可控硅工作原理及作用

可控硅是可控硅整流元件的簡(jiǎn)稱，是一種具有三個(gè)PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)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(xiàn)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。可控硅和其它半導(dǎo)體器件一樣，有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭(zhēng)相采用的元件。目前可控硅在自動(dòng)控制、機(jī)電應(yīng)用、工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應(yīng)用。

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

可控硅工作原理解析

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(dǎo)體和N型導(dǎo)體交迭組成的四層結(jié)構(gòu)，共有三個(gè)PN 結(jié)，與只有一個(gè)PN結(jié)的硅整流二極管在結(jié)構(gòu)上迥然不同。可控硅的四層結(jié)構(gòu)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(chǔ)。可控硅應(yīng)用時(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(dá)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。

可控硅工作原理及作用

我們可以把從陰極向上數(shù)的第一、二、三層看面是一只NPN型號(hào)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(dāng)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(dāng)BG2的基一射間）輸入一個(gè)正的觸發(fā)信號(hào)，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?yàn)锽G2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(dǎo)通。事實(shí)上這一過(guò)程是“一觸即發(fā)”的，對(duì)可控硅來(lái)說(shuō)，觸發(fā)信號(hào)加到控制極，可控硅立即導(dǎo)通。導(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)大于Ib2，足以保持BG2的持續(xù)導(dǎo)通。此時(shí)觸發(fā)信號(hào)即使消失，可控硅仍保持導(dǎo)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(dǎo)通的最小值時(shí)，可控硅方可關(guān)斷。當(dāng)然，如果E極性反接，BG1、BG2受到反向電壓作用將處于截止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)，即使輸入觸發(fā)信號(hào)，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(hào)是負(fù)的，可控硅也不能導(dǎo)通。另外，如果不加觸發(fā)信號(hào)，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(dǎo)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(hào)（小觸發(fā)電流）來(lái)控制導(dǎo)通（可控硅中通過(guò)大電流）的可控特性，正是它區(qū)別于普通硅整流二極管的重要特征。

由于可控硅只有導(dǎo)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(zhuǎn)化，此條件見(jiàn)表1

應(yīng)用舉例：

可控硅在實(shí)際應(yīng)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(jī)常用的過(guò)壓保護(hù)電路，當(dāng)E+電壓過(guò)高時(shí)A點(diǎn)電壓也變高，當(dāng)它高于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)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(xiǎn)絲RJ熔斷，從而起到過(guò)壓保護(hù)的作用。

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(hào)的相位。當(dāng)R值較少時(shí)，RC時(shí)間常數(shù)較少，觸發(fā)信號(hào)的相移A1較少，因此負(fù)載獲得較大的電功率；當(dāng)R值較大時(shí)，RC時(shí)間常數(shù)較大，觸發(fā)信號(hào)的相移A2較大，因此負(fù)載獲得較少的電功率。這個(gè)典型的電功率無(wú)級(jí)調(diào)整電路在日常生活中有很多電氣產(chǎn)品中都應(yīng)用它。

可控硅主要參數(shù)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(xù)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(hào)，陽(yáng)極正向電壓還未超過(guò)導(dǎo)能電壓時(shí)，可以重復(fù)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(cè)給出的這個(gè)參數(shù)值。

3、 反向陰斷峰值電壓

當(dāng)可控硅加反向電壓，處于反向關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，可以重復(fù)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(cè)給出的這個(gè)參數(shù)值。

4、 控制極觸發(fā)電流

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

采用可控硅技術(shù)對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行控制具有：電壓調(diào)節(jié)速度快，精度高，可分時(shí)段實(shí)時(shí)調(diào)整，有穩(wěn)壓作用，采用電子元件，相對(duì)來(lái)說(shuō)體積小、重量輕、成本低。但該調(diào)壓方式存在一致命缺陷，由于斬波，使電壓無(wú)法實(shí)現(xiàn)正弦波輸出，還會(huì)出現(xiàn)大量諧波，形成對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)諧波污染，危害極大，不能用在有電容補(bǔ)償電路中。（現(xiàn)代照明設(shè)計(jì)要求規(guī)定，照明系統(tǒng)中功率因數(shù)必須達(dá)到0.9以上，而氣體放電燈的功率因數(shù)在一般在0.5以下，所以都設(shè)計(jì)用電容補(bǔ)償功率因數(shù)）在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，已有明文規(guī)定對(duì)電氣設(shè)備諧波含量的限制，在國(guó)內(nèi)，北京、上海、廣州等大城市，已對(duì)諧波含量超標(biāo)的設(shè)備限制并入電網(wǎng)使用。

采用可控硅技術(shù)對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行照度控制時(shí)，可通過(guò)加裝濾波設(shè)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(yīng)用的快速可控硅，可以用正或負(fù)的觸發(fā)信號(hào)控制兩個(gè)方向?qū)ǖ碾p向可控硅，可以用正觸發(fā)信號(hào)使其導(dǎo)通，用負(fù)觸發(fā)信號(hào)使其關(guān)斷的可控硅等等。

應(yīng)用介紹------可控硅在調(diào)光器中的應(yīng)用：

可控硅調(diào)光器是目前舞臺(tái)照明、環(huán)境照明領(lǐng)域的主流設(shè)備。

在照明系統(tǒng)中使用的各種調(diào)光器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)交流調(diào)壓器，老式的變壓器和變阻器調(diào)光是采用調(diào)節(jié)電壓或電流的幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如下圖所示。u1是未經(jīng)調(diào)壓的220V交流電的波形，經(jīng)調(diào)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(diào)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)。

與變壓器、電阻器相比，可控硅調(diào)光器有著完全不同的調(diào)光機(jī)理，它是采用相位控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓或調(diào)光的。對(duì)于普通反向阻斷型可控硅，其閘流特性表現(xiàn)為當(dāng)可控硅加上正向陽(yáng)極電壓的同時(shí)又加上適當(dāng)?shù)恼蚩刂齐妷簳r(shí)，可控硅就導(dǎo)通；這一導(dǎo)通即使在撤去門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(diào)光器就是利用可控硅的這一特性實(shí)現(xiàn)前沿觸發(fā)相控調(diào)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(dǎo)通，根據(jù)前面介紹過(guò)的可控硅開(kāi)關(guān)特性，這一導(dǎo)通將維持到正弦波正半周結(jié)束。因此在正弦波的正半周（即0~p區(qū)間）中，0~wt1范圍可控硅不導(dǎo)通，這一范圍稱為控制角，常用a表示；而在wt1~p間可控硅導(dǎo)通，這一范圍稱為導(dǎo)通角，常用j表示。同理在正弦波交流電的負(fù)半周，對(duì)處于反向聯(lián)接的另一個(gè)可控硅（對(duì)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(dǎo)通。如此周而復(fù)始，對(duì)正弦波每半個(gè)周期控制其導(dǎo)通，獲得相同的導(dǎo)通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時(shí)間（或相位），即改變了導(dǎo)通角j（或控制角a）的大小。導(dǎo)通角越大調(diào)光器輸出的電壓越高，燈就越亮。從上述可控硅調(diào)光原理可知，調(diào)光器輸出的電壓波形已經(jīng)不再是正弦波了，除非調(diào)光器處在全導(dǎo)通狀態(tài)，即導(dǎo)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(diào)光設(shè)備應(yīng)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。

小結(jié)

可控硅，是可控硅整流元件的簡(jiǎn)稱，是一種具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，亦稱為晶閘管。具有體積小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)等特點(diǎn)，是比較常用的半導(dǎo)體器件之一。該器件被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備和電子產(chǎn)品中，多用來(lái)作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。家用電器中的調(diào)光燈、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)機(jī)、電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)、照相機(jī)、組合音響、聲光電路、定時(shí)控制器、玩具裝置、無(wú)線電遙控、攝像機(jī)及工業(yè)控制等都大量使用了可控硅器件。

審核編輯：湯梓紅