晶闸管和可控整流电路在汽车机电维修工从业中的应用

2023-08-26 理论教育版权反馈

【摘要】：晶闸管一旦导通，其门极便失去控制作用，即触发电压消除，晶闸管仍能保持导通。要想使已经导通的晶闸管关断，必须把阳极电压切断或反向，使其阳极电流降至维持电流以下才行。图1-34 晶闸管触发导通示意图3.可控整流电路图1-35所示为晶闸管组成的单相半波可控整流电路。3）当ωt=π时，电源电压u2下降到0，晶闸管因其导通电流小于维持电流而自行关断。可以说负载电压uL在0～0.45u2连续调节，这就达到了可控整流的目的。

晶闸管是一种大功率半导体器件。其主要特点是功率放大倍数高，控制能力强，能用小信号控制大电流、高电压（几百安、几百伏甚至上千伏）的电路导通或阻断。它具有重量轻、体积小、效率高、操作维护方便等优点，被广泛应用于可控整流、变频、逆变、交流调压等方面，目前用得最多的还是可控整流。

1.晶闸管的结构

晶闸管外形和结构如图1-31所示。其中1-31b所示为晶闸管的外形，它有3个电极；阳极A、阴极C和门极G；图1-33a所示为晶闸管内部结构示意图和图形符号。

图1-31a所示，晶闸管的内部由P₁—N₁—P₂—N₂4块半导体组成，共有3个PN结：J₁、J₂和J₃；从P₁引出的电极是阳极A，N₂引出则是阴极C，从P₂引出的电极为门极G。

图1-31 晶闸管外形和结构

a）晶闸管的结构和图形符号 b）实物图

2.晶闸管的工作原理

（1）晶闸管反向阻断

当在晶闸管上施加反向电压时，如图1-32所示，即它的阳极A接电源Ea的“-”极，阴极C接Ea的“+”极。虽然PN结J2是正向偏置，但J1结和J3结为反向偏置，因而晶闸管只能通过很小的反向漏电流，晶闸管不导通，所以称为反向阻断。

（2）晶闸管正向阻断

如图1-33所示，当晶闸管的门极断开，在其阳极A与阴极C之间加上正向阳极电压E_a（即阳极接“+”，阴极接“-”），此时PN结J1和J3为正向偏置，而PN结J2则为反向偏置；故只有极小的正向漏电流通过，晶闸管亦不导通，这种状态称正向阻断状态。

图1-32 晶闸管反向阻断示意图

图1-33 晶闸管正向阻断示意图

（3）晶闸管触发导通

如果在晶闸管上加上内阳极电压，并在控制极与阴极之间也加上适当大小的正向触发电压uG（门极G接“+”，阴极C接“-”），如图1-34所示，此时晶闸管便由关断状态转变为触发导通。

因为当在晶闸管门极G和阴极C之间加上正向触发电压u_G后，PN结J₃导通，这便产生控制极电流i_G。这个电流就是T₂管的极电流i_b2，经过放大后产生较大的集电极电流i_c2，

i_c2=β₂i_b2

β₂^为T2管的电流放大系数。此电流就是T₁管的基极电流，于是T₁管导通（PN结J₂导通），其集电极电流又流入T₂管的基极，形成强烈的正反馈作用，故使T₁和T₂的电流迅速增大，很快进入饱和导通状态。

由此可见，只有在晶闸管的阳极加上正向电压，门极加适当大小的正向触发电压，晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通，其门极便失去控制作用，即触发电压消除，晶闸管仍能保持导通。要想使已经导通的晶闸管关断，必须把阳极电压切断或反向，使其阳极电流降至维持电流以下才行。

图1-34 晶闸管触发导通示意图

3.可控整流电路

图1-35所示为晶闸管组成的单相半波可控整流电路。其电路形式与二极管组成的单相半波整流电路基本相同，只不过该电路的整流元件是晶闸管，在晶闸管的门极需有一触发电路为其提供触发信号。电路的明显特点是：负载电阻R_L上的电压U_L可调（即可以有0～π范围内控制）。

单相半波可控整流原理如图1-36所示，可见以下几点：

1）从ωt=0起，交流电压u₂开始按正半周变化。如果晶闸管的门极不加触发脉冲，则晶闸管正向阻断，因而负载电阻R_L上得不到电压。

图1-35 单相半波可控整流电路图

2）在ωt=α时，触发脉冲电压u_k加到晶闸管的门极上，故使晶闸管导通，负载电阻R_L上便可获得电压。触发电压u_g消失后，晶闸管仍保持导通。若不计晶闸管的正向电压降，负载电阻R_L上所得到的电压即等于电源电压。

由图1-36a可知，在电角度0～α范围内，晶闸管正向阻断，故称α角为控制角；而在α～π范围内（即在θ角范围内），晶闸管导通，故称θ角为导通角。显然，α+θ=π，或α+θ=0。

3）当ωt=π时，电源电压u₂下降到0，晶闸管因其导通电流小于维持电流而自行关断。

4）在ωt=π～2π范围内（即交流电压u₂的负半周内）由于晶闸管始终承受反向电压而呈反向阻断状态，即晶闸管一直关断，直到u₂的第二个周期开始后α角时，又出现触发脉冲，晶闸管再次导通。

因此，在负载电阻R_L上便可得到一可控的电压，其平均值为

式中u₂——变压器二次绕组交流电压有效值；

α——晶闸管控制角。

图1-36 单相半波可控整流波形图

a）导通角θ较大时 b）导通角θ较小时

由此式可见，只要改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角α（同时也改变了导通角θ），即可改变负载电压的平均值。

例如，α=0，即θ=180°（实际上导通角θ只能接近于180°），则负载电压平均值为u_L=0.45u₂；α=180°，即θ=0，则u_L=0。可以说负载电压u_L在0～0.45u₂连续调节，这就达到了可控整流的目的。

图1-36b所示，控制角为α时该电路负载电压的波形，它与图1-36a控制角为α相比，其负载电压u_L的平均值明显减小。

晶闸管和可控整流电路在汽车机电维修工从业中的应用

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