晶閘管及其應用

無線電小組的同學們完成了晶閘管交流電壓調(diào)壓器的制作與調(diào)試。接著，老師對大家提出的有關(guān)晶閘管的特性及應用方面的問題進行了答疑，并與同學們一起展開了討論。
學生：老師，我們是第一次使用晶閘管，對它還不太熟悉，您能不能給我們簡單說說晶閘管的結(jié)構(gòu)特點呢?
老師：晶閘管又叫可控硅。自從20世紀50年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導體材料組成的，有三個PN結(jié)，對外有三個電極：第一層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導
體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷P(guān)鍵是多了一個控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。
同學：晶閘管的主要工作特性是什么呢?
老師：為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板。晶閘管VS與小燈泡EL串聯(lián)起來，通過開關(guān)S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負極，控制極G通過按鈕開關(guān)SB接在3V直流電源的正極(這里使用的是KP5型晶閘管，若采用KP1型，應接在1.5V直流電源的正極)。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓?，F(xiàn)在我們合上電源開關(guān)S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導通；再按一下按鈕開關(guān)SB，給控制極輸入一個觸發(fā)電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這個演示實驗給了我們什么啟發(fā)呢?
同學：這個實驗告訴我們，要使晶閘管導通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發(fā)電壓。晶閘管導通后，松開按鈕開關(guān)，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導通狀態(tài)。
老師：晶閘管的特點是“一觸即發(fā)”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導通。
同學：控制極的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導通，卻不能使它關(guān)斷。那么，用什么方法才能使導通的晶閘管關(guān)斷呢?
老師：使導通的晶閘管關(guān)斷，可以斷開陽極電源或使陽極電流小于維持導通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓，那么，在電壓過零時，晶閘管會自行關(guān)斷。
同學：用萬用表可以區(qū)分晶閘管的三個電極嗎?怎樣測試晶閘管的好壞呢?
老師：普通晶閘管的三個電極可以用萬用表歐姆擋R×100擋位來測。大家知道，晶閘管G、K之間是一個PN結(jié)，相當于一個二極管，G為正極、K為負極，所以，按照測試二極管的方法，找出三個極中的兩個極，測它的正、反向電阻，電阻小時，萬用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極K，剩下的一個就是陽極A了。測試晶閘管的好壞，可以用剛才演示用的示教板電路。接通電源開關(guān)S，按一下按鈕開關(guān)SB，燈泡發(fā)光就是好的，不發(fā)光就是壞的。
同學：晶閘管在電路中的主要用途是什么?
老師：普通晶閘管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流電路屬于不可控整流電路。如果把二極管換成晶閘管，就可以構(gòu)成可控整流電路?，F(xiàn)在我畫一個最簡單的單相半波可控整流電路。在正弦交流電壓U2的正半周期間，如果VS的控制極沒有輸入觸發(fā)脈沖Ug，VS仍然不能導通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時，晶閘管被觸發(fā)導通。現(xiàn)在，畫出它的波形圖，可以看到，只有在觸發(fā)脈沖Ug到來時，負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，晶閘管導通的時間就早；Ug到來得晚，晶閘管導通的時間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時間，就可以調(diào)節(jié)負載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術(shù)中，常把交流電的半個周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經(jīng)歷的電角度稱為控制角α；在每個正半周內(nèi)晶閘管導通的電角度叫導通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示晶閘管在承受正向電壓的半個周期的導通或阻斷范圍的。通過改變控制角α或?qū)ń铅?，改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL，實現(xiàn)了可控整流。
同學：在橋式整流電路中，把二極管都換成晶閘管是不是就成了可控整流電路了呢?
老師：在橋式整流電路中，只需要把兩個二極管換成晶閘管就能構(gòu)成全波可控整流電路了?，F(xiàn)在我畫出電路圖和波形圖，大家就能看明白了。
同學：晶閘管控制極所需的觸發(fā)脈沖是怎么產(chǎn)生的呢?
老師：晶閘管觸發(fā)電路的形式很多，常用的有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體三極管觸發(fā)電路、利用小晶閘管觸發(fā)大晶閘管的觸發(fā)電路，等等。今天大家制作的調(diào)壓器，采用的是單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。
同學：什么是單結(jié)晶體管?它有什么特殊性能呢?
老師：單結(jié)晶體管又叫雙基極二極管，是由一個PN結(jié)和三個電極構(gòu)成的半導體器件。我們先畫出它的結(jié)構(gòu)示意圖。在一塊N型硅片兩端，制作兩個電極，分別叫做第一基極B1和第二基極B2；硅片的另一側(cè)靠近B2處制作了一個PN結(jié)，相當于一只二極管，在P區(qū)引出的電極叫發(fā)射極E。為了分析方便，可以把B1、B2之間的N型區(qū)域等效為一個純電阻RBB，稱為基區(qū)電阻，并可看作是兩個電阻RB2、RB1的串聯(lián)。值得注意的是RB1的阻值會隨發(fā)射極電流IE的變化而改變，具有可變電阻的特性。如果在兩個基極B2、B1之間加上一個直流電壓UBB，則A點的電壓UA為：若發(fā)射極電壓UE同學：怎樣利用單結(jié)晶體管組成晶閘管觸發(fā)電路呢?
老師：單結(jié)晶體管組成的觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路在今天大家制作的調(diào)壓器中已經(jīng)具體應用了。為了說明它的工作原理，我們單獨畫出單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電路。它是由單結(jié)晶體管和RC充放電電路組成的。合上電源開關(guān)S后，電源UBB經(jīng)電位器RP向電容器C充電，電容器上的電壓UC按指數(shù)規(guī)律上升。當UC上升到單結(jié)晶體管的峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管突然導通，基區(qū)電阻RB1急劇減小，電容器C通過PN結(jié)向電阻R1迅速放電，使R1兩端電壓Ug發(fā)生一個正跳變，形成陡峭的脈沖前沿。隨著電容器C的放電，UE按指數(shù)規(guī)律下降，直到低于谷點電壓UV時單結(jié)晶體管截止。這樣，在R1兩端輸出的是尖頂觸發(fā)脈沖。此時，電源UBB又開始給電容器C充電，進入第二個充放電過程。這樣周而復始，電路中進行著周期性的振蕩。調(diào)節(jié)RP可以改變振蕩周期。
同學：老師，我分析了您畫的可控整流電路的波形圖，發(fā)現(xiàn)晶閘管承受正向電壓的每半個周期內(nèi)，發(fā)出第一個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，也就是控制角α和導通角θ都相等，那么，單結(jié)晶體管張弛振蕩器怎樣才能與交流電源準確地配合以實現(xiàn)有效的控制呢?
老師：你的問題提得很好。為了實現(xiàn)整流電路輸出電壓“可控”，必須使晶閘管承受正向電壓的每半個周期內(nèi)，觸發(fā)電路發(fā)出第一個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，這種相互配合的工作方式，稱為觸發(fā)脈沖與電源同步。
怎樣才能做到同步呢?大家再看調(diào)壓器的電路圖。請注意，在這里單結(jié)晶體管張弛振蕩器的電源是取自橋式整流電路輸出的全波脈沖直流電壓。在晶閘管沒有導通時，張弛振蕩器的電容器C被電源充電，UC按指數(shù)規(guī)律上升到峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管VT導通，在VS導通期間，負載RL上有交流電壓和電流，與此同時，導通的VS兩端電壓降很小，迫使張弛振蕩器停止工作。當交流電壓過零瞬間，晶閘管VS被迫關(guān)斷，張弛振蕩器得電，又開始給電容器C充電，重復以上過程。這樣，每次交流電壓過零后，張弛振蕩器發(fā)出第一個觸發(fā)脈沖的時刻都相同，這個時刻取決于RP的阻值和C的電容量。調(diào)節(jié)RP的阻值，就可以改變電容器C的充電時間，也就改變了第一個Ug發(fā)出的時刻，相應地改變了晶閘管的控制角，使負載RL上輸出電壓的平均值發(fā)生變化，達到調(diào)壓的目的。