双向可控硅的原理二三极管原理.docx

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双向可控硅的原理二三极管原理

  尽管从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合，但实际上它是由7只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。

小功率双向可控硅一般采用塑料封装，有的还带散热板，外形如图l所示。

典型产品有BCMlAM（1A／600V）、BCM3AM（3A／600V）、2N6075（4A／600V），MAC218-10（8A／800V）等。

大功率双向可控硅大多采用RD91型封装。

双向可控硅的主要参数见附表。

      双向可控硅的结构与符号见图2。

它属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。

因该器件可以双向导通，故除门极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2。

表示，不再划分成阳极或阴极。

其特点是，当G极和T2极相对于T1，的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。

反之，当G极和T2极相对于T1的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。

双向可控硅的伏安特性见图3，由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。

检测方法

下面介绍利用万用表RXl档判定双向可控硅电极的方法，同时还检查触发能力。

1.判定T2极

由图2可见，G极与T1极靠近，距T2极较远。

因此，G—T1之间的正、反向电阻都很小。

在肦Xl档测任意两脚之间的电阻时，只有在G-T1之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧，而T2-G、T2-T1之间的正、反向电阻均为无穷大。

这表明，如果测出某脚和其他两脚都不通，就肯定是T2极。

，另外，采用TO—220封装的双向可控硅，T2极通常与小散热板连通，据此亦可确定T2极。

 2．区分G极和T1极

（1）找出T2极之后，首先假定剩下两脚中某一脚为Tl极，另一脚为G极。

（2）把黑表笔接T1极，红表笔接T2极，电阻为无穷大。

接着用红表笔尖把T2与G短路，给G极加上负触发信号，电阻值应为十欧左右（参见图4（a）），证明管子已经导通，导通方向为T1一T2。

再将红表笔尖与G极脱开（但仍接T2），若电阻值保持不变，证明管子在触发之后能维持导通状态（见图4（b））。

（3）把红表笔接T1极，黑表笔接T2极，然后使T2与G短路，给G极加上正触发信号，电阻值仍为十欧左右，与G极脱开后若阻值不变，则说明管子经触发后，在T2一T1方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。

由此证明上述假定正确。

否则是假定与实际不符，需再作出假定，重复以上测量。

显见，在识别G、T1，的过程中，也就检查了双向可控硅的触发能力。

如果按哪种假定去测量，都不能使双向可控硅触发导通，证明管于巳损坏。

对于lA的管子，亦可用RXl0档检测，对于3A及3A以上的管子，应选RXl档，否则难以维持导通状态。

典型应用

       双向可控硅可广泛用于工业、交通、家用电器等领域，实现交流调压、电机调速、交流开关、路灯自动开启与关闭、温度控制、台灯调光、舞台调光等多种功能，它还被用于固态继电器（SSR）和固态接触器电路中。

图5是由双向可控硅构成的接近开关电路。

R为门极限流电阻，JAG为干式舌簧管。

平时JAG断开，双向可控硅TRIAC也关断。

仅当小磁铁移近时JAG吸合，使双向可控硅导通，将负载电源接通。

由于通过干簧管的电流很小，时间仅几微秒，所以开关的寿命很长.

      图6是过零触发型交流固态继电器（AC-SSR）的内部电路。

主要包括输入电路、光电耦合器、过零触发电路、开关电路（包括双向可控硅）、保护电路（RC吸收网络）。

当加上输入信号VI（一般为高电平）、并且交流负载电源电压通过零点时，双向可控硅被触发，将负载电源接通。

固态继电器具有驱动功率小、无触点、噪音低、抗干扰能力强，吸合、释放时间短、寿命长，能与TTL＼CMOS电路兼容，可取代传统的电磁继电器。

双向可控硅的原理

TRIAC的特性

    什么是双向可控硅:

IAC（TRI-ELECTRODEACSWITCH）为三极交流开关，亦称为双向晶闸管或双向可控硅。

TRIAC为三端元件，其三端分别为T1（第二端子或第二阳极），T2（第一端子或第一阳极）和G（控制极）亦为一闸极控制开关，与SCR最大的不同点在于TRIAC无论于正向或反向电压时皆可导通，其符号构造及外型，如图1所示。

因为它是双向元件，所以不管T1,T2的电压极性如何，若闸极有信号加入时，则T1,T2间呈导通状态；反之，加闸极触发信号，则T1,T2间有极高的阻抗。

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        （a）符号                              （b）构造

                          图1TRIAC 

二.TRIAC的触发特性:

 838电子

    由于TRIAC为控制极控制的双向可控硅,控制极电压VG极性与阳极间之电压VT1T2四种组合分别如下：

（1）.VT1T2为正,VG为正。

（2）.VT1T2为正,VG为负。

（3）.VT1T2为负,VG为正。

（4）.VT1T2为负,VG为负。

一般最好使用在对称情况下（1与4或2与3），以使正负半周能得到对称的结果，最方便的控制方法则为1与4之控制状态，因为控制极信号与VT1T2同极性。

图2TRIAC之V-I特性曲线

如图2所示为TRIAC之V-I特性曲线，将此图与SCR之VI特性曲线比较，可看出TRIAC的特性曲线与SCR类似，只是TRIAC正负电压均能导通，所以第三象限之曲线与第一象限之曲线类似，故TRIAC可视为两个SCR反相并联TRIAC之T1-T2的崩溃电压亦不同，亦可看出正负半周的电压皆可以使TRIAC导通，一般使TRIAC截止的方法与SCR相同，即设法降低两阳极间之电流到保持电流以下TRIAC即截止。

三.TRIAC之触发：

    TRIAC的相位控制与SCR很类似，可用直流信号，交流相位信号与脉波信号来触发，所不同者是VT1-T2负电压时，仍可触发TRIAC。

四.TRIAC的相位控制：

    TRIAC的相位控制与SCR很类似，但因TRIAC能双向导通之故，在正负半周均能触发、可作为全波功率控制之用，因此TRIAC除具有SCR的优点，更方便于交流功率控制，图3（a）为TRIAC相位控制电路，只适当的调整RC时间常数即可改变它的激发角，图3（b），（c）分别是激发角为30度时的VT1-T2及负载的电压波形，一般TRIAC所能控制的负载远比SCR小，大体上而言约在600V，40A以下。

                    （A）

（B）AC两端电压波形            （C）两端电压波形

五.触发装置：

    TRIAC之触发电路与SCR类似,可以用RC电路配合UJT、PUT、DIAC等元件组成的触发电路来触发，这些元件的触发延迟角。

都可由改变电路所使用的电阻值来调整，其变化范围在0°～180°之间，正负半周均能导通，而在工业电力控制上，常以电压回授来调整触发延迟角，用以代表负载实际情况的电压回授，启动系统做良好的闭回路控制。

这种由回授来控制触发延迟角，常由UJT或TCA785来完成。

实验：

应用电路说明

    如图所示,利用TCA785所组成之TRIAC相位控制电路，其动作原理与SCR之TCA785相位控制电路相似，由于TRIAC在电源正负半周均能导通，所以第14脚（控制正半周之激发角）与第15脚（控制负半周之激发角），均必须使用。

由VR1之改变以改变第11脚之控制电压值，则可调整激发角以控制灯泡之亮度。

                      利用TCA785做TRIAC之相位控制

    可控硅元件的工作原理及基本特性

1、工作原理

可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示

图1可控硅等效图解图

当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。

此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。

因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。

此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。

这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。

由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1

表1可控硅导通和关断条件

状态

条件

说明

从关断到导通

1、阳极电位高于是阴极电位

2、控制极有足够的正向电压和电流

两者缺一不可

维持导通

1、阳极电位高于阴极电位

2、阳极电流大于维持电流

 两者缺一不可

从导通到关断

1、阳极电位低于阴极电位

2、阳极电流小于维持电流

任一条件即可 

2、基本伏安特性

可控硅的基本伏安特性见图2

图2可控硅基本伏安特性 

（1）反向特性

当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。

此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。

此时，可控硅会发生永久性反向击穿。

图3阳极加反向电压

（2）正向特性

当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图4），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：

正向转折电压 

图4阳极加正向电压

由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。

进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。

这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图2中的BC段

3、触发导通

在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。

在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。

图5阳极和控制极均加正向电压

光电耦合器件简介

光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。

光电耦合器分为很多种类，图1所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。

838电子

当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。

对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。

若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。

这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。

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                 图一最常用的光电耦合器之内部结构图三极管接收型 4脚封装

                           图二光电耦合器之内部结构图三极管接收型 6脚封装

            图三光电耦合器之内部结构图双发光二极管输入三极管接收型4脚封装

                              图四光电耦合器之内部结构图可控硅接收型 6脚封装

图五光电耦合器之内部结构图双二极管接收型 6脚封装

光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：

（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。

据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。

（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。

（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。

因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。

（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10μs左右，适于对回应速度要求很高的场合。

光电隔离技术的应用

微机介面电路中的光电隔离

微机有多个输入埠，接收来自远处现场设备传来的状态信号，微机对这些信号处理后，输出各种控制信号去执行相应的操作。

在现场环境较恶劣时，会存在较大的杂讯干扰，若这些干扰随输入信号一起进入微机系统，会使控制准确性降低，产生误动作。

因而，可在微机的输入和输出端，用光耦作介面，对信号及杂讯进行隔离。

典型的光电耦合电路如图6所示。

该电路主要应用在“A／D转换器”的数位信号输出，及由CPU发出的对前向通道的控制信号与类比电路的介面处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将类比电路和数位电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。

图六光电耦合器接线原理

对于线性类比电路通道，要求光电耦合器必须具有能够进行线性变换和传输的特性，或选择对管，采用互补电路以提高线性度，或用V／F变换后再用数位光耦进行隔离。

功率驱动电路中的光电隔离

在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的I／O输出，而I／O的驱动能力有限，一般不足以驱动一些点磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。

如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离。

电路实例如图7所示。

                      图七双向可控硅（晶闸管）

在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。

马达靠MOSFET或IGBT功率管提供驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。

在光耦隔离级—放大器级—大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。

远距离的隔离传送

在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输，信号在传输过程中很易受到干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位差，导致地环路电流，对电路形成差模干扰电压。

为确保长线传输的可靠性，可采用光电耦合隔离措施，将2个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。

若传输线较长，现场干扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，如图8所示。

                图八传输长线的光耦浮置处理

长线的“浮置”去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生杂讯电压形成相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题；同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。

过零检测电路中的光电隔离

零交叉，即过零检测，指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。

现代的零交叉技术已与光电耦合技术相结合。

图9为一种单片机数控交流调压器中可使用的过零检测电路。

                 图九过零检测

220V交流电压经电阻R1限流后直接加到2个反向并联的光电耦合器GD1，GD2的输入端。

在交流电源的正负半周，GD1和GD2分别导通，U0输出低电平，在交流电源正弦波过零的瞬间，GD1和GD2均不导通，U0输出高电平。

该脉冲信号经反闸整形后作为单片机的中断请求信号和可控矽的过零同步信号。

注意事项

（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。

（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。

三极管开关电路

三极管开关电路工作原理分析

             图1   NPN三极管共射极电路      图2 共射极电路输出特性曲838电子

 图一所示是NPN三极管的共射极电路，图二所示是它的特性曲线图，图中它有3种工作区域：

截止区（CutoffRegion）、线性区（ActiveRegion）、饱和区（SaturationRegion）。

三极管是以B极电流IB作为输入，操控整个三极管的工作状态。

若三极管是在截止区，IB趋近于0（VBE亦趋近于0），C极与E极间约呈断路状态，IC=0，VCE=VCC。

若三极管是在线性区，B-E接面为顺向偏压，B-C接面为逆向偏压，IB的值适中（VBE=0.7V）， IC=hFEIB  呈比例放大，Vce =Vcc-RcI c=V cc-Rc hFEIB可被IB操控。

若三极管在饱和区，IB很大，VBE=0.8V，VCE=0.2V，VBC=0.6V，B-C与B-E两接面均为正向偏压，C-E间等同于一个带有0.2V电位落差的通路，可得Ic=（Vcc-0.2）/Rc ，Ic与IB无关了，因此时的IB大过线性放大区的IB值，  Ic

三极管在截止态时C-E间如同断路，在饱和态时C-E间如同通路（带有0.2V电位降），因此可以作为开关。

控制此开关的是IB，也可以用VBB作为控制的输入讯号。

图三、四分别显示三极管开关的通路、断路状态，及其对应的等效电路。

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           图3、截止态如同断路线图                                        图4、饱和态如同通路

实验：

三极管的开关作用

简单三极管开关：

电路如图5，电阻RC是LED限流用电阻，以防止电压过高烧坏LED（发光二极管），将输入信号VIN从0调到最大（等分为约20个间隔），观察并记录对的VOUT以及LED的亮度。

当三极管开关为断路时，VOUT=VCC =12V，LED不亮。

当三极管开关通路时，VOUT =0.2V，LED会亮。

改良三极管开关：

因为三极管由截止区过度到饱和区需经过线性区，开关的效果不会有明确的界线。

为使三极管开关的效果明确，可串接两三极管，电路如图六。

同样将输入信号VIN从0调到最大（等分为约20个间隔），观察并记录对应的VOUT以及LED的亮度。

新艺图库

      图5、简单开关三极管电路图    图6、改良三极管开关电路-达林顿电路图

以上可以看出几乎任何一种型号三极管都可一做为电子开关来使用，如果条件允许也可用来控制加热设备。

可见开关三极管只是一个笼统的概念，不过市面上也有少数的专用开关三极管出售。

稳压二极管在电路中的作用及工作原理

稳压二极管工作原理一种用于稳定电压的单结二极管。

它的伏安特性，稳压二极管符号如图1所示。

结构同整流二极管。

加在稳压二极管的反向电压增加到一定数值时，将可能有大量载流子隧穿伪结的位垒，形成大的反向电流，此时电压基本不变，称为隧道击穿。

当反向电压比较高时，在位垒区内将可能产生大量载流子，受强电场作用形成大的反向电流，而电压亦基本不变，为雪崩击穿。

因此，反向电压临近击穿电压时，反向电流迅速增加，而反向电压几乎不变。

这个近似不变的电压称为齐纳电压（隧道击穿）或雪崩电压（雪崩击穿）。

a

b126计算公式 图1稳压二极管伏安 特性曲线大

图2等效电路理想模式838电子

图3理想模式导通状态常见的两种稳压电路接法

 图4实际模式导通状态

 图5实际模式导通状态常见的两种稳压接线电路

稳压二极管的主要参数

1.Vz—稳定电压。

指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。

该值随工作电流和温度的不同而略有改变。

由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。

例如，2CW51型稳压管的Vzmin为3.0V,Vzmax则为3.6V。

2.Iz—稳定电流。

指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值。

低于此值时，稳压管虽并非不能稳压，但稳压效果会变差;高于此值时，只要不超过额定功率损耗，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但要多消耗电能。

3.Rz—动态电阻。

指稳压管两端电压变化与电流变化的比值。

该比值随工作电流的不同而改变，一般胜作电流愈大，动态电阻则愈小。

例如，2CW7C稳压管的工作电流为5mA时，Rz为18Ω;工作电流为1OmA时，Rz为8Ω;为20mA时，Rz为2Ω;>20mA则基本维持此数值。

4.Pz—额定功耗。

由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积。

例如2CW51稳压管的Vz为3V，Izm为20mA，则该管的Pz为60mWo

5.Ctv—电压温度系数。

是说明稳定电压值受温度影响的参数。

例如2CW58稳压管的Ctv是+0.07%/°C，即温度每升高1°C，其稳压值将升高0.07%。

6.IR—反向漏电流。

指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流。

例如2CW58稳压管的VR=1V时，IR=O.1uA;在VR=6V时，IR=10uA。

（三）选择二极管的基本原则

1.要求导通电压低时选锗管;要求反向电流小时选硅管。

2.要求导通电流大时选面结合型;要求工作频率高时选点接触型。

3.要求反向击穿电压高时选硅管。

4.要求耐高温时选硅管。