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1、第三章第三章 常用控制器件常用控制器件本章主要内容：本章主要内容：继电器和接触器继电器和接触器电磁阀电磁阀电力电子器件电力电子器件固态继电器固态继电器传感开关传感开关3.1继电器和接触器继电器和接触器继电器（继电器（relay）接触器（接触器（Contactor）3.1继电器和接触器继电器和接触器继电器继电器：控制和保护线路中广泛应用的一：控制和保护线路中广泛应用的一种自动控制电器，在输入一定的物理量种自动控制电器，在输入一定的物理量（例如电流、电压、转速、时间、温度等）（例如电流、电压、转速、时间、温度等）的作用下，能自动接通或者断开触点，完的作用下，能自动接通或者断开触点，完成电路通、断功
2、能。成电路通、断功能。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。化、运动、遥控、测量和通信等装置中。3.1继电器和接触器继电器和接触器可分为电气量可分为电气量(如电流、电压、频率、功率如电流、电压、频率、功率等等)继电器和非电气量继电器和非电气量(如温度、压力、速度如温度、压力、速度等等)继电器两大类。继电器两大类。继电器的分类常用的继电器可分为电流继电器、电压继常用的继电器可分为电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电电器、中间继电器、时间继
3、电器、热继电器以及干簧继电器等。器以及干簧继电器等。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电流继电器和电压继电器属于常用的电磁电器属于常用的电磁继电器之一。其基本继电器之一。其基本结构如图所示。由触结构如图所示。由触点、线圈与磁路系统点、线圈与磁路系统（包括铁心、衔铁、（包括铁心、衔铁、铁轭、非线性垫片）铁轭、非线性垫片）及反作用弹簧等组成。及反作用弹簧等组成。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器工作原理工作原理工作原理工作原理：当在线圈中通入一定数值的电流或施加一定的电当在线圈中通入一定数值的电流或施加一定的电压时，根据电磁铁的作用原理
4、，可使装在铁轭上压时，根据电磁铁的作用原理，可使装在铁轭上的可动衔铁吸合，因而带动附属机构使活动触点的可动衔铁吸合，因而带动附属机构使活动触点1与固定触点与固定触点2接通，与固定触点接通，与固定触点3断开。利用触断开。利用触点的这种闭合或打开，就可以对电路进行通断控点的这种闭合或打开，就可以对电路进行通断控制。制。当线圈断电时，由于电磁力消失，衔铁就在反作当线圈断电时，由于电磁力消失，衔铁就在反作用弹簧力的作用下，迅速释放，因而触点用弹簧力的作用下，迅速释放，因而触点1与与2打打开，触点开，触点1与与3闭合。闭合。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器几个概念：几个概念：吸合
5、值：吸合值：衔铁刚产生吸合动作时，加给线圈的最小电压（或电流）值。释放值：释放值：衔铁刚产生释放动作时，加给线圈的最大电压（或电流）值。欲使继电器动作，吸合值总是大于释放值，即继电器具有迟滞特性。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器根据不同的需要，继电器的触点可有不同的数目和形式（常开、常闭、切换式等）。常开触点：常开触点：在线圈断电时是打开的，而在线圈通电时闭合的触点，像上述的触点1和2。常闭触点：常闭触点：在线圈断电时是闭合的，而在线圈通电时打开的触点，像上述的触点1和3。切换式触点：切换式触点：一对使常开（1与2）、常闭（1与3）同时进行切换的触点。3.1.1 电流继
6、电器和电压继电器电流继电器和电压继电器非磁性垫片的作用：非磁性垫片的作用：为确保电压或电流继电器能够快速动作，继电器的磁路系统是由剩磁很小的软磁材料制成的。即使这样，当线圈断电后，很小的剩磁也可能将衔铁维持吸合状态。为克服这种现象，在铁心和衔铁之间加装非磁性垫片，借此保留必要的气隙，以进一步消弱剩磁。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器电流继电器或电压继电器是按作用于线圈的激励电流的性质来区分的。电流继电器电流继电器：按照通入线圈的电流的大小而动作的。电压继电器：电压继电器：按照施加到线圈上的电压的大小来动作的。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器电流继
7、电器的特点及使用电流继电器的特点及使用：电流继电器的线圈匝数较少，内阻较低，是串联在负载中使用的。电流继电器又分为过电流继电器与欠电流继电器两种。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器过电流继电器：过电流继电器：常用来保护设备，使之不因线路中电流过大而遭到损坏。欠电流继电器欠电流继电器：在电流小到某一限度时动作的，用来保护负载电路中电流不低于某一最小值，以达到保护的目的。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器电压继电器的特点及使用电压继电器的特点及使用电压继电器的线圈匝数较多，阻抗较高，是与负载电路并联使用的。电压继电器又分为过电压继电器与欠电压继电器两种。
8、3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器过电压继电器：过电压继电器：常用来保护设备，使之不因线路中电压过高而遭到损坏。欠电压继电器：欠电压继电器：在电压小到某一限度时动作的，用来保护负载电路中电压不低于某一最小值，以达到保护的目的。3.1.1 电流继电器和电压继电器电流继电器和电压继电器根据线圈的工作电流或电压的种类不根据线圈的工作电流或电压的种类不同，电流或电压继电器均可分为直流与交同，电流或电压继电器均可分为直流与交流之分。流之分。交流继电器在结构上与直流继电器的交流继电器在结构上与直流继电器的区别是在铁心上加装一个短路环以避免交区别是在铁心上加装一个短路环以避免交变电流通
9、过继电器线圈而引起衔铁振动，变电流通过继电器线圈而引起衔铁振动，但过电流或过电压继电器不必安装短路环。但过电流或过电压继电器不必安装短路环。3.1.2 中间继电器和时间继电器中间继电器和时间继电器中间继电器：中间继电器：电磁式继电器的一种，具有触点多、触点电流大和动作灵敏等特点。常用于某一电器与被控电路之间，以扩大电器的控制触点数量和容量。3.1.2 中间继电器和时间继电器中间继电器和时间继电器时间继电器：时间继电器：在电路中对动作时间起控制作用的继电器。它得到输入信号后，需经过一定的时间，其执行机构才会动作并输出信号，对其它电路进行控制。时间继电器依延时方式分通电延时型和断电延时型。3.1.
10、2 中间继电器和时间继电器中间继电器和时间继电器通电延时型时间继电器：通电延时型时间继电器：在获得输入信号后，立即开始延时，待延时时间t完毕后，其执行部分输出信号以操纵控制电路；输入信号消失后，立即恢复到动作前的状态。断电延时型时间继电器：断电延时型时间继电器：在获得输入信号后，执行部分立即输出信号；而在输入信号消失后，继电器却需要延时时间t后，才能恢复到动作前的状态。继电器主要产品技术参数继电器主要产品技术参数 1、额定工作电压、额定工作电压：继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。使用时，一般不要超过额定工作电压的倍，否则会产生较大的电流而
11、把线圈烧毁。2、直流电阻、直流电阻：继电器中线圈的直流电阻。3、吸合电流、吸合电流：继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。继电器主要产品技术参数继电器主要产品技术参数4、释放电流、释放电流：继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。5、触点切换电压和电流、触点切换电压和电流：继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。3.1.3 热继电器热继电器热继电器热继电器 一种通过电
12、流间接反映被控电器发热状态的防护器件。常用于对电动机和其它电气设备进行过载保护，以及对三相电动机和其它三相负载进行断相保护。3.1.3 热继电器热继电器图为其简单工作原理图工作原理图。两种线膨胀系数不同的金属片用机械碾压在一起，线膨胀系数大的金属片在上层，称为主动层；线膨胀系数小的在下层，称为被动层。双金属片安装在加热元件附近，加热元件则串联在电路中。3.1.3 热继电器热继电器当被保护电路中的负载电流超过允许值时，加热元件对双金属片的加热也就超过一定的温度，使双金属片向下弯曲，触压到压动螺钉，锁扣机构随之脱开，热继电器的常闭触点断开，切断控制电路使主电路停止工作。3.1.3 热继电器热继电器
13、热继电器的使用热继电器的使用热继电器动作后一般不能自动复位，要等双金属片冷却后，按下复位按钮才能复位。继电器的动作电流设定值是通过压动螺钉调节的。3.1.3 热继电器热继电器热继电器中双金属片的加热方式有三种：间接加热、直接加热和复合加热等。间接加热间接加热：电流不流经双金属片，靠加热元件产生的热量使双金属片被加热。直接加热直接加热：电流流过双金属片，靠电流流过时产生的热效应使之被加热。复合加热复合加热：间接加热和直接加热两种方式的结合。3.1.4 干簧继电器干簧继电器干簧继电器干簧继电器 干式舌簧继电器的简称，是一种新型密封触点的继电器，具有快速动作、高度灵敏、稳定可靠和功率消耗低等优点，在
14、自动控制装置和通讯设备中被广泛采用。3.1.4 干簧继电器干簧继电器干簧继电器的主要部件是由铁镍合金制成的干簧片，它既能导磁又能导电，兼有普通电磁继电器的触点和磁路系统的双重作用。干簧片装在密封的玻璃管内，管中冲有纯洁而干净的惰性气体，以防触点表面氧化。干簧片的触点表面镀有导电性能良好且又耐磨的贵重金属，提高触点的可靠性和减小接触电阻。3.1.4 干簧继电器干簧继电器干簧管外面套一励磁线圈就构成一只完整的干簧继电器，如图。片磁化，产生极性相反的两种磁极，它们相互吸引而闭合；当电流切断后，磁场消失，干簧片依靠自身的弹性而复原，使触点断开。当线圈通以电流时，在线圈的轴向产生磁场，使管内的两干簧3.
15、1.4 干簧继电器干簧继电器图(b)所示为使用一块永久磁铁实现磁化目的的干簧继电器。当磁铁靠近干簧片时，干簧片被磁化而闭合；当磁铁离开干簧片时，磁场消失，触点断开。3.1.4 干簧继电器干簧继电器干簧片的触点有两种：图(a)所示的常开触点。图(b)所示的切换式触点。3.1.5 接触器接触器接触器接触器：用来接通和断开具有大电流负载电路的一种自动控制电器。l按控制线圈的电压不同：直流接触器、交流接触器。l按操作机构：电磁式接触器、液压式接触器和气动式接触器。l按动作方式：直动式接触器、转动式接触器。3.1.5 接触器接触器接触器与继电器的区别接触器与继电器的区别 工作原理与电压继电器相似，都是依
16、靠线圈通电，衔铁吸合使触点动作的。其不同之处在于接触器是用于控制大电流回路的，控制的负载功率较大，体积较大，而且工作次数比较频繁，因而在结构上具有独特的特点。3.1.5 接触器接触器在结构上具有下列特点在结构上具有下列特点:1.触点系统可分为主触点和辅助触点两种。前者控制主回路，后者用于操纵控制回路。2.采取了灭弧栅等灭弧措施。因为主触点在断开大电流负载电路时在活动触点与固定触点之间会产生电弧，不仅使通电状态继续维持，而且还会烧坏触点。返回本章目录返回本章目录3.2电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀：一种由电磁铁控制的阀门。电磁阀的电磁铁线圈通以电流后产生的磁场使线圈中的活动铁心（阀心）发生位移，从而达
17、到打开或关闭阀门的目的；当线圈断电后，靠复位弹簧或阀心自重的作用复位。电磁阀根据使用电源的类别可分为交流电磁阀和直流电磁阀；根据用途又大致可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀等。方向控制阀：方向控制阀：控制流体流动方向的电磁阀。依工作职能又分为单向控制阀和换向控制阀两种。目前在家电领域中使用较多的电磁阀大多是交流单向控制阀。右图为目前使用较多的一种进水电磁阀的工作原理图。返回本章目录返回本章目录3.3电力电子器件电力电子器件半导体器件的发展方向：微电子学：集成电路方面发展；电力电子学：电力电子器件方面发展。电力电子学的任务就是利用电力电子器件和线路来实现电功率的变换和控制。3.3电力电子器
18、件电力电子器件.1 普通晶闸管普通晶闸管3.3.2 双向晶闸管双向晶闸管3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路3.3.4 全控型器件全控型器件3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管普通的反向阻断晶闸管，又称单向可控硅普通的反向阻断晶闸管，又称单向可控硅或硅控整流元件（或硅控整流元件（SCR，Silicon Controlled Rectifier），），是应用较为广泛的一种晶闸是应用较为广泛的一种晶闸管。管。3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管一、工作原理一、工作原理晶闸管是由硅半导体材料构成的晶闸管是由硅半导体材料构成的P1N1P2N2四层三端四层三端(A、K、G)器件，其内部原理结器件
19、，其内部原理结构如图所示。在阳极、阴极之间构成三个构如图所示。在阳极、阴极之间构成三个PN结：结：J1、J2、J3。3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管实验研究表明：实验研究表明：1.当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极电压极性如何，晶闸管都处于阻断状态电压极性如何，晶闸管都处于阻断状态2.晶闸管从阻断状态转变为导通状态必须同晶闸管从阻断状态转变为导通状态必须同时具备正向阳极电压和正向门极电压时具备正向阳极电压和正向门极电压3.晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用4.晶闸管在导通情况下，欲使其关断，须使晶闸管在导通情况下，欲使其关
20、断，须使流经晶闸管的电流减小到维持电流流经晶闸管的电流减小到维持电流IH以下以下3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管从晶闸管内部结构分析其单向导通原理。将从晶闸管内部结构分析其单向导通原理。将N1层和层和P2层分解成两部分，则晶闸管可等效层分解成两部分，则晶闸管可等效为为PNP型和型和NPN型两个晶体管的并联，如图型两个晶体管的并联，如图(b)，T1为为PNP管，管，T2为为NPN管，管，T1的集电的集电极极接至接至T2的基的基极而，极而，T2的的集电极接至集电极接至T1的基极，如的基极，如图图(c)3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管如图给晶闸管加上正向阳极电压Ea和正向门极电压Eq，则晶闸管的工作
21、过程可用等效的双晶体管表示：IgIb2Ic2Ib1Ic1形成强烈的正反馈，使两个等效晶体管迅速饱和导通即晶闸管由阻断转变为导通状态。3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管设T1管和T2管的电流放大倍数分别为1和2，发射极电流分别为IA和IK，则1Ic1/IA、2=Ic2/IK设流经J2结的反向漏电流为Ic0，则晶闸管阳极电流IA为：IA=Ic1+Ic2+Ic0=1IA+2IK+Ic03.3.1 普通晶闸管普通晶闸管若门极电流为Ig，则晶闸管的阴极电流IK为：IK=IA+Ig则可得出晶闸管的阳极电流IA为：3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管两个晶体管的电流放大倍数1和2随发射极电流变化的关系曲线如图所示
22、。可对晶闸管导通和关断过程作定性分析（见P140）。结合3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管二、伏安特性实际晶闸管的伏安特性如图所示。根据阳极电压的极性，分成正向伏安特性和反向伏安特性。3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管1、正向特性正向特性正向特性位于第一象限，又分阻断状态和导通状态。当门极电流Ig=0时，晶闸管在正向阳极电压作用下，只有很小的漏电流，晶闸管处于正向阻断状态。随着正向阳极电压增加，正向漏电流逐渐上升，当uAK达到正向转折电压UBO时，漏电流突增，特性从高阻区（OA段），经过负阻区（AB段），达到低阻区（BC段）。3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管在实际使用中，正向阳极电压不允许超过转折
23、电压UBO，而是在门极加上触发电流Ig去降低晶闸管的正向转折电压，使其触发导通，且Ig越大，转折电压就越低。晶闸管导通后的特性与二极管正向伏安特性相似，管压降很小，阳极电流IA取决于外加电压和负载。3.3.1 普通晶闸管普通晶闸管2、反向特性晶闸管的反向伏安特性是指反向阳极电压与反向阳极漏电流间的关系曲线，位于第三象限（OD段）。不论门极是否加有触发电压，晶闸管总是处于反向阻断状态，只流过很小的反向漏电流。当反向电压升高到反向转折电压URO时，反向漏电流将急剧上升，晶闸管被反向击穿，造成永久性损坏。返回本节目录返回本节目录3.3.2 双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管（
24、TRIAC）是把两个反向并联的晶闸管集成在同一硅片上，用一个门极控制其触发导通，使它具有正、反两个方向对称的开关特性，具有触发电路简单、工作稳定可靠等优点。在温度控制、灯光调节、交流电机调速、交流调压和无触点交流开关电路中得到广泛应用。3.3.2 双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管（双向可控硅）一、基本结构双向晶闸管是一个交流控制器件，具有对称的开关特性。其内部结构和符号如图。由图可见，TRIAC是一种NPNPN五层半导体结构的三端（T1、T2、G）器件。3.3.2 双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管（双向可控硅）为进一步了解TRIAC的工作原理，从结构上将其分解成左、右两只普通晶闸管，如图(
25、c)，其等效电路如图(d)，即双向晶闸管在电路中等效于两只普通晶闸管的反向并联。3.3.2 双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管（双向可控硅）二、伏安特性曲线双向晶闸管的伏安特性曲线是以坐标原点为中心、基本对称的两部分组成，分别位于第I象限和第III象限，如图。3.3.2 双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管（双向可控硅）第I象限曲线表示主电极T1对T2电压极性为正。当电压增加到转折电压UDSM时，相当于V1管触发导通，通态电流从T1流向T2，且转折电压UDSM随触发电流增大而降低。当通态电流小于维持电流时，TRIAC在该方向关断。特性越过负阻区由导通转变为阻断状态。第III象限曲线表示主电极T2
26、对T1的电压极性为正。对比发现，除了加在主电极上的电压和通态电流方向相反外，其它规律完全相同。3.3.2 双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管（双向可控硅）由此可得出双向晶闸管的两个重要特点：1.主电极上无论承受的是正向电压还是反向电压，TRIAC都可以被触发导通；2.不论触发信号的极性相对于T2是正向还是反向，都能触发使TRIAC导通。由此可导出双向晶闸管具有四种触发方式。3.3.2 双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管（双向可控硅）三、触发方式按照主电极和门极极性的组合，双向晶闸管的四种触发方式：I+、I-、III+和III-，分别如图(a)、(b)、(c)、(d)所示。3.3.2 双向晶闸管
27、（双向可控硅）双向晶闸管（双向可控硅）双向晶闸管的特殊结构决定了四种触发方式，但其灵敏度是不同的。比较而言，I+触发灵敏度最高，I-和III-次之，III+最低。在实际工作中，往往不采用III+方式触发，而在（I+、III-）或（I-、III-）两种触发方式的组合中任选一种。既可以不失双向晶闸管触发方式的灵活性，又能保证良好的换向性能。返回本节目录返回本节目录3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路给晶闸管提供触发脉冲的电路叫触发电路。比较常用的有以下几种：采用单结晶体管作为触发电路，是基本的、常用的一种；采用小容量的晶闸管触发大功率晶闸管；采用晶体管的触发电路。3.3.3 单结晶
28、体管及触发电路单结晶体管及触发电路一、单结晶体管的结构和特性单结晶体管是一种特殊的半导体器件，有三个电极，即一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。其结构、图形符号和等效电路如图。3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路如图，在两个基极间加入一定的电压Ubb，则A点电压为：式中，单结晶体管的分压系数（或分压比），很重要的参数。3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路右图为单结晶体管的特性曲线。由图可知曲线共分三段：截止区负阻区饱和区3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路二、单结晶体管的自振荡电路利用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特性，可组成自振荡电路，
29、如图。3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路由上述分析可知，要使单结晶体管振荡电路产生振荡，充电电阻R须满足：第一、当发射极电压uc等于峰点电压UP时，为确保单结晶体管由截止转为导通，实际通过充电电阻R流入单结晶体管的电流IP必须大于峰点的电流IP，即3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路第二、当发射极电压等于谷点电压UV时，为确定单结晶体管由导通后能恢复截止，实际通过R流入单结晶体管的电流IV必须小于谷点电流IV，即：可见，充电电阻R既不能太大，也不能太小，否则都会停止振荡。一般为数k到数M。综上，可得R的取值范围：3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发
30、电路电阻R1两端输出尖峰脉冲电压的振荡周期T主要由电容C的充电时间常数(RC)所决定,与R、C、的关系为：输出尖峰脉冲电压的脉冲宽度主要由电容C的放电时间常数(R1C)所决定。一般电容C选用范围为0.11F，R1的范围为50100，故可得到数十s的脉冲宽度。3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路电阻R1两端输出尖峰脉冲电压的幅值Uom是由UP决定，而UP Ubb+UD，故要增大Uom，可选大一些的管子或提高电源电压（即加大Ubb）。需要说明的是，单结晶体管的分压比是由结构决定的，是一个常数。但峰点电压主要与分压比及外加电源电压有关，选择不同的或电源电压时均可改变UP值，不是固定值
31、。3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路单结晶体管振荡电路，不能直接用来做晶闸管的触发电路，原因是晶闸管的主电路是接在交流电源上的，二者不能同步。实际使用的晶闸管触发电路，必须使触发脉冲与主电路电压同步，否则由于每个正半周的控制角不同，输出电压就会忽大忽小的波动。3.3.3 单结晶体管及触发电路单结晶体管及触发电路三、单结晶体管触发电路下图所示为单结晶体管触发电路及其波形。返回本节目录返回本节目录3.3.4 全控型器件全控型器件继晶闸管之后又出现了电力晶体管(GTR)、电力场效应管(MOSFET)、可关断晶闸管(GTO)等第二代电力电子器件。这些器件通过对基极（栅极、门极）的控制
32、，既可使其导通又可使其关断，属于全控型器件，因具有自关断能力，故又称为自关断器件。与晶闸管电路相比，采用自关断器件的电路结构简单，控制灵活、方便。3.3.4 全控型器件全控型器件一、电力晶体管GTR电力晶体管又称功率晶体管，英文缩写为GTR（Giant Transistor）。其电流是由电子和空穴两种载流子的运动而形成的，故又称为双极性电力晶体管。在各种自关断器件中，GTR的应用最为广泛，主要用于电机控制，几乎都工作在开关状态。3.3.4 全控型器件全控型器件为满足大功率电机控制的需要，要求电力晶体管具备如下性能：耐压高：适应电压变化范围较大的功率控制。工作电流大：适应大负载功率应用。开关时间
33、短：适应高速应用。饱和压降低：功耗小，效率高。可靠性高：过载能力强。3.3.4 全控型器件全控型器件加速二极管续流二极管为此，GTR的结构一般采用三重扩散工艺结构，在逻辑上都采用达林顿结构，并且附设加速二极管和续流二极管如图。3.3.4 全控型器件全控型器件电力晶体管是用基极电流来控制集电极电流的。图为基极和集电极电流波形的关系图。几个概念：延迟时间td、上升时间tr、储存时间ts、下降时间tf、开通时间ton、关断时间toff3.3.4 全控型器件全控型器件二、电力场效应管MOSFET电力场效应晶体管也称功率场效应管，简称MOSFET。与双极型晶体管相比优点体现在：较高的开关速度较宽的安全工
34、作区，容易进行并联使用较高的可靠性较强的过载能力较高的开启电压即阈值电压很高的输入阻抗，对驱动电路要求较低3.3.4 全控型器件全控型器件VMOS场效应晶体管的结构如图，其最大特点是具有V型的槽，有垂直导电的特性。由于沟道短、电流容量大、耐压能力强、跨导线性好、开关速度快等优良特性，VMOS场效应管在功率应用领域得到广泛应用。3.3.4 全控型器件全控型器件TMOS管的结构如下图3.3.4 全控型器件全控型器件MOSFET的开关特性下图为电力MOSFET开关特性测试及波形图。3.3.4 全控型器件全控型器件三、可关断晶闸管GTO可关断晶闸管也是一种PNPN半导体控制元件，简称GTO(Gate
35、Turn Off Thyristor)，与晶闸管SCR相比有下列优点：1.GTO的控制极可以控制元件的导通和关断，而晶闸管控制极只能控制元件的导通2.GTO的动态特性较晶闸管好3.3.4 全控型器件全控型器件GTO的内部结构和开关控制原理如右图所示，图(a)为GTO的含结间电容和扩散电阻的模型；图(b)为GTO电路符号。返回本章目录返回本章目录3.4固态继电器固态继电器固态继电器是近几年发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用TTL、HTL、CMOS等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动。具有无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小、重量轻、寿命长、工作可靠，并且耐冲击、抗潮湿
36、、抗腐蚀。因此在微机测控等领域逐步取代了电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制元件。3.4固态继电器固态继电器一、固态继电器的分类依负载电源类型可分为交流固态继电器(AC-SSR)和直流固态继电器(DC-SSR)依控制触发形式可分为过零触发型固态继电器和随机导通型固态继电器依开关触点形式可分为常开式固态继电器和常闭式固态继电器依安装形式可分为装配式固态继电器(A、N型)、焊接型固态继电器(C型)、插座式固态继电器(F、H型)3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器交直流固态继电器的原理AC-SSR为四端器件，即二个输入端、二个输出端。DC-SSR为五端器件，即二个输入端、二个输出端、一个
37、负端。输入输出间采用光电隔离，没有电气连接。输入端仅要求很小的控制电流，输出端采用双向可控硅或大功率晶体管接通或分断负载电源。3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器GD为光电耦合器，T1为开关三极管，R1和R5分别是GD和SCR的限流电阻，R4和R6为分流电阻，R7和C组成浪涌吸收网络。3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器当输入端加上信号时，GD的三极管饱和导通，T1截止，SCR的控制极经R3获得触发电流而导通，TRIAC的控制极通过R5整流桥SCR整流桥得到触发电流而导通，将负载与电源接通。当输入信号切断后，GD截止，T1饱和导通，SCR的控制极电流被旁路，则SCR在其电流过零
38、瞬间截止，导致TRIAC在其电流过零时自动关断，切断负载与电源间的通路。3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器该电路在电压过零时开启而电流过零时关断的特性使干扰降到最低程度。T2为负载电源的电压零点检测器。3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器无信号输入时，T1饱和导通，旁路了SCR的控制电流而使其处于关断状态，因此，固态继电器也呈断开状态。当有信号输入时，同时负载电压又处于零电压附近，T2来不及进入饱和导通，此时的SCR才能通过R3注入控制电流而导通。3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器直流固态继电器有两种形式，一种是输出端为3根引线的，另一种是输出端为2根引线的。三线制
39、直流固态继电器。T1为开关三极管，T2为输出管，D1为保护二极管。3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器当信号输入时，GD饱和导通，T1截止，T2基极经R3注入电流而饱和导通，负载便与电源接通；反之，无信号输入时，T1饱和导通，T2基极被箝位在低电位而截止，负载与电源断开。三线制的主要优点是：T2管的饱和深度可以做得较大。缺点是：多用了一组辅助电源。3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器二线制直流固态继电器如下图所示。当控制信号未加入时，GD不导电，T1亦无电流流过，故T2也截止不导通，负载与电源断开。加入控制信号后，GD导通，T1有基极电流流过而导电使T2饱和导通，负载与电源接通
40、。3.4.1 交直流固态继电器交直流固态继电器二线制的优点是：使用方便，几乎与交流固态继电器一样方便；缺点是：线路结构决定了T2的饱和深度不可能太深，即T2的饱和压降不可能太低。同时受光电耦合器和T1管耐压所限，其切换的负载电压不能太高。3.4.2 参数固态继电器参数固态继电器参数固态继电器，简称PSSR是一种 新型固态继电器。由于能接受多种参数的控制，比一般的固态继电器有着更广泛的用途。3.4.2 参数固态继电器参数固态继电器国产JCG型PSSR的管脚排列为单列6脚形式：引脚1：有源驱动端（正功率驱动端）；引脚2：高无源电阻驱动或负功率驱动端；引脚3：低无源阻抗驱动端；引脚4：公共地端；引脚
41、5、6：输出端“触头”。3.4.2 参数固态继电器参数固态继电器国产JCG型PSSR的几种最基本使用方法如图(a)是正功率驱动（有源驱动）的应用，相当于把PSRR当做常闭型继电器使用。当有源驱动端1脚为低电平时，没有电流流入PSSR，故输出端“触头”5、6脚闭合；当1脚为高电平时，有一个大于2A的电流流入PSRR，输出端“触头”5、6断开。3.4.2 参数固态继电器参数固态继电器图(b)是低无源阻抗驱动的应用。PSRR的3、4脚可以外接阻抗型的敏感元件。当这些无源元件的阻抗高于切换点门限值Z0是，“触头”5、6闭合。图中当微电接点K断开时有一个无穷大的电阻跨接在PSRR的无源驱动端3、4脚上，
42、输出端“触头”5、6脚闭合，当微电接点K闭合时有一个很小大电阻跨接在PSRR的3、4脚，输出端“触头”5、6脚断开。3.4.2 参数固态继电器参数固态继电器图(c)是高无源电阻驱动的应用。PSRR的2、4脚只能外接电阻型敏感元件，且其驱动切换点的门限值R0较大。当光照较强时，光敏电阻的阻值很小，PSSR的输出端“触头”5、6脚断开；当光照很弱时，光敏电阻的阻值很大，PSSR输出端“触头”5、6脚闭合。3.4.2 参数固态继电器参数固态继电器图(d)电路是负功率驱动的应用。JCG型PSSR的2、4脚有一个约3V的直流输出电压，该电压向外接的微功耗电路提供一个很小的工作电流。如果该电流远小于负功率
43、驱动门限电流值I0，则PSSR输出端“触头”5、6脚闭合；否则超过I0，则输出端“触头”5、6脚断开。返回本章目录返回本章目录3.5传感开关传感开关传感开关是指直接将非电量的变化转换为开关动作的装置，常用于一些非微机化的自动控制系统中。在本节中，我们重点介绍行程开关、冲击开关、水银开关、温控开关。3.5.1 行程开关行程开关行程开关行程开关是用来反映生产机械运动的行程，是一种以此发出控制命令的小电流开关电器。它通过机械部分的动作，能将机械信号转换成电气信号，借此实现对机械的电气控制。把行程开关安装在生产机械动作行程的终点处，以限制其行程，此时就称为限位开关或终点开关。3.5.1 行程开关行程开
44、关一、微动开关微动开关的行程小，动作快，是一种用较小的力，经过较小的行程就能使触头速动，从而实现电路换接的灵敏控制开关。其结构示意图如右图所示。3.5.1 行程开关行程开关二、一般用途行程开关一般用途行程开关常用在机床和其它生产机械装置以及自动化线上以实现限位和程序控制用，依结构可分为直动式和滚轮式两种。右图为直动式行程开关结构原理图。滚轮式行程开关结构原理如右图所示。当外界机械推动滚轮摆过一定角度后，通过盘形弹簧机构使触点推杆瞬时动作，实现触头的快速换接。3.5.1 行程开关行程开关二、一般用途行程开关3.5.2 冲击开关冲击开关冲击开关也称为开关式加速度传感器，主要用在一些安全装置上，并作
45、为开关器件或发火结构。其原理都是利用加速度作用时产生的惯性力，使传感器内的惯性零件运动，从而接通或断开电路，输出开关信号。3.5.2 冲击开关冲击开关一、永磁钢球式永磁钢球式冲击开关的结构如右图。平时钢球在磁铁吸力作用下位于传感器下方，输出端子为常开状态，当传感器受到加速度作用且钢球产生的惯性大于磁铁的吸力时，钢球在惯性力的作用下向前运动，接触触点，使输出由常开状态转为闭合状态。3.5.2 冲击开关冲击开关二、偏心转子式偏心转子式冲击开关结构如图，平时偏心转子4上的质量块2在扭力簧的作用下，顶靠在与外壳相连的止动片1上，此时固定触点5和旋转触点6脱开，传感器输出端子为常开状态，当传感器受到加速
46、度作用时，偏心转子4在惯性力的作用下，克服扭力簧弹性力的作用而开始旋转，直至旋转触点6与固定触点5接触，传感器输出端子由常开状态转为常闭状态。3.5.2 冲击开关冲击开关三、偏心轮式偏心轮式冲击开关结构如图，平时传感器输出端子为常开状态，当传感器受到加速度作用时，偏心轮7在惯性力的作用下绕轴按图中箭头方向转动，卡销6随着偏心轮7一起转动并推开杆1，当转动一定角度后，卡销6和杆1处于解脱状态，杆1在扭力簧作用下开始旋转并接通触点A、B，传感器输出端子由常开状态转为闭合状态。3.5.2 冲击开关冲击开关四、钢球弹簧式钢球弹簧式冲击开关结构如图。在静止状态时，不论传感器处于何种状态，钢球和外壳呈绝缘
47、状态不会接通，一旦传感器受到外力冲击时，则钢球在加速度作用下产生运动和外壳接触，开关闭合，便可触发执行电路。3.5.3 水银开关水银开关水银开关是根据封装在玻璃管或金属管内的水银移动来实现开关通断的一种开关式传感器。右图是水银开关的几种结构形式。3.5.3 水银开关水银开关与一般机械式限位开关相比，水银开关具有以下优点：体积小，且为全密封式适合于利用电磁力、压力和膨胀力等进行自动控制的场合可以长期可靠的工作没有机构噪声可以作为机械、地震等振动敏感元件使用3.5.4 温控开关温控开关温控开关是温度超过或低于某一设定的温度时，自动接通或断开电路的传感开关。一、温控水银开关温控水银开关根据水银遇热膨
48、胀的原理制作的自控开关。温度升高时，水银沿毛细管上升，与铂丝相接触，即可通过输出导线与外电路接通；当温度降低时，毛细管中的水银下降，与铂丝脱离接触，断开外接电路。3.5.4 温控开关温控开关二、双金属温控开关右图为恒温箱控温用的双金属温控开关，由双金属片、接电簧片、调温旋纽组成。3.5.4 温控开关温控开关三、聚合热开关聚合热开关是一种新型的温度传感器件，它由特殊工艺处理后的聚合树脂及导体组成。在正常状态下，聚合物成结晶状结构，使导电物质构成导体通路，如图(a)。元件呈现低阻抗。当异常电流发生时，元件产生的热量使聚合物膨胀，导致导电物质链的断裂，如图(b)，元件的阻抗迅速升高，限制异常电流流过聚合物热开关。3.5.4 温控开关温控开关四、热舌簧开关热舌簧开关是将永磁体、热敏铁氧体和舌簧开关组合在一起做成的一种新型温度传感器。3.5.4 温控开关温控开关热舌簧开关具有以下特点：可靠性高，具有动作准确及温度重复性寿命长，不易老化簧片轻而短，有较高的固有频率，动作迅速由于触点用玻璃封装，因此耐环境性很好能在-20130范围内选取温控设定温度触点容量从数mW到上百W触点耐压可达市电220V返回主目录返回主目录