双向晶闸管工作原理

双向晶闸管工作原理：

一、可控硅的概念和结构
　　可控硅又叫晶闸管。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极〔图(a)〕：**层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号〔图(b)〕可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。
　　二、可控硅的主要工作特性
　　为了能够直观地认识可控硅的工作特性，大家先看这块示教板(图)。可控硅VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在3V直流电源的正极(这里使用的是KP5型可控硅，若采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极)。可控硅与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给可控硅阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明可控硅没有导通;再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明可控硅导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢?
　　这个实验告诉我们，要使可控硅导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。可控硅导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。
　　可控硅的特点：是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，可控硅就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使可控硅导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通的可控硅关断呢?使导通的可控硅关断，可以断开阳极电源(图中的开关S)或使阳极电流小于维持导通的*小值(称为维持电流)。如果可控硅阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，可控硅会自行关断。
　　三、用万用表可以区分可控硅的三个电极，测试可控硅的好坏
　　普通可控硅的三个电极可以用万用表欧姆挡R×100挡位来测。可控硅G、K之间是一个PN结，相当于一个二极管，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A了。测试可控硅的好坏：欧姆挡R×1，黑表笔(+)接阳极A，红表笔(-)接阴极K，同时将控制极G与黑表笔碰触(相当于加一正触发电压)一下，若能保持导通，则可控硅是好的。注：特大电流的可控硅，有可能不被触发，得用低阻表(可提供较大的触发电流)测量。
　　四、可控硅在电路中的主要用途
　　普通可控硅*基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流器电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成可控硅，就可以构成可控整流电路。一个*简单的单相半波可控整流电路。在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug，VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发脉冲Ug时，可控硅被触发导通。Ug到来得早，可控硅导通的时间就早;Ug到来得晚，可控硅导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180°，称为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α;在每个正半周内可控硅导通的电角度叫导通角θ。很明显，α和θ都是用来表示可控硅在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。在桥式整流电路中，只需要把两个二极管换成可控硅就能构成全波可控整流电路了。
　　五、可控硅控制极所需触发脉冲的产生
　　可控硅触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小可控硅触发大可控硅的触发电路，等等。今天大家制作的可控硅调压器，多采用的是单结晶体管触发电路。
　　六、单结晶体管
　　单结晶体管又叫双基极二极管(图中BT-33)，是由一个PN结和三个电极构成的半导体器件。在一块N型硅片两端，制作两个电极，分别叫做**基极B1和**基极B2;硅片的另一侧靠近B2处制作了一个PN结，相当于一只二极管，在P区引出的电极叫发射极E。为了分析方便，可以把B1、B2之间的N型区域等效为一个纯电阻RBB，称为基区电阻，并可看作是两个电阻RB2、RB1的串联。值得注意的是RB1的阻值会随发射极电流IE的变化而改变，具有可变电阻的特性。如果在两个基极B2、B1之间加上一个直流电压UBB，则A点的电压UA为：若发射极电压UE
　　七、利用单结晶体管组成可控硅触发电路
　　单结晶体管组成的触发脉冲产生电路在可控硅调压器中已经具体应用了。它是由单结晶体管和RC充放电电路组成的。合上电源开关S后，电源UBB经电位器RP向电容器C充电，电容器上的电压UC按指数规律上升。当UC上升到单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管突然导通，基区电阻RB1急剧减小，电容器C通过PN结向电阻R1迅速放电，使R1两端电压Ug发生一个正跳变，形成陡峭的脉冲前沿。随着电容器C的放电，UE按指数规律下降，直到低于谷点电压UV时单结晶体管截止。这样，在R1两端输出的是尖顶触发脉冲。此时，电源UBB又开始给电容器C充电，进入**个充放电过程。这样周而复始，电路中进行着周期性的振荡。调节RP可以改变振荡周期。
　　八、在可控整流电路的波形图中，发现可控硅正向电压的每半个周期内，发出**个触发脉冲的时刻都相同，也就是控制角α和导通角θ都相等，那么，单结晶体管张弛振荡器怎样才能与交流电源准确地配合以实现有效的控制呢?
　　为了实现整流电路输出电压“可控”，必须使可控硅承受正向电压的每半个周期内，触发电路发出**个触发脉冲的时刻都相同，这种相互配合的工作方式，称为触发脉冲与电源同步。
　　在这里单结晶体管张弛振荡器的电源是取自桥式整流电路输出的全波脉冲直流电压。在可控硅没有导通时，张弛振荡器的电容器C被电源充电，UC按指数规律上升到峰点电压UP时，单结晶体管VT导通，在VS导通期间，负载RL上有交流电压和电流，与此同时，导通的VS两端电压降很小，迫使张弛振荡器停止工作。当交流电压过零瞬间，可控硅VS被迫关断，张弛振荡器得电，又开始给电容器C充电，重复以上过程。这样，每次交流电压过零后，张弛振荡器发出**个触发脉冲的时刻都相同，这个时刻取决于RP的阻值和C的电容量。调节RP的阻值，就可以改变电容器C的充电时间，也就改变了**个Ug发出的时刻，相应地改变了可控硅的控制角，使负载RL上输出电压的平均值发生变化，达到调压的目的。
　　双向可控硅的T1和T2不能互换。否则会损坏管子和相关的控制电路。
　　1958年，从美国通用电气公司研制成功**个工业用可控硅开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体器件组成的变流器时代。可控硅分单向可控硅与双向可控硅。单向可控硅一般用于彩电的过流、过压保护电路。双向可控硅一般用于交流调节电路，如调光台灯及全自动洗衣机中的交流电源控制。
　　双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的可控硅，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件，一直为家电行业中主要的功率控制器件。近几年，随着半导体技术的发展，大功率双向可控硅不断涌现，并广泛应用在变流、变频领域，可控硅应用技术日益成熟。本文主要探讨广泛应用于家电行业的双向可控硅的设计及应用。
　　双向可控硅特点
　　双向可控硅可被认为是一对反并联连接的普通可控硅的集成，工作原理与普通单向可控硅相同。图1为双向可控硅的基本结构及其等效电路，它有两个主电极T1和T2，一个门极G，门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通，所以双向可控硅在第1和第3象限有对称的伏安特性。双向可控硅门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通，因此有四种触发方式。

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