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第七章 晶闸管及其应用电路. 第一节 晶闸管 第二节 晶闸管可控整流电路 第三节 晶闸管触发电路. 1. 熟悉晶闸管的结构、外形及符号，并了解晶闸管的工作原理及阳极伏安特性及主要参数。 2. 掌握晶闸管的导通、关断条件以及简单测试方法。 3. 掌握计算（电阻性负载）单相半波可控、单相半控桥式整流电路的输出电压、晶闸管可能承受的最高反向电压与流过晶闸管的电流有效值的计算方法。 4. 了解单结晶体管的结构、特性，理解触发电路的工作原理、各环节组成及作用，掌握单结晶体管的简单测试方法。. 知识目标. 技能目标.
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第七章 晶闸管及其应用电路 第一节 晶闸管 第二节 晶闸管可控整流电路 第三节 晶闸管触发电路
1.熟悉晶闸管的结构、外形及符号，并了解晶闸管的工作原理及阳极伏安特性及主要参数。1.熟悉晶闸管的结构、外形及符号，并了解晶闸管的工作原理及阳极伏安特性及主要参数。 • 2.掌握晶闸管的导通、关断条件以及简单测试方法。 • 3.掌握计算（电阻性负载）单相半波可控、单相半控桥式整流电路的输出电压、晶闸管可能承受的最高反向电压与流过晶闸管的电流有效值的计算方法。 • 4.了解单结晶体管的结构、特性，理解触发电路的工作原理、各环节组成及作用，掌握单结晶体管的简单测试方法。 知识目标
技能目标 • 1.能计算（电阻性负载）单相半波可控、单相半控桥式整流电路的输出电压、晶闸管可能承受的最高反向电压与流过晶闸管的电流有效值。 • 2.能根据电路参数正确选择晶闸管。 • 3.会分析单结晶体管触发电路的工作原理、各环节组成及作用。 • 4.会对晶闸管、单结晶体管作简单测试。
第一节 晶闸管 一、晶闸管的结构和符号 • 晶闸管：（晶体闸流管，可控硅整流器。） • 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 • 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 • 1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 • 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。 • 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。 发展史
1.晶闸管的结构和符号 晶闸管引出三个极，阳极A、阴极K、门极（控制极）G 以半导体PN结为基础，四个区和三个PN结构成。 阳极A 门极G 阴极K 图7-1 晶闸管的结构、符号 a）结构 b）电气符号 晶闸管等效电路
2.类型 外形有螺栓型和平板型两种封装。 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。 图7-2 晶闸管的外形 a）螺栓式 b）平板式 c）塑封管式 d)一些常见晶闸管
调光 旋钮 小知识 现代生活和工作的各行各业都有晶闸管的应用，已成了现代生活不可缺少的部分如电焊机、点焊机、调功器（烘干）、调光灯、电泳整流电源（汽车涂装），直流调速系统（压力机，数控机床），直流伺服单元（机器人、加工中心、剪板机）等等。图7-3是调光台灯及其调节器，旋动调光旋钮便可以调节灯泡的亮度。图7-3b为电路原理图，调光灯电路由主电路和触发电路两部分构成。 调光电位器 同步变压器 （a）(b) 图7-3 调光灯及其电路 a）调光灯 b）调光灯电路原理图
二、晶闸管的工作原理 1．晶闸管的导通原理 晶闸管可视为两只异型晶体管的组合，阳极一侧为V1管，阴极一侧为V2管，门极G既是V2的基极，又是V1的集电极。 图7-4 晶闸管的内部结构与导通原理 a）内部结构 b）导通原理
当晶闸管加上正向阳极电压，并在控制极加上正向触发电压时： UG→Ib2→Ic2(Ic2=β2IB2=IB1)→IC1(IC1=β1IB1=β1β2IB2) 正反馈 结论： 在晶闸管阳极加上正向电压，并经触发之后，可归纳以下结论： 1）只要β1β2＞1，便可维持正反馈放大，使晶闸管导通。 2）一旦导通，门极就失去控制作用，门极的触发电压便可撤消。可见触发电压只需要采用适当的脉冲电压即可。 3）晶闸管导通后，阳极电流的大小受电路参数的制约，最后稳定值为IA=（UA-UT）/R。
结论 2.晶闸管的导通与关断条件 （1）导通条件 1）阳极加适当的正向电压，即UA＞0。 2）门极加适当的正向触发电压，即U G＞0。 3）电路参数必须保证晶闸管阳极工作电流大于维持电流，即IA＞IH，维持电流IH是维持晶闸管导通的最小阳极电流。 （2）关断条件 1）撤除阳极电压，即UA≤ 0。 2）阳极电流减小到无法维持导通的程度，即IA＜IH。常采用的方法有：降低阳极电压，切断电流或给阳极加反向电压。
想一想 1）根据晶闸管的结构图7-2a所示，可将其看成是（ ）型和（ ）型两个晶体三极管的互连。 2）有人说：“晶闸管只要加上正向电压就导通，加上反向电压就关断，所以晶闸管具有单向导电性能。”这句话对吗？
三、晶闸管的主要参数 表7-1 晶闸管的主要参数
KP□—□□ 通态平均电压组别 用A~I字母表示 正反向峰值电压用百伏表示 额定正向平均电流 普通型 晶闸管 四、晶闸管型号 晶闸管的命名方法如下： 例如KP10-20表示额定通态平均电流为10A，正反向重复峰值电压为2000V的普通反向阻断型晶闸管。
五、晶闸管使用注意事项 晶闸管特点：具有体积小、损耗小、无声、控制灵敏度高等许多优点的半导体变流器件，但它对过流和过压承受能力比其他电器产品要小得多。 使用时应注意以下几点： 1）在选择晶闸管额定电压、电流时，应留有足够的安全余量。 2）应有过电流、过电压保护和限制电流、电压变化率的措施。 3）晶闸管的散热系统应严格遵守规定要求。使用中，若冷却系统发生故障，应立即停止使用或将负载减小到额定值的三分之一，作短时应急使用。 4）严禁用兆欧表检查晶闸管的绝缘情况。
小电流塑封式 阴极（K） 门极（G） 小电流塑封式 小电流螺旋式 阴极（K） 阳极（A） 阳极（A） 门极（G） 六、晶闸管电极的判定和简单测试 1．晶闸管电极的判定 若从外观上判断，3个电极形状各不相同，无需作任何测量就可以识别。
2．晶闸管的简单测试(用万用表法进行好坏的简单判断)2．晶闸管的简单测试(用万用表法进行好坏的简单判断) 表7-2 晶闸管测试方法(一)
第二节 晶闸管可控整流电路 晶闸管可控整流与二极管整流有所不同，它不仅能将 交流电变成直流电，且改变的直流电的大小是可调的、可控的。 同步变压器 触发电路 案件 调光台灯电路原理图 主电路 一般容量在4KW以下的可控整流装置多采用单相可控整流，对大功率的负载多采用三相可控整流。
一、单相半波可控整流电路 带电阻性负载的工作情况 图7-5 单相半波可控整流电路及波形 变压器T起变换电压和电气隔离的作用。 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。
晶闸管整流电路的一种基本分析方法 • 通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。 • 器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。 对单相半波电路的分析可基于上述方法进行： • 当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。 • 当VT处于通态时，相当于VT短路。 a)VT处于关断状态 b)VT处于导通状态
(7-1) 基本数量关系 • 首先，引入两个重要的基本概念： • 触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用α表示,也称触发角或控制角。 • 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示 。 VT的α移相范围为180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。 （1）输出电压平均值
（2）输出电流平均值为 （7-2） 式中 U2——变压器二次电压的有效值，单位为伏[V]； α——控制角；单位为弧度[rad] UL——输出电压的平均值，单位为伏[V]； IL——负载中流过的平均电流，单位为安[A]。 特点 单相半波可控整流电路具有线路简单，只需要一个晶闸管，调整也很方便。整流输出的直流电压脉动大、设备利用率不高等缺点。故只适用于要求不高的小功率整流设备上。
【例7-1】在图7-5a所示电路中，变压器二次电压U2=100V，【例7-1】在图7-5a所示电路中，变压器二次电压U2=100V， 当控制角α分别为0º、90º、120º、180º时，负载上的平均电 压是多少？ 【解】由式（7-1）知 α=0º时 α=90º时 α=120º时 α=180º时 触发延迟角α越大，导通角和整流输出的直流电压将怎样变化？ 想一想
二、单相半控桥式整流电路 • 单相半控桥式整流电路 电路结构 晶闸管VT1和VT2 二极管VD1和VD2 图7-6 单相半控桥式整流电路 a）电路 b）波形
（7-3） • 工作原理及波形分析 • VT1和VD2组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得 • 到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。（见图7-6 b） • VT2和VD1组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。（见图7-6 b） 基本数量关系 直流输出电压平均值为 a 角的移相范围为180。
向负载输出的平均电流值为 每只管子承受的最高反向电压为 每个晶闸管导通平均电流为负载平均电流的1/2，即 结论 当α=0时，θ=π晶闸管出于完全导通状态，UL=0.9U2； 当α=π时，θ=0，晶闸管出于完全关断状态，UL=0。 输出直流电压的范围为：0～0.9U2。 想一想 单相半控桥式整流电路输出的直流电压范围为（）U2。
2.用一个晶闸管的单相桥式可控整流电路 输出电压u2和单相半控桥式整流电路的相同 晶闸管作开关管用 电路结构 单相桥式整流电路 注意 应用较广，在晶闸管前不能接滤波电容。 图7-7 用一只晶闸管的单相桥式可控整流电路 a）电路图 b）波形图
第三节 晶闸管的触发电路 几种常用触发信号电压波形 正弦波 尖脉冲 方波 强触发脉冲 脉冲列
触发电路——对晶闸管提供触发信号的电路。 一、对触发电路的要求 1）触发电压必须与晶闸管阳极电压同步。 2）触发电压应满足主电路移相范围的要求。 3）触发脉冲电压的前沿要陡，宽度要满足一定的要求。 4）具有一定的抗干扰能力。 5）触发信号应有足够大的电压和功率。
二、单结晶体管触发电路 触发电路 单结晶体管 特点 主电路 结构简单、触发可靠性高的特点，适用于中小容量的晶闸管可控整流装置。
1.单结晶体管的结构、符号和特性 单结晶体管又称为双基极二极管。它有一个发射极和两个基极。 在一块高阻率的N型硅基片上用镀金陶瓷片制作成两个接触电阻 很小的极，称为第一基极（B1）和第二基极（B2），而在硅基片的另一侧靠近B2处掺入P型杂质，并引出一个铝质电极，称为发射极（E）。发射极E对基极B1、B2就是一个PN结，故称为单结晶体管 图7-8 单结晶体管结构、符号和等效电路 a）结构b）符号 c）等效电路
第一基极b1 发射极e 第二基极b2 触发电路常用的国产单结晶体管的型号主要有BT31，BT35，BT35，其外形与管脚排列。 想一想 单结晶体管具有几个PN结？
单结晶体管的电流和电压（伏安）特性 当两基极B1和B2间加某一固定直流电压时，发射极电流 与发射极正向电压Ue之间的关系曲线称为单结晶体管的伏安 特性＝f（Ue）。 单结晶体管工作时，需要在两个基极上加以电压UBB，且B2接正极，B1接负极，在发射极不加电压时，A点和B1之间的电压为： （7-4） η称为单结晶体管的分压系数（或称分压比），它与管子内部结构有关，通常在0.3～0.9之间。对某一单结晶体管而言，η是一个常数，且不受电压和温度的影响。
单结晶体管的电流和电压（伏安）特性 结论 ①截止区 ②负阻区 ③饱和区 UE＜UV 单结晶体管具有开关特性。当UE＞UP时，“开关”闭合，E、B1极之间导通；当UE＜UV时，“开关”断开，即E、B1极之间截止，呈高阻状态。 UE＞UP 7-9 单结晶体管的电压电流特性
2.单结晶体管触发电路 电路组成 单结晶体管振荡电路 削波电路 整流电路 同步变压器 主电路 同步变压器T的作用是让触发脉冲与主电路同步 图7-10 单结晶体管触发电路 a）电路 b）波形
工作原理 同步变压器T向触发电路提供一个低电压U2，此电压经整流，稳 压后得到一个稳定电压UZ加在单结晶体管触发电路上。UZ经R和RP对电 容C充电，当UC（UE）上升到大于单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管导通，C经过E→RB1→R1放电，在R1形成一脉冲电压加到主电路中两个晶闸管门极，使处于承受正向电压的晶闸管导通。电容C放电后，UC下降，到低于谷点电压时，单结晶体管截止。 想一想 如何改变可控整流输出电压的高低，实现可控整流？
3．单结晶体管的简单测试 (1)单结晶体管的电极判定 表7-3 单结晶体管的简单测试方法（一）
(2)判定单结晶体管的好坏 表7-4 判定单结晶体管好坏的操作步骤
三、应用实例 简易晶闸管充电电源 当电源电压正半周时，触发电路工作，输出触发脉冲，晶闸管导通。当电源电压负半周时，触发电路停止工作，无脉冲输出，这时晶闸管阳极承受反向电压而关断。 主电路 过压保护 半波整流 对蓄电池充电的电流是脉冲式的，可以提高充电效率 注意 触发电路 输出端负载电池的极性必须接正确。 过压保护 图7-11 简易晶闸管充电电源
