可控硅的工作原理.doc

一、可控硅的工作原理可控硅是可控硅整流器的簡(jiǎn)稱。它是由三個(gè)PN結(jié)四層結(jié)構(gòu)硅芯片和三個(gè)電極組成的半導(dǎo)體器件。圖3-29是它的結(jié)構(gòu)、外形和圖形符號(hào)?？煽毓璧娜齻€(gè)電極分別叫陽(yáng)極(A)、陰極(K)和控制極(G)。當(dāng)器件的陽(yáng)極接負(fù)電位(相對(duì)陰極而言)時(shí)，從符號(hào)圖上可以看出PN結(jié)處于反向，具有類(lèi)似二極管的反向特性。當(dāng)器件的陽(yáng)極上加正電位時(shí)(若控制極不接任何電壓)，在一定的電壓范圍內(nèi)，器件仍處于阻抗很高的關(guān)閉狀態(tài)。但當(dāng)正電壓大于某個(gè)電壓(稱為轉(zhuǎn)折電壓)時(shí)，器件迅速轉(zhuǎn)變到低阻通導(dǎo)狀態(tài)。加在可控硅陽(yáng)極和陰極間的電壓低于轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，器件處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)如果在控制極上加有適當(dāng)大小的正電壓(對(duì)陰極)，則可控硅可迅速被激發(fā)而變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)?？煽毓枰坏?dǎo)通，控制極便失去其控制作用。就是說(shuō)，導(dǎo)通后撤去柵極電壓可控硅仍導(dǎo)通，只有使器件中的電流減到低于某個(gè)數(shù)值或陰極與陽(yáng)極之間電壓減小到零或負(fù)值時(shí)，器件才可恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。圖3-30是可控硅的伏安特性曲線。圖中曲線I為正向阻斷特性。無(wú)控制極信號(hào)時(shí)，可控硅正向?qū)妷簽檎蜣D(zhuǎn)折電壓(UB0)；當(dāng)有控制極信號(hào)時(shí)，正向轉(zhuǎn)折電壓會(huì)下降(即可以在較低正向電壓下導(dǎo)通)，轉(zhuǎn)折電壓隨控制極電流的增大而減小。當(dāng)控制極電流大到一定程度時(shí)，就不再出現(xiàn)正向阻斷狀態(tài)了。曲線為導(dǎo)通工作特性?？煽毓鑼?dǎo)通后內(nèi)阻很小，管子本身壓降很低，外加電壓幾乎全部降在外電路負(fù)載上，并流過(guò)比較大的負(fù)載電流，特性曲線與二極管正向?qū)ㄌ匦韵嗨啤Ｈ絷?yáng)極電壓減小(或負(fù)載電阻增加)，致使陽(yáng)極電流小于維持電流IH時(shí)，可控硅從導(dǎo)通狀態(tài)立即轉(zhuǎn)為正向阻斷狀態(tài)，回到曲線I狀態(tài)。曲線為反向阻斷特性。當(dāng)器件的陽(yáng)極加以反向電壓時(shí)，盡管電壓較高，但可控硅不會(huì)導(dǎo)通(只有很小的漏電流)。只有反向電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，電流才突然增大，若不加限制器件就會(huì)燒毀。正常工作時(shí)，外加電壓要小于反向擊穿電壓才能保證器件安全可靠地工作。可控硅的重要特點(diǎn)是：只要控制極中通以幾毫安至幾十毫安的電流就可以觸發(fā)器件導(dǎo)通，器件中就可以通過(guò)較大的電流。利用這種特性可用于整流、開(kāi)關(guān)、變頻、交直流變換、電機(jī)調(diào)速、調(diào)溫、調(diào)光及其它自動(dòng)控制電路中。二、可控硅的主要技術(shù)參數(shù)1正向阻斷峰值電壓(VPFU)是指在控制極開(kāi)路及正向阻斷條件下，可以重復(fù)加在器件上的正向電壓的峰值。此電壓規(guī)定為正向轉(zhuǎn)折電壓值的80。2反向阻斷峰值電壓(VPRU)它是指在控制極斷路和額定結(jié)溫度下，可以重復(fù)加在器件上的反向電壓的峰值。此電壓規(guī)定為最高反向測(cè)試電壓值的80。3額定正向平均電流(IF)在環(huán)境溫度為+40C時(shí)，器件導(dǎo)通(標(biāo)準(zhǔn)散熱條件)可連續(xù)通過(guò)工頻(即指供電網(wǎng)供給的電源頻率一般為50Hz或60Hz，我國(guó)規(guī)定為50Hz)正弦半波電流的平均值。4正向平均壓降(UF)在規(guī)定的條件下，器件通以額定正向平均電流時(shí)，在陽(yáng)極與陰極之間電壓降的平均值。5維持電流(IH)在控制極斷開(kāi)時(shí)，器件保持導(dǎo)通狀態(tài)所必需的最小正向電流。6控制極觸發(fā)電流(Ig)陽(yáng)極與陰極之間加直流6V電壓時(shí)，使可控硅完全導(dǎo)通所必需的最小控制極直流電流。7控制極觸發(fā)電壓(Ug)是指從阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)控制極上所加的最小直流電壓。普通小功率可控硅參數(shù)見(jiàn)表3-lO。表3-10 普通小功率可控硅參數(shù)型號(hào)額定正向平均電流（A）正向阻斷峰值電壓（V）反向阻斷峰值電壓（V）最大正向平均壓降（V）維持電流（mA）控制極觸發(fā)電壓（V）控制極電流（mA）控制極最大允許正向電壓（V）3CT113030003030001.2202.520103CT553030003030001.2403.550103CT10103030003030001.2603.570103CT20203030003030001.2603.57110*正向阻斷峰值電壓及反向阻斷峰值電壓在303000范圍內(nèi)分檔。三、多種用途的可控硅根據(jù)結(jié)構(gòu)及用途的不同，可控硅已有很多不同的類(lèi)型，除上述介紹的整流用普通可控硅之外還有；快速可控硅。這種可控硅可以工作在較高的頻率下，用于大功率直流開(kāi)關(guān)、電脈沖加工電源、激光電源和雷達(dá)調(diào)制器等電路中。雙向可控硅。它的特點(diǎn)是可以使用正的或負(fù)的控制極脈沖，控制兩個(gè)方向電流的導(dǎo)通。它主要用于交流控制電路，如溫度控制、燈光調(diào)節(jié)及直流電極調(diào)速和換向電路等。逆導(dǎo)可控硅。主要用于直流供電車(chē)輛(如無(wú)軌電車(chē))的調(diào)速?？申P(guān)斷可控硅。這是一種新型可控硅，它利用正的控制極脈沖可觸發(fā)導(dǎo)通，而用負(fù)的控制極脈沖可以關(guān)斷陽(yáng)極電流，恢復(fù)阻斷狀態(tài)。利用這種特性可以做成無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)或用于直流調(diào)壓、電視機(jī)中行掃描電路及高壓脈沖發(fā)生器電路等?？煽毓璧挠猛竞軓V泛，下面僅舉兩例來(lái)說(shuō)明可控硅電路的工作過(guò)程。圖3-31是采用雙基極管的可控硅調(diào)壓電路，D1D2組成全波橋式整流電路。BG雙基極管構(gòu)成可控硅的同步觸發(fā)電路(是一個(gè)張弛振蕩器)。整流電壓經(jīng)電阻R1降壓后加在A、B兩點(diǎn)。整流后脈動(dòng)電壓的正半周通過(guò)R4、W向電容C充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到雙基極管峰點(diǎn)電壓UP時(shí)，BG由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，電容C通過(guò)b1e結(jié)及R。迅速放電，其放電電流在R。上產(chǎn)生一個(gè)尖脈沖，成為觸發(fā)可控硅(SCR)極的觸發(fā)信號(hào)，從而導(dǎo)致可控硅導(dǎo)通。可控硅導(dǎo)通后其正向壓降很低，所以張弛振蕩器即停止工作，電源電壓過(guò)零時(shí)(由于無(wú)濾波電容，故為單向脈動(dòng)電壓)可控硅就自動(dòng)關(guān)斷。待下一個(gè)正半周到來(lái)時(shí)，電容C又充電，重復(fù)上述過(guò)程。因而串聯(lián)于整流電路的負(fù)載RL上就得到個(gè)受控的脈沖電壓。電容C的充電速度與R4、W及C的乘積有關(guān)，所以調(diào)節(jié)W之值，即能改變電容C充電到U，值的時(shí)間也就可以改變可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而改變了負(fù)載上電壓的大小。圖3-32是一種利用可控硅做成的感應(yīng)(接近)開(kāi)關(guān)。它是利用人體電容和電阻與電路上電容C1，并聯(lián)促使氖管N導(dǎo)通點(diǎn)燃，從而在電阻R1上產(chǎn)生可控硅的觸發(fā)信號(hào)，使可控硅導(dǎo)通，點(diǎn)著串于可控硅電路里的燈泡。也可在電路里串接繼電器，帶動(dòng)其他電器裝置的開(kāi)啟或關(guān)閉。四、用萬(wàn)用表檢查可控硅的好壞1判定可控硅的電極小功率可控硅的電極從外形上可以差別，一般陽(yáng)極為外殼，陰極線比控制極引線長(zhǎng)，如圖3-29所示。如果其它型式的封裝，不知電極引線時(shí)可以用萬(wàn)用表的電阻檔進(jìn)行判別。從可控硅的結(jié)構(gòu)圖上可以看出，陰極與控制極之間有一個(gè)PN結(jié)，而陽(yáng)極與控制極之間有兩個(gè)反向串聯(lián)的PN結(jié)。用電表R100檔先測(cè)出控制極。方法是將負(fù)表筆試接某一電極，正表筆依次碰觸另外兩個(gè)電極，假如有一次阻值很小(約幾百歐姆)，另一次阻值很大(約幾千歐姆)，說(shuō)明負(fù)表筆接的正是控制極(G)。在阻值小的那次測(cè)量中，接正表筆的一端是陰極(C或K)，阻值大的那次，接正表筆的是陽(yáng)極(A)；若兩次測(cè)出的阻值均很大，說(shuō)明負(fù)表筆接的不是控制極，應(yīng)更換另外一個(gè)電極，重復(fù)上述判別2檢查可控硅的好壞對(duì)于一個(gè)良好的可控硅應(yīng)包括以下內(nèi)容：三個(gè)PN結(jié)均是良好的；可控硅反向電壓時(shí)能夠阻斷，不導(dǎo)通；可控硅正向在控制極開(kāi)路時(shí)能夠阻斷；如果控制極加了正向電流，而陽(yáng)極加正向電壓時(shí)可控硅可以導(dǎo)通，且撤去控制極電流后仍能維持導(dǎo)通。對(duì)于前三項(xiàng)可以通過(guò)測(cè)量極間電阻的方法判別，后一條要進(jìn)行導(dǎo)通試驗(yàn)。(1)測(cè)極間電阻。用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)陽(yáng)極與控制極之間、陽(yáng)極與陰極之間的電阻。注意，宜用電表電阻最高檔，阻值均應(yīng)很高。如阻值很小，并用低阻檔再量阻值仍較小，表明可控硅已擊穿、管子是壞的。陽(yáng)極和陰極之間的正向電阻值(即陽(yáng)極接負(fù)表筆，陰極接正表筆時(shí)阻值)，反映可控硅正向阻斷特性，阻值愈大，表示正向漏電流愈小。陽(yáng)極與陰極之間的反向阻值反映可控硅的反向阻斷特性，阻值愈大，表示反向漏電流愈小。測(cè)控制極與陰極之間的電阻。用R10或R100檔測(cè)量為宜。如果正向電阻(控制極接負(fù)筆，陰極接正筆)極大，接近處，表示控制極與陰極之間已經(jīng)燒毀，管子已壞。至于反向電阻應(yīng)很大，不過(guò)有些管子控制極與陰極之間的反向電阻并不太高，這也是正常的。表3-11給出測(cè)量3CT5B可控硅的G、C極間電阻數(shù)據(jù)，供參考。表3-11 3CT5可控硅G、C極間電阻值 表筆接法萬(wàn)用表檔次A eq oac(,-)C eq oac(,+)A eq oac(,+)C eq oac(,-)G eq oac(,-)C eq oac(,+)G eq oac(,+)C eq oac(,-)A eq oac(,-)G eq oac(,+)A eq oac(,+)G eq oac(,-)R145R10120R1K1.4K100KR10K2K50K(2)導(dǎo)通試驗(yàn)。利用萬(wàn)用表的直流電流檔(100mA檔或更大些電流檔)，需外加6V直流電源，按圖3-33所示電路接好。先不合開(kāi)關(guān)K，此時(shí)電流表指示應(yīng)很小(正向阻斷)，當(dāng)K閉合時(shí)電流應(yīng)有100mA左右。電流若很小表明管子正向壓降太大或已損壞。再斷開(kāi)K，電表指示應(yīng)仍為100mA左右基本上無(wú)變化。切斷6V電源再一次重復(fù)上述過(guò)程，如一切同前表示管子導(dǎo)通性能是良好的。在沒(méi)有萬(wàn)用表時(shí)，用6.3V小燈泡代替電表也可以，導(dǎo)通時(shí)燈泡亮。五、單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)如圖3-34所示。因?yàn)樗挥幸粋€(gè)PN結(jié)，所以稱為單結(jié)晶體管。但由于它有兩個(gè)基極，故又稱雙基極二極管。它的外形與三極管相似，也有三只管腳，其中一個(gè)是發(fā)射極(e)，另外兩個(gè)是基極(b1和b2)。它是一種具有負(fù)阻特性的器件(電流增加而電壓降反而減小的特性)。圖3-35是它的伏安特性曲線及等效電路。雙基極管可組成弛張振蕩器、自激多諧振蕩器以及定時(shí)延時(shí)等電路，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。從雙基極管的伏安特性可以看清其工作原理。當(dāng)兩基極b1、b2間加上電壓Ubb時(shí)(參見(jiàn)典型應(yīng)用電路(圖3-36)，等效電路中A點(diǎn)電壓為式中可稱為單結(jié)管的分壓比，是由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的，一般為0.30.9之間。輸入電壓UUbb時(shí)，發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)處于反向偏置，管子截止，電流很小。當(dāng)輸入電壓UbeUbb+UD時(shí)，(UD為二極管正向壓降約為0.7V)PN結(jié)正向?qū)щ姡琁e明顯增加，rbl阻值迅速減小，Ue相應(yīng)下降。這種電壓隨電流增加反而下降的特性就是雙基極管的負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的交界點(diǎn)稱為峰點(diǎn)。與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流分別稱為峰點(diǎn)電壓VP和峰點(diǎn)電流IP，顯然UPUbb。隨著發(fā)射極電流Ie不斷增加，Ue不斷下降，降至某一點(diǎn)時(shí)不再下降了，這一點(diǎn)稱為谷點(diǎn)。谷點(diǎn)之后管子特性進(jìn)入了飽和區(qū)。與谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓Uu與發(fā)射極電流Iu分別稱為谷點(diǎn)電壓和谷點(diǎn)電流。顯然Uu是維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，只要UeUu管子又會(huì)重新截止。特性進(jìn)入飽和區(qū)后，發(fā)射極與第一基極間的電流達(dá)到飽和狀態(tài)，所以Ue繼續(xù)增加時(shí)，