可控硅(SCR)又称晶闸管,是一种大功率电器元件。由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路;由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路(触发电路)。晶闸管一旦导通,门极即失去控制作用,故晶闸管为半控型器件。
它具有体积小、效率高、寿命长等优点。在自动控制系统中,可作为大功率驱动器件,实现用小功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中得到了广泛的应用。
晶闸管的工作原理在不同场合不同,比如当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时,这时不管控制极的信号情况如何,晶闸管都不会导通。
当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时,若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压,晶闸管还是不会导通。
只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时,在控制极与阴极之间加正向电压,晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通,不管控制极有没有电压,只要阳极与阴极之间维持正向电压,则晶闸管就维持导通。
晶闸管是可以处理耐高压、大电流的大功率器件,随着设计技术和制造技术的进步,越来越大容量化。到现在为止,已经衍生出了单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管,等等主要几个类型。
晶闸管的结构
单向晶闸管,也就是人们常说的普通晶闸管,它是由四层半导体材料组成的,有三个PN结,对外有三个电极:第一层P型半导体引出的电极叫阳极A,第三层P型半导体引出的电极叫控制极G,第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号可以看到,它和二极管一样是一种单方向导电的器件,关键是多了一个控制极G,这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。
以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件,起始于1957年,因为它的特性类似于真空闸流管,所以国际上通称为硅晶体闸流管,简称晶闸管T,又因为晶闸管最初的在静止整流方面,所以又被称之为硅可控整流元件,简称为可控硅SCR。
不管可控硅的外形如何,它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。如图,有三个PN结(J1、J2、J3),从J1结构的P1层引出阳极A,从N2层引出阴级K,从P2层引出控制极G,所以它是一种四层三端的半导体器件。
晶闸管的工作原理
晶闸管在工作过程中,它的阳极(A)和阴极(K)与电源和负载连接,组成晶闸管的主电路,晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接,组成晶闸管的控制电路。
单向晶闸管工作原理
单向晶闸管是PNPN闪层结构,形成三个PN结,具有阳极人、阴极K和控制极G三个外电极。单向品闸管可等效为PNP, NPN两个晶体管组成的复合管,如图所示。
在阳极A之间加上正电压后,晶闸管并不导通。只有在控制极G加上触发电压时,VT1、VT2相继迅速导通,并且互相提供基极电流维持晶闸管导通。此时即使去掉控制极上的触发电压,晶闸管仍维持导通状态,直至所通过的电流小于晶闸管的维持电流时,晶闸管才关断。
双向晶闸管工作原理
双向晶闸管可以等效为两个单向晶闸管反向并联,如图所示。双向晶闸管可以控制双向导通,因此除控制极G外的另两个电极不再分阳极、阴极,而称之为主电极T1、T2。
当有触发电压加至控制极G时,双向晶闸管导通,井在触发电压消失后仍维持导通状态,电流既可从T1经过VS2流向T2,又可从T2经过VS1流向T1。当电流小于晶闸管的维持电流时晶闸管关断。
晶闸管的特点
“一触即发”。但是,如果阳极或控制极外加的是反向电压,晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通,却不能使它关断。用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断,可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流)。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压,那么,在电压过零时,晶闸管会自行关断。
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