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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