單結晶體管觸發(fā)電路課件

晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路11.4晶閘管觸發(fā)電路1.4.1對觸發(fā)電路的要求晶閘管的型號很多，其應用電路種類也很多，不同的晶閘管型號、不同的晶閘管應用電路對觸發(fā)信號都會有不同的具體要求。歸納起來，晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調制觸發(fā)等。不管是哪種觸發(fā)電路，對它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求：（1）觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。由于晶閘管觸發(fā)導通后，門極觸發(fā)信號即失去控制作用，為了減小門極的損耗，一般不采用直流或交流信號觸發(fā)晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號。1.4晶閘管觸發(fā)電路1.4.1對觸發(fā)電路的要求2（2）觸發(fā)脈沖應有足夠的功率。觸發(fā)脈沖的電壓和電流應大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。觸發(fā)功率的大小是決定晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個關鍵指標。由于晶閘管元件門極參數(shù)的分散性很大，隨溫度的變化也大，為使所有合格的元件均能可靠觸發(fā)，可參考元件出廠的試驗數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄來設計觸發(fā)電路的輸出電壓和電流值。（2）觸發(fā)脈沖應有足夠的功率。觸發(fā)脈沖的電壓和3(3）觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導通。普通晶閘管的導通時間約為6μs，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應有6μs以上。對于電感性負載，由于電感會抵制電流上升，因而觸發(fā)脈沖的寬度應更大一些，通常為0.5～1ms。此外，某些具體的電路對觸發(fā)脈沖的寬度會有一定的要求，如后續(xù)將要討論的三相全控橋等電路的觸發(fā)脈沖寬度要求大于60°或采用雙窄脈沖。為了快速可靠地觸發(fā)大功率晶閘管，常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個強觸發(fā)脈沖，其波形如圖1-14所示。強觸發(fā)電流的幅值igm可達最大觸發(fā)電流的5倍，前沿t1約幾微秒。(3）觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可4圖1-14強觸發(fā)電流波形圖1-14強觸發(fā)電流波形5（4）觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。為保證控制的規(guī)律性，要求晶閘管在每個陽極電壓周期都必須在相同的控制角觸發(fā)導通，這就要求觸發(fā)脈沖的頻率與陽極電壓的頻率一致，且觸發(fā)脈沖的前沿與陽極電壓應保持固定的相位關系，這叫做觸發(fā)脈沖與陽極電壓同步。不同的電路或者相同的電路在不同負載、不同用途時，要求α的變化范圍（移相范圍）亦即觸發(fā)脈沖前沿與陽極電壓的相位變化范圍不同，所用觸發(fā)電路的脈沖移相范圍必須能滿足實際的需要。（4）觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移62.6.2單結晶體管的結構和特性單結晶體管也稱為雙基極二極管，它有一個發(fā)射極和兩個基極,外形和普通三極管相似。單結晶體管的結構是在一塊高電阻率的N型半導體基片上引出兩個歐姆接觸的電極：第一基極B1和第二基極B2；在兩個基極間靠近B2處，用合金法或擴散法滲入P型雜質，引出發(fā)射極E。單結晶體管共有上述三個電極，其結構示意圖和電氣符號如圖1-15所示。B2、B1間加入正向電壓后，發(fā)射極E、基極B1間呈高阻特性。但是當E的電位達到B2、B1間電壓的某一比值（例如59%）時，E、B1間立刻變成低電阻，這是單結晶體管最基本的特點。2.6.2單結晶體管的結構和特性7圖1-15單結晶體管的結構示意圖和電氣符號圖1-15單結晶體管的結構示意圖和電氣符號8圖1-16所示為單結晶體管特性實驗電路及其等效電路。將單結晶體管等效成一個二極管和兩個電阻RB1、RB2組成的等效電路，那么當基極上加電壓UBB時，RB1上分得的電壓為式中，η為分壓比，是單結晶體管的主要參數(shù)，η一般為0.5～0.9。圖1-16所示為單結晶體管特性實驗電路及其等9圖1-16單結晶體管特性試驗電路及其等效電路(a)特性實驗電路；(b)等效電路圖1-16單結晶體管特性試驗電路及其等效電路10下面分析單結晶體管的工作情況。調節(jié)RP，使UE從零逐漸增加。當UE＜ηUBB時，單結晶體管PN結處于反向偏置狀態(tài)，只有很小的反向漏電流。當發(fā)射極電位UE比ηUBB高出一個二極管的管壓降UVD時，單結晶體管開始導通，這個電壓稱為峰點電壓Up，故Up=ηUBB+UVD,此時的發(fā)射極電流稱為峰點電流Ip,Ip是單結晶體管導通所需的最小電流。下面分析單結晶體管的工作情況。11圖1-17單結晶體管發(fā)射極伏安特性曲線圖1-17單結晶體管發(fā)射極伏安特性曲線12當IE增大至一定程度時，載流子的濃度使注入空穴遇到阻力，即電壓下降到最低點，這一現(xiàn)象稱為飽和。欲使IE繼續(xù)增大，必須增大電壓UE。由負阻區(qū)轉化到飽和區(qū)的轉折點V稱為谷點。與谷點對應的電壓和電流分別稱為谷點電壓Uv和谷點電流Iv。谷點電壓是維持單結晶體管導通的最小電壓，一旦UE小于Uv，則單結晶體管將由導通轉化為截止。當IE增大至一定程度時，載流子的濃度使注入空13綜上所述，單結晶體管具有以下特點：（1）當發(fā)射極電壓等于峰點電壓Up時，單結晶體管導通。導通之后，當發(fā)射極電壓小于谷點電壓Uv時，單結晶體管就恢復截止。（2）單結晶體管的峰點電壓Up與外加固定電壓及其分壓比η有關。（3）不同單結晶體管的谷點電壓Uv和谷點電流Iv都不一樣。谷點電壓大約在2～5V之間。在觸發(fā)電路中，常選用η稍大一些，Uv低一些和Iv大一些的單結晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。綜上所述，單結晶體管具有以下特點：141.4.3單結晶體管的自激振蕩電路圖1-18單結晶體管自激振蕩電路及其波形(a)電路；(b)波形1.4.3單結晶體管的自激振蕩電路圖1-18單結晶15設電源未接通時，電容C上的電壓為零。電源接通后，C經(jīng)電阻RE充電，電容兩端的電壓uC逐漸升高，當uC達到單結晶體管的峰點電壓Up時，單結晶體管導通，電容經(jīng)單結晶體管的發(fā)射極、電阻RB1向電阻R1放電,在R1上輸出一個脈沖電壓。當電容放電至uC=Uv并趨向更低時，單結晶體管截止，R1上的脈沖電壓結束。之后電容從Uv值又開始充電，充電到Up時，單結晶體管又導通，此過程一直重復下去，在R1上就得到一系列的脈沖電壓。由于C的放電時間常數(shù)τ1=（R1+RB1）C,遠小于充電時間常數(shù)τ2=REC，故脈沖電壓為鋸齒波。uC和u

R1的波形如圖1-18所示。改變RE的大小，可改變C的充電速度，從而改變電路的自振蕩頻率。設電源未接通時，電容C上的電壓為零。電源接通16應該注意，當RE的值太大或太小時，不能使電路振蕩。當RE太大時，較小的發(fā)射極電流IE能在RE上產(chǎn)生大的壓降，使電容兩端的電壓uC升不到峰點電壓Up，單結晶體管就不能工作到負阻區(qū)。當RE太小時，單結晶體管導通后的IE將一直大于Iv，單結晶體管不能關斷。欲使電路振蕩，RE的值應滿足下列條件應該注意，當RE的值太大或太小時，不能使電路17

如忽略電容的放電時間，上述電路的自振蕩頻率近似為如忽略電容的放電時間，上述電路的自振蕩頻率近似為18電阻R2的作用是溫度補償。無電阻R2時，若溫度升高，則二極管的正向電壓降UD降低，單結晶體管的峰點電壓Up也就隨之下降，導致振蕩頻率f不穩(wěn)定。有電阻R2時，若溫度升高，則電阻RBB增加，進而使UBB增加。這樣，雖然二極管的正向壓降UD隨溫度升高而下降，但管子的峰點電壓Up=ηUBB+UD仍基本維持不變，保證振蕩頻率f基本穩(wěn)定。通常R2取200～600Ω。電容C的大小由脈沖寬度和RE的大小決定，通常取0.1～1μF。電阻R2的作用是溫度補償。無電阻R2時，若溫度升高，則二極管191.4.4單結晶體管觸發(fā)電路圖1-19單結晶體管觸發(fā)電路及其波形(a)電路；(b)波形1.4.4單結晶體管觸發(fā)電路圖1-19單結晶體管觸發(fā)20圖1-19單結晶體管觸發(fā)電路及其波形(a)電路；(b)波形圖1-19單結晶體管觸發(fā)電路及其波形21

1．同步電源同步電壓由變壓器TB獲得，而同步變壓器與主電路接至同一電源，故同步電壓與主電壓同相位，同頻率。同步電壓經(jīng)橋式整流再經(jīng)穩(wěn)壓管VDW削波為梯形波uVDW，它的最大值UW，uVDW既是同步信號，又是觸發(fā)電路的電源。當uVDW過零時，單結晶體管的電壓UBB=uVDW=0，UA=0，故電容C經(jīng)單結晶體管的發(fā)射極E、第一基極B1、電阻R1迅速放電。也就是說，每半周開始，電容C都基本上從零開始充電，進而保證每周期觸發(fā)電路送出一個距離過零時刻一致的脈沖。距離過零時刻一致即控制角α在每個周期相同，這樣就實現(xiàn)了同步。1．同步電源22

2．移相控制

當調節(jié)電阻RP增大時，單結晶體管充電到峰點電壓Up的時間(即充電時間)增大，第一個脈沖出現(xiàn)的時刻后移，即控制角α增大，實現(xiàn)了移相。3．脈沖輸出觸發(fā)脈沖由R1直接取出，這種方法簡單、經(jīng)濟，但觸發(fā)電路與主電路有直接的電聯(lián)系，不安全?？梢圆捎妹}沖變壓器輸出來改進這一觸發(fā)電路。2．移相控制233．單結晶體管觸發(fā)電路3）波形分析單結晶體管觸發(fā)電路的調試以及在今后的使用過程中的檢修主要是通過幾個點的典型波形來判斷個元器件是否正常。①橋式整流后脈動電壓的波形將探頭的測試端接于“A”點，接地端接于“E”點，測得波形。（a）實測波形（b）理論波形3．單結晶體管觸發(fā)電路3）波形分析243．單結晶體管觸發(fā)電路②、削波后梯形波電壓波形將探頭的測試端接于“B”點，測得B點的波形（a）實測波形（b）理論波形3．單結晶體管觸發(fā)電路②、削波后梯形波電壓波形25（2）脈沖移相與形成1）電路組成脈沖移相由電阻RE和電容C組成，脈沖形成由單結晶體管、溫補電阻R3、輸出電阻R4組成。改變張馳振蕩電路中電容C的充電電阻的阻值，就可以改變充電的時間常數(shù)，圖中用電位器RP來實現(xiàn)這一變化，例如：RP↑→τC↑→出現(xiàn)第一個脈沖的時間后移→α↑→Ud↓（2）脈沖移相與形成1）電路組成26（2）脈沖移相與形成2）波形分析①、電容電壓的波形將探頭的測試端接于“C”點

（a）實測波形（b）理論波形半個周期（2）脈沖移相與形成2）波形分析半個周期27（2）脈沖移相與形成

調節(jié)電位器RP的旋鈕，觀察C點的波形的變化范圍。（2）脈沖移相與形成

調節(jié)電位器RP的旋鈕，觀察C28②、輸出脈沖的波形將探頭的測試端接于“D”點（a）實測波形（b）理論波形②、輸出脈沖的波形29

調節(jié)電位器RP的旋鈕，觀察D點的波形的變化范圍。

調節(jié)電位器RP的旋鈕，觀察D點的波形的變化范圍。303．觸發(fā)電路各元件的選擇（1）、充電電阻的選擇改變充電電阻的大小，就可以改變張馳振蕩電路的頻率，但是頻率的調節(jié)有一定的范圍，如果充電電阻選擇不當，將使單結晶體管自激振蕩電路無法形成振蕩。充電電阻的取值范圍為：其中：——加于圖中B-E兩端的觸發(fā)電路電源電壓——單結晶體管的谷點電壓——單結晶體管的谷點電流——單結晶體管的峰點電壓——單結晶體管的峰點電流3．觸發(fā)電路各元件的選擇（1）、充電電阻的選擇31（2）、電阻的選擇電阻是用來補償溫度對峰點電壓的影響，通常取值范圍為：200～600。（3）、輸出電阻的選擇輸出電阻的大小將影響將影響輸出脈沖的寬度與幅值，通常取值范圍為：50～100。（4）、電容C的選擇電容C的大小與脈沖寬窄和的大小有關，通常取值范圍為：0.1～1。（2）、電阻的選擇32實驗電路實驗電路33實驗電路實驗電路34實驗記錄實驗記錄352.6.3同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路2.6.3同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路36總結由此可見，若鋸齒波的頻率與主電路電源頻率同步即能使觸發(fā)脈沖與主電路電源同步，鋸齒波是由V2管來控制的，V2管由導通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，V2管截止的持續(xù)時間就是鋸齒波的脈寬，V2管的開關頻率就是鋸齒波的頻率。在這里，同步變壓器TS和主電路整流變壓器接在同一電源上，用TS次級電壓來控制V2的導通和截止，從而保證了觸發(fā)電路發(fā)出的脈沖與主電路電源同步。所以只要V2管周期性導通關斷，電容C2兩端就能得到線性很好的鋸齒波電壓。脈沖產(chǎn)生的時刻是由V4導通時刻決定（鋸齒波和Ub、Uc之和達到0.7Ｖ時），工作時，把負偏移電壓Ub調整到某值固定后，改變控制電壓Uc，就能改變ub4波形與時間橫軸的交點，就改變了V4轉為導通的時刻，即改變了觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的時刻，達到移相的目的。電路中增加負偏移電壓Ub的目的是為了調整Uc＝０時觸發(fā)脈沖的初始位置。由此可見，脈沖產(chǎn)生時刻由Ｖ４導通瞬間確定，脈沖寬度由V5、V6持續(xù)截止的時間確定。所以脈寬由C3反充電時間常數(shù)(τ=C3R11)來決定。

總結由此可見，若鋸齒波的頻率與主電路電源頻率同步即能使觸發(fā)脈372.4.3集成觸發(fā)電路目前國內生產(chǎn)的集成觸發(fā)器有KJ系列和KC系列，國外生產(chǎn)的有TCA系列，下面簡要介紹由KC系列的KC04移相觸發(fā)器和KC4lC六路雙脈沖形成器所組成的三相全控橋集成觸發(fā)器的工作原理。2.4.3集成觸發(fā)電路目前國內生產(chǎn)的集成觸發(fā)器有KJ系列381、KC04移相觸發(fā)器

主要用于單相或三相全控橋裝置（1）KC04移相觸發(fā)器的主要技術指標如下：電源電壓：DC±l5V，允許波動±5%；電源電流：正電流≤l5mA，負電流≤8mA；移相范圍：≥(=30V，=l5KΩ)；脈沖寬度：400s～2ms；脈沖幅值：≥13V；最大輸出能力：100mA；正負半周脈沖不均衡：≤土；環(huán)境溫度：-——。1、KC04移相觸發(fā)器

主要用于單相或三相全控橋裝置39（2）內部結構（2）內部結構40（3）KC04移相觸發(fā)器的內部線路組成

KC04移相觸發(fā)器的內部線路是由同步環(huán)節(jié)、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成及整形放大、脈沖輸出等環(huán)節(jié)組成。

①同步環(huán)節(jié)V1～V4等組成同步環(huán)節(jié)，同步電壓us經(jīng)限流電阻R20加到V1、V2的基極。在同步電壓正半波us＞0.7V時，V1導通，V4截止；在同步電壓負半波us＜-0.7V時，V2、V3導通，V4截止；只有在│us│＜0.7V時，V4導通。②鋸齒波形成V4截止時，C1充電，形成鋸齒波的上升段，V4導通時，C1放電，形成鋸齒波的下降段，每周期形成兩個鋸齒波。鋸齒波寬度小于180°。（3）KC04移相觸發(fā)器的內部線路組成KC04移相觸發(fā)器的41

③移相環(huán)節(jié)V6及外