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    可控硅的基本工作原理及在調光器中的使用

    時(shí)間:2011-02-20 13:18來(lái)源:未知 作者:admin 點(diǎn)擊:

    可控硅是可控硅整流元件的簡(jiǎn)稱(chēng),是一種具有三個(gè)PN 結的四層結構的大功率半導體器件,一般由兩晶閘管反向連接而成。它的功能不僅是整流,還可以用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)的快速接通或切斷;實(shí)現將直流電變成交流電的逆變;將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等?煽毓韬推渌雽w器件一樣,有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。它的出現,使半導體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強電領(lǐng)域,成為工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件。 目前可控硅在自動(dòng)控制、機電應用、工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應用。

    可控硅從外形上區分主要有螺旋式、平板式和平底式三種。螺旋式應用較多。

    可控硅有三個(gè)極----陽(yáng)極(A)、陰極(C)和控制極(G),管芯是P型導體和N型導體交迭組成的四層結構,共有三個(gè)PN 結,與只有一個(gè)PN結的硅整流二極管在結構上迥然不同?煽毓璧乃膶咏Y構和控制極的引入,為其發(fā)揮“以小控大”的優(yōu)異控制特性奠定了基礎?煽毓钁脮r(shí),只要在控制極加上很小的電流或電壓,就能控制很大的陽(yáng)極電流或電壓。目前已能制造出電流容量達幾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。

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    我們可以把從陰極向上數的第一、二、三層看面是一只NPN型號晶體管,而二、三、四層組成另一只PNP型晶體管。其中第二、第三層為兩管交迭共用?僧(huà)出圖1的等效電路圖。當在陽(yáng)極和陰極之間加上一個(gè)正向電壓E,又在控制極G和陰極C之間(相當BG2的基一射間)輸入一個(gè)正的觸發(fā)信號,BG2將產(chǎn)生基極電流Ib2,經(jīng)放大,BG2將有一個(gè)放大了β2 倍的集電極電流IC2 。因為BG2集電極與BG1基極相連,IC2又是BG1 的基極電流Ib1 。BG1又把Ib1(Ib2)放大了β1的集電極電流IC1送回BG2的基極放大。如此循環(huán)放大,直到BG1、BG2完全導通。事實(shí)上這一過(guò)程是“一觸即發(fā)”的,對可控硅來(lái)說(shuō),觸發(fā)信號加到控制極,可控硅立即導通。導通的時(shí)間主要決定于可控硅的性能。

    可控硅一經(jīng)觸發(fā)導通后,由于循環(huán)反饋的原因,流入BG2基極的電流已不只是初始的Ib2 ,而是經(jīng)過(guò)BG1、BG2放大后的電流(β1*β2*Ib2),這一電流遠大于Ib2,足以保持BG2的持續導通。此時(shí)觸發(fā)信號即使消失,可控硅仍保持導通狀態(tài),只有斷開(kāi)電源E或降低E的輸出電壓,使BG1、BG2 的集電極電流小于維持導通的最小值時(shí),可控硅方可關(guān)斷。當然,如果E極性反接,BG1、BG2受到反向電壓作用將處于截止狀態(tài)。這時(shí),即使輸入觸發(fā)信號,可控硅也不能工作。反過(guò)來(lái),E接成正向,而觸動(dòng)發(fā)信號是負的,可控硅也不能導通。另外,如果不加觸發(fā)信號,而正向陽(yáng)極電壓大到超過(guò)一定值時(shí),可控硅也會(huì )導通,但已屬于非正常工作情況了。

    可控硅這種通過(guò)觸發(fā)信號(小觸發(fā)電流)來(lái)控制導通(可控硅中通過(guò)大電流)的可控特性,正是它區別于普通硅整流二極管的重要特征。

     

    由于可控硅只有導通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開(kāi)關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉化,此條件見(jiàn)表1

    表1 可控硅導通和關(guān)斷條件

    狀態(tài)

    條件

    說(shuō)明

    從關(guān)斷到導通

    1、陽(yáng)極電位高于是陰極電位
    2、控制極有足夠的正向電壓和電流

    兩者缺一不可

    維持導通

    1、陽(yáng)極電位高于陰極電位
    2、陽(yáng)極電流大于維持電流

     兩者缺一不可

    從導通到關(guān)斷

    1、陽(yáng)極電位低于陰極電位
    2、陽(yáng)極電流小于維持電流

    任一條件即可 

     

     

    應用舉例:

    可控硅在實(shí)際應用中電路花樣最多的是其柵極觸發(fā)回路,概括起來(lái)有直流觸發(fā)電路,交流觸發(fā)電路,相位觸發(fā)電路等等。

    1、直流觸發(fā)電路:

    如圖2是一個(gè)電視機常用的過(guò)壓保護電路,當E+電壓過(guò)高時(shí)A點(diǎn)電壓也變高,當它高于穩壓管DZ的穩壓值時(shí)DZ道通,可控硅D受觸發(fā)而道通將E+短路,使保險絲RJ熔斷,從而起到過(guò)壓保護的作用。

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    2、相位觸發(fā)電路:

    相位觸發(fā)電路實(shí)際上是交流觸發(fā)電路的一種,如圖3,這個(gè)電路的方法是利用RC回路控制觸發(fā)信號的相位。當R值較少時(shí),RC時(shí)間常數較少,觸發(fā)信號的相移A1較少,因此負載獲得較大的電功率;當R值較大時(shí),RC時(shí)間常數較大,觸發(fā)信號的相移A2較大,因此負載獲得較少的電功率。這個(gè)典型的電功率無(wú)級調整電路在日常生活中有很多電氣產(chǎn)品中都應用它。

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    可控硅主要參數有:

    1、 額定通態(tài)平均電流

    在一定條件下,陽(yáng)極---陰極間可以連續通過(guò)的50赫茲正弦半波電流的平均值。

    2、 正向阻斷峰值電壓

    在控制極開(kāi)路未加觸發(fā)信號,陽(yáng)極正向電壓還未超過(guò)導能電壓時(shí),可以重復加在可控硅兩端的正向峰值電壓?煽毓璩惺艿恼螂妷悍逯,不能超過(guò)手冊給出的這個(gè)參數值。

    3、 反向陰斷峰值電壓

    當可控硅加反向電壓,處于反向關(guān)斷狀態(tài)時(shí),可以重復加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時(shí),不能超過(guò)手冊給出的這個(gè)參數值。

    4、 控制極觸發(fā)電流

    在規定的環(huán)境溫度下,陽(yáng)極---陰極間加一定電壓,使可控硅從關(guān)斷狀態(tài)轉為導通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。

    5、 維持電流

    在規定溫度下,控制極斷路,維持可控硅導通所必需的最小陽(yáng)極正向電流。

     

     

    采用可控硅技術(shù)對照明系統進(jìn)行控制具有:電壓調節速度快,精度高,可分時(shí)段實(shí)時(shí)調整,有穩壓作用,采用電子元件,相對來(lái)說(shuō)體積小、重量輕、成本低。但該調壓方式存在一致命缺陷,由于斬波,使電壓無(wú)法實(shí)現正弦波輸出,還會(huì )出現大量諧波,形成對電網(wǎng)系統諧波污染,危害極大,不能用在有電容補償電路中。(現代照明設計要求規定,照明系統中功率因數必須達到0.9以上,而氣體放電燈的功率因數在一般在0.5以下,所以都設計用電容補償功率因數)在國外發(fā)達國家,已有明文規定對電氣設備諧波含量的限制,在國內,北京、上海、廣州等大城市,已對諧波含量超標的設備限制并入電網(wǎng)使用。

    采用可控硅技術(shù)對照明系統進(jìn)行照度控制時(shí),可通過(guò)加裝濾波設備來(lái)有效降低諧波污染。

     

     

    近年來(lái),許多新型可控硅元件相繼問(wèn)世,如適于高頻應用的快速可控硅,可以用正或負的觸發(fā)信號控制兩個(gè)方向導通的雙向可控硅,可以用正觸發(fā)信號使其導通,用負觸發(fā)信號使其關(guān)斷的可控硅等等。

     

     

     

     

     

    應用介紹------可控硅在調光器中的應用:

    可控硅調光器是目前舞臺照明、環(huán)境照明領(lǐng)域的主流設備。

    在照明系統中使用的各種調光器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)交流調壓器,老式的變壓器和變阻器調光是采用調節電壓或電流的幅度來(lái)實(shí)現的,如下圖所示。u1是未經(jīng)調壓的220V交流電的波形,經(jīng)調壓后的電壓波形為u2,由于其幅度小于u1,使燈光變暗。在這種調光模式中,雖然改變了正弦交流電的幅值,但并未改變其正弦波形的本質(zhì)。

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    與變壓器、電阻器相比,可控硅調光器有著(zhù)完全不同的調光機理,它是采用相位控制方法來(lái)實(shí)現調壓或調光的。對于普通反向阻斷型可控硅,其閘流特性表現為當可控硅加上正向陽(yáng)極電壓的同時(shí)又加上適當的正向控制電壓時(shí),可控硅就導通;這一導通即使在撤去門(mén)極控制電壓后仍將維持,一直到加上反向陽(yáng)極電壓或陽(yáng)極電流小于可控硅自身的維持電流后才關(guān)斷。普通的可控硅調光器就是利用可控硅的這一特性實(shí)現前沿觸發(fā)相控調壓的。在正弦波交流電過(guò)零后的某一時(shí)刻t1(或某一相位角wt1),在可控硅控制極上加一觸發(fā)脈沖,使可控硅導通,根據前面介紹過(guò)的可控硅開(kāi)關(guān)特性,這一導通將維持到正弦波正半周結束。因此在正弦波的正半周(即0~p區間)中,0~wt1范圍可控硅不導通,這一范圍稱(chēng)為控制角,常用a表示;而在wt1~p間可控硅導通,這一范圍稱(chēng)為導通角,常用j表示。同理在正弦波交流電的負半周,對處于反向聯(lián)接的另一個(gè)可控硅(對兩個(gè)單向可控硅反并聯(lián)或雙向可控硅而言)在t2時(shí)刻(即相位角wt2)施加觸發(fā)脈沖,使其導通。如此周而復始,對正弦波每半個(gè)周期控制其導通,獲得相同的導通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時(shí)間(或相位),即改變了導通角j(或控制角a)的大小。導通角越大調光器輸出的電壓越高,燈就越亮。從上述可控硅調光原理可知,調光器輸出的電壓波形已經(jīng)不再是正弦波了,除非調光器處在全導通狀態(tài),即導通角為180°(或p)。正是由于正弦波被切割、波形遭受破壞,會(huì )給電網(wǎng)帶來(lái)干擾等問(wèn)題……

    好的調光設備應采取必要措施,努力降低使用可控硅技術(shù)后產(chǎn)生的干擾。

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