第五节晶闸管单相可控调压电路.docx
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第五节晶闸管单相可控调压电路
第五节晶闸管单相可控调压电路
一、晶闸管的结构及其工作原理
㈠晶闸管的结构
常用的小功率晶闸管有螺旋式和塑封式两种，如图7-25（a）、（b）所示。
晶闸管内部是一个由硅半导体材料做成的管芯，由管芯引出三个极，称阳极A、阴极K和门极G（又称控制极），它的图形符号如图7-25（c），文字符号为T。
晶闸管管芯内部结构示意图如图7-26（a）、（b）所示。
由图7-26（a）看出，去掉与三个引出线（三个极）有关的金属导体后，余下的是接在一起的P、N、P、N四层半导体。
将图进一步简化，其内部结构示意图就变成图7-26（b）
的形式。
由该图看出，四层半导体有
J1、、J2、和J3、三个PN结，三个电极
分别由其最外层的P层，N层和中间
的P层引出。
所以晶闸管是一个四层
三端半导体器件。
㈡晶闸管的工作原理
普通二极管是一个双层（P，N）半
导体，只有一个PN结。
当二极管接
电源使其P层电位高于N层时，二极
管导通，称为正向接法，或叫作加正向电压；反之，称为反向接法，或叫作加反向电压。
当晶闸管上加的电压使其阳极A的电位高于阴极K的电位时，称晶闸管承受正向阳极电压,由图7-26（b）看出，该极性电压虽然使晶闸管两端的PN结J1、、J3承受正向电压，但中间的PN结J2承受反向电压，所以晶闸管不能导通，称为晶闸管的正向阻断状态，也称关断状态；当晶闸管上加的电压使其阳极A的电位低于阴极K的电位时，称晶闸管承受反向阳极电压，该极性电压使晶闸管两端的PN结J1、和J3承受反向电压，虽然中间的PN结J2、承受正向电压，晶闸管也不能导通，称为反向阻断状态，也称关断状态。
以上是晶闸管门极不加任何电压的情况，由此得出结论：
晶闸管的门极不加电压时，不论晶闸管阳极和阴极间加何种极性的电压，正常情况下的晶闸管都不导通，这点与普通二极管不同，此时晶闸管具有正，反向阻断能力。
晶闸管的阳极与阴极之间加正向阳极电压，同时在门极G与阴极K之间加电压使门极的电位高于阴极时，称门极承受正向门极电压，则有门极电流流入门极，如图7-27所示。
IG较小时，晶闸管仍处乎正向阻断状态，即关断状态。
当IG达到一定数值时，晶闸管由关断状态转为导通状态。
这表明，在晶闸管承受正向电压条件下，门极对其导通与否有控制作用。
导通后的晶闸管类似二极管导通时的情形，管子电压降较小。
晶闸管一旦导通后，不论门极是否继续加正向电压，并不影响晶闸管的导通，即门极在晶闸管导通后失去了控制作用。
晶闸管承爱反向电压时，门极与阴极之间不论如何种极性的电压，也不管门极电流的大小均不能使晶闸管由关断转变为导通。
当晶闸管导通后的阳极流电IA减小到某—数值以下时，阳极电流IA会突然降为零，说明此时晶闸管由导通转变为关断，即恢复阻断状态。
由此看出，保持晶闸管导通状态有一个最小阳极电流限制，称它为维持电流IH。
晶闸管在正向阳极电压作用下，当门极加正向门板电压并建立了足够大的门极电流时，晶闸管由正向阻断转变为导通。
为了说明问题，可将晶闸管的四层半导体的三个PN结看成由两部分组成，即可认为晶闸管等效为一个PNP和一个NPN组合的复合管，这样就可以采用三极管的工作原理来进行分析，见图7-28。
当晶闸管承受正向阳极电压时，J1、和J3、结均处于正向偏置，而J2、结则处于反向偏置，欲使晶闸管导通，必须设法消除J2结的阻挡作用。
图7-28中三极管V1的集电极同三极管V2的基极相接，只要有相应的门极电流流入，就会形成强烈的正反馈，造成复合管的饱和导通，即晶闸管导通。
设V1管与V2管的集电极电流分别为IC1及IC2，发射极电流分别为IA及IK,共基极放大电流系数分别为
和
，晶闸管的工作过程可简单表示如下：
流入IG时
设流过J2、结的反向漏电流为ICO，则
由于发射极电流很小时（α1＋α2）很小，所以当IG＝0时IA≈IOC，晶闸管处于正向阻断状态。
当门极电流IG达到一定值时，发射极电流的增大很快，随着发射极电流的增大，（α1＋α2）迅速增大，甚至（α1＋α2）≈1。
此时阳极电流急剧增加，IA的大小由阳极电源电压及负载电阻的比值来确定；由于晶体管强烈正反馈作用，也能保持IA值不变，即晶闸管仍继续导通。
只有设法使晶闸管阳极电流减少到一定程度，导致（α1＋α2）减小，使其内部正反馈无法维持时，晶闸管才会恢复阻断，
由上述分析可以看出，门极在一定条件下能触发晶闸管使其导通，但无法使其由导通转变为阻断状态，即关断。
想使晶闸管关断必须使晶闸管的阳极电流IA降到维持电流IH以下。
二、单结管触发电路
晶闸管导通并能正常工作的条件是，除在阳极与阴极之间加上正向电压外，还必须在控制极与阴极之间加上适当的触发信号。
产生和控制触发信号的电路称为晶闸管触发电路。
为了保证晶闸管的可靠工作，对触发电路有以下几点要求：
①触发时能提供足够的触发脉冲电压和电流。
由于晶闸管控制极参数的分散性及随温度变化的不稳定性，要求触发电路对同一类型的晶闸管均能触发导通，又不损坏控制极。
一般要求在触发电路接晶闸管控制极时，输出脉冲的幅度为4～10V。
②晶闸管不应导通时，触发电路输出的漏电电压不应超过0.25V，以免发生误导通。
⑧触发脉冲的前沿要陡，为使触发时间准确，一般要求前沿时间小于10微秒。
④触发脉冲要有足够的宽度。
因为晶闸管的开通需要一定时间，触发脉冲必需大于这一时间才能达到可靠地触发．对于电阻性负载的电路，一般要求脉冲宽度大于20微秒。
⑤触发电路必须与主电路同步。
脉冲的相位能平稳移动，并有足够宽的移相范围。
对于单相可控整流电路，移相范围要求接近或大于150°。
同时满足上述要求才能使可控整流电路可靠而稳定地工作。
触发电路的种类很多，这里仅介绍目前应用较为普遍的单结管触发电路。
㈠单结管的结构及特性
单结管是单结晶体管的简称，又称为双基极晶体管。
它的内部结构见图7-29（a）。
在一个N型硅片的上下两端各引出一个电极：
下边的称为第一基极b1，上边的称为第二基极b2（故称双基极晶体管），在硅片另一侧靠近b2的部位掺入P型杂质，引出阳电极，称为发射极e，发射极与N型硅片间构成一个PN结（故称单结管）；图7-29（b）是单结管的符号。
图7-30（a）虚线框内是单结管的等效电路，外接实验用电源EB及EE，图7-30（b）是单结管的特性曲线。
自PN结处的A点至两个基极b1、、、b2之间的等效电阻分别为rb1rb2，当接
上电源EE后，A点与b1之间的电压为
（7-1）
式中
，称为单结管的分压比，其数值主要与管子的结构有关，一般在0.5～0.8之间。
图中EE为加在发射极回路的可调电源。
当UEB1从零开始增加且低于UA时PN结承受反向电压，仅有反向电流流过PN结，rb1呈现很大的电阻，单结管处于截止状态，见特性曲线AP段。
当UEB1>UVD+UA时（UVD为PN结的死区电压），PN结承受正向电压，从P区向N型硅片注入空穴与电子复合，使rb1急剧减小，IE迅速增加；rb1越小，发射极电压UEB1也越小，呈现出负阻特性，见特性曲线PV段。
过了V点后，单结管进入饱和导通状态，与二极管特性相似，见特性曲线VB段。
这样，单结管的特性曲线可以大致分为三个区：
截止区、负阻区和饱和区。
曲线中的P点称为峰点，对应于P点的电压值为峰点电压UP
UP=UVD+UA≈UA=
UBB（7-2）
对应峰点的电流称为峰点电流IP。
曲线中V点称为谷点，对应V点的电压、电流值分别称为谷点电压UV和谷点电流IV。
㈡单结管振荡电路
利用单结管的负阻特性和RC电路的充放电特性，可以组成频率可变的振荡电路，如图7-31（a）所示。
当接通电源电压EB后，一方面通过R1及R2加在单结管V的基极bl及b2上，在R1上的压降为IBBR1，见图7-31（b），同时又通过电阻R向电容C充电，使单结管发射极电压uE按指数规律升高{图中t0～t1段}。
当uE升高使UEB1达到单结管的峰点电压UP值时（图中t1时刻），单结管导通，电容C上的电压迅速通过发射结及电阻R1放电（因单结管的rb1降低、且R1<（为UV与IVR1之和）时，管子截止，电容C又充电（图中t2～t3段）重复上述过程，于是在电阻R1上得到一系列尖峰脉冲，如图7-31（b）所示。
若近似取t0～t1等于（t2～t3）+（t3～t4），即T1近似等于脉冲周期T，则T可以从下面的方程求出
（7-3）
解式（7-3）得
（7-4）
当uC充到单结管峰点电压UP时，t=t1,若R1、R2比rb1、rb2小得多，则UBB≈EB,，将UP≈
EB代人上式
则脉冲周期
（7-5）
由此式可以看出，当单结管选定以后，改变R或C的数值即可改变脉冲周期的大小。
当uC达到UP以后，电容开始放电；在放电过程中，若认为电容主要是向R1放电的话，则
（7-6）
当放电到谷点
时，
，t=t2，则脉冲宽度
（7-7）
由此式可见，当单结管及电容均已确定时，改变电阻R1的数值可以适当地调节脉冲宽度。
一般情况R1＝50～100Ω。
电阻R2起温度补偿作用，因为UP＝
UBB+UVD[见式（7—2）]，当温度升高时UVD减小，即UP随温度升高而减小，但单结管的基极间电阻RBB随温度升高而增加，使IBB随之减小，则R2上的压降IBBR2相应减小，结果使UBB升高，从而补偿了UVD的减小，使UP基本不变，保证产生脉冲的时间稳定。
一般情况下R2＝300～500Ω。
㈢单结管触发电路
上述的单结管振荡电路还不能直接用于晶闸管整流电路中，因为可控整流电路还要求触发脉冲与主电路的电源电压同步。
也就是在晶闸管承受正向电压时送出触发脉冲，而且对应每个半周期所发出第一个脉冲的相位应是相同的，当需要对整流电压uVD进行调节时，对应每个半周期的触发脉冲均需作相同的移动，这样才能保证每个半周期中晶闸管的导电角是一致的。
因为单相可控整流电路的交流
电源电压的零点为控制角α的起算点，如果在每次电源电压过零后一定的角度发出第一个脉冲，这样就达到了触发电路与主电路同步的目的。
为此在单结管触发电路中，当每次电源电压过零点时，应设法把电容C上贮存的电荷放掉，重新从零开始充电，只要充电电阻R不变，则发出第一个脉冲的时间就是固定的。
触发电路如图7-32所示。
它是采用变压器获得同步的电路，图中T为同步变压器，它的初级绕组与主电路由同一个交流电源供电。
电源u1经变压器T降压后进行整流，得到图7-33中uVD波形；再经电阻R3和稳压管V3削波，得到uZ波形，它是个梯形波，用它作为单结管振荡电路的同步电源，当交流电源电压过零时，uZ也过零，即单结管的UBB≈0，由式（7-2）可知UP≈0，单结管的e-b1之间导通，所以电容C将迅速放完所存电荷。
图7-33中uC在每次电源电压过零时从零开始充电，这样就保证了触发电路与主电路之间严格的同步关系。
uG是电阻R1上取出供给V1、V2的触发
脉冲电压，虽然每个半周期内出现很多个脉冲，但是只有第一个脉冲起触发晶闸管的作用。
图中控制角α是触发电路中由电阻R和电容C所决定的充电时间T1[见式（7-5）]所对应的电角度。
减小R的数值，产生脉冲的数目增多，则第一个脉冲发出的时刻往前移，uL波形上的α角减小，θ增大，整流电压
就升高。
因此改变R的大小可以达到调节
的目的。
这种通过改变产生触发脉冲相位来实现有规律调节
的方法，称为“移相控制”。
其移相范围因主要取决于经削波后梯形波平顶段的电压，而且电容C充电也必须占用一定的时间，所以小于180°。
如果提高同步变压器次级电压u2（一般取50V）使梯形波接近方波，考虑到前后的斜坡各去掉20°时，则最大移相范围约为140°。
由此可以方便地选择R和C的数值。
三、一个常用的可控整流电路
图7-34是中级维修电工实际操作考试中，常用的一个电路。
它与图7-32所述的电路基本相同，原理完全一致，故对其原理不再从述。
但考虑到同学们是第一次接触电子电路的安装与调试，所以我们给大家提供了一个实际元件的布置图图7-35，并将有关注意事项说明如下：
1．图7-35基本上按实际布线成比例放大，望同学们布线时注意各元件的距离；
2．安装时先装控制回路，后装主回路；
3．调试控制回路时ucmax=3～5V、uR5max=0.3～0.5V，此数值系用万用表测出的值；
4．晶闸管三个管脚之间的距离不要太小，可作如右图
的布置，三个管脚不要焊在同一排的孔中。
表7－5晶闸管单相可控整流调压电路元件表
元件名称及编号
型号
数量
元件名称及编号
型号
数量
变压器T
220/50V10W
1
电阻R1
1.2K/2W
1
熔断器FU1
0.2A
1
电阻R3
5.1K/0.25W
1
熔断器FU2
1A
1
电阻R4
330Ω/0.25W
1
二极管VD1～4
2CP12
4
电阻R5
100Ω/0.25W
1
二极管VD5～6
2CZ11D
2
电阻R6～7
47Ω/0.25W
2
稳压管V1
2CW64、18～21V
1
电位器RP
100K/0.25W
1
单结晶体管V2
BT33
1
灯泡IN
220V/60W
电容C
、16V
1
实习课题常用电气控制线路的安装与调试
一、实习目的
1．熟悉几个常用的电气控制线路，掌握较简单线路的安装步骤和方法。
2．了解几个常用机床电气控制线路的工作原理，知道故障排除的一般方法。
二、实习内容
1．安装一个较简单的电气控制线路，进行调试排除故障，实现线路的控制功能。
2．安装晶闸管单相可控调压电路，进行调试排除故障，实现线路的控制功能。
三、实习要求
1.安装时除电动机外的其他元件必须排列整齐、合理，：
并牢固安装在木配电板上。
2.控制板采用板前接线，接到电动机和按钮盒的导线必须通过接线端子引出，并应有保护接零。
3.板面导线敷设必须平直、整齐、合理，各节点必须紧密可靠，并保持板面整洁。
4.安装完毕后，应仔细检查是否有误，如有误应改正，然后主动向实习指导老师提出通电请求，经同意后才能通电试车。
5.通电试车时，允许检查主电路及控制电路的熔丝是否完好，但不得对线路进行带电改动。
6.出现故障时必须断电检修，检修完毕后必须再次向实习指导老师提出通电请求，直到试车达到满意为止。
思考题与习题
1．安装电器元件前，为什么必须进行检查?
检查的主要内容有哪些?
2．如何选择连接导线?
3．电气控制线路调试前应做哪些准备工作?
电气控制线路调试的内容有哪些？
调试中应注意什么?
4．电气控制线路的故障种类有哪些?
如何排除电气故障?
5．简述用万用表欧姆档检查电气线路的方法。
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