壓的范圍為0 150V 試求輸出的最大電流ILM和晶閘管的導(dǎo)通角范圍 解 輸出最大平均電流 當(dāng)輸出電壓為150V時(shí) 查表得 60o 晶閘管的導(dǎo)通角的范圍為 V5 用一只晶閘管的單相橋式可控整流電路 V5在電路中不承受反向電壓 只要給晶閘管加上觸發(fā)信號(hào) 晶閘管即能導(dǎo)通 作用相當(dāng)于接在負(fù)載電路中的一只開關(guān) 注意 1 整流電路之后不能接濾波電容 2 晶閘管應(yīng)選維持電流較大的管子 特點(diǎn) uL 二 三相可控整流電路 1 三相半波可控整流電路 1 電路組成及工作原理 三相半波整流電路 三相半波可控整流電路 uL iL 各晶閘管控制角的起點(diǎn)均為各自的自然換相點(diǎn) 當(dāng)控制角為 時(shí) V U W uL 1200 1200 1200 0 時(shí) 工作波形 120 V U W 輸出波形連續(xù) uL 600 60 時(shí) 工作波形 600 600 90 120 V U W 輸出波形不連續(xù) uL 900 90 時(shí) 工作波形 900 900 120 60 V U W 小結(jié) 1 改變觸發(fā)脈沖的時(shí)間 就能改變整流電路輸出電壓uL的大小 當(dāng) 0 時(shí) 輸出波形同三相半波整流電路 輸出電壓最大 增大 輸出電壓減小 150 時(shí) uL 0 2 當(dāng) 30 時(shí) uL波形連續(xù) 3 任一相對(duì)應(yīng)晶閘管導(dǎo)通期間 其他晶閘管承受相應(yīng)的線電壓 晶閘管關(guān)斷點(diǎn)均在下一個(gè)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí) 當(dāng) 30 時(shí) uL波形斷續(xù) 晶閘管關(guān)斷點(diǎn)均在各自相電壓過 120 零處 120 移相范圍是 0 150 2 主要參數(shù)計(jì)算 輸出電壓的平均值 負(fù)載電流平均值 通過晶閘管的平均電流 晶閘管承受的最大電壓 3 電路特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 較單相整流輸出電壓大小增大 脈動(dòng)性減小 電源平衡性較好 缺點(diǎn) 如直接接電網(wǎng) 會(huì)造成電網(wǎng)損耗 如由變壓器供電 鐵芯易發(fā)生直流磁化 使變壓器效率降低 2 三相半控橋式整流電路 三相橋式整流電路 三相半控橋式整流電路 iL 1 電路組成及工作原理 自然換相點(diǎn)為各晶閘管控制角的起點(diǎn) 當(dāng)控制角為 時(shí) uL 0 時(shí) 工作波形 輸出波形同三相橋式整流電路 120 600 60 時(shí) 工作波形 600 600 120 0 60 輸出波形連續(xù) 90 時(shí) 工作波形 900 900 900 120 90 60 180 輸出波形不連續(xù) 小結(jié) 1 改變觸發(fā)脈沖的時(shí)間 就能改變整流電路輸出電壓uL的大小 當(dāng) 0 時(shí) 輸出波形同三相橋式整流電路 輸出電壓最大 增大 輸出電壓減小 180 時(shí) uL 0 60 時(shí) 波形斷續(xù) 3 任一相對(duì)應(yīng)晶閘管和二極管導(dǎo)通期間 其他晶閘管和二極管 2 當(dāng) 60 時(shí) 波形連續(xù) 120 120 承受相應(yīng)的線電壓 移相范圍為 0 180 思考 如果觸發(fā)脈沖在自然換相之前加入 輸出波形會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象 2 主要參數(shù)計(jì)算 輸出電壓的平均值 負(fù)載電流平均值 通過晶閘管的平均電流 晶閘管承受的最大電壓 3 電路特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 輸出電壓較高 脈動(dòng)性較小 輸出電壓連續(xù)可調(diào)范圍寬 缺點(diǎn) 需用三只晶閘管 需三套觸發(fā)電路 6 3負(fù)載類型對(duì)晶閘管整流的影響 一 電感性負(fù)載的影響 電感性負(fù)載 電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組 各種電感線圈 V1V4 V1V3 V2V3 V2V4 當(dāng)電源過零時(shí) 晶閘管不能及時(shí)關(guān)斷 使晶閘管導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng) 當(dāng)控制角突然增大或觸發(fā)信號(hào)突然丟失時(shí) 整流 整流 續(xù)流 續(xù)流 V2V3 整流 正常工作 失控現(xiàn)象 電感性負(fù)載單相橋式可控整流電路 1 正常工作 2 失控現(xiàn)象 使電路失控 晶閘管連續(xù)導(dǎo)通 而整流二極管交替導(dǎo)通 3 加續(xù)流二極管后的工作 加續(xù)流二極管后的電路 V1V4 V5 V2V3 V5 整流 整流 續(xù)流 續(xù)流 在生產(chǎn)實(shí)際中 一旦發(fā)生失控 導(dǎo)通的晶閘管將因過熱而損壞 為了防止失控現(xiàn)象的發(fā)生 必須采取預(yù)防措施 在負(fù)載兩端并聯(lián)一只續(xù)流二極管 整流 續(xù)流 uL 當(dāng)整流元件工作時(shí) 負(fù)載電流經(jīng)電源構(gòu)成回路 當(dāng)整流元件不工作時(shí) 負(fù)載中電流經(jīng)續(xù)流二極管構(gòu)成回路 由以上分析可知 晶閘管的導(dǎo)通角為 時(shí) 續(xù)流二極管的導(dǎo)通角為2 2 流過晶閘管和整流二極管的平均電流為 流過續(xù)流二極管的平均電流為 例6 3有一單相半控橋式整流電路 負(fù)載為直流電阻為5 的感性負(fù)載 輸入電壓U2 220V 試求控制角 300時(shí)的輸出電壓 晶閘管中的電流平均值 續(xù)流二極管中的電流平均值 解 負(fù)載的平均電壓 負(fù)載的平均電流 流過晶閘管的平均電流 流過續(xù)流二極管的平均電流 二 反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的影響 當(dāng)電源電壓u2 E時(shí) 加觸發(fā)信號(hào) 晶閘管才能導(dǎo)通 反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載單相半控橋式整流電路 當(dāng)電源電壓等于E時(shí) 晶閘管關(guān)斷 晶閘管導(dǎo)通角 變小了 輸出電流幅值增大 反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的影響 采取的措施 在負(fù)載回路上串聯(lián)平波電感器 然后在其兩端再并一個(gè)續(xù)流二極管 6 4晶閘管的選擇和保護(hù) 一 晶閘管的選擇 二 晶閘管的保護(hù) 一 晶閘管的選擇 1 電壓等級(jí)的選擇 2 電流等級(jí)的選擇 例6 4負(fù)載為純電阻性的單相半控橋式整流電路 輸出直流電流電壓為UL 0 60V 直流電流為0 10A 試計(jì)算晶閘管反向峰值電壓URM與It AV 并選擇合適的晶閘管 解 由 設(shè)輸出電壓最大 60V 時(shí)的控制角則 考慮到整流器件上壓降等因素 U2取值比計(jì)算值高10 故取 晶閘管承受的反向峰值電壓 晶閘管應(yīng)取的反向峰值電壓 通過晶閘管的最大平均電流 晶閘管應(yīng)取的通態(tài)平均電流 可選用通態(tài)平均電流為10A 額定電壓為200V的KP10 2晶閘管 例6 5一只接有續(xù)流二極管的單相半控橋式整流電路 RL 5 輸入電壓U2 220V 晶閘管控制角 60 試計(jì)算 1 晶閘管承受的反向峰值電壓 2 通過晶閘管的實(shí)際工作電流 并選擇合適的管型 解 1 晶閘管承受的反向峰值電壓 晶閘管應(yīng)取的反向峰值電壓 2 通過晶閘管的實(shí)際工作電流 輸出的直流電壓 通過負(fù)載的平均電流 導(dǎo)通角 通過晶閘管的實(shí)際平均電流 晶閘管應(yīng)取的通態(tài)平均電流 應(yīng)選取通態(tài)平均電流為20A 額定電壓為600V的KP20 6晶閘管兩只 二 晶閘管的保護(hù) 普通晶閘管承受過壓過流的能力很差 在使用中 除了需有充分的的余地外 還要采取一定的保護(hù)措施 1 過電壓保護(hù) 由于晶閘管電路中含有電感元件 如變壓器 電抗線圈等 變壓器一次側(cè)拉閘 整流裝置直流側(cè)切斷開關(guān) 晶閘管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)樽钄嗟?電感線圈上都會(huì)產(chǎn)生很高的電動(dòng)勢(shì) 使晶閘管承受很高的電壓 過電壓 1 產(chǎn)生過電壓的原因及后果 原因 后果 過電壓即使作用時(shí)間很短 也可使晶閘管誤導(dǎo)通 甚至被擊穿損壞 2 過壓保護(hù)的方法 1 阻容吸收電路 交流側(cè)保護(hù) 直流側(cè)保護(hù) 直接保護(hù) 2 壓敏電阻保護(hù) 單相電路中的接法 三相電路中的Y形接法 三相電路中的 形接法 壓敏感電阻是一種非線性電阻 它具有正反向相同的很陡的電壓電流特性 正常工作時(shí) 壓敏電阻沒有擊穿 通過很小的電流 當(dāng)有電壓超過其額定電壓時(shí) 可通過高達(dá)數(shù)千安的放電電流 之后又恢復(fù)正常 2 過電流保護(hù) 1 過流產(chǎn)生的原因及后果 原因 負(fù)載過載 短路 其他晶閘管擊穿 觸發(fā)電路使晶閘管誤觸發(fā) 后果 晶閘管的熱容量較小 當(dāng)發(fā)生過電流時(shí) 溫度升高 若超過允許值 晶閘管會(huì)損壞 2 過流保護(hù)的作用 一旦有過電流產(chǎn)生威脅晶閘管時(shí) 能在允許時(shí)間內(nèi)快速地將過電流切斷 以防晶閘管損壞 3 保護(hù)方法 交流側(cè)保護(hù) 直流側(cè)保護(hù) 直接保護(hù) 采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù) 熔斷速度很快 6 5晶閘管的觸發(fā)電路 觸發(fā)電路 為晶閘管提供觸發(fā)信號(hào)的電路 對(duì)觸發(fā)電路的要求 與主電路同步 能平穩(wěn)移相 且有足夠的移相范圍 脈沖前沿陡 且有足夠的幅值與脈寬 穩(wěn)定性與抗擾性能好 觸發(fā)電路的分類 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路和集成觸發(fā)電路 一 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 1 單結(jié)晶體管 1 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu) 符號(hào) 一個(gè)PN結(jié) 三個(gè)電極 單結(jié)晶體管 一個(gè)發(fā)射極 兩個(gè)基極 雙基極二極管 結(jié)構(gòu) 符號(hào) 等效電路 2 單結(jié)晶體管的伏安特性曲線 V P IV IP UV UP 截止區(qū) 負(fù)阻區(qū) 飽和區(qū) 分壓比 其值一般為0 3 0 9 當(dāng)UE UA時(shí) PN結(jié)反向截止 單結(jié)晶體管截止 當(dāng)UE UA時(shí) PN結(jié)正向?qū)?IE顯著增加 RB1迅速減小 UE下降 負(fù)阻特性 管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界點(diǎn) 峰點(diǎn) 用P表示 峰點(diǎn)電壓 峰點(diǎn)電流 IP 當(dāng)UE下降至谷點(diǎn)時(shí) 谷點(diǎn)電壓為UV 谷點(diǎn)電流為IV 過了V點(diǎn)后 管子又恢復(fù)正向特性 隨IE增大 UE略有增大 飽和區(qū) UP是管子由截止轉(zhuǎn)導(dǎo)通的臨界點(diǎn) 工作區(qū) UV是維持管子導(dǎo)通的臨界點(diǎn)最小發(fā)射極電壓 單結(jié)晶體管的工作特點(diǎn) 當(dāng)發(fā)射極電壓等于峰點(diǎn)電壓UP時(shí) 單結(jié)晶體管導(dǎo)通 導(dǎo)通后 發(fā)射極電壓UE減小 當(dāng)發(fā)射極電壓減小到谷點(diǎn)電壓UV時(shí) 管子又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂?單結(jié)晶體管的型號(hào) BT31 BT33 BT35等 其中 B 半導(dǎo)體 T 特種管 3 3個(gè)電極 第四個(gè)數(shù)字 耗散功率 分別為100mW 300mW 500mW 3 單結(jié)晶體管管腳的辨別 2 單結(jié)晶體管振蕩電路 單結(jié)晶體管振蕩電路 充電 充電 充電 放電 放電 放電 UP UV 接通電源后 UBB經(jīng)RP RE給電容C充電 uC按指數(shù)規(guī)律增大 當(dāng)uC UP時(shí) 單結(jié)晶體管導(dǎo)通 RB1迅速減小 電容通過RB1 R1迅速放電 在R1上形成脈沖波形 當(dāng)uC UV時(shí) 單結(jié)晶體管截止 放電結(jié)束 輸出電壓降為0值 完成一次振蕩 電源再次對(duì)電容充電 并重復(fù)上述過程 充電 放電 uR1 改變RP的阻值 或電容C的大小 可改變電容充電的快慢 使輸出脈沖提前或移后 從而控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的時(shí)刻 越大 觸發(fā)脈沖后移 控制角增大 反之控制角減小 利用單結(jié)晶