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1、HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 15.3 可控整流电路可控整流电路 15.3.1 晶闸管晶闸管15.3.2 单相可控整流电路单相可控整流电路15.3.3 可控整流触发电路可控整流触发电路 HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 二极管组成的整流电路中，输出电压平均值二极管组成的整流电路中，输出电压平均值 若输入交流电压不变，则输出电压平均值是固定的，不能任若输入交流电压不变，则输出电压平均值是固定的，不能任意控制和改变，因此这种整流电路通常称为意控制和改变，因此这种整流电路通常称为不控整流电路不控整流电路。要想调节不控
2、整流电路的输出电压值，可以接入一个调要想调节不控整流电路的输出电压值，可以接入一个调压变压器，调节压变压器，调节U2，但这增加了设备和成本，但这增加了设备和成本；或串入可变电或串入可变电阻器调压，增加了功耗。阻器调压，增加了功耗。科学的解决办法是采用可控整流电路，这需要使用可控科学的解决办法是采用可控整流电路，这需要使用可控整流元件整流元件晶闸管。可控整流不需增加调压变压器，调节晶闸管。可控整流不需增加调压变压器，调节容易，便于自动控制。容易，便于自动控制。HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 晶闸管是一种大功率的半导体器件，它具有体积小、晶闸管是一种大功率
3、的半导体器件，它具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、使用维护简单、控制重量轻、耐压高、容量大、效率高、使用维护简单、控制灵敏等优点。同时它的功率放大倍数很高，可以用微小的灵敏等优点。同时它的功率放大倍数很高，可以用微小的信号功率对大功率的电源进行控制和变换。在脉冲数字电信号功率对大功率的电源进行控制和变换。在脉冲数字电路中也可以作为功率开关使用。路中也可以作为功率开关使用。由半导体二极管组成的整流电路，电路形式一旦确定，由半导体二极管组成的整流电路，电路形式一旦确定，则当输入的交流电压不变时，输出的直流电压值不能任意则当输入的交流电压不变时，输出的直流电压值不能任意控制和改变，因此这种
4、整流电路通常称为不可控整流电路。控制和改变，因此这种整流电路通常称为不可控整流电路。然而在实际工作中，有时希望整流器的输出直流电压然而在实际工作中，有时希望整流器的输出直流电压能够根据需要进行调节，这种情况下需要采用可控整流电能够根据需要进行调节，这种情况下需要采用可控整流电路，而晶闸管正是可以实现这一要求的可控整流元件。路，而晶闸管正是可以实现这一要求的可控整流元件。晶闸管俗称可控硅。晶闸管俗称可控硅。15.3.1 晶闸管晶闸管HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 15.3.1.1 晶闸管的结构和等效模型晶闸管的结构和等效模型 图为晶闸管的内部结构和符号。
5、晶闸管有三个电极，图为晶闸管的内部结构和符号。晶闸管有三个电极，A是是阳极、阳极、K是阴极、是阴极、G是控制极，晶闸管由是控制极，晶闸管由PNPN四层半导体构四层半导体构成，中间形成三个成，中间形成三个PN结：结：J1、J2、J3。从下面的。从下面的P1层引出阳层引出阳极极A，从，从N2层引出阴极层引出阴极K，由中间的，由中间的P2层引出控制极层引出控制极G，用铝，用铝片和钼片作为衬底。片和钼片作为衬底。图图01.07.01 晶闸管的内部结构和符号晶闸管的内部结构和符号15.3.1.1.1 晶闸管的结构晶闸管的结构HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 根据晶
6、闸管的结构，可以画出图的内部结构等效模型，根据晶闸管的结构，可以画出图的内部结构等效模型，并归结为并归结为PNP型晶体管型晶体管T1和和NPN型晶体管型晶体管T2的闭合连接形的闭合连接形式。式。图图01.07.02 晶闸管的内部结构的等效模型晶闸管的内部结构的等效模型 T1的的e极是阳极极是阳极A，T2的的e极是阴极极是阴极K，T1的的c极和极和T2的的b极连在一起是栅极极连在一起是栅极G，T1的的b极和极和T2的的c极在内部连在一起。极在内部连在一起。这种闭合的连接形式具有十分重要的作用。这种闭合的连接形式具有十分重要的作用。15.3.1.1.2 晶闸管的等效模型晶闸管的等效模型HIT集成电
7、子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 15.3.1.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 根据晶闸管的结构，当根据晶闸管的结构，当UAK0，即阳极和阴极之间加正，即阳极和阴极之间加正向电压，且控制极不加电压时，由于向电压，且控制极不加电压时，由于PN结结J2为反偏，所以晶为反偏，所以晶闸管处于阻断状态；闸管处于阻断状态；15.3.1.2.1 晶闸管工作原理分析晶闸管工作原理分析 而当而当UAK0时，由于时，由于J1和和J3反偏，晶闸管仍然阻断。反偏，晶闸管仍然阻断。如果在如果在UAK0的同时，且的同时，且 UK0，则晶闸管就由阻断变，则晶闸管就由阻断变为导通，而且管压降
8、很小，约为导通，而且管压降很小，约1V左右，相当于开关处于闭合左右，相当于开关处于闭合状态。可见，晶闸管相当于一状态。可见，晶闸管相当于一个可以控制的单方向导电的开关。个可以控制的单方向导电的开关。HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 当晶闸管加正向电压，即当晶闸管加正向电压，即UAK0时，同时，在控制极与时，同时，在控制极与阴极之间加电压阴极之间加电压 UK0，则晶闸管出现如下过程，则晶闸管出现如下过程 栅极加信号栅极加信号 UK0 出现栅极电流出现栅极电流 I0 于是出现电流于是出现电流 IC2和和IK，IC2=IB1 于是出现电流于是出现电流 IC1和
9、和IE1，晶闸管导通。，晶闸管导通。重要的是，重要的是，IC1的出现可的出现可以代替电流以代替电流 IG，晶闸管导通，晶闸管导通后即使撤消后即使撤消UGK，晶闸管继，晶闸管继续保持导通。所以称续保持导通。所以称UGK为为触发信号触发信号。图图01.07.03 晶闸管的触发导通晶闸管的触发导通HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 图图01.07.04 晶闸管导通和截止的实验情况晶闸管导通和截止的实验情况实验电路按左图连线。加实验电路按左图连线。加UAK0，不加不加UGK=0，晶闸管不导通；，晶闸管不导通；晶闸管加晶闸管加UAK0，加，加UGK0，晶闸，晶闸管导
10、通，灯泡亮；管导通，灯泡亮；晶闸管导通后，即使撤消晶闸管导通后，即使撤消UGK，晶，晶闸管仍然导通，灯泡亮；闸管仍然导通，灯泡亮；15.3.1.2.2 晶闸管实验晶闸管实验HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 图图01.07.04 晶闸管导通和截止的实验情况晶闸管导通和截止的实验情况 要使晶闸管截止，方法之一要使晶闸管截止，方法之一是加大阳极回路的电阻，减小阳是加大阳极回路的电阻，减小阳极电流，当阳极电流小于一个称极电流，当阳极电流小于一个称为维持电流时，晶闸管截止。为维持电流时，晶闸管截止。要使晶闸管截止，方法之二要使晶闸管截止，方法之二是使阳极回路的电压
11、反接，晶闸是使阳极回路的电压反接，晶闸管即截止。管即截止。HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 图是例题电路的波形图，输入为一正弦波，当正弦波图是例题电路的波形图，输入为一正弦波，当正弦波的正半周，符合的正半周，符合UAK0的条件。此时滞后的条件。此时滞后 角加触发脉冲，角加触发脉冲，晶闸管导电晶闸管导电 角。控制角。控制 角可调节输出电压的平均值在角可调节输出电压的平均值在U2之之间变化。间变化。例：分析图电路的工作情况。例：分析图电路的工作情况。图图01.07.06 例题的波形图例题的波形图图图01.07.05 例题的电路图例题的电路图HIT集成电子技术
12、电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 晶闸管的伏安特性描述了阳极和阴极间电压与阳极电流的晶闸管的伏安特性描述了阳极和阴极间电压与阳极电流的关系，如图所示。关系，如图所示。图图01.07.07 伏安特性曲线伏安特性曲线 当当u0时的伏安特性曲线称为时的伏安特性曲线称为正向特性正向特性。由图可知，在。由图可知，在IG=0时，正向电压小于时，正向电压小于正向转折电压正向转折电压UBO时，晶闸管是阻断的时，晶闸管是阻断的(OA段段)。超过。超过UBO后，晶闸管转为通态后，晶闸管转为通态(AC段段)，阳极电流急剧，阳极电流急剧增大，增大，uAK迅速下降迅速下降(BC段段)，BC段与二极
13、管的正向特性相似。段与二极管的正向特性相似。应在阳极回路串入电阻限流，以保护晶闸管。应在阳极回路串入电阻限流，以保护晶闸管。当当u0时的伏安特性曲时的伏安特性曲线称为线称为反向特性反向特性。由图可知，。由图可知，在在晶闸管加反向电压时晶闸管加反向电压时，反，反向电流很小向电流很小，晶闸管是阻断，晶闸管是阻断的的。当反向电压达到。当反向电压达到反向反向击击穿电压穿电压UBR时，时，晶闸管反向晶闸管反向击穿击穿。反向特性与普通二极。反向特性与普通二极管相似。管相似。15.3.1.2 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 1.额额定
14、正向平均定正向平均电电流流IF-在在额额定定环环境温度及境温度及标标准散准散热热条件下，允条件下，允许许通通过过工工频频正弦半波正弦半波电电流的平均流的平均值值。当散。当散热热条件条件较较差、差、环环境温度境温度较较高和器件高和器件导导通角通角较较小小时时，所允，所允许许的的电电流要降低。一般流要降低。一般IF为正常工作平均电流的为正常工作平均电流的1.52倍。倍。2.维维持持电电流流IH-是指由通是指由通态态到断到断态态的最小的最小电电流。流。3.控制极触控制极触发电压发电压UG、触、触发电发电流流IG-在在规规定的定的环环境温度和阳极境温度和阳极-阴极阴极间间加一定正向加一定正向电压电压的
15、条的条件下，使晶件下，使晶闸闸管从阻断状管从阻断状态转变为导态转变为导通状通状态态所需要的最小所需要的最小控制极直流控制极直流电压电压、最小控制极直流、最小控制极直流电电流，称流，称为为触触发电压发电压、触触发电发电流。一般流。一般UG为为15V，IG为为为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。15.3.1.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 5.阻断态重复峰值电压阻断态重复峰值电压UDRM-当控制极断路，器件结温为额定值时，允许重复加在当控制极断路，器件结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压，又称正向阻断峰值电压
16、，其值为器件上的正向峰值电压，又称正向阻断峰值电压，其值为 指在额定结温（指在额定结温（100A以上为以上为115 C，50A以下为以下为100 C）和控制极断开的条件下，阳极）和控制极断开的条件下，阳极-阴极间加正弦半波阴极间加正弦半波正向电压，使元件由阻断状态发生正向转折变成导通状态所正向电压，使元件由阻断状态发生正向转折变成导通状态所对应的电压峰值。对应的电压峰值。4.正向转折电压正向转折电压UBO 6.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM-又称反向阻断峰又称反向阻断峰值电压值电压，指在控制极开路和，指在控制极开路和额额定定结结温温下，允下，允许许重复加在器件上的反向峰重复加在器件上
17、的反向峰值电压值电压。其。其值为值为HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 15.3.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 单相桥式可控电路如图单相桥式可控电路如图15.3.5(a)所示，用晶闸管所示，用晶闸管VT1、VT2代替了不可控桥式整流电路中的二极管，并加入触发电路。代替了不可控桥式整流电路中的二极管，并加入触发电路。图图15.3.5 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路 在在u2的正半周，的正半周，VT1、VD2承受正向电压，若晶闸承受正向电压，若晶闸管的控制极不加脉冲，管的控制极不加脉冲，VT1不导通，此时负载中没有电不导通，此时负载中没有电流
18、流过。流流过。当当t=时，在时，在VT1控制控制极加上触发脉冲，极加上触发脉冲，VT1导通，导通，电流流经电流流经VT1、RL、VD2。负载电压负载电压uL=u2，方向自上，方向自上而下而下。这时。这时VT2和和VD1承受承受反向电压而阻断。反向电压而阻断。当当t=时，时，u2降为零，降为零，VT1变为阻断状态，电流为变为阻断状态，电流为0。15.3.2.1 工作原理工作原理方向自上而下方向自上而下HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 在在u2负半周，负半周，VT2、VD1承受正向电压，若晶闸管的承受正向电压，若晶闸管的控制极不加脉冲，控制极不加脉冲，VT1
19、不导不导通，此时负载中没有电流流通，此时负载中没有电流流过。过。当当t=+时，晶闸管时，晶闸管VT2受触发而导通，电流流经受触发而导通，电流流经VT2、RL、VD1，负载上的电，负载上的电压仍然为压仍然为uL=u2，方向自上，方向自上而下而下。这时。这时VT1和和VD2承受承受反向电压而阻断。反向电压而阻断。当当t=2时，时，u2=0，VT2变为阻断状态。变为阻断状态。方向自上而下方向自上而下HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 图图15.3.5 单相桥式可控整流电路波形图单相桥式可控整流电路波形图15.3.2.1 波形图波形图 图中图中称为控制角，称为控制
20、角，=-称为导电角，显而易见，当称为导电角，显而易见，当愈愈小时，即小时，即愈大时，输出电压平愈大时，输出电压平均值愈大。由均值愈大。由uL的波形图可得的波形图可得 由单相桥式可控电路的工由单相桥式可控电路的工作原理可以得到波形图，如图作原理可以得到波形图，如图15.3.5(b)所示。所示。HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 单相桥式可控整流电路的输出电压单相桥式可控整流电路的输出电压UO(AV)与与的关系曲线的关系曲线如图所示。如图所示。图图15.3.6 单相桥式可控整流电路的输出电压与单相桥式可控整流电路的输出电压与的关系的关系HIT集成电子技术电子教
21、案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 输出电流的平均值输出电流的平均值IO(AV):流过二极管及晶闸管的平均电流为流过二极管及晶闸管的平均电流为:晶闸管和二极管所承受的最大反向电压晶闸管和二极管所承受的最大反向电压:单相桥式可控整流电路与单相桥式不控整流电路的工单相桥式可控整流电路与单相桥式不控整流电路的工作原理差别仅在于整流元件及其导电角不同，不控整流的作原理差别仅在于整流元件及其导电角不同，不控整流的开关元件是二极管，导电角开关元件是二极管，导电角 ；可控整流的开关元件是；可控整流的开关元件是晶闸管，导电角晶闸管，导电角 。HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整
22、流电路可控整流电路 15.3.3.1 单结晶体管的结构单结晶体管的结构 单单结结晶晶体体管管是是一一种种具具有有负负阻阻特特性性的的半半导导体体器器件件，在在电电子子电电路路中中被被广广泛泛使使用用。它它是是在在一一块块条条形形N型型半半导导体体的的中中间间制制作作一一个个PN结结，从从P型型半半导导体体引引出出的的电电极极称称为为发发射射极极E；在在N型型半半导导体体的的两两端端各各制制造造一一个个欧欧姆姆接接触触的的电电极极，分分别别称称为为第第一一基基极极B1和和第第二二基基极极B2。单单结结晶晶体体管管的的结结构构示示意意图图和和符号见图。符号见图。(a)结构示意图结构示意图 (b)符
23、号符号图图01.06.01 单结晶体管的单结晶体管的结构示意图及符号结构示意图及符号15.3.3 可控整流触发电路可控整流触发电路 HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 15.3.3.2 单结晶体管的等效模型单结晶体管的等效模型 为为了了了了解解单单结结晶晶体体管管的的工工作作原原理理，需需要要研研究究单单结结晶晶体体管管的的等等效效模模型型，图图中中的的虚虚线线框框内内为为单单结结晶晶体体管管的的等等效效电电路路。条条形形N型型半半导导体体中中间间的的PN结结用用一一个个二二极极管管D来来代代替替，从从PN结结负负极极A点点到到B1和和B2用用电电阻阻RB
24、1和和RB2表表示示。当当UE=0时时，PN结结不不导导通通，当当UE UA时时，PN结结导导通通，并并起起到到控控制制RB1阻阻值值的作用。的作用。图图01.06.02 单结晶体管的等效电路单结晶体管的等效电路 单结晶体管有一个重要的参数分压比单结晶体管有一个重要的参数分压比HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 15.3.3.3 单结晶体管的工作原理和特性曲线单结晶体管的工作原理和特性曲线 单单结结晶晶体体管管具具有有负负阻阻特特性性，在在电电子子电电路路中中广广泛泛使使用用。下下面面结结合合图图加加以以说说明明。它它是是在在一一块块条条形形N型型半半导导
25、体体的的中中间间制制作作一一个个PN结结，从从P型型半半导导体体引引出出的的电电极极称称为为发发射射极极E；在在N型型半半导导体体的的两两端端各各制制造造一一个个欧欧姆姆接接触触的的电电极极，分分别别称称为为第第一一基基极极B1和和第第二二基基极极B2。单单结结晶晶体体管管的的等等效效电电路路和和伏伏安特性曲线见下图。安特性曲线见下图。图图01.06.02 单结晶体管的等效电路单结晶体管的等效电路图图01.06.03 单结晶体管的伏安特性单结晶体管的伏安特性HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 当当UE等等于于0或或小小于于UE UA+Uth(on)之之前前
26、，二二极极管管反反偏，电流极小，单结晶体管相当截止。偏，电流极小，单结晶体管相当截止。当当UE=UA+Uth(on)，IE达达到到峰峰点点电电流流IP 时时，D、RB1中中的的电电流流明明显显增增加加，载载流流子子浓浓度度大大大大增增加加，使使RB1对对应应的的N型型区区的的电电阻阻下下降降，所所以以随随着着电电流流的的增增加加，RB1上上电电压压降反而降低，出现负阻区，直至达到谷点电流降反而降低，出现负阻区，直至达到谷点电流IV。当当UE 继继续续增增加加时时，IE达达到到谷谷点点电电流流IV 后后，单单结结晶晶体管进入饱和区，并转入正阻区。体管进入饱和区，并转入正阻区。负阻区负阻区HIT集
27、成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路 15.3.3.4 单结晶体管的应用单结晶体管的应用图图01.06.04 单结晶体管的振荡电路单结晶体管的振荡电路图图01.06.05 振荡电路波形图振荡电路波形图 在单结晶体管的外部接了三个电阻和一个电容，构成在单结晶体管的外部接了三个电阻和一个电容，构成一振荡电路，如图所示。一振荡电路，如图所示。开始由于单结晶体管的发射极反偏而截止，开始由于单结晶体管的发射极反偏而截止，uc(t)开开始经始经R充电，直至达到充电，直至达到UP，发射结开始导通，并进入负阻，发射结开始导通，并进入负阻区。电容经区。电容经R1迅速放电，放电到迅速放电，放电到UV，单结管重新截止，单结管重新截止，形成振荡，如图所示。形成振荡，如图所示。单结管的单结管的IE导导通，通，C放电。放电。HIT集成电子技术电子教案集成电子技术电子教案-可控整流电路可控整流电路