晶體管及其應(yīng)用

1、第五章晶閘管及其應(yīng)用課程目標1 了解晶閘管結(jié)構(gòu)，掌握晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷條件2 掌握可控整流電路的工作原理及分析3 理解晶閘管的過壓、過流保護4 掌握晶閘管的測量、可控整流電路的調(diào)試和測量課程內(nèi)容1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及特性2 單相半波可控整流電路3 單相半控橋式整流電路4 晶閘管的保護5 晶閘管的應(yīng)用實例6 晶閘管的測量、可控整流電路的調(diào)試和測量學(xué)習方法 從了解晶閘管的結(jié)構(gòu)、特性出發(fā)，掌握晶閘管的可控整流應(yīng)用，掌握晶閘管的過壓和過流保護方式，結(jié)合實物和實訓(xùn)掌握晶閘管管腳及好壞的判斷，通過應(yīng)用實例，了解晶閘管的典型應(yīng)用。課后思考1晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？導(dǎo)通時，其中電流的大小由什么決定？晶閘管阻斷時，承

2、受電壓的大小由什么決定？2為什么接電感性負載的可控整流電路的負載上會出現(xiàn)負電壓？而接續(xù)流二極管后負載上就不出現(xiàn)負電壓了，又是為什么？3 如何用萬用表判斷晶閘管的好壞、管腳？4 如何選用晶閘管？晶閘管的結(jié)構(gòu)及特性一、晶閘管外形與符號：圖符號圖晶閘管導(dǎo)通實驗電路圖為了說明晶閘管的導(dǎo)電原理，可按圖所示的電路做一個簡單的實驗。（1）晶閘管陽極接直流電源的正端，陰極經(jīng)燈泡接電源的負端，此時晶閘管承受正向電壓?？刂茦O電路中開關(guān)S斷開(不加電壓)，如圖(a)所示，這時燈不亮，說明晶閘管不導(dǎo)通。（2）晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，控制極相對于陰極也加正向電壓，如圖(b)所示.這時燈亮，說明晶閘管導(dǎo)通。（3）

3、晶閘管導(dǎo)通后，如果去掉控制極上的電壓，即將圖(b)中的開關(guān)S斷開，燈仍然亮，這表明晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，即晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制極就失去了控制作用。（4）晶閘管的陽極和陰極間加反向電壓如圖(C)，無論控制極加不加電壓，燈都不亮，晶閘管截止。（5）如果控制極加反向電壓，晶閘管陽極回路無論加正向電壓還是反向電壓，晶閘管都不導(dǎo)通。從上述實驗可以看出，晶閘管導(dǎo)通必須同時具備兩個條件：(1) 晶閘管陽極電路加正向電壓；(2) 控制極電路加適當?shù)恼螂妷?實際工作中,控制極加正觸發(fā)脈沖信號)。二、伏安特性圖晶閘管的伏安特性曲線晶閘管的導(dǎo)通和截止這兩個工作狀態(tài)是由陽極電壓U、陽極電流I及控制極電流IG決定的，而這

4、幾個量又是互相有聯(lián)系的。在實際應(yīng)用上常用實驗曲線來表示它們之間的關(guān)系，這就是晶閘管的伏安特性曲線。圖所示的伏安特性曲線是在IG=0的條件下作出的。當晶閘管的陽極和陰極之間加正向電壓時，由于控制極未加電壓，晶閘管內(nèi)只有很小的電流流過，這個電流稱為正向漏電流。這時，晶閘管陽極和陰極之間表現(xiàn)出很大的內(nèi)阻，處于阻斷(截止)狀態(tài)，如圖第一象限中曲線的下部所示。當正向電壓增加到某一數(shù)值時，漏電流突然增大，晶閘管由阻斷狀態(tài)突然導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，就可以通過很大電流，而它本身的管壓降只有1V左右，因此特性曲線靠近縱軸而且陡直。晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)所對應(yīng)的電壓稱為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO。在晶閘管導(dǎo)通后，若減

5、小正向電壓，正向電流就逐漸減小。當電流小到某一數(shù)值時，晶閘管又從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)，這時所對應(yīng)的最小電流稱為維持電流IH。當晶閘管的陽極和陰極之間加反向電壓時（控制極仍不加電壓），其伏安特性與二極管類似，電流也很小，稱為反向漏電流。當反向電壓增加到某一數(shù)值時，反向漏電流急劇增大，使晶閘管反向?qū)?，這時所對應(yīng)的電壓稱為反向轉(zhuǎn)折電壓UBR。從圖的晶閘管的正向伏安特性曲線可見，當陽極正向電壓高于轉(zhuǎn)折電壓時元件將導(dǎo)通。但是這種導(dǎo)通方法很容易造成晶閘管的不可恢復(fù)性擊穿而使元件損壞，在正常工作時是不采用的。晶閘管的正常導(dǎo)通受控制極電流IG的控制。為了正確使用晶閘管，必須了解其控制極特性。當控制極加正向電

6、壓時，控制極電路就有電流IG，晶閘管就容易導(dǎo)通，其正向轉(zhuǎn)折電壓降低，特性曲線左移?？刂茦O電流愈大，正向轉(zhuǎn)折電壓愈低，如圖所示。實際規(guī)定，當晶閘管的陽極與陰極之間加上6V直流電壓，能使元件導(dǎo)通的控制極最小電流（電壓）稱為觸發(fā)電流（電壓）。由于制造工藝上的問題，同一型號的晶閘管的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流也不盡相同。如果觸發(fā)電壓太低，則晶閘管容易受干擾電壓的作用而造成誤觸發(fā)；如果太高，又會造成觸發(fā)電路設(shè)計上的困難。因此，規(guī)定了在常溫下各種規(guī)格的晶閘管的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流的范圍。例如對KP50型的晶閘管，觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流分別為3.5V和8150mA。圖控制極電流對晶閘管轉(zhuǎn)折電壓的影響三、主要參數(shù)為了正確地

7、選擇和使用晶閘管，還必須了解它的電壓、電流等主要參數(shù)的意義。晶閘管的主要參數(shù)有以下幾項：（1）正向重復(fù)峰值電壓UFRM在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，稱為正向重復(fù)峰值電壓，用符號UFRM表示。按規(guī)定此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓的80%。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM就是在控制極斷路時，可以重復(fù)加在晶閘管元件上的反向峰值電壓，用符號URRM表示。按規(guī)定此電壓為反向轉(zhuǎn)折電壓的80%。（3）正向平均電流IF在環(huán)境溫度不大于40oC和標準散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內(nèi)的）平均值，稱為正向平均電流IF，簡稱正向電流。通常所說多少安的晶

8、閘管，就是指這個電流。如果正弦半波電流的最大值為Im，則然而，這個電流值并不是一成不變的，晶閘管允許通過的最大工作電流還受冷卻條件、環(huán)境溫度、元件導(dǎo)通角、元件每個周期的導(dǎo)電次數(shù)等因素的影響。（4）維持電流IH在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流IH。當晶閘管的正向電流小于這個電流時，晶閘管將自動關(guān)斷。單相半波可控整流電路把不可控的單相半波整流電路中的二極管用晶閘管代替，就成為單相半波可控整流電路。下面將分析這種可控整流電路在接電阻性負載和電感性負載時的工作情況。一、 阻性負載圖5.1.5接電阻性負載的單相半波可控整流電路圖是接電阻性負載的單相半波可控整流電路，

9、負載電阻為RL。從圖可見，在輸入交流電壓u的正半周時，晶閘管T承受正向電壓，如圖5.1.6（a）。假如在t1時刻給控制極加上觸發(fā)脈沖如圖5.1.6（b），晶閘管導(dǎo)通，負載上得到電壓。當交流電壓u下降到接近于零值時，晶閘管正向電流小于維持電流而關(guān)斷。在電壓u原負半周時，晶閘管承受反向電壓，不可能導(dǎo)通，負載電壓和電流均為零。在第二個正半周內(nèi)，再在相應(yīng)的t2時刻加入觸發(fā)脈沖，晶閘管再行導(dǎo)通。這樣，在負載RL上就可以得到如圖5.1.6.（c）所示的電壓波形。圖5.1.6（d）所示的波形為晶閘管所承受的正向和反向電壓，其最高正向和反向電壓均為輸入交流電壓的幅值U。圖 接電阻性負載時單相半波可控整流電路的

10、電壓與電流波形顯然，在晶閘管承受正向電壓的時間內(nèi)，改變控制極觸發(fā)脈沖的輸入時刻（移相），負載上得到的電壓波形就隨著改變，這樣就控制了負載上輸出電壓的大小。圖是接電阻性負載時單相半波可控整流電路的電壓與電流的波形。晶閘管在正向電壓下不導(dǎo)通的電角度為控制角（又稱移相角），用表示，而導(dǎo)通的電角度則稱為導(dǎo)通角，用表示如圖.（c）。很顯然，導(dǎo)通角愈大，輸出電壓愈高。整流輸出電壓的平均值可以用控制角表示，即（5.1）從式（5.1）看出，當=0時（=180o）晶閘管在正半周全導(dǎo)通，UO=0.45U，輸出電壓最高，相當于不可控二極管單相半波整流電壓。若=180o，U0 =0，這時=0，晶閘管全關(guān)斷。根據(jù)歐姆定

11、律，電阻負載中整流電流的平均值為 (5.2)此電流即為通過晶閘管的平均電流。二、電感性負載與續(xù)流二極管上面所講的是接電阻性負載的情況，實際上遇到較多的是電感性負載，象各種電機的勵磁繞組、各種電感線圈等，它們既含有電感，又含有電阻。有時負載雖然是純電阻的，但串了電感線圈等，它們既含有電感，又含有電阻。有時負載雖然是純電阻的，但串了電感濾波器后，也變?yōu)殡姼行缘牧恕Ｕ麟娐方与姼行载撦d和接電阻性負載的情況大不相同。圖接電感性負載的可控整流電路電感性負載可用串聯(lián)的電感元件L和電阻元件R表示（圖）。當晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時，電感元件中產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動勢（其極性在圖中為上正下負），電路中電流不能躍變

12、，將由零逐漸上升如圖5.1.8 (a)，當電流到達最大值時，感應(yīng)電動勢為零，而后電流減小，電動勢eL也就改變極性，在圖中為下正上負。此后，在交流電壓u到達零值之前，eL和u極性相同，晶閘管當然導(dǎo)通。即使電壓u經(jīng)過零值變負之后，只要eL大于u，晶閘管繼續(xù)承受正向電壓，電流仍將繼續(xù)流通，如圖5.1.8 (a)。只要電流大于維持電流時，晶閘管不能關(guān)斷，負載上出現(xiàn)了負電壓。當電流下降到維持電流以下時，晶閘管才能關(guān)斷，并且立即承受反向電壓，如圖5.1.8 (b)所示。綜上可見，在單相半波可控整流電路接電感性負載時，晶閘管導(dǎo)通角將大于（180o-）。負載電感愈大，導(dǎo)通角愈大，在一個周期中負載上負電壓所占的

13、比重就愈大，整流輸出電壓和電流的平均值就愈小。為了使晶閘管在電源電壓u降到零值時能及時關(guān)斷，使負載上不出現(xiàn)負電壓，必須采取相應(yīng)措施。我們可以在電感性負載兩端并聯(lián)一個二極管D來解決上述出現(xiàn)的問題，如圖。當交流電壓u過零值變負后，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，于是負載上由感應(yīng)電動勢eL產(chǎn)生的電流經(jīng)過這個二極管形成回路。因此這個二極管稱為續(xù)流二極管。圖 接電感性負載時單相半波可控整流電路的電壓與電流波形圖電感性負載并聯(lián)續(xù)流二極管這時負載兩端電壓近似為零，晶閘管因承受反向電壓而關(guān)斷。負載電阻上消耗的能量是電感元件釋放的能量。單相半控橋式整流電路單相半波可控整流電路雖然具有電路簡單、調(diào)整方便、使用元件少的

14、優(yōu)點，但卻有整流電壓脈動大、輸出整流電流小的缺點。較常用的是半控橋式整流電路，簡稱半控橋，其電路如圖所示。電路與單相不可控橋式整流電路相似，只是其中兩個臂中的二極管被晶閘管所取代。在變壓器副邊電壓u的正半周（a端為正）時，T1和D2承受正向電壓。這時如對晶閘管T1引入觸發(fā)信號，則T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為aT1RLD2b圖 電阻性負載的單相半控橋式整流電路這時T2和D1都因承受反向電壓而截止。同樣，在電壓u的負半周時，T2和D1承受正向電壓。這時，如對晶閘管T2引入觸發(fā)信號，則T2和D1導(dǎo)通，電流的通路為：bT2RLD1a圖5.1.21電阻性負載時單相半控橋式 整流電路的電壓與電流的波形這時

15、T1和D2處于截止狀態(tài)。電壓與電流的波形如圖所示。顯然，與單相半波整流圖5.1.6（c）相比，橋式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍，即 (5.3)輸出電流的平均值為 (5.4)例5.1有一純電阻負載，需要可調(diào)的直流電源：電壓U0=0180V，電流I0=06A?，F(xiàn)采用單相半控橋式整流電路圖5.1.20，試求交流電壓的有效值，并選擇整流元件。解設(shè)晶閘管導(dǎo)通角為180o（控制角=0）時，U0=180V，I0=6A。交流電壓有效值實際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動、管壓降以及導(dǎo)通角常常到不了180o（一般只有160 o170 o左右）等因素，交流電壓要比上述計算而得到的值適當加大10左右，即大約為220V。

16、因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到220V的交流電源上。晶閘管所承受的最高正向電壓UFM、最高反向電壓URM和二極管所承受的最高反向電壓都等于流過晶閘管和二極管的平均電流是為了保證晶閘管在出現(xiàn)瞬時過電壓時不致?lián)p壞，通常根據(jù)下式選取晶閘管的UFRM和URRM： UFRM(2-3)UFM=(2-3)310V=(620-930)VURRM(2-3)URM=(2-3)310V=(620-930)V根據(jù)上面計算，晶閘管可先用KP5-7型，二極管可先用2CZ5/300型。因為二極管的反向工作峰值電壓一般是取反向擊穿電壓的一半，已有較大余量，所以選300V已足夠。晶閘管的保護晶閘管雖然具有很多優(yōu)點，

17、但是，它們承受過電壓和過電流的能力很差，這是晶閘管的主要弱點，因此，在各種晶閘管裝置中必須采取適當?shù)谋Ｗo措施。一、晶閘管的過電流保護由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度就會急劇上升而可能把PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負載端過載或短路；某個晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發(fā)電路工作不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過電流。晶閘管承受過電流能力很差，例如一個100A的晶閘管，它的過電流涌力如表5.1所列。這就是說，當100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02s，否則將因過熱而損壞。由此可知，晶閘管允許在短時間內(nèi)承受一定的過電流

18、，所以，過電流保護的作用就在于當發(fā)生過電流時，在通的時間內(nèi)將過電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流保護措施有下列幾種：（1）快速熔斷器普通熔斷絲由于熔斷時間長，用來保護晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷，這樣就起不了保護作用。因此必須采用用于保護晶閘管的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔玫氖倾y質(zhì)熔絲，在同樣的過電流倍數(shù)之下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護的主要措施。表晶閘管的過載時間和過載倍數(shù)的關(guān)系過載時間0.02s5s5 min過載倍數(shù)421.25圖5.1.22快速熔斷器的接入方式快速熔斷器的接入方式有三種，如圖5.1.22所示。其一是快速熔斷器接在輸出（負載）端，這種接

19、法對輸出回路的過載或短路起保護作用，但對元件本身故障引起的過電流不起保護作用。其二是快速熔斷器與元件串聯(lián)，可以對元件本身的故障進行保護。以上兩種接法一般需要同時采用。第三種接法是快速熔斷器接在輸入端，這樣可以同時對輸出端短路和元件短路實現(xiàn)保護，但是熔斷器熔斷之后，不能立即判斷是什么故障。熔斷器的電流定額應(yīng)該盡量接近實際工作電流的有效值，而不是按所保護的元件的電流定額（平均值）選取。（2）過電流繼電器在輸出端（直流側(cè)）裝直流過電流繼電器，或在輸入端（交流側(cè)）經(jīng)電流互感器接入靈敏的過電流繼電器，都可在發(fā)生過電流故障時動作，使輸入端的開關(guān)跳閘。這種保護措施對過載是有效的，但是在發(fā)生短路故障時，由于過

20、電流繼電器的動作及自動開關(guān)的跳閘都需要一定時間，如果短路電流比較大，這種保護方法不很有效。（3）過流截止保護利用過電流的信號將晶閘管的觸發(fā)脈沖移后，使晶閘管的導(dǎo)通角減小或者停止觸發(fā)。二、晶閘管的過電壓保護晶閘管耐過電壓的能力極差，當電路中電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。如果正向電壓超過其轉(zhuǎn)折電壓，則晶閘管誤導(dǎo)通，這種誤導(dǎo)通次數(shù)頻繁時，導(dǎo)通后通過的電流較大，也可能使元件損壞或使晶閘管的特性下降。因此必須采取措施消除晶閘管上可能出現(xiàn)的過電壓。引起過電壓的主要原因，是因為電路中一般都接有電感元件。在切斷或接通電路時，從一個元件導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到另一個元件導(dǎo)通時，以及熔斷器熔斷時，電路中的

21、電壓往往都會超過正常值。有時雷擊也會引起過電壓。晶閘管過電壓的保護措施有下列幾種：（1）阻容保護可以利用電容來吸收過電壓，其實質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容器中，然后釋放到電阻中去消耗掉。這是過電壓保護的基本方法。阻容吸收元件可以并聯(lián)在整流裝置的交流側(cè)（輸入端）、直流側(cè)（輸出端）或元件側(cè)，如圖5.1.23所示。5.1.23阻容吸收元件與硒堆保護（2）硒堆保護硒堆（硒整流片）是一種非線性電阻元件，具有較陡的反向特性。當硒堆上電壓超過某一數(shù)值后，它的電阻迅速減小，而且可以通過較大的電流，把過電壓能量消耗在非線性電阻上，而硒堆并不損壞。硒堆可以單獨使用，如圖5.1.23，也可以和阻容

22、元件并聯(lián)使用。晶閘管的應(yīng)用實例一、晶閘管調(diào)光、調(diào)溫電源晶閘管調(diào)光和調(diào)溫裝置在工業(yè)、商業(yè)、影劇院以及家用電器中已得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)介紹一種既實用又便于制作的晶閘管調(diào)光、調(diào)溫電源，如圖.所示。粗線為主電路，細線為觸發(fā)電路，由220V電網(wǎng)供電，負載電阻Rd可以是白熾燈、電熨斗、烘干電爐以及其它的電熱設(shè)備。晶閘管的額定電流選擇取決于負載的大小，家庭用的一般選用KP5-7為宜。熔斷器的熔體若選用普通錫鉛熔絲，其額定電流選23A較合適。電路工作原理：在晶閘管VT1、TV2處于關(guān)斷狀態(tài)時，電源電壓u2在正半周對電容C1充電，其充電速度取決于充電回路的時間常數(shù)=（R1+R）C1。當C1充電到晶閘管VT1所需的

23、觸發(fā)電壓時，VT1被觸通。VT1管導(dǎo)通到電源電壓u2正半波結(jié)束為止。由圖可見，調(diào)整R值，就能改變C1的充電速度，負載兩端電壓也即發(fā)生變化。晶閘管VT2的觸發(fā)電壓是由C2充電所儲蓄的電能來提供，但極性必須是上負下正。但在電源電壓u2正半周，VT1管尚示導(dǎo)通時，C2充電方向是上正下負，與觸發(fā)VT2管所需的方向相反。當VT1導(dǎo)通時，C2雖經(jīng)VT1、R3放電，但由于R3阻值較大，故一般情況下，當電源電壓u2正半波結(jié)束，VT1管被關(guān)斷時，C2仍有一定上正下負的電荷。這樣，在u2進入負半周時，電容C2必須先放電而后反向充電，當C2反充電到VT2管所需的觸發(fā)電壓時，VT2管才被觸通，從而使兩個晶閘管的導(dǎo)通角

24、大致相同。假如VT1管導(dǎo)通角很大時，C2不存在先放電后充電現(xiàn)象，而是在VT2管一開始承受正向電壓C2就充電，這樣，C2也很快地到VT2管所需的觸發(fā)電壓使VT2觸通，VT2的導(dǎo)通角同樣也很大。反之，R調(diào)大，VT1導(dǎo)通角變小，則C2在觸發(fā)VT2之前必須先放電，然后再反充電到VT2的觸發(fā)電壓，VT2管的導(dǎo)通角同樣也就變小?？梢?，本電路只要調(diào)節(jié)R，就能同時改變VT1和VT2的導(dǎo)通角，從而調(diào)節(jié)燈光的強弱或溫度的高低。FU 500V，2-3A（錫鉛） VT1，VT2 KP5-7 R 10K R1 500 R2,R4 1k R3 7.5k C1 C2 10F 二極管 2CP12圖5.1.24調(diào)光、調(diào)溫電源二

25、、過電壓自動斷電保護電路如圖電路所示：TR是抽頭式自耦調(diào)壓器；Q1是電壓選擇開關(guān)，將電網(wǎng)輸入電壓選擇在220V輸出（如果交流電網(wǎng)220V電壓比較穩(wěn)定，那么TR與Q1可以不用）；TS是同步過電壓保護部分的變壓器；二極管VD1VD4和晶閘管VT1組成主電路電子開關(guān)。當VT1導(dǎo)通時，電子開關(guān)接通，VT1關(guān)斷時，電子開關(guān)關(guān)斷主電路無輸出。VT1 KP5-7 VT2 KP5-1 VD1-VD4 2CP40圖過電壓自斷電晶閘管保護電路當輸入的電源電壓值正常時，穩(wěn)壓管2CW7載止，VT2關(guān)斷，同步過壓變壓器TS的10V二次側(cè)繞組電壓經(jīng)VD5對200F電容充電而獲得直流電壓，它作為VT1的觸發(fā)電壓，使VT1管被觸通。主電路電子開關(guān)接通，允許輸出。VD6整流濾波所形成的直流取樣電壓的變化反映了交流電網(wǎng)電壓的變化。當輸入的電網(wǎng)電壓過高時，穩(wěn)壓管2CW7被擊穿，晶閘管VT2被觸通，由于VT2導(dǎo)通后兩端管壓降不到1V，不足以觸通晶閘管VT1，故主電路電子開關(guān)被關(guān)斷，自動地切斷電源，從而使電器得到保護。待電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，要重新起動VT1，必須先按下