可控硅工作原理及作用

可控硅是可控硅整流元件的簡稱，是一種具有三個PN 結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件，一般由兩晶閘管反向連接而成。它的功能不僅是整流，還可以用作無觸點開關(guān)的快速接通或切斷;實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變;將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等?？煽毓韬推渌雽?dǎo)體器件一樣，有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進入了強電領(lǐng)域，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件。目前可控硅在自動控制、機電應(yīng)用、工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應(yīng)用。

可控硅從外形上區(qū)分主要有螺旋式、平板式和平底式三種。螺旋式應(yīng)用較多。

可控硅工作原理解析

可控硅結(jié)構(gòu)原件

可控硅有三個極----陽極(A)、陰極(C)和控制極(G)，管芯是P型導(dǎo)體和N型導(dǎo)體交迭組成的四層結(jié)構(gòu)，共有三個PN 結(jié)，與只有一個PN結(jié)的硅整流二極管在結(jié)構(gòu)上迥然不同?？煽毓璧乃膶咏Y(jié)構(gòu)和控制極的引入，為其發(fā)揮“以小控大”的優(yōu)異控制特性奠定了基礎(chǔ)?？煽毓钁?yīng)用時，只要在控制極加上很小的電流或電壓，就能控制很大的陽極電流或電壓。目前已能制造出電流容量達幾百安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控硅叫小功率可控硅，50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。

我們可以把從陰極向上數(shù)的第一、二、三層看面是一只NPN型號晶體管，而二、三、四層組成另一只PNP型晶體管。其中第二、第三層為兩管交迭共用?？僧嫵鰣D1的等效電路圖。當(dāng)在陽極和陰極之間加上一個正向電壓E，又在控制極G和陰極C之間(相當(dāng)BG2的基一射間)輸入一個正的觸發(fā)信號，BG2將產(chǎn)生基極電流Ib2，經(jīng)放大，BG2將有一個放大了β2 倍的集電極電流IC2 。因為BG2集電極與BG1基極相連，IC2又是BG1 的基極電流Ib1 。BG1又把Ib1(Ib2)放大了β1的集電極電流IC1送回BG2的基極放大。如此循環(huán)放大，直到BG1、BG2完全導(dǎo)通。事實上這一過程是“一觸即發(fā)”的，對可控硅來說，觸發(fā)信號加到控制極，可控硅立即導(dǎo)通。導(dǎo)通的時間主要決定于可控硅的性能。

可控硅一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通后，由于循環(huán)反饋的原因，流入BG2基極的電流已不只是初始的Ib2 ，而是經(jīng)過BG1、BG2放大后的電流(β1*β2*Ib2)，這一電流遠大于Ib2，足以保持BG2的持續(xù)導(dǎo)通。此時觸發(fā)信號即使消失，可控硅仍保持導(dǎo)通狀態(tài)，只有斷開電源E或降低E的輸出電壓，使BG1、BG2 的集電極電流小于維持導(dǎo)通的最小值時，可控硅方可關(guān)斷。當(dāng)然，如果E極性反接，BG1、BG2受到反向電壓作用將處于截止?fàn)顟B(tài)。這時，即使輸入觸發(fā)信號，可控硅也不能工作。反過來，E接成正向，而觸動發(fā)信號是負(fù)的，可控硅也不能導(dǎo)通。另外，如果不加觸發(fā)信號，而正向陽極電壓大到超過一定值時，可控硅也會導(dǎo)通，但已屬于非正常工作情況了。

可控硅這種通過觸發(fā)信號(小觸發(fā)電流)來控制導(dǎo)通(可控硅中通過大電流)的可控特性，正是它區(qū)別于普通硅整流二極管的重要特征。

由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表1

應(yīng)用舉例：

可控硅在實際應(yīng)用中電路花樣最多的是其柵極觸發(fā)回路，概括起來有直流觸發(fā)電路，交流觸發(fā)電路，相位觸發(fā)電路等等。

1、直流觸發(fā)電路：

如圖2是一個電視機常用的過壓保護電路，當(dāng)E+電壓過高時A點電壓也變高，當(dāng)它高于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值時DZ道通，可控硅D受觸發(fā)而道通將E+短路，使保險絲RJ熔斷，從而起到過壓保護的作用。

2、相位觸發(fā)電路：

相位觸發(fā)電路實際上是交流觸發(fā)電路的一種，如圖3，這個電路的方法是利用RC回路控制觸發(fā)信號的相位。當(dāng)R值較少時，RC時間常數(shù)較少，觸發(fā)信號的相移A1較少，因此負(fù)載獲得較大的電功率;當(dāng)R值較大時，RC時間常數(shù)較大，觸發(fā)信號的相移A2較大，因此負(fù)載獲得較少的電功率。這個典型的電功率無級調(diào)整電路在日常生活中有很多電氣產(chǎn)品中都應(yīng)用它。

可控硅主要參數(shù)有：

1、 額定通態(tài)平均電流

在一定條件下，陽極---陰極間可以連續(xù)通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。

2、 正向阻斷峰值電壓

在控制極開路未加觸發(fā)信號，陽極正向電壓還未超過導(dǎo)能電壓時，可以重復(fù)加在可控硅兩端的正向峰值電壓。可控硅承受的正向電壓峰值，不能超過手冊給出的這個參數(shù)值。

3、 反向陰斷峰值電壓

當(dāng)可控硅加反向電壓，處于反向關(guān)斷狀態(tài)時，可以重復(fù)加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時，不能超過手冊給出的這個參數(shù)值。

4、 控制極觸發(fā)電流

在規(guī)定的環(huán)境溫度下，陽極---陰極間加一定電壓，使可控硅從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。

5、 維持電流

在規(guī)定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導(dǎo)通所必需的最小陽極正向電流。

采用可控硅技術(shù)對照明系統(tǒng)進行控制具有：電壓調(diào)節(jié)速度快，精度高，可分時段實時調(diào)整，有穩(wěn)壓作用，采用電子元件，相對來說體積小、重量輕、成本低。但該調(diào)壓方式存在一致命缺陷，由于斬波，使電壓無法實現(xiàn)正弦波輸出，還會出現(xiàn)大量諧波，形成對電網(wǎng)系統(tǒng)諧波污染，危害極大，不能用在有電容補償電路中。(現(xiàn)代照明設(shè)計要求規(guī)定，照明系統(tǒng)中功率因數(shù)必須達到0.9以上，而氣體放電燈的功率因數(shù)在一般在0.5以下，所以都設(shè)計用電容補償功率因數(shù))在國外發(fā)達國家，已有明文規(guī)定對電氣設(shè)備諧波含量的限制，在國內(nèi)，北京、上海、廣州等大城市，已對諧波含量超標(biāo)的設(shè)備限制并入電網(wǎng)使用。

采用可控硅技術(shù)對照明系統(tǒng)進行照度控制時，可通過加裝濾波設(shè)備來有效降低諧波污染。

近年來，許多新型可控硅元件相繼問世，如適于高頻應(yīng)用的快速可控硅，可以用正或負(fù)的觸發(fā)信號控制兩個方向?qū)ǖ碾p向可控硅，可以用正觸發(fā)信號使其導(dǎo)通，用負(fù)觸發(fā)信號使其關(guān)斷的可控硅等等。

應(yīng)用介紹------可控硅在調(diào)光器中的應(yīng)用：

可控硅調(diào)光器是目前舞臺照明、環(huán)境照明領(lǐng)域的主流設(shè)備。

在照明系統(tǒng)中使用的各種調(diào)光器實質(zhì)上就是一個交流調(diào)壓器，老式的變壓器和變阻器調(diào)光是采用調(diào)節(jié)電壓或電流的幅度來實現(xiàn)的，如下圖所示。u1是未經(jīng)調(diào)壓的220V交流電的波形，經(jīng)調(diào)壓后的電壓波形為u2，由于其幅度小于u1，使燈光變暗。在這種調(diào)光模式中，雖然改變了正弦交流電的幅值，但并未改變其正弦波形的本質(zhì)。

可控硅的作用

可控硅的作用之一就是可控整流，這也是可控硅最基本也最重要的作用。大家所熟知的二極管整流電路只可完成整流的功能，并沒有實現(xiàn)可控，而一旦把二極管換做可控硅，便構(gòu)成了一個可控整流電路。

在一個最基本的單相半波可控整流電路中，當(dāng)正弦交流電壓處于正半周時，只有在控制極外加觸發(fā)脈沖時，可控硅才被觸發(fā)導(dǎo)通，負(fù)載上才會有電壓輸出，因此可以通過改變控制極上觸發(fā)脈沖到來的時間，來進一步調(diào)節(jié)負(fù)載上輸出電壓的平均值，達到可控整流的作用。

可控硅的作用之二就是用作無觸點開關(guān)，經(jīng)常用于自動化設(shè)備中，代替通用繼電器，具有無噪音、壽命長的特點。

可控硅的作用三：開關(guān)和調(diào)壓作用

可控硅的作用之三就是起到開關(guān)和調(diào)壓的作用，經(jīng)常應(yīng)用于交流電路中，由于其被觸發(fā)時間不同，因此通過它的電流只有其交流周期的一部分，通過它的電壓只有全電壓的一部分，因而起到調(diào)節(jié)輸出電壓的作用。