电气百科:可控硅(晶闸管)的术语、参数、用途、测试与工作原理

可控硅(Silicon Controlled Rectifier) 简称SCR,是一种大功率电器元件,也称晶闸管。它具有体积小、效率高、寿命长等优点。在自动控制系统中,可作为大功率驱动器件,实现用小功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中得到了广泛的应用。

可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。双向可控硅也叫三端双向可控硅,简称TRIAC。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接,这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由控制极G决定。在控制极G上加正脉冲(或负脉冲)可使其正向(或反向)导通。这种装置的优点是控制电路简单,没有反向耐压问题,因此特别适合做交流无触点开关使用。

晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称,又可称做可控硅整流器,以前被简称为可控硅;1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品,并于1958年使其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极,阴极和门极;晶闸管工作条件为:加正向电压且门极有触发电流;其派生器件有:快速晶闸管,双向晶闸管,逆导晶闸管,光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件,在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

额定通态电流(IT)即最大稳定工作电流,俗称电流。常用可控硅的IT一般为一安到几十安。

反向重复峰值电压(VRRM)或断态重复峰值电压(VDRM),俗称耐压。常用可控硅的VRRM/VDRM一般为几百伏到一千伏。

控制极触发电流(IGT),俗称触发电流。常用可控硅的IGT一般为几微安到几十毫安。

常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220ABC、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252、SOT-23、SOT23-3L等

普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管,就可以构成可控整流电路。以最简单的单相半波可控整流电路为例,在正弦交流电压U2的正半周期间,如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug,VS仍然不能导通,只有在U2处于正半周,在控制极外加触发脉冲Ug时,晶闸管被触发导通。画出它的波形(c)及(d),只有在触发脉冲Ug到来时,负载RL上才有电压UL输出。Ug到来得早,晶闸管导通的时间就早;Ug到来得晚,晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间,就可以调节负载上输出电压的平均值UL。在电工技术中,常把交流电的半个周期定为180°,称为电角度。这样,在U2的每个正半周,从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α;在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。很明显,α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ,改变负载上脉冲直流电压的平均值UL,实现了可控整流。

1:小功率塑封双向可控硅通常用作声光控灯光系统。额定电流:IA小于2A。

2:大;中功率塑封和铁封可控硅通常用作功率型可控调压电路。像可调压输出直流电源等等。

在有电噪声的环境中,如果栅极上的噪声电压超过VGT,并有足够的栅电流激发可控硅(晶闸管)内部的正反馈,则也会被触发导通。

应用安装时,首先要使栅极外的连线尽可能短。当连线不能很短时,可用绞线或屏蔽线来减小干扰的侵入。在然后G与MT1之间加一个1KΩ的电阻来降低其灵敏度,也可以再并联一个100nf的电容,来滤掉高频噪声。

当驱动一个大的电感性负载时,在负载电压和电流间有一个很大的相移。当负载电流过零时,双向可控硅(晶闸管)开始换向,但由于相移的关系,电压将不会是零。所以要求可控硅(晶闸管)要迅速关断这个电压。如果这时换向电压的变化超过允许值时,就没有足够的时间使结间的电荷释放掉,而被迫使双向可控硅(晶闸管)回到导通状态。

为了克服上述问题,可以在端子MT1和MT2之间加一个RC网络来限制电压的变化,以防止误触发。一般,电阻取100R,电容取100nF。值得注意的是此电阻不能省掉。

当负载电流增大,电源频率的增高或电源为非正弦波时,会使转换电流变化率变高,这种情况最易在感性负载的情况下发生,很容易导致器件的损坏。此时可以在负载回路中串联一只几毫亨的空气电感。

在处于截止状态的双向可控硅(晶闸管)两端加一个小于它的VDFM的高速变化的电压时,内部电容的电流会产生足够的栅电流来使可控硅(晶闸管)导通。这在高温下尤为严重,在这种情况下可以在MT1和MT2间加一个RC缓冲电路来限制VD/DT,或可采用高速可控硅(晶闸管)。

在电源不正常的情况下,可控硅(晶闸管)两端的电压会超过连续峰值开路电压VDRM的最大值,此时可控硅(晶闸管)的漏电流增大并击穿导通。如果负载能允许很大的浪涌电流,那么硅片上局部的电流密度就很高,使这一小部分先导通。导致芯片烧毁或损坏。另外白炽灯,容性负载或短路保护电路会产生较高的浪涌电流,这时可外加滤波器和钳位电路来防止尖峰(毛刺)电压加到双向可控硅(晶闸管)上。

可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三种,螺旋式的应用较多。可控硅有三个电极—阳极(A)阴极(C)和控制极(G)。它有管芯是P型导体和N型导体交迭组成的四层结构,共有三个PN结。可控硅和只有一个PN结的硅整流二极度管在结构上迥然不同。可控硅的四层结构和控制极的引用,为其发挥以小控大的优异控制特性奠定了基础。在应用可控硅时,只要在控制极加上很小的电流或电压,就能控制很大的阳极电流或电压。电流容量达几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。

可控硅为什么其有以小控大的可控性呢?下面我们用图表-27来简单分析可控硅的工作原理。

首先,可以把从阴极向上数的第一、二、三层看面是一只NPN型号晶体管,而二、三四层组成另一只PNP型晶体管。其中第二、第三层为两管交迭共用。当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea,又在控制极G和阴极C之间(相当BG1的基一射间)输入一个正的触发信号,BG1将产生基极电流Ib1,经放大,BG1将有一个放大了β1倍的集电极电流IC1。因为BG1集电极与BG2基极相连,IC1又是BG2的基极电流Ib2。BG2又把比Ib2(Ib1)放大了β2的集电极电流IC2送回BG1的基极放大。如此循环放大,直到BG1、BG2完全导通。实际这一过程是一触即发的过程,对可控硅来说,触发信号加入控制极,可控硅立即导通。导通的时间主要决定于可控硅的性能。

可控硅一经触发导通后,由于循环反馈的原因,流入BG1基极的电流已不只是初始的Ib1,而是经过BG1、BG2放大后的电流(β1*β2*Ib1)这一电流远大于Ib1,足以保持BG1的持续导通。此时触发信号即使消失,可控硅仍保持导通状态只有断开电源Ea或降低Ea,使BG1、BG2中的集电极电流小于维持导通的最小值时,可控硅方可关断。当然,如果Ea极性反接,BG1、BG2由于受到反向电压作用将处于截止状态。这时,即使输入触发信号,可控硅也不能工作。反过来,Ea接成正向,而触动发信号是负的,可控硅也不能导通。另外,如果不加触发信号,而正向阳极电压大到超过一定值时,可控硅也会导通,但已属于非正常工作情况了。

可控硅这种通过触发信号(小的触发电流)来控制导通(可控硅中通过大电流)的可控特性,正是它区别于普通硅整流二极管的重要特征。

普通可控硅的三个电极可以用万用表欧姆挡R×100挡位来测。大家知道,晶闸管G、K之间是一个PN结(a),相当于一个二极管,G为正极、K为负极,所以,按照测试二极管的方法,找出三个极中的两个极,测它的正、反向电阻,电阻小时,万用表黑表笔接的是控制极G,可以用刚才演示用的示教板电路。接通电源开关S,按一下按钮开关SB,灯泡发光就是好的,不发光就是坏的。

鉴别可控硅三个极的方法很简单,根据P-N结的原理,只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。

阳极与阴极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上,阳极和控制极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上(它们之间有两个P-N结,而且方向相反,因此阳极和控制极正反向都不通)。

控制极与阴极之间是一个P-N结,因此它的正向电阻大约在几欧-几百欧的范围,反向电阻比正向电阻要大。可是控制极二极管特性是不太理想的,反向不是完全呈阻断状态的,可以有比较大的电流通过,因此,有时测得控制极反向电阻比较小,并不能说明控制极特性不好。另外,在测量控制极正反向电阻时,万用表应放在R*10或R*1挡,防止电压过高控制极反向击穿。

若测得元件阴阳极正反向已短路,或阳极与控制极短路,或控制极与阴极反向短路,或控制极与阴极断路,说明元件已损坏。

可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。实际上,可控硅的功用不仅是整流,它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路,实现将直流电变成交流电的逆变,将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电,等等。可控硅和其它半导体器件一样,其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现,使半导体技术从弱电领域进入了强电领域,成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。

单向晶闸管很像一只二极管,但比二极管多了一个控制极G,它的导通可以控制。

6)将晶闸管反接,无论S1、S2断开还是闭合,灯总是不亮/亮。(不亮)

2)晶闸管导通后,降低或去掉控制极电压时,晶闸管仍然导通(UGK失效)。

3)导通后的晶闸管要关断时,必须减小其阳极电流,使其小于晶闸管的某一个电流值。

定义:在规定的环境温度和散热条件下,允许通过阳极和阴极之间的电流平均值。

定义:在规定的环境温度、控制极断开的条件下,保证晶闸管处于导通状态所需要的最小正向电流,一般为几毫安至几十毫安。

定义:在环境温度及一定的正向电压条件下,使晶闸管从关断到导通,控制极所需的最小正向电压和电流。一般情况下,小功率晶闸管触发电压约为1 V左右,触发电流零点几毫安至几毫安,中功率以上晶闸管触发电压约为几伏至几十伏,电流为几毫安至几百毫安。

双向可控硅又称为双向晶闸管 普通晶闸管(VS)实质上属于直流控制器件。要控制交流负载,

为此需两套独立的触发电路,使用不够方便。 双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的,它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管,而且仅需一个触发电路,是目前比较理想的交流开关器件。其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。

双向可控硅(晶闸管)结构原理:双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。双向可控硅实质上是两个反并联的单向可控硅,是由NPNPN五层半导体形成四个PN结构成、有三个电极的半导体器件

。由于主电极的构造是对称的(都从N层引出),所以它的电极不像单向可控硅那样分别叫阳极和阴极,而是把与控制极相近的叫做第一电极A1,另一个叫做第二电极A2。

双向可控硅的主要缺点是承受电压上升率的能力较低。这是因为双向可控硅在一个方向导通结束时,硅片在各层中的载流子还没有回到截止状态的位置,必须采取相应的保护措施。双向可控硅元件主要用于交流控制电路,如温度控制、灯光控制、防爆交流开关以及直流电机调速和换向等电路。

用万用表电阻R*1Ω挡,用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻,结果其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时,该组红、黑表所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G,另一空脚即为第二阳极A2。确定A1、G极后,再仔细测量A1、G极间正、反向电阻,读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1,红表笔所接引脚为控制极G。将黑表笔接已确定的第二阳极A2,红表笔接第一阳极A1,此时万用表指针不应发生偏转,阻值为无穷大。再用短接线、G极瞬间短接,给G极加上正向触发电压,A2、A1间阻值约10欧姆左右。随后断开A2、G间短接线欧姆左右。互换红、黑表笔接线。同样万用表指针应不发生偏转,阻值为无穷大。用短接线、G极间再次瞬间短接,给G极加上负的触发电压,A1、A2间的阻值也是10欧姆左右。随后断开A2、G极间短接线,万用表读数应不变,保持在10欧姆左右。符合以上规律,说明被测双向可控硅未损坏且三个引脚极性判断正确

可控硅在自动控制控制,机电领域,工业电气及家电等方面都有广泛的应用。可控硅是一种有源开关元件,平时它保持在非道通状态,直到由一个较少的控制信号对其触发或称“点火”使其道通,一旦被点火就算撤离触发信号它也保持道通状态,要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少到某一个值以下。可控硅二极管可用两个不同极性(P-N-P和N-P-N)晶体管来模拟,如图G1所示。当可控硅的栅极悬空时,BG1和BG2都处于截止状态,此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL,当栅极输入一个正脉冲电压时BG2道通,使BG1的基极电位下降,BG1因此开始道通,BG1的道通使得BG2的基极电位进一步升高,BG1的基极电位进一步下降,经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和道通状态。电路很快从截止状态进入道通状态,这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持道通状态不变。如果此时在阳极和阴极加上反向电压,由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止,另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少BG1和BG2的基电流也将减少,当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用,电路将很快从道通状态翻转为截止状态,我们称这个电流为维持电流。在实际应用中,我们可通过一个开关来短路可控硅的阳极和阴极从而达到可控硅的关断。

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