可控硅触发原理 / 四六文摘

anvtncm8694 2018-12-18 13:00:00

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2021微众银行第三届金融科技高校技术大赛战火再次蔓延，硝烟四起，伙伴约你组团来战！46万奖金池，名企大厂实习机会随你挑，与小伙伴一起开启属于你的人工智能新时代！可控硅全称“可控硅整流元件”（Silicon Controlled Rectifier），简写为SCR，别名晶体闸流管（Thyristor），是一种具有三个PN结、四层结构的大功率半导体器件。可控硅体积小、结构简单、功能强，可起到变频、整流、逆变、无触点开关等多种作用，因此现已被广泛应用于各种电子产品中，如调光灯、摄像机、无线电遥控、组合音响等。其原理图符号如下图所示：

从可控硅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，只是多了一个控制极G，正是它使得可控硅具有与二极管完全不同的工作特性。可控硅是可以处理耐高压、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。可控硅的基本结构如下图所示：

三个PN结（J1、J2、J3）组成4层P1-N1-P2-N2结构的半导体器件对外有三个电极，由最外层P型半导体材料引出的电极作为阳极A，由中间的P型半导体材料引出的电极称为控制极G，由最外层的N型半导体材料引出的电极称为阴极K，它可以等效成如图所示的两只三极管电路。下面我们来看看可控硅的工作原理：如下图所示，初始状态下，电压VAK施加到可控硅的A、K两个端，此时三极管Q1与Q2都处于截止状态，两者地盘互不侵犯。

此时VAK电压全部施加到A、K两极之间，这个允许施加的最大电压VAK即断态重复峰值电压VDRM（Peak Repetitive Off-State Voltage），相应的有断态重复峰值电流IDRM（Peak Repetitive Off-State Current）如下图所示，电压VGK施加到G、K两极后，Q2的发射结因正向偏置而使其导通，从而产生了基极电流IB2，此时Q2尚处于截止状态，可控硅阳极电流IA为0，Q1的基极电流IB1也为0，电阻R2上也没有压降，因此Q2的集电极-发射电压VCE2为VAK，这个电压值通常远大于VBE2，即使是在测试数据手册中的参数时，VAK也至少有6V，实际应用时VAK会有几百伏，因此，三极管Q2的发射结正偏、集电结反偏，开始处于放大状态。

只有在G、K加上正向电压后，才可以触发可控硅的导通，这个触发电压的最小值称为门极触发电压VGT（Gate Trigger Voltage），这个值就是一个PN结的结电压（不是电池电压VGK），此时流过控制极的电流称为门极触发电流IGT（Gate Trigger Voltage）

刚刚进入放大状态（微导通）的三极管Q2将基极电流IB2进行放大，相应集电极的电流为IC2，其值为（IB2×β2），尽管放大了β2倍，但此时的IC2还比较小，因此IA与IB1也比较小（但是已经不为0了），电阻R2中也有微小电流，可以看成一个完整的电流回路，但此时的Q2的集电极-发射极压降仍然很大。

与此同时，三极管Q1的发射极一直是VAK（最高电压），集电极一直是较低的电压（VBE2），只要基极设置合适的电压，就可以进入放大状态，所以一直卧薪尝胆、蛰伏待机。Q2集电极电流IC2的出现，使得三极管Q1有机可乘。处于微导通状态的三极管Q2形成的回路使三极管Q1基极所欠缺的电压一步到位，时机终于成熟了，三极管Q1也因此刚刚进入放大状态（微导通）！由于IB1与IC2是相同的，IB1经Q1放大后，其集电极电流IC1=（IB2×β2×β1），这个电流值又比IC2增大了β1倍。

三极管Q1放大后的集电极电流IC1无处可逃，只好往Q2的基极去钻（不会跑到电阻R1这边来，因为电压VGK肯定比VBE2要高，水往低处走），IC1就变成了IB2，三极管Q2的基极电流IB2被替换成了（IB2×β2×β1），比原来增加了（β2×β1）倍。所谓人多好办事，这个更大的基极电流IB2第二次被三极管Q2放大，此时的IC2就是（IB2×β2×β1×β2），然后又重复被两个三极管交互进行正反馈放大，周而复始。在这个过程中，三极管Q2的集电极-发射极压降越来越小，阳极电流IA的电流也越来越大，最终Q2饱和了（Q1也不甘示弱，节奏妥妥地跟上），最后就成为下图所示的：

当Q1与Q2充分导通后（可控硅导通），A、K两极之间的压降很小，其实就是Q1发射结电压VBE1 + Q2集电极-发射极饱和电压VCE2，这个电压称为正向通态电压VTM（Forward On-State Voltage）可以看到，VAK的电压值最终全部加到电阻R2上面，整个过程就是由电压VGK引发的“血案”，原来R2电阻上没有任何压降，VGK电压触发可控硅后，VAK电压就全部加在电阻R2上面了。可控硅完全导通后，流过A、K两极的电流即为通态电流IT（On-State Current），实际应用时，VAK通常是交流电压（如220VAC），因此常将此参数标记为通态平均电流IT（RMS），指可控硅元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，而此时流过G、K两极的电流即为门极电流IG（Gate Current），这个门极控制电流不应超过门极最大峰值电流IGM（Forward Peak Gate Voltage）当VAK是交流电源的负半周时，可控硅因为A、K两极加反向电压而阻断，此时允许施加的最大电压称为反向重复峰值电压VRRM（Peak Repetitive Reverse Blocking Voltage），由于可控硅阻断时的电阻不是无穷大，此时的电流称之为反向重复峰值电流IRRM（Peak Repetitive Reverse Blocking Current）。这两个值与之前介绍的IDRM、VDRM是一样的，只不过IDRM、VDRM是在控制G极断开、可控硅阻断状态下测量的，而IRRM、VRRM是在可控硅A、K极接反向电压下测量的。如果在可控硅阳极A与阴极K间加上反向电压时，开始可控硅处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压VRSM（Peak Non-Repetitive Surge Voltage）。上面我们只是把R2（与R1）作为象征性的限流电阻，其实R2完全可以是负载，如电灯泡，如下图所示：

当G、K两极没有加正向电压时，A、K之间相当于是断开的，灯泡不亮

当G、K加上正向电压后，A、K之间相当于短路，所以VAK电压全部加在电灯泡上使其发光。由地盘之争引发的“血案”就此完结！但是还有下文哦！如果在A、K之间充分导通后，我们拿掉电压VGK企图让灯泡熄灭，如下所示：

很遗憾，没有成功，灯泡还是一往无前地发射出嘲笑我们的刺眼光芒，因为这个时候VGK已经没有利用价值了，尽管没有VGK，可控硅内部还是会有三极管电流正反馈维持可控硅的继续导通。在门极G开路时，要保持可控硅能处于导通状态所必须的最小正向电流，称为维持电流IH（Holding current）。还有一个擎住电流IL（Latch current），是可控硅刚从断态转入通态并移除G极触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对于同一可控硅，通常IL约为IH的数倍。导演，我没看懂这两者有什么区别！其实这与数字电路中的电平是相似的，如下图所示：

如果一个低电平要让另一方认为是高电平，那必须要超过VOH（上图的4.5V），一旦这个低电平变成了高电平，继续让另一方认为是高电平，只需要不低于VIH（上图的3.5V）即可，维持这个高电平的代价显示更低一些。那么有什么办法让电灯泡灭呢？有一种办法很明显，就是使电流IA下降到不足以维持内部正反馈过程，可控硅自然就阻断了，灯泡也会随之熄灭，也就是把VAK电压降下来。这个地球人都知道，你VAK虽然是大BOSS，但让我为你开路总得留下点买路钱吧！只要降低电压VAK让IA小于IH，那么可控硅就断开了（或在A、K两极加反向电压，其实这与降低电压VAK是一个道理）。但问题是，大多数时候VAK的电压不会那么容易（主动）下降，我帮主当得好好的，凭什么让我下台？老子有的是钱！狡兔死，走狗烹，电压VGK深谙其中道理，也早早从“门极关断可控硅”手中重金买下简单的办法让灯泡熄灭。你丫的，我给你立下汗马功劳不让我当帮主，只有拆你的台了。如下图所示：

将电压VGK反向接入G、K两极后，想让三极管Q2截止继而让可控硅进入阻断状态，但还是无法成功，因为可控硅导通后处于深度饱和状态，就算加反向电压也是无效的。如果反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，此时所对应的电压称为反向门极峰值电压IGM（Reverse Peak Gate Voltage），使用时不应超过此值。上面我们讨论的是常用的P型门极、阴极端受控的可控硅，还有一种不常用的N型门极、阳极端受控的可控硅，其原理图符号如下图所示，两者的原理是完全一样的，读者可自行分析一下。

下图的典型可控硅应用电路，可以用来调节灯泡的亮度。电路输入的220V交流电压经桥式整流后得到脉冲直流电压VP，此时可控硅VT为阻断状态，电路是不导通的；

随着脉冲直流电压VP通过可调电阻RP1、R1对电容C1进行充电，当电容C1上的电压足以触发可控硅VT时，可控硅导通后负载回路畅通，从而使电灯泡点亮，如下图所示：

调节可调电位器RP1即可控制电容C1的充电速度（充电常数越大充电速度越慢），这样施加在灯泡上的交流电压的平均值就可以随之调整，从而调节电灯泡的高度。

原文链接点击这里可控硅工作原理及参数详解标签：holding 数字电路参数工作原理允许 ever 增加 color 最大原文地址：https://www.cnblogs.com/sunshine-jackie/p/8137469.html以下摘自：电子发烧友网，http://www.elecfans.com/yuanqijian/kekonggui/20180226639653_2.html双向可控硅触发电路图一：为了提高效率，使触发脉冲与交流电压同步，要求每隔半个交流电的周期输出一个触发脉冲，且触发脉冲电压应大于4V，脉冲宽度应大于20us.图中BT为变压器，TPL521-2为光电耦合器，起隔离作用。当正弦交流电压接近零时，光电耦合器的两个发光二极管截止，三极管T1基极的偏置电阻电位使之导通，产生负脉冲信号，T1的输出端接到单片机80C51的外部中断0的输入引脚，以引起中断。在中断服务子程序中使用定时器累计移相时间，然后发出双向可控硅的同步触发信号。过零检测电路A、B两点电压输出波形如图2所示。

双向可控硅触发电路图二：电路如图3所示，图中MOC3061为光电耦合双向可控硅驱动器，也属于光电耦合器的一种，用来驱动双向可控硅BCR并且起到隔离的作用，R6为触发限流电阻，R7为BCR门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力。当单片机80C51的P1.0引脚输出负脉冲信号时T2导通，MOC3061导通，触发BCR导通，接通交流负载。另外，若双向可控硅接感性交流负载时，由于电源电压超前负载电流一个相位角，因此，当负载电流为零时，电源电压为反向电压，加上感性负载自感电动势el作用，使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压。虽然双向可控硅反向导通，但容易击穿，故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。一般在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路，实现双向可控硅过电压保护，图3中的C2、R8为RC阻容吸收电路。

双向可控硅触发电路图三：

此时无论是打开开关、和关闭开关（驱动MOC306或者不驱动MOC3061）可控硅都是导通的，即不能关闭可控硅，百般纠结和查看资料后才发现G极和T1之间的关系，安照这个电路接的话，不管J3开路时，G极的电压等于T2的电压，当交流电流过双向可控硅时，G极与T1之间总存在一个电压差，即T1与T2之间的电压差，这个电压差就导通了可控硅，所以双向可控硅虽然没有正、负极的区别，却有T1、T2的区别。双向可控硅触发电路图四：如下图所示，当电网电压小于220V时，双向可控硅SCR2控制极上的电压也随电网电压减小而降低，致使VD2导通角小，C1端电压上升，从而使双向可控硅SCRl控制极电压升高，使输出电压上升。反之，输出电压下降，达到稳压。

双向可控硅触发电路图五：所示，左侧为两个30K/2W的电阻，这样限制输入电流为：220V/60K=3.67mA，由于该路仅仅是为了提取交流信号，因此小电流输入即可。整流桥芯片采用小功率（2W）的KBP210，之后接入一个光耦（P521），这样如图1整流后信号电压值超过光耦前段二极管的导通电压时，即产生一次脉冲，光耦右侧为一上拉电路，VCC为单片机供电电压：+3.3V。光耦三极管导通时，输出低电平，关闭时输出高电平。

双向可控硅触发电路图六：VDI、VD2、Cl与C2组成简单的电容降压半被整流电源，通电后C2两端能获得约12V左右的直流电压供光控电路用电。VT、VD3、R2、R3与RP构成光控电路，白天光敏二极管VD3受光照射呈低电阻，VT基极电位下降，所以VT截止，可控硅vs得不到触发电压而处于关断状态，灯H不亮。夜间，VD3无光线照射呈高电阻，VT的基极电位上升，VT导通，就向vs注入正向触发电流，故vs立即开通，灯H全压点亮。调节电位器RP能调节三极管VT的基极电位，从而能对光控灵敏度进行调整。