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1、第九章 晶闸管及应用9.1掌握晶闸管的导通和关断条件掌握晶闸管的导通和关断条件9.2 可控整流电路的工作原理及特点可控整流电路的工作原理及特点9.1 晶闸管简介晶闸管简介晶闸管是晶体闸流管的晶闸管是晶体闸流管的简称，也称简称，也称可控硅可控硅可控整流可控整流逆变逆变交流调压交流调压无触点开关无触点开关将直流将直流交流，可交流，可实现异步电动机的实现异步电动机的变频调速变频调速代替闸刀开关通代替闸刀开关通/断，断，切换速度快，无火花切换速度快，无火花无噪音无噪音晶闸管是在晶体管基础上发展起来的大功率器件晶闸管是在晶体管基础上发展起来的大功率器件它有四层，三个结，三个引出极它有四层，三个结，三个引
2、出极阳极阳极(A)，阴极，阴极(K),控制极控制极(G)阳阳极极阴阴极极控制极控制极晶闸管外型晶闸管外型 实验实验结结果果晶闸管可看成有晶闸管可看成有PNP和和NPN型型两个晶体管联接而成两个晶体管联接而成晶闸管工作原理晶闸管工作原理原理原理1)晶闸管阳极晶闸管阳极A与阴极与阴极K之间加正向电压之间加正向电压，控，控制极断开，两个三极管均无基极电流，晶制极断开，两个三极管均无基极电流，晶闸管不导通。闸管不导通。2)在控制极在控制极G与阴极与阴极K之间加正向电压之间加正向电压，当当IG到达一定数值，到达一定数值，T2首先导通：首先导通：IB2=IG，IC2=IB2=IG又：又：IB2=IC1,随
3、后随后T2再次导通，再次导通，IC1与与IG一起进入一起进入T2的基极后再次放大。的基极后再次放大。该过程在极短时间内连锁循环进行，该过程在极短时间内连锁循环进行，晶闸管瞬间全部饱和导通。晶闸管瞬间全部饱和导通。等效电路等效电路3）晶闸管导通后晶闸管导通后，即使控制极与外界断，即使控制极与外界断开，开，T2管的基极电流管的基极电流IB2=IC1 IA，比，比IG大，管子维持导通。大，管子维持导通。在导通后，要关断晶闸管：在导通后，要关断晶闸管：晶闸管导通后，控制极失去控制作用晶闸管导通后，控制极失去控制作用1）阳极电流）阳极电流IA减小到某一数值以下，减小到某一数值以下，内部连锁状态不能维持，
4、管子截止。内部连锁状态不能维持，管子截止。2)切断阳极电源切断阳极电源3)在阳极和阴极之间加反向电压在阳极和阴极之间加反向电压+1）晶闸管导通晶闸管导通必须同时具备两个条件：必须同时具备两个条件：阳极与阴极之阳极与阴极之间加正向电压间加正向电压控制极与阴极控制极与阴极之间加正向电压之间加正向电压可见可见2）晶闸管的控制极晶闸管的控制极只有使晶闸管导通的作用，一旦导只有使晶闸管导通的作用，一旦导通就不再有控制作用，无论控制极对阴极有无电压通就不再有控制作用，无论控制极对阴极有无电压或反电压，管子始终导通。或反电压，管子始终导通。注：此处注：此处“反电压反电压”错误。错误。3）要使晶闸管阻断要使晶
5、闸管阻断(截止截止),必须切断阳极电源或使阳极必须切断阳极电源或使阳极电压反向或将阳极电压减小到某一数值以下。电压反向或将阳极电压减小到某一数值以下。晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的导通和截止由阳极电压晶闸管的导通和截止由阳极电压U、电流、电流I及控制极电流及控制极电流IG决定，它们之间的关系用伏安特性曲线来表示。决定，它们之间的关系用伏安特性曲线来表示。当晶闸管的阳极和阴极加正向电压当晶闸管的阳极和阴极加正向电压，控制极无电压时，控制极无电压时，J2反偏，因此只有很小电流，称正向漏电流。反偏，因此只有很小电流，称正向漏电流。此时晶闸管截止，表现出很大的内阻。此时晶闸管截止，表
6、现出很大的内阻。J2当正向电压增加到某一数值当正向电压增加到某一数值，漏电流突然增大，漏电流突然增大，晶闸管导通，可以通过很大的电流，而管压降晶闸管导通，可以通过很大的电流，而管压降仅仅1V左右。晶闸管由截止变为导通所对应的电左右。晶闸管由截止变为导通所对应的电压压UBO称正向转折电压。称正向转折电压。晶闸管导通后，晶闸管导通后，减小正向压降，减小正向压降，正向电流减小，当减小到某一正向电流减小，当减小到某一数值，晶闸管又转为阻断。此时数值，晶闸管又转为阻断。此时对应的最小电流称维持电流对应的最小电流称维持电流IH当晶闸管的阳极阴极加反向电压，当晶闸管的阳极阴极加反向电压，特性与二极管相似，有
7、很小的反特性与二极管相似，有很小的反向漏电流。加大反向电压向漏电流。加大反向电压,晶闸管晶闸管在反向转折电压在反向转折电压UBR处反向导通。处反向导通。当阳极电压高于转折电压时，元件导通，但这种导通方法当阳极电压高于转折电压时，元件导通，但这种导通方法容易造成元件不可恢复性击穿，一般不采用。容易造成元件不可恢复性击穿，一般不采用。当控制极加正向电压，当控制极加正向电压，IG产生，特性曲线左移，正向转折产生，特性曲线左移，正向转折电压降低电压降低,元件容易导通。元件容易导通。IG越大，越大，UBO越低。越低。主主 要要 参参 数数 1)（断态重复峰值电压）在控制极断路和晶闸管正向阻断时，可以重复
8、加在晶闸管两端的正向峰值电压，它比 小100V。“多少伏的晶闸管”2)（反向重复峰值电压）在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，它比 小100V。3)（额定通态或正向平均电流，简称额定电流）在环境温度不大于40和标准散热及全导通时，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值。“多少安的晶闸管”正弦半波电流的平均值 正弦半波电流的有效值 波形系数 即 一般按 选晶闸管（实际电流有效值）4)（维持电流）在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流。一般为几十mA 一百多mA，其数值与温度成反比，如：5.5.型号及其含义（国产晶闸管）型号及其含义（国产
9、晶闸管）例如：3CT50/500（为50A，为500V）；KP5-7（K晶闸管，P普通型，额定电流5A，额定电压700V）。/可控整流元件 N型硅材料 三个电极6.6.判别管子的好坏判别管子的好坏 用万用表的欧姆档来判别管子的好坏。表10.1 用万用表测试晶闸管各管脚之间的电阻注注意意：当AK间为高阻值，而KG间逆向电阻大于顺向电阻时，管子良好管子良好。测试点表内电池极性测量范围测试结果AK顺向或逆向R1000高电阻（表针不动）AG同上同上同上KG顺向：G“+”,K“-”逆向：G-”,K“+”R1R110 10050 5001.双向晶闸管（TRIAC）l特点 1)三端子NPNPN元件；2)采用
10、交流电源；3)相当于两只普通晶闸管反并联；4)双向控制，简化触发电路；5)成本低，可靠性好；6)主要应用于家用电器控制，调节交流电压。l符号(如图所示)l工作原理 1)门极无信号时，、不导电。2)导通条件：+，-，G+-，+，G-l电压波形图(如图所示)2.可关断晶闸管（GTO）l特点1)控制极控制元件的导通和关断，所需控制电流较大。20mA/30A2)动态特性较好，关断时间较短。1s/(530)s3)主要用于直流调压和直流开关电路。4)电路简单，工作频率高。l符号 与晶闸管相似。3.3.功率晶体管功率晶体管（GTR）（300A，100V或100A，300V）达林顿晶体管（200A，500V）
11、注：复合管注：复合管，正向导通压降，功率损耗。l l特点1)可在高电压和强电流定额下使用；2)正向导通压降（0.30.8）V，功率损耗较晶闸管（1V）小；3)基极电流消失或反偏时，晶体管立即截止（不存在关断问题）；4)允许的电流变化率低；5)处于导通状态，基极电路功率损耗大；6)体积更小，价格更低（比晶闸管）。4.4.大功率二极管（整流二极管）大功率二极管（整流二极管）l特点1)可在高温下工作；（室温）2)加正向导通压降（0.8 1）V；3)反向电压就截止，加正向电压就导通；4)额定值可达200A和400V，或更高。注：注：它相当于一只开关开关。9.2可控整流电路可控整流电路半波可控整流电路半
12、波可控整流电路半控桥式整流电路半控桥式整流电路可可控控1）以晶闸管代替半波整流电路中的二极管）以晶闸管代替半波整流电路中的二极管半波可控整流电路半波可控整流电路2）晶闸管与）晶闸管与RL串联，电路电流为串联，电路电流为io，控制极施加，控制极施加周期性正向脉冲电压周期性正向脉冲电压uG当当 t=0时时，电压为电压为0，uG为为0，晶闸管电流，晶闸管电流io=0当当 t=0 t1时时(不含不含 t1点点)，电压为正，但电压为正，但uG为为0,晶闸管正向阻断，晶闸管正向阻断，电流电流io=0当当 t=t1 时时(含含 t1点点)，电压为正，控制极电压在电压为正，控制极电压在 t1点出现点出现,晶闸
13、管导通条件具备，正向导通，晶闸管导通条件具备，正向导通，产生电流产生电流io晶闸管一旦导通，控制极失去作用，晶闸管一旦导通，控制极失去作用，uG消失，晶闸管仍然有导通电流消失，晶闸管仍然有导通电流io存在存在当当 t=2 时时，电源电压反向，不论电源电压反向，不论uG是否存在是否存在,晶闸管晶闸管反向阻断，反向阻断，io=0晶闸管在正向电压下的阻断范围称为晶闸管在正向电压下的阻断范围称为控制角控制角 晶闸管在正向电压下的导通范围称为晶闸管在正向电压下的导通范围称为导通角导通角 +=180负载电压负载电压uo的平均值的平均值与交流电压与交流电压的有效值的关系为：的有效值的关系为：UO=1/2 2
14、Usin td(t)=0.45U(1+cos)/2当当=0时时，=180,UO=0.45U,晶闸管全导通晶闸管全导通当当=180时，时，=0,UO=0,晶闸管全阻断晶闸管全阻断负载电流的平均值负载电流的平均值为：为：IO=UO/RL=0.45U(1+cos)/2RL半控桥式全波整流电路半控桥式全波整流电路电路与二极管桥式全波整流电路相似电路与二极管桥式全波整流电路相似在在u正半周，当有正半周，当有uG出现：出现：u+T1RLD2u在在u负半周，当有负半周，当有uG出现：出现：uT2RLD1u+负载上有相同负载上有相同方向电流通过方向电流通过+在在u正半周，当无正半周，当无uG出现：出现：T1截
15、至，截至，uo,io为零为零无论正负半周，无论正负半周，RL上均有电流通过，上均有电流通过，负载电压平均值为半波时的一倍负载电压平均值为半波时的一倍UO=0.9U(1+cos)/2负载电流平均值为半波时的一倍负载电流平均值为半波时的一倍IO=UO/RL=0.9U(1+cos)/2RL9.3单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路单结晶体管单结晶体管符号符号单结晶体管有三个极，外型类似普通小功率三极管单结晶体管有三个极，外型类似普通小功率三极管N型硅片的一侧引出两个极型硅片的一侧引出两个极,B1称第一基极称第一基极,B2称第二基极；称第二基极；结构结构双基极二极管双基极二极管等效电路等效电路硅片另一
16、侧靠近硅片另一侧靠近B2处有一个处有一个PN结，从此处引出电极结，从此处引出电极E称发射极。称发射极。因有两个基极，单结晶体管又称因有两个基极，单结晶体管又称特性分析特性分析单结晶体管两个基极之间呈电阻性，称单结晶体管两个基极之间呈电阻性，称基极电阻基极电阻RBB，其值为几千欧。，其值为几千欧。第一基极与发射极之间的电阻为第一基极与发射极之间的电阻为RB1，随电流，随电流IE的增大而的增大而减小，当减小，当IE为为0，RB1为几千欧，当为几千欧，当IE为为20mA左右，左右，其为几十欧。其为几十欧。第二基极与发射极之间的电阻为第二基极与发射极之间的电阻为RB2，数值恒定。，数值恒定。发射结具有
17、单向导电性，以二极管发射结具有单向导电性，以二极管D表示表示等效电路等效电路伏安特性曲线伏安特性曲线在两个基极之间加正向电压在两个基极之间加正向电压UBB当发射极电压为当发射极电压为0：UA=RB1UBB/(RB1+RB2)=UBB 称分压系数称分压系数(分压比分压比)，一般为，一般为0.30.9，是单结晶体管，是单结晶体管的重要参数的重要参数提高发射极电压提高发射极电压UE：当当UEUA,PN结反偏结反偏,IE几乎为几乎为0RB1呈高阻，单结晶体管呈高阻，单结晶体管截止截止。当当UE升高到一定值升高到一定值，PN结导通，发射极电流结导通，发射极电流IE增大，增大，电压电压UE的最大值称为峰点
18、电压的最大值称为峰点电压UP，与之对应的电流，与之对应的电流称峰点电流称峰点电流IPUP=UA+UD=UBB+UDUD为二极管正向压降，约为二极管正向压降，约0.6VPN结导通后，结导通后，RB1迅速减小，迅速减小，E与与B1之间的电压之间的电压UE下下降，这段曲线的动态电阻降，这段曲线的动态电阻UE/IE为负值，称为为负值，称为负阻区负阻区电压电压UE的最低点称谷点电压的最低点称谷点电压UV，当当UEUV，单结晶体管关断，单结晶体管关断。IE再增大，再增大，UE仅略有增大，单结晶体管进入仅略有增大，单结晶体管进入饱和区饱和区。可见可见当当UE=UP时，单结晶体管导通，时，单结晶体管导通，呈低
19、阻态呈低阻态当当UEUV时，单结晶体管关断，时，单结晶体管关断，呈高阻态呈高阻态单结晶体管振荡电路单结晶体管振荡电路注意注意R1，R2为外接电阻为外接电阻C为外接电容为外接电容单结管单结管E,B1间电阻突然减小，电容上的电荷通间电阻突然减小，电容上的电荷通过过R1放电，放电速度取决于放电，放电速度取决于RC1，因为，因为R1R，放电迅，放电迅速，放电电流在速，放电电流在R1上形成尖脉冲。上形成尖脉冲。工作原理工作原理1)接通电源接通电源,电容充电电容充电,电压电压uc上升上升,上升速度取决于上升速度取决于RC的的值值,当当uCuP,单结晶体管截止单结晶体管截止2)当当uC=uP,3)当当uC降
20、到谷点电压降到谷点电压uV,单结管关断。此后重复上述过程。单结管关断。此后重复上述过程。在在R1上形成一系列尖脉冲。上形成一系列尖脉冲。这种周而复始的自动充放电过程称为这种周而复始的自动充放电过程称为振荡振荡通过电路振荡在电容器上形成锯齿波，在通过电路振荡在电容器上形成锯齿波，在R1上形成尖脉冲上形成尖脉冲尖脉冲出现的时间可通过改变尖脉冲出现的时间可通过改变R的值来调节的值来调节R大，电容充电慢，大，电容充电慢，到达到达uP的时间长，脉冲出现时间晚的时间长，脉冲出现时间晚R小，电容充电快，小，电容充电快，到达到达uP的时间短，脉冲出现时间早的时间短，脉冲出现时间早移移相相单结晶体管振荡电路可用
21、于半控整流电路中单结晶体管振荡电路可用于半控整流电路中,构成触发电路。构成触发电路。主电路：单相桥式半控整流电路主电路：单相桥式半控整流电路触发电路：由单结晶体管振荡器组成触发电路：由单结晶体管振荡器组成为将触发电路产生的尖为将触发电路产生的尖脉冲按一定周期准时送脉冲按一定周期准时送至主电路，使晶闸管按至主电路，使晶闸管按周期导通，周期导通，必须使晶闸必须使晶闸管阳极电压起始时刻与管阳极电压起始时刻与电容器充电起始时刻保电容器充电起始时刻保持一致。持一致。变压器变压器Tr：同步同步同同步步即即:触发电路过零时刻与主电路过零时刻保持一致触发电路过零时刻与主电路过零时刻保持一致,称称“同步同步”同
22、步作用由变压器完成同步作用由变压器完成,u1对主电路供电对主电路供电,u2对触发电路供电对触发电路供电,u1和和u2同相，保证同步。同相，保证同步。Tr又称又称“同步变压器同步变压器”实际上主电路与触发电路只要接在同一电网上可保持同相实际上主电路与触发电路只要接在同一电网上可保持同相稳压管稳压管DZ：削削波波把电压把电压u0的顶部削掉，使的顶部削掉，使u0成为梯形波成为梯形波uZ.优优点点当电网电压波动时，单当电网电压波动时，单结晶体管输出脉冲的幅度结晶体管输出脉冲的幅度以及每半周产生第一个脉以及每半周产生第一个脉冲的时间不受影响。冲的时间不受影响。削波后还可增大移相范围和降低单结晶体管所承受
23、的峰值削波后还可增大移相范围和降低单结晶体管所承受的峰值电压。电压。电网波动电网波动uC波动波动IE波动波动RB1变化变化UP波动波动影响脉冲幅度及产生时间影响脉冲幅度及产生时间削削波波电位器电位器RPRPC是电容的充电时间常数，是电容的充电时间常数，RP越大，电容电压越大，电容电压uC上升慢，第一个尖脉冲到来迟，控制角上升慢，第一个尖脉冲到来迟，控制角 加大，加大，导通角导通角 减小，电压减小，电压uL的平均值减小。的平均值减小。触发电路和主电路的电压波形触发电路和主电路的电压波形 温度补偿电阻温度补偿电阻R2R2的作用是补偿温度变化对单结晶体管峰值电压的作用是补偿温度变化对单结晶体管峰值电压UP的影响的影响UP=UBB+UD当温度升高，结电压当温度升高，结电压UD略有减小，而略有减小，而RBB随温度升高而略有增大，串联随温度升高而略有增大，串联R2以后，若以后，若RBB增大，按增大，按照分压原理，照分压原理，UBB升高，补偿升高，补偿UD的的减小，使减小，使UP稳定。稳定。200600 uououcuGuL三三项项注注意意