晶閘管電路

晶閘管是高速固態(tài)器件，可用于控制電機(jī)、加熱器和燈具。

在之前的教程中，我們探討了可控硅整流器（SCR）的基本構(gòu)造和操作，通常稱為晶閘管。這次我們將探討如何使用晶閘管和晶閘管電路來控制更大的負(fù)載，如燈具、電機(jī)或加熱器等。

我們之前提到，為了使晶閘管“開啟”，我們需要在晶閘管處于正向方向時向門極（G）端注入一個小的觸發(fā)電流脈沖（不是連續(xù)電流），即陽極（A）相對于陰極（K）為正，以實(shí)現(xiàn)再生鎖定。

典型晶閘管

典型晶閘管

通常，這個觸發(fā)脈沖只需要持續(xù)幾微秒，但門極脈沖施加的時間越長，內(nèi)部雪崩擊穿發(fā)生得越快，晶閘管的“開啟”時間也越快，但不得超過最大門極電流。一旦觸發(fā)并完全導(dǎo)通，晶閘管兩端的電壓降（陽極到陰極）在所有陽極電流值下都相當(dāng)恒定，大約為1.0V，直到其額定值。

但請記住，一旦晶閘管開始導(dǎo)通，即使沒有門極信號，它也會繼續(xù)導(dǎo)通，直到陽極電流降至器件的保持電流（IH）以下，低于此值時它會自動“關(guān)閉”。因此，與雙極晶體管和場效應(yīng)晶體管（FET）不同，晶閘管不能用于放大或受控開關(guān)。

晶閘管是專門設(shè)計用于高功率開關(guān)應(yīng)用的半導(dǎo)體器件，不具備放大器的能力。晶閘管只能在開關(guān)模式下工作，像開關(guān)一樣打開或關(guān)閉

一旦通過其門極端觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管將始終保持導(dǎo)通（通過電流）。因此，在直流電路和一些高感性交流電路中，必須通過單獨(dú)的開關(guān)或關(guān)閉電路人為地減少電流。

直流晶閘管電路

當(dāng)連接到直流電源時，晶閘管可以用作直流開關(guān)來控制更大的直流電流和負(fù)載。當(dāng)使用晶閘管作為開關(guān)時，它的行為類似于電子鎖存器，因?yàn)橐坏┘せ睿鼘⒈３衷凇伴_啟”狀態(tài)，直到手動重置?？紤]下面的直流晶閘管電路。

直流晶閘管開關(guān)電路

用作開關(guān)

這個簡單的“開關(guān)”晶閘管觸發(fā)電路使用晶閘管作為開關(guān)來控制燈，但它也可以用作電機(jī)、加熱器或其他此類直流負(fù)載的開關(guān)控制電路。晶閘管正向偏置，并通過短暫關(guān)閉常開“開啟”按鈕S1觸發(fā)導(dǎo)通，S1通過門極電阻RG將門極端連接到直流電源，從而允許電流流入門極。如果RG的值相對于電源電壓設(shè)置得太高，晶閘管可能不會觸發(fā)。

一旦電路被“開啟”，它會自鎖并保持“開啟”狀態(tài)，即使按鈕被釋放，只要負(fù)載電流大于晶閘管的鎖定電流。按鈕S1的額外操作不會影響電路狀態(tài)，因?yàn)橐坏版i定”，門極將失去所有控制。晶閘管現(xiàn)在完全“開啟”（導(dǎo)通），允許全負(fù)載電路電流通過器件正向流動并返回電池電源。

在直流電路中使用晶閘管作為開關(guān)的一個主要優(yōu)點(diǎn)是它具有非常高的電流增益。晶閘管是電流操作器件，因?yàn)樾〉拈T極電流可以控制更大的陽極電流。

門極-陰極電阻RGK通常用于降低門極的靈敏度并增加其dv/dt能力，從而防止器件的誤觸發(fā)。

由于晶閘管已自鎖到“開啟”狀態(tài)，電路只能通過中斷電源并將陽極電流降低到晶閘管的最小保持電流（IH）值以下來重置。

打開常閉“關(guān)閉”按鈕S2會斷開電路，將流過晶閘管的電路電流減少到零，從而迫使它“關(guān)閉”，直到再次施加另一個門極信號。

然而，這種直流晶閘管電路設(shè)計的一個缺點(diǎn)是機(jī)械常閉“關(guān)閉”開關(guān)S2需要足夠大，以處理在觸點(diǎn)打開時流過晶閘管和燈的電路功率。

如果是這種情況，我們可以用一個大機(jī)械開關(guān)替換晶閘管?？朔@個問題并減少對更大更堅固的“關(guān)閉”開關(guān)需求的一種方法是將開關(guān)與晶閘管并聯(lián)連接，如圖所示。

替代直流晶閘管電路

開關(guān)電路

這里晶閘管開關(guān)像以前一樣接收所需的端電壓和門極脈沖信號，但之前電路中的較大常閉開關(guān)已被替換為與晶閘管并聯(lián)的較小常開開關(guān)。

激活開關(guān)S2會在晶閘管的陽極和陰極之間短暫施加短路，通過將保持電流降低到其最小值以下來停止器件導(dǎo)通。

交流晶閘管電路

當(dāng)連接到交流電源時，晶閘管的行為與之前的直流連接電路不同。這是因?yàn)榻涣麟娫粗芷谛缘胤崔D(zhuǎn)極性，因此任何用于交流電路的晶閘管都會自動反向偏置，導(dǎo)致它在每個周期的半周期內(nèi)“關(guān)閉”?？紤]下面的交流晶閘管電路。

交流開關(guān)電路

晶閘管電路

上述晶閘管觸發(fā)電路在設(shè)計上類似于直流SCR電路，除了省略了額外的“關(guān)閉”開關(guān)并包含了二極管D1，以防止反向偏置施加到門極。

在正弦波形的正半周期期間，器件正向偏置，但開關(guān)S1打開，零門極電流施加到晶閘管，它保持“關(guān)閉”。在負(fù)半周期期間，器件反向偏置，無論開關(guān)S1的狀態(tài)如何，它都將保持“關(guān)閉”。

如果現(xiàn)在關(guān)閉開關(guān)S1，在每個正半周期開始時，晶閘管完全“關(guān)閉”，但不久后，門極將出現(xiàn)足夠的正觸發(fā)電壓，因此電流存在以將晶閘管完全導(dǎo)通并使燈“開啟”。

晶閘管現(xiàn)在在正半周期期間鎖定“開啟”，門極沒有影響并有效地短路到陰極。這種情況持續(xù)到晶閘管在正半周期結(jié)束時自動“關(guān)閉”，當(dāng)正弦波形在180度達(dá)到零伏時，陽極電流降至保持電流值以下。

在下一個負(fù)半周期期間，器件完全“關(guān)閉”，直到下一個正半周期，當(dāng)過程重復(fù)并且晶閘管再次導(dǎo)通，只要開關(guān)關(guān)閉。

然后在這種情況下，燈將只接收來自交流電源的一半可用功率，因?yàn)榫чl管的行為類似于整流二極管，并且只在正向偏置的正半周期期間導(dǎo)通電流。晶閘管繼續(xù)向燈提供一半功率，直到開關(guān)打開。

如果可以快速打開和關(guān)閉開關(guān)S1，使晶閘管在每個正半周期的“峰值”（90度）點(diǎn)接收其門極信號，器件將只在正半周期的一半時間內(nèi)導(dǎo)通。換句話說，導(dǎo)通只會在正弦波的一半時間內(nèi)發(fā)生，這種情況會導(dǎo)致燈接收來自交流電源的總功率的“四分之一”或四分之一。

通過準(zhǔn)確改變門極脈沖和正半周期之間的時間關(guān)系，可以使晶閘管向負(fù)載提供所需的任何百分比功率，介于0%和50%之間。顯然，使用此電路配置，它不能向燈提供超過50%的功率，因?yàn)樗荒茉诜聪蚱玫呢?fù)半周期期間導(dǎo)通?？紤]下面的電路。

半波相位控制

半波相位控制電路

相位控制是晶閘管交流功率控制的最常見形式，可以構(gòu)建如上所示的基本交流相位控制電路。這里晶閘管的門極電壓來自通過觸發(fā)二極管D1的RC充電電路。

在正半周期期間，當(dāng)晶閘管正向偏置時，電容器C通過電阻R1跟隨交流電源電壓充電。只有當(dāng)點(diǎn)“A”處的電壓上升到足以使觸發(fā)二極管D1導(dǎo)通時，門極才會激活。

此時，電容器放電到晶閘管的門極，使其完全導(dǎo)通。在正半周期內(nèi)導(dǎo)通開始的時間由RC電路的時間常數(shù)控制。這個時間常數(shù)可以通過可變電阻R1設(shè)置。

增加R1的值會延遲提供給晶閘管門極的觸發(fā)電壓和電流，從而導(dǎo)致器件導(dǎo)通時間的滯后。因此，器件導(dǎo)通的半周期部分可以在0到180度之間控制。

這意味著燈消耗的平均功率可以調(diào)整。然而，晶閘管是單向器件，因此每個正半周期只能提供最多50%的功率。

有多種方法可以使用“晶閘管”實(shí)現(xiàn)100%全波交流控制。一種方法是在二極管橋式整流電路中包含一個晶閘管，該電路將交流轉(zhuǎn)換為通過晶閘管的單向電流，而更常見的方法是使用兩個反向并聯(lián)連接的晶閘管。

更實(shí)際的方法是使用單個三端雙向可控硅（Triac），因?yàn)樵撈骷梢栽趦蓚€方向上觸發(fā)，因此適用于交流開關(guān)應(yīng)用。