不同晶閘管開關(guān)電路控制

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

在上一篇教程中，我們研究了可控硅整流器的基本結(jié)構(gòu)和操作通常稱為晶閘管。這次我們將看看如何使用晶閘管和晶閘管開關(guān)電路來(lái)控制更大的負(fù)載，如燈，電機(jī)或加熱器等。

我們之前說(shuō)過(guò)，為了得到晶閘管轉(zhuǎn)向“接通”當(dāng)晶閘管處于正向時(shí)，我們需要向柵極（G）端子注入一個(gè)小的觸發(fā)脈沖電流（不是連續(xù)電流），即陽(yáng)極，（ A）相對(duì)于陰極（K）是正的，用于再生鎖存。

典型的晶閘管

通常，此觸發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間僅需幾微秒，但柵極脈沖施加的時(shí)間越長(zhǎng)，內(nèi)部雪崩擊穿的速度越快，晶閘管的“開啟”時(shí)間越快，但最大門限不得超過(guò)電流。一旦被觸發(fā)并完全導(dǎo)通，晶閘管（陽(yáng)極到陰極）上的電壓降合理地恒定在大約1.0V，所有陽(yáng)極電流值都達(dá)到其額定值。

但是請(qǐng)記住，雖然這是一次晶閘管開始導(dǎo)通，即使沒(méi)有門控信號(hào)也繼續(xù)導(dǎo)通，直到陽(yáng)極電流降低到低于保持電流的設(shè)備（I H ），并且低于該值，它自動(dòng)變?yōu)椤癘FF”。然后，與雙極晶體管和FET不同，晶閘管不能用于放大或控制開關(guān)。

晶閘管是專門設(shè)計(jì)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，其作用類似于開關(guān)或閉合開關(guān)。一旦通過(guò)其柵極端子觸發(fā)導(dǎo)通，晶閘管將始終保持導(dǎo)通（通過(guò)電流）。因此，在直流電路和一些高感應(yīng)交流電路中，必須通過(guò)單獨(dú)的開關(guān)或關(guān)斷電路人為地減小電流。

直流晶閘管電路

當(dāng)連接到直流電路時(shí)供電時(shí)，晶閘管可用作直流開關(guān)，以控制較大的直流電流和負(fù)載。當(dāng)使用晶閘管作為開關(guān)時(shí)，它的行為類似于電子鎖存器，因?yàn)橐坏┘せ钏蜁?huì)保持在“ON”狀態(tài)，直到手動(dòng)復(fù)位。考慮下面的直流晶閘管電路。

直流晶閘管開關(guān)電路

這個(gè)簡(jiǎn)單的“開關(guān)“晶閘管觸發(fā)電路使用晶閘管作為開關(guān)來(lái)控制燈，但它也可以用作電動(dòng)機(jī)，加熱器或一些其他這種直流負(fù)載的開關(guān)控制電路。晶閘管正向偏置，通過(guò)短暫關(guān)閉常開“ON”按鈕 S 1 觸發(fā)導(dǎo)通，通過(guò)該按鈕將柵極端子連接到直流電源。柵極電阻， R G 因此允許電流流入柵極。如果 R G 的值相對(duì)于電源電壓設(shè)置得太高，晶閘管可能不會(huì)觸發(fā)。

電路一旦轉(zhuǎn)動(dòng) - “ON”，即使釋放按鈕，它也會(huì)自鎖并保持“ON”，只要負(fù)載電流大于晶閘管鎖存電流。按鈕的其他操作， S 1 將對(duì)電路狀態(tài)沒(méi)有影響，因?yàn)橐坏版i定”Gate失去所有控制。晶閘管現(xiàn)在完全“接通”（導(dǎo)通），允許滿載電路電流正向流過(guò)器件并返回電池電源。

在直流電路中使用晶閘管作為開關(guān)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它具有非常高的電流增益。晶閘管是電流操作設(shè)備，因?yàn)檩^小的柵極電流可以控制更大的陽(yáng)極電流。

柵極 - 陰極電阻 R GK 以降低Gate的靈敏度并增加其dv / dt能力，從而防止誤觸發(fā)器件。

當(dāng)晶閘管自鎖進(jìn)入“ON”狀態(tài)時(shí)，電路只能通過(guò)中斷電源并將陽(yáng)極電流降低到晶閘管最小保持電流（ I H ）值以下來(lái)復(fù)位。

打開常閉“OFF”按鈕， S 2 斷開電路，將流過(guò)晶閘管的電路電流減小到零，從而強(qiáng)制它“再關(guān)閉”直到另一個(gè)門信號(hào)再次應(yīng)用為止。

然而，這種直流晶閘管電路設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)是機(jī)械常閉“OFF”開關(guān) S 2 需要當(dāng)觸點(diǎn)打開時(shí)，足夠大以處理流過(guò)晶閘管和燈的電路功率。如果是這種情況，我們可以用大型機(jī)械開關(guān)更換晶閘管。解決這個(gè)問(wèn)題并減少對(duì)更強(qiáng)大的“OFF”開關(guān)的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

這里晶閘管開關(guān)像以前一樣接收所需的端電壓和門脈沖信號(hào)，但前一電路的較大的常閉開關(guān)是替換為與晶閘管并聯(lián)的較小的常開開關(guān)。激活開關(guān) S 2 會(huì)暫時(shí)在晶閘管陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生短路，從而通過(guò)將保持電流降至最小值以下來(lái)阻止器件導(dǎo)通。

交流晶閘管電路

當(dāng)連接到交流電源時(shí)，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，因此交流電路中使用的任何晶閘管將自動(dòng)反向偏置，使其在每個(gè)周期的一半中轉(zhuǎn)為“關(guān)閉”?？紤]下面的交流晶閘管電路。

交流晶閘管電路

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上述晶閘管觸發(fā)電路在設(shè)計(jì)上類似于DC SCR電路，除了省略額外的“OFF”開關(guān)和包含二極管 D 1 以防止反向偏置應(yīng)用于門。在正弦波形的正半周期期間，器件正向偏置，但開關(guān) S 1 打開，零柵極電流施加到晶閘管并保持“OFF” ”。在負(fù)半周期，器件反向偏置，無(wú)論開關(guān) S 1 的條件如何，都將保持“OFF”。

如果切換 S 1 關(guān)閉，在每個(gè)正半周期開始時(shí)，晶閘管完全“關(guān)閉”但不久之后將有足夠的正觸發(fā)電壓，因此電流出現(xiàn)在閘門將晶閘管和燈“打開”。

晶閘管現(xiàn)在在正半周期內(nèi)鎖定 - “ON”，當(dāng)正半周結(jié)束且陽(yáng)極電流低于保持電流值時(shí)，晶閘管將自動(dòng)再次“關(guān)閉”。

在下一個(gè)負(fù)半周期內(nèi)，器件完全“關(guān)閉”，直到下一個(gè)正半周期，此過(guò)程重復(fù)，并且只要開關(guān)閉合，晶閘管就會(huì)再次導(dǎo)通。

然后在這種情況下，燈將僅接收來(lái)自AC電源的一半可用功率，因?yàn)榫чl管像整流二極管一樣工作，并且僅在正向半周期正向偏置時(shí)傳導(dǎo)電流。晶閘管繼續(xù)為燈提供半功率，直到開關(guān)打開。

如果可以快速轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān) S 1 ON和OFF為了使晶閘管在每個(gè)正半周期的“峰值”（90 o ）點(diǎn)接收到其柵極信號(hào)，器件僅導(dǎo)通正半周期的一半。換句話說(shuō)，傳導(dǎo)僅發(fā)生在正弦波的一半的一半中，這種情況會(huì)導(dǎo)致燈接收“四分之一”或交流電源可用總功率的四分之一。

通過(guò)精確改變門脈沖和正半周期之間的時(shí)序關(guān)系，可以使晶閘管提供負(fù)載所需的任何百分比功率，介于0％和50之間％。顯然，使用這種電路配置，它不能為燈提供超過(guò)50％的功率，因?yàn)樗诜聪蚱玫呢?fù)半周期內(nèi)不能導(dǎo)通?？紤]下面的電路。

半波相位控制

相位控制最多通常形式的晶閘管AC功率控制和基本AC相位控制電路可以如上所示構(gòu)造。這里晶閘管的柵極電壓來(lái)自RC充電電路，通過(guò)觸發(fā)二極管， D 1 。

在晶閘管的正半周期內(nèi)正向偏置，電容， C 通過(guò)電阻 R 1 在AC電源電壓之后充電。僅當(dāng) A 點(diǎn)的電壓上升到足以使觸發(fā)半導(dǎo)體D 1 導(dǎo)通并且電容放電到晶閘管的柵極將其“接通”。導(dǎo)通開始周期正半周的持續(xù)時(shí)間由可變電阻設(shè)定的RC時(shí)間常數(shù)控制， R 1 。

增加 R 1 的值具有延遲提供給晶閘管Gate的觸發(fā)電壓和電流的效果，這又導(dǎo)致器件導(dǎo)通時(shí)間的滯后。結(jié)果，器件導(dǎo)通的半周期的分?jǐn)?shù)可以控制在0和180 o 之間，這意味著可以調(diào)節(jié)燈消耗的平均功率。但是，晶閘管是一個(gè)單向器件，因此在每個(gè)正半周期內(nèi)只能提供最大50％的功率。

有多種方法可以實(shí)現(xiàn)100％全波AC控制“晶閘管”。一種方法是在二極管橋式整流器電路中包括單個(gè)晶閘管，其將AC轉(zhuǎn)換為通過(guò)晶閘管的單向電流，而更常見的方法是使用反向并聯(lián)連接的兩個(gè)晶閘管。更實(shí)用的方法是使用單個(gè)Triac，因?yàn)樵撈骷梢栽趦蓚€(gè)方向上觸發(fā)，因此適合AC開關(guān)應(yīng)用。