标签: 调光开关

1. 迟滞 晶闸管是一类表现出滞后现象的半导体元件，即在某些状态变化的原因被消除后系统无法返回其原始状态的特性。迟滞的一个非常简单的例子是拨动开关的机械动作：当杠杆被按下时，它会翻转到两个极端状态（位置）之一，并且即使在移开运动源后（移开手后）仍会保持在那里从开关杆）。为了说明不存在滞后现象，请考虑一个“瞬时”按钮开关的动作，该按钮在不再按下按钮后返回其原始状态：当刺激被移除（您的手）时，系统（开关）立即且完全返回到之前的状态，没有“锁定”行为。 双极（BJT）、结场效应(JFET)和绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)都是迟滞的器件。也就是说，在受到电压或电流信号的刺激后，它们本身不会“锁定”到某种状态。对于任何给定时间的任何给定输入信号，晶体管将表现出由其特性曲线定义的可预测的输出响应。另一方面，晶闸管是一种半导体器件，一旦打开就会保持“开启”状态，一旦关闭就会保持“关闭”状态。一个瞬间事件能够将这些设备切换到它们的开启或关闭状态，即使在状态变化的原因已经消除之后，它们也将自行保持这种状态。因此，它们仅可用作开/关开关设备（很像拨动开关），不能用作模拟信号放大器。 晶闸管使用与双极结型晶体管相同的技术构造，实际上可以分析为由晶体管对组成的电路。那么，如何才能用非迟滞器件（晶体管）制成迟滞器件（晶闸管）？这个问题的答案是正反馈，也称为再生反馈。您应该记得，反馈是输出信号的一部分“反馈”到放大设备输入的情况。负面或退化的反馈导致电压增益随着稳定性、线性度和带宽的增加而减小。另一方面，正反馈会导致放大器输出趋于“饱和”的一种不稳定性。在晶闸管的情况下，这种饱和趋势等同于设备“想要”在开启后保持开启状态，而在关闭后关闭。 在本章中，我们将探讨几种不同类型的晶闸管，其中大部分源自单个基本的双晶体管核心电路。不过，在我们这样做之前，研究晶闸管的技术前身是有益的：气体放电管。 2. 气体放电管 如果您曾经目睹过闪电风暴，那么您已经看到了电滞后作用（并且可能没有意识到您所看到的）。大风和大雨的作用在云与地之间以及云与云之间积累了巨大的静电荷。电荷不平衡表现为高压，当空气的电阻不再能承受这些高压时，巨大的电流浪涌在相反的电荷极之间传播，我们称之为“闪电”。 风雨造成的高压积累是一个相当连续的过程，在适当的大气条件下，电荷积累的速度会增加。然而，闪电绝不是连续的：它们以相对短暂的浪涌而不是连续放电的形式存在。为什么是这样？为什么我们看不到柔和、发光的闪电弧，而不是猛烈短暂的闪电？答案在于空气的非线性（和滞后）阻力。 在一般情况下，空气具有极高的阻力。事实上，它是如此之高，以至于我们通常将其电阻视为无限大，而将其通过空气的电传导视为可以忽略不计。空气中存在水和灰尘会降低其电阻，但对于大多数实际用途而言，它仍然是绝缘体。但是，当在一定距离的空气中施加足够高的电压时，其电学性质会发生变化：电子从其各自原子周围的正常位置“剥离”，并被释放出来形成电流。在这种状态下，空气被认为是电离的并且被称为等离子体而不是气体。“血浆”一词的这种用法不应与医学术语（意思是血液的液体部分）混淆，而是物质的第四种状态，其他三种是固体、液体和蒸汽（气体）。等离子体是一种相对良好的电导体，其电阻率远低于相同物质的气态电阻率。 当电流通过等离子体时，等离子体中的能量以热的形式消散，就像电流通过固体电阻器以热的形式消散能量一样。在闪电的情况下，涉及的温度非常高。高温也足以将气态空气转化为等离子体或在不存在高压的情况下将等离子体保持在该状态。由于云与地之间或云与云之间的电压随着闪电电流中和电荷不平衡而降低，闪电散发的热量使空气路径保持在等离子体状态，使其电阻保持在低水平。闪电一直是等离子体，直到电压降低到太低的水平，无法维持足够的电流来消散足够的热量。最后，空气恢复为气态并停止传导电流，从而使电压再次升高。 请注意在整个循环中，空气如何表现出滞后现象。当不导电时，它往往会保持绝缘体，直到电压超过临界阈值点。然后，一旦它改变状态并变成等离子体，它往往会保持导体状态，直到电压低于较低的临界阈值点。一旦“打开”，它往往会保持“打开”，而一旦“关闭”，它往往会保持“关闭”。这种滞后，加上风雨静电效应导致的稳定电压积累，将闪电的作用解释为短暂的爆发。 弛豫振荡器 用电子术语来说，我们在闪电作用中所拥有的是一个简单的张弛振荡器。振荡器是一种电子电路，可通过稳定的直流电源产生振荡 (AC) 电压。张弛振荡器是一种根据充电电容器原理工作的振荡器，每当其电压达到临界阈值时，该电容器就会突然放电。现有的最简单的张弛振荡器之一 由三个组件（不包括直流电源）组成：下图中的电阻器、电容器和氖灯。 霓虹灯无非是一个密封的玻璃灯泡内的两个金属电极，被里面的氖气隔开。在室温和没有施加电压的情况下，灯的电阻几乎是无限大的。但是，一旦超过某个阈值电压（该电压取决于气体压力和灯的几何形状），氖气就会被电离（变成等离子体），其电阻会急剧降低。实际上，氖灯表现出与闪电风暴中的空气相同的特性，并且由于放电而发光，尽管规模要小得多。 上面显示的张弛振荡器电路中的电容器以反指数速率充电，该速率由电阻器的大小决定。当其电压达到灯管的阈值电压时，灯管突然“点亮”，并迅速将电容放电至低电压值。一旦放电，灯“关闭”并允许电容器再次积聚电荷。结果是灯发出一系列短暂的闪光，其频率取决于电池电压、电阻器电阻、电容器电容和灯阈值电压。 闸流管 虽然气体放电灯更常用作照明源，但它们的滞后特性在称为闸流管的稍微复杂的变体中得到了利用。本质上是一个充气三极管（三极管是一种三元真空电子管，其功能与 N 沟道 D 型 IGFET 非常相似），闸流管可以通过在栅极和阴极之间施加一个小的控制电压来开启，并通过降低板到阴极电压来关闭。 简单的闸流管控制电路 本质上，闸流管是被专门用于控制开关霓虹灯版本负载的电流。原理图符号圆圈内的点表示气体填充，与其他电子管设计中通常看到的硬真空相反。在上面显示的电路中，当栅极和阴极之间连接的小直流控制电压触发闸流管时，闸流管允许电流沿一个方向流过负载（注意负载电阻两端的极性）。请注意，负载的电源是交流电源，这提供了关于闸流管在触发后如何关闭的线索：由于交流电压在半周期之间周期性地通过 0 伏的条件，因此通过交流供电负载的电流必须也周期性地停止。半周期之间的这种短暂的电流暂停使管的气体有时间冷却，使其恢复到正常的“关闭”状态。 这种电路中负载电压的示波器显示如下图所示。 闸流管波形 随着交流电源电压从零伏爬升至其第一个峰值，负载电压保持为零（无负载电流），直到达到阈值电压。此时，管子“打开”并开始导通，负载电压现在跟随交流电压通过剩余的半个周期。即使交流电压波形下降到管子的阈值以下，负载电压也存在（因此也存在负载电流）。这是工作中的滞后现象：管子在它第一次打开的点之后保持其导电模式，继续导电直到电源电压下降到几乎为零伏。由于闸流管是单向（二极管）器件，因此在交流电的负半周期间不会在负载上产生电压。在实际的闸流管电路中，多个管子以某种形式排列成全波整流电路，便于向负载提供全波直流电源。 闸流管已应用于张弛振荡器电路。频率由栅极和阴极之间的小直流电压控制。（见下图）这种压控振荡器称为 VCO。弛张振荡器产生非常非正弦的输出，它们主要作为演示电路（如这里的情况）或在需要谐波丰富波形的应用中存在。 压控闸流管张弛振荡器 我说闸流管过时是有充分理由的：现代半导体元件已经淘汰了闸流管技术，除了一些非常特殊的应用。晶闸管这个词与thyratron有如此多的相似之处并非巧合，因为这类半导体元件的作用大致相同：使用滞后开关电流打开和关闭。我们现在将注意力转向这些现代设备。 审查： 电滞后，即组件在开始导通后保持“导通”（导通）并在停止导通后保持“关断”（不导通）的趋势，有助于解释为什么闪电以电流的瞬时浪涌而不是电流的形式存在通过空气连续排放。 诸如霓虹灯之类的简单气体放电管表现出电滞后。 更先进的气体放电管采用控制元件制成，因此它们的“开启”电压可以通过外部信号进行调整。这些管中最常见的称为闸流管。 可以创建称为张弛振荡器的简单振荡器电路，只需一个电阻电容充电网络和一个连接在电容器两端的滞后装置。 3. 肖克利二极管 我们对晶闸管的探索始于一种称为四层二极管的器件，也称为 PNPN 二极管，或以其发明者威廉·肖克利 (William Shockley) 命名的肖克利二极管。不要将其与肖特基二极管相混淆，肖特基二极管是一种以高开关速度而闻名的两层金属半导体器件。肖克利二极管的粗略图示，经常出现在教科书中，是 PNPN 半导体材料的四层夹层结构，如下图所示。 不幸的是，这个简单的插图并不能启发观众了解它的工作原理或原因。考虑下图中设备结构的替代渲染 像这样显示，它似乎是一组互连的双极晶体管，一个 PNP 和另一个 NPN。使用标准原理图符号绘制，并考虑上图中未显示的层掺杂浓度，肖克利二极管看起来像这样（下图） 让我们将其中一个设备连接到可变电压源，看看会发生什么。 没有施加电压，当然不会有电流。随着电压最初增加，仍然没有电流，因为两个晶体管都无法开启：两者都将处于截止模式。要理解为什么会这样，请考虑打开双极结型晶体管所需的条件：通过基极-发射极结的电流。如图所示，通过下晶体管的基极电流由上晶体管控制，通过上晶体管的基极电流由下晶体管控制。换句话说，在另一个晶体管开启之前，任何一个晶体管都不能开启。我们在这里所拥有的，用白话来说，被称为 Catch-22。 打开和关闭 Shockley 二极管 那么，如果其组成晶体管顽固地将自身保持在截止状态，那么 Shockley 二极管怎么能传导电流呢？答案在于真实晶体管的行为，而不是理想晶体管的行为。如果没有基极电流流过，无论我们在集电极和发射极之间施加多少电压，理想的双极晶体管都不会传导集电极电流。另一方面，真正的晶体管在击穿和导通之前每个集电极 - 发射极电压可以承受多少有明确的限制。如果两个真正的晶体管以这种方式连接形成一个肖克利二极管，如果电池在阳极和阴极之间施加足够的电压以导致其中一个击穿，则每个晶体管都会导通。一旦一个晶体管发生故障并开始导通，它将允许基极电流通过另一个晶体管，使其以正常方式打开，然后允许基极电流通过第一个晶体管。最终结果是两个晶体管都将饱和，现在彼此保持开启而不是关闭。 因此，我们可以通过在阳极和阴极之间施加足够的电压来强制 Shockley 二极管开启。正如我们所见，这将不可避免地导致其中一个晶体管打开，然后打开另一个晶体管，最终将两个晶体管“锁定”在每个晶体管倾向于保留的位置。但是我们现在如何让两个晶体管再次关闭呢？即使施加的电压降低到远低于使肖克利二极管导通所需的电压，它仍将保持导通，因为两个晶体管现在都有基极电流来保持正常的受控导通。对此的答案是将施加的电压降低到一个低得多的点，在该点上流过的电流太少而无法维持晶体管偏置，此时其中一个晶体管将截止，然后停止通过另一个晶体管的基极电流。 肖克利二极管电路中的电压与电流图 如果我们绘制这一系列事件并将结果绘制在 I/V 图上，则滞后现象很明显。首先，我们将观察电路，因为直流电压源（电池）设置为零电压：（下图） 接下来，我们将稳步提高直流电压。通过电路的电流为零或几乎为零，因为任一晶体管都未达到击穿极限。 当达到一个晶体管的电压击穿极限时，即使还没有基极电流通过它，它也会开始传导集电极电流。通常，这种处理会破坏双极结型晶体管，但包含 Shockley 二极管的 PNP 结被设计成可以承受这种滥用，类似于构建齐纳二极管以处理反向击穿而不会造成损坏的方式。为了说明起见，我假设下部晶体管首先击穿，通过上部晶体管的基极发送电流：（下图） 当上部晶体管接收基极电流时，它会按预期打开。这个动作允许下晶体管正常导通，两个晶体管将自己“密封”在“开启”状态。电路中很快就会看到满电流：（下图） 本章前面提到的积极反馈在这里很明显。当一个晶体管发生故障时，它允许电流通过器件结构。该电流可以被视为设备的“输出”信号。一旦建立了输出电流，它就会使两个晶体管保持饱和状态，从而确保持续提供大量输出电流。换句话说，输出电流正向“反馈”到输入（晶体管基极电流），以使两个晶体管保持“导通”状态，从而增强（或再生）自身。 由于存在充足的基极电流，两个晶体管都保持在饱和状态，即使施加的电压从击穿水平大幅降低，每个晶体管仍将继续导通。正反馈的作用是使两个晶体管保持在饱和状态，尽管输入刺激（原始的高压需要击穿一个晶体管并导致通过另一个晶体管的基极电流）：（下图） 但是，如果直流电压源被调得太低，电路最终将达到一个点，即没有足够的电流来维持两个晶体管处于饱和状态。随着一个晶体管通过越来越少的集电极电流，它会降低另一个晶体管的基极电流，从而降低第一个晶体管的基极电流。恶性循环迅速持续，直到两个晶体管都进入截止状态：（下图） 在这里，正反馈再次起作用：事实上，两个晶体管之间的因果循环是“恶性的”（通过一个晶体管的电流减少可以减少通过另一个晶体管的电流，进一步减少通过第一个晶体管的电流）表明正反馈输出（受控电流）和输入（通过晶体管的基极控制电流）之间的关系。 图表上的结果曲线是典型的滞后曲线：随着输入信号（电压）的增加和减少，输出（电流）的下降路径与上升路径不同：（下图） 简而言之，肖克利二极管往往在打开后保持打开状态，在关闭后保持关闭状态。在其操作中没有“中间”或“活动”模式：它是一个纯粹的开或关设备，就像所有晶闸管一样。 需要注意的特殊条款 一些特殊术语适用于肖克利二极管和所有其他建立在肖克利二极管基础上的晶闸管器件。首先是用于描述其“开启”状态的术语：锁定。“闩锁”这个词让人想起门锁机制，一旦门被推开，它往往会保持关闭状态。术语触发是指锁定状态的启动。为了使 Shockley 二极管锁存，必须增加施加的电压，直到达到转折。虽然这个动作最好被描述为晶体管击穿，但使用术语击穿代替，因为结果是一对晶体管相互饱和，而不是晶体管的破坏。锁存的肖克利二极管通过减少通过它的电流重新设置回其非导通状态，直到出现低电流压降。 请注意，肖克利二极管可能以导通以外的方式触发：电压升高过大或 dv/dt。如果施加在二极管上的电压以高变化率增加，它可能会触发。由于晶体管内的固有结电容，这会导致二极管的锁存（导通）。您可能还记得，电容器通过吸收或提供电流来对抗电压变化。如果施加在肖克利二极管上的电压上升速度过快，那么这些微小的电容会在这段时间内吸收足够的电流来激活晶体管对，从而将它们都打开。通常，这种形式的锁存是不可取的，可以通过使用串联电感和称为缓冲器的并联电阻电容网络过滤来自二极管的高频（快速电压上升）来最小化：（下图） 肖克利二极管的电压上升极限称为电压上升的临界速率。制造商通常会为其销售的设备提供此规范。 审查： 肖克利二极管是四层 PNPN 半导体器件。这些表现为一对互连的 PNP 和 NPN 晶体管。 与所有晶闸管一样，肖克利二极管往往在开启（锁定）后保持开启状态，在关闭后保持关闭状态。 要锁定 Shockley 二极管，需要超过阳极到阴极的击穿电压，或超过阳极到阴极的临界电压上升率。 要使 Shockley 二极管停止导通，请将通过它的电流降低到低于其低电流压降阈值的水平。 4. DIAC 与所有二极管一样，肖克利二极管是单向器件；也就是说，它们仅在一个方向上传导电流。如果需要双向 (AC) 操作，可以将两个 Shockley 二极管并联连接，面向不同方向，形成一种新型晶闸管，即 DIAC：（下图） DIAC 使用直流电压运行的 DIAC 的行为与肖克利二极管完全相同。然而，对于 AC，其行为与预期的不同。由于交流电反复反转方向，因此 DIAC 的锁定时间不会超过半个周期。如果 DIAC 被锁存，它只会继续传导电流，只要有电压可以在该方向上推动足够的电流。当 AC 极性反转时，因为它必须每个周期两次，DIAC 将由于电流不足而退出，需要在再次导通之前再次导通。结果就是下图中的电流波形。 DIAC 波形 DIAC 几乎从不单独使用，而是与其他晶闸管设备结合使用。 5. 可控硅整流器 (SCR) 肖克利二极管和可控硅整流器 (SCR) 肖克利二极管是一种奇特的器件，但在应用上相当有限。然而，通过为它们配备另一种锁定方式，它们的用途可能会得到扩展。这样做，每个都成为真正的放大设备（如果只是在开/关模式下），我们将它们称为可控硅整流器或 SCR。 从Shockley 二极管到 SCR的进展是通过一个小的添加实现的，实际上只不过是与现有 PNPN 结构的第三根导线连接：（下图） 可控硅整流器 (SCR) 可控硅传导 如果 SCR 的栅极悬空（断开），它的行为与 Shockley 二极管完全一样。就像肖克利二极管一样，它可以通过转折电压或超过阳极和阴极之间电压上升的临界速率来锁定。压降是通过减小电流直到一个或两个内部晶体管进入截止模式来实现的，这与肖克利二极管一样。然而，由于栅极端子直接连接到下部晶体管的基极，它可以用作锁存 SCR 的替代方法。通过在栅极和阴极之间施加一个小电压，产生的基极电流将迫使下部晶体管导通，这将导致上部晶体管导通，然后为下部晶体管的基极提供电流，使其不再需要被激活由栅极电压。 触发/触发 这种确保 SCR 导通的方法称为触发或触发，它是迄今为止在实际实践中锁定 SCR 的最常见方式。事实上，通常选择 SCR 以使其转折电压远远超过预期从电源经历的最大电压，因此它只能通过施加到栅极的有意电压脉冲来开启。 反向触发 值得一提的是，有时 SCR 可能会通过直接将其栅极和阴极端子短接在一起，或者通过用负电压（相对于阴极）“反向触发”栅极来关闭，从而迫使下部晶体管进入隔断。我说这是“有时”可能的，因为它涉及将所有上部晶体管的集电极电流分流通过下部晶体管的基极。该电流可能很大，使触发式 SCR 关断充其量是困难的。SCR 的一种变体，称为门极关断晶闸管或 GTO，使这项任务变得更容易。但即使使用 GTO，关闭它所需的栅极电流也可能高达阳极（负载）电流的 20%！GTO 的示意图如下图所示：（下图） 门极关断晶闸管 (GTO) 门极关断晶闸管 (GTO) SCR 与 GTO SCR 和 GTO 共享相同的等效原理图（两个晶体管以正反馈方式连接），唯一的区别是设计用于赋予 NPN 晶体管比 PNP 更大的 β 的结构细节。这允许较小的栅极电流（正向或反向）对从阴极到阳极的传导施加更大程度的控制，而 PNP 晶体管的锁存状态更依赖于 NPN，反之亦然。门极关断晶闸管也称为门控开关或 GCS。 用欧姆表测试 SCR 功能 可以使用欧姆表进行 SCR 功能或至少端子识别的初步测试。由于栅极和阴极之间的内部连接是单个 PN 结，因此仪表应指示这些端子之间的导通性，栅极上的红色表笔和阴极上的黑色表笔如下所示：（下图） SCR的初步测试 在 SCR 上执行的所有其他连续性测量将显示“打开”（在某些数字万用表显示屏上显示“OL”）。必须理解，这个测试非常粗略，并不构成对 SCR 的全面评估。SCR 有可能给出良好的欧姆表指示，但仍有缺陷。最终，测试 SCR 的唯一方法是使其承受负载电流。 如果您使用具有“二极管检查”功能的万用表，您获得的栅极到阴极结电压指示可能与硅 PN 结的预期值（约 0.7 伏）相符，也可能不相符。在某些情况下，您会读取到低得多的结电压：只有百分之一伏。这是由于在某些 SCR 中的栅极和阴极之间连接了一个内部电阻。添加该电阻器是为了使 SCR 不易受寄生电压尖峰、电路“噪声”或静电放电的误 ​​ 触发影响。换句话说，在栅极 -阴极结上连接一个电阻器需要施加一个强触发信号（大量电流）来锁存 SCR。此功能通常出现在较大的 SCR 中，而不是小型 SCR。 较大的 SCR 具有栅极到阴极电阻。 敏感门 SCR 缺少此内部电阻的“普通”SCR 有时被称为敏感栅极 SCR，因为它们能够被最轻微的正栅极信号触发。 SCR 的测试电路既可用作检查可疑 SCR 的诊断工具，又可极好地帮助理解基本的 SCR 操作。一个直流电压源用于为电路供电，两个按钮开关分别用于锁定和解锁 SCR：（下图） 可控硅测试电路 启动常开“on”按钮开关将栅极连接到阳极，允许电流从电池的正极端子通过负载电阻器，通过开关，通过阴极 - 栅极 PN 结，然后返回电池。此栅极电流应迫使 SCR 锁定，允许电流直接从阳极流向阴极，而无需进一步触发通过栅极。当“on”按钮松开时，负载应保持通电状态。 按下常闭“关闭”按钮开关会断开电路，迫使通过 SCR 的电流停止，从而迫使其关闭（低电流压降）。 保持电流 如果 SCR 未能锁定，则问题可能出在负载上，而不是 SCR。需要一定的最小负载电流才能将 SCR 保持在“开启”状态。这个最小电流水平称为保持电流。当栅极电流停止时，电阻值太大的负载可能无法吸收足够的电流来保持 SCR 的锁存，从而在测试电路中给人一种坏的（不可锁存的）SCR 的错误印象。不同 SCR 的保持电流值应从制造商处获得。对于较大的装置，典型的保持电流值范围为 1 毫安至 50 毫安或更高。 为了使测试全面全面，需要测试的不仅仅是触发动作。SCR 的正向击穿电压限制可以通过增加直流电压供应（没有启动按钮开关）直到 SCR 自行锁定为止来测试。请注意，转折测试可能需要非常高的电压：许多电源 SCR 的转折电压额定值为 600 伏或更高！此外，如果有脉冲电压发生器，则可以用相同的方式测试 SCR 的临界电压上升速率：在不启动按钮开关的情况下使其承受不同 V/时间速率的脉冲电源电压，并查看它何时锁定。 在这种简单的形式中，SCR 测试电路足以作为直流电机、灯或其他实际负载的启动/停止控制电路：（下图） 直流电机启停控制电路 撬棍”电路 SCR 在直流电路中的另一个实际用途是用作过压保护的撬棒装置。“crowbar”电路由与 DC 电源输出并联的 SCR 组成，用于在该电源的输出上直接短路，以防止过高的电压到达负载。通过在 SCR 之前明智地放置保险丝或大量串联电阻以限制短路电流，可以防止 SCR 和电源损坏：（下图） 直流电源中使用的Crowbar电路 一些感应输出电压的器件或电路将连接到 SCR 的栅极，这样当发生过压情况时，将在栅极和阴极之间施加电压，触发 SCR 并迫使保险丝熔断。其效果与将实心钢质撬棒直接放在电源的输出端子上大致相同，因此该电路得名。 尽管 SCR 本质上是直流（单向）设备，但 SCR 的大多数应用都是用于交流电源控制。如果需要双向电路电流，则可以使用多个 SCR，其中一个或多个面向每个方向以处理通过 AC 波的两个半周期的电流。SCR 完全用于交流电源控制应用的主要原因是晶闸管对交流电的独特响应。正如我们所看到的，闸流管（SCR 的电子管版本）和 DIAC，一个在交流半周期的一部分期间触发的迟滞装置将在整个半周期的剩余时间内锁定并保持开启，直到交流电流减小到零，因为它必须开始下一个半周期。就在电流波形的零交叉点之前，由于电流不足，晶闸管将关闭（这种行为也称为自然换相），并且必须在下一个周期再次触发。结果是电路电流相当于“切碎”的正弦波。回顾一下，这里是 DIAC 对峰值超过 DIAC 击穿电压的交流电压的响应图：（下图） DIAC双向响应 对于DIAC，该转折电压限制是一个固定值。使用 SCR，我们可以通过在波形上的任何时间点触发门控来精确控制器件何时被锁存。通过将合适的控制电路连接到 SCR 的栅极，我们可以在任何点“斩波”正弦波，以便对负载进行时间成比例的功率控制。 以下图电路为例。在这里，SCR 位于电路中以控制从交流电源向负载供电。 交流电源的可控硅控制 作为单向（单向）设备，我们最多只能在交流的半周期内向负载提供半波功率，其中电源电压极性在顶部为正，在底部为负。然而，为了演示时间比例控制的基本概念，这个简单的电路比一个控制全波功率（需要两个 SCR）要好。 由于没有触发栅极，并且交流电源电压远低于 SCR 的额定击穿电压，因此 SCR 将永远不会开启。通过标准整流二极管将 SCR 栅极连接到阳极（以防止在 SCR 包含内置栅极 - 阴极电阻器的情况下通过栅极的反向电流），将允许 SCR 在开始时几乎立即被触发每个正半周期：（下图） 栅极通过二极管直接连接到阳极；几乎完整的半波电流通过负载。 SCR 触发延迟 但是，我们可以通过在栅极电路中插入一些电阻来延迟 SCR 的触发，从而增加足够的栅极电流触发 SCR 之前所需的电压降量。换句话说，如果我们通过增加一个电阻来使电流更难流过栅极，那么交流电压必须在其周期中达到一个更高的点，然后才会有足够的栅极电流来打开 SCR。结果如下图。 插入门电路的电阻；小于通过负载的半波电流。 由于 SCR 的延迟触发导致半正弦波在更大程度上被斩波，负载接收的平均功率更少（在整个周期内传输功率的时间更短）。通过使串联栅极电阻可变，我们可以对时间比例功率进行调整：（下图） 增加电阻会提高阈值水平，从而减少传递给负载的功率。降低电阻会降低阈值水平，从而将更多的功率传递给负载。 不幸的是，这种控制方案有很大的局限性。在将交流源波形用于我们的 SCR 触发信号时，我们将控制限制在波形半周期的前半部分。换句话说，我们不可能等到波的峰值之后才触发 SCR。这意味着我们只能将功率降低到 SCR 在波形的最高峰处打开的点：（下图） 最小功率设置下的电路 再提高触发阈值将导致电路根本不触发，因为即使交流电源电压的峰值也不足以触发 SCR。结果将是负载没有电源。 一个巧妙的解决方案是在电路中添加一个移相电容器：（下图） 在电路中添加移相电容器 图中显示的较小波形是电容器两端的电压。为了说明相移，我假设在没有负载电流的情况下 SCR 完全不触发的最大控制电阻条件，除了通过控制电阻器和电容器的少量电流。该电容器电压将在 0o 到 90o 的任何位置发生相移，滞后于电源交流波形。当这个相移电压达到足够高的电平时，SCR 将触发。 电容器两端有足够的电压来周期性地触发 SCR，产生的负载电流波形将如下图所示） 相移信号触发 SCR 导通。 由于在主交流电源波形达到峰值后电容器波形仍在上升，因此可以在超过该峰值的阈值电平触发 SCR，从而比使用更简单的电路进一步斩波负载电流波。实际上，电容器电压波形比这里显示的要复杂一些，每次 SCR 锁定时，其正弦波形都会失真。然而，我在这里试图说明的是使用相移 RC 网络获得的延迟触发动作；因此，简化的、不失真的波形可以很好地达到目的。 复杂电路触发可控硅 SCR 也可以由更复杂的电路触发或“触发”。虽然前面显示的电路足以满足灯控制等简单应用，但大型工业电机控制通常依赖更复杂的触发方法。有时，脉冲变压器用于将触发电路耦合到 SCR 的栅极和阴极，以在触发电路和电源电路之间提供电气隔离。 触发信号的变压器耦合提供隔离。 当使用多个 SCR 来控制电源时，它们的阴极通常在电气上并不通用，因此很难将单个触发电路平等地连接到所有 SCR。下图所示的受控桥式整流器就是一个例子。 可控桥式整流器 在任何桥式整流器电路中，整流二极管（在本例中为整流 SCR）必须以相反的对导通。SCR1 和 SCR3 必须同时触发，SCR2 和 SCR4 必须成对一起触发。但是，您会注意到，这些 SCR 对不共享相同的阴极连接，这意味着简单地将它们各自的栅极连接并联并连接单个电压源来触发两者是行不通的：（下图） 此策略不适用于成对触发 SCR2 和 SCR4。 尽管所示的触发电压源会触发 SCR4，但它不会正确触发 SCR2，因为两个晶闸管不共享一个公共阴极连接来参考该触发电压。但是，将两个晶闸管栅极连接到一个公共触发电压源的脉冲变压器将起作用：（下图） 栅极的变压器耦合允许触发 SCR2 和 SCR4。 请记住，该电路仅显示四个 SCR 中的两个的栅极连接。为简单起见，SCR1 和 SCR3 的脉冲变压器和触发源以及脉冲源本身的细节已被省略。 受控桥式整流器不限于单相设计。在大多数工业控制系统中，交流电源以三相形式提供，以实现最高效率，固态控制电路就是为了利用这一点而构建的。使用 SCR 构建的三相可控整流器电路，没有显示脉冲变压器或触发电路，如下图所示。 负载的三相桥式可控硅控制 评论：可控硅整流器，或 SCR，本质上是一个 Shockley 二极管，添加了一个额外的端子。这个额外的端子称为栅极，它用于通过施加小电压来触发器件导通（锁定它）。要触发或触发 SCR，必须在栅极和阴极之间施加电压，正向施加到栅极，负向施加到阴极。 测试 SCR 时，栅极和阳极之间的瞬时连接在极性、强度和持续时间上足以触发它。SCR 可能因栅极端子的有意触发、阳极和阴极之间的电压过高（击穿）或阳极和阴极之间的电压上升速度过快而被触发。SCR 可能会因阳极电流低于保持电流值（低电流压降）或通过“反向触发”栅极（向栅极施加负电压）而关闭。反向触发只是有时有效并且总是涉及高栅极电流。 一种称为门极关断晶闸管 (GTO) 的 SCR 变体专门设计为通过反向触发来关断。即使这样，反向触发也需要相当高的电流：通常是阳极电流的 20%。SCR 端子可以通过连续性计识别：唯一显示它们之间任何连续性的两个端子应该是栅极和阴极。栅极和阴极端子连接到 SCR 内的 PN 结，因此连续性仪表应在这两个端子之间获得类似二极管的读数，红色 (+) 引线位于栅极，黑色 (-) 引线位于阴极。但请注意，一些大型 SCR 在栅极和阴极之间连接了一个内部电阻器，这将影响仪表获取的任何连续性读数。 SCR 是真正的整流器：它们只允许电流沿一个方向通过它们。这意味着它们不能单独用于全波交流电源控制。如果整流器电路中的二极管被 SCR 取代，那么您就具备了受控整流器电路的条件，通过在交流电源波形的不同点触发 SCR，可以使负载的直流电源与时间成比例。 6. 三端双向可控硅开关 Triac SCR是单向（单向）电流器件，使其仅可用于控制 DC。如果两个 SCR 以背靠背并联方式连接起来，就像两个 Shockley 二极管连接在一起形成一个DIAC一样，我们就有了一个称为TRIAC的新设备：（下图） TRIAC SCR 等效和，TRIAC 原理图符号。 由于单个 SCR 在高级控制系统中的使用更加灵活，因此在电机驱动等电路中更为常见；TRIAC 通常出现在简单的低功耗应用中，例如家用调光开关。下图显示了一个简单的灯调光器电路，其中包含峰值后点火所需的相移电阻电容网络。 TRIAC相位控制功率 TRIAC 因不能对称触发而臭名昭著。这意味着这些通常不会在一个极性与另一个极性完全相同的栅极电压电平下触发。一般而言，这是不希望的，因为不对称触发会导致电流波形具有更多种类的谐波频率。在其平均中心线上方和下方对称的波形仅包含奇数谐波。另一方面，非对称波形包含偶数谐波（也可能伴随或不伴随奇数谐波）。 为了降低电力系统中的总谐波含量，谐波越少越好——这也是在复杂的大功率控制电路中，单个 SCR 优于 TRIAC 的另一个原因。使 TRIAC 的电流波形更加对称的一种方法是使用 TRIAC 外部的设备对触发脉冲进行计时。与门串联放置的 DIAC 可以做到这一点：（下图） DIAC 改善控制的对称性 与 TRIAC 触发电压阈值相比，DIAC 转折电压往往更加对称（一个极性与另一个极性相同）。由于 DIAC 会阻止任何栅极电流，直到触发电压在任一方向上达到某个可重复的电平，所以 TRIAC 从一个半周期到下一个半周期的触发点往往更加一致，并且波形上下更对称它的中心线。 实际上，SCR 的所有特性和额定值都同样适用于 TRIAC，除了 TRIAC 当然是双向的（可以处理两个方向的电流）。除了关于其终端名称的重要警告外，关于此设备无需多说。 从前面所示的等效电路图中，人们可能会认为主端子 1 和 2 可以互换。这些不是！尽管将 TRIAC 想象成由两个连接在一起的 SCR 组成是有帮助的，但实际上它是由单片半导体材料构成的，经过适当的掺杂和分层。实际操作特性可能与等效模型略有不同。 通过对比两种简单的电路设计（一种有效，另一种无效），这一点最为明显。以下两个电路是前面所示的灯调光器电路的变体，为简单起见，移相电容器和 DIAC 被移除。虽然得到的电路缺乏更复杂版本（带有电容器和 DIAC）的精细控制能力，但它确实起作用：（下图） 这个带有 MT2 门的电路确实起作用。 假设我们要交换 TRIAC 的两个主要端子。根据本节前面显示的等效电路图，交换应该没有区别。电路应该可以工作：（下图） 门交换到 MT1 后，该电路不起作用。 但是，如果把这个电路搭建起来，就会发现它是行不通的！负载将不通电，TRIAC 根本不会触发，无论控制电阻设置的电阻值有多低或多高。成功触发 TRIAC 的关键是确保栅极从电路的主端子 2 侧（TRIAC 符号与栅极端子相反一侧的主端子）接收其触发电流。MT1 和 MT2 端子的识别必须通过 TRIAC 的部件号并参考数据表或书籍来完成。 审查： TRIAC 的作用很像两个背靠背连接的 SCR，用于双向 (AC) 操作。 TRIAC 控制更常见于简单的低功率电路，而不是复杂的高功率电路。在大功率控制电路中，倾向于使用多个 SCR。 当用于控制负载的交流电源时，TRIAC 通常伴随着与其栅极端子串联的 DIAC。DIAC 有助于 TRIAC 更对称地触发（从一个极性到另一个极性更一致）。 TRIAC 上的主端子 1 和 2 不可互换。 要成功触发 TRIAC，栅极电流必须来自电路的主端子 2 (MT2) 侧！ 7. 光晶闸管 与双极晶体管一样，可控硅和双向可控硅也被制造为光敏器件，照射光的作用取代了触发电压的作用。 光控 SCR 通常以首字母缩略词LASCR或Light A ctivated SCR为人所知。毫不奇怪，它的符号如下图所示。 光激活可控硅 光控 TRIAC 并没有获得自己的首字母缩写词的荣誉，而是被谦虚地称为 opto-TRIAC。它们的原理图符号如下图所示。 光双向可控硅 光晶闸管（LASCR 或Opto-TRIAC 的通用术语）通常位于密封的“光隔离器”模块内。 8. 单结晶体管 UJT 单结晶体管： 虽然单结晶体管不是晶闸管，但该器件可以通过 B1 基极的脉冲触发更大的晶闸管。单结晶体管由中间有P型连接的N型硅条组成。见图（a）。钢筋末端的连接称为底座 B1 和 B2；P型中点是发射极。在发射极断开的情况下，总电阻 R BBO （数据表项）是 R B1 和 R B2 的总和，如图 (b) 所示。对于不同的设备类型， R BBO 的范围为 4-12kΩ。固有分压比 η 是 R B1 与 R BBO 的比值. 对于不同的设备，它从 0.4 到 0.8 不等。原理图符号为图（c） 单结晶体管：(a) 结构，(b) 型号，(c) 符号 单结发射极电流与电压特性曲线（下图（a））表明，随着 V E 的增加，电流 I E 在峰值点处随着 I P 的增加而增加。超过峰值点，电流随着负电阻区域中的电压降低而增加。电压在波谷点处达到最小值。R B1 的电阻，饱和电阻在波谷点处最低。 I P 和 I V 是数据表参数；对于 2n2647，I P 和 I V 分别为 2µA 和 4mA。V P 是 R B1 上的电压降加上 0.7V 二极管压降；见下图(b)。V V 估计约为V BB 的10% 。 单结晶体管：(a) 发射极特性曲线，(b) VP 模型。 张弛振荡器是单结振荡器的一种应用。R E 充电 C E 直到峰值点。在达到这一点之前，单结发射极端对电容器没有影响。一旦电容器电压 V E 达到峰值电压点 V P ，较低的发射极-基极 E-B1 电阻会迅速对电容器放电。一旦电容器在波谷点 V V 以下放电，E-RB1 电阻恢复为高电阻，电容器可以再次自由充电。 单结晶体管张弛振荡器和波形。振荡器驱动 SCR。 在电容器通过 E-B1 饱和电阻放电期间，可以在外部 B1 和 B2 负载电阻上看到一个脉冲，如上图所示。B1 处的负载电阻需要较低，以免影响放电时间。B2 的外部电阻是可选的。可以用短路代替。近似频率由 1/f = T = RC 给出。上图中给出了更准确的频率表达式。 充电电阻 R E 必须在一定的范围内。它必须足够小，以允许 I P 基于 V BB 供应减去 V P 流动。它必须足够大以根据 V BB 供应减去 V V 来供应 I V 。2n2647 的方程式和示例： 可编程单结晶体管（PUT）： 虽然单结晶体管被列为过时（如果可以获得的话，看起来很贵），可编程单结晶体管仍然存在并且很好。它价格便宜且正在生产中。虽然它的功能类似于单结晶体管，但 PUT 是一个三端晶闸管。PUT 具有如下图所示的典型晶闸管的四层结构。请注意，栅极是靠近阳极的 N 型层，被称为“阳极栅极”。此外，原理图符号上的栅极引线连接到符号的阳极端。 可编程单结晶体管：特性曲线、内部结构、原理图符号。 上图可编程单结晶体管的特性曲线与单结晶体管相似。这是阳极电流 I A 与阳极电压 V A 的关系图。栅极引线电压设置、编程峰值阳极电压 V P 。随着阳极电流的增加，电压增加到峰值点。此后，增加电流导致电压降低，下降到波谷点。 单结晶体管的 PUT 等效物如下图所示。外部 PUT 电阻器 R1 和 R2 分别替代了单结晶体管内部电阻器 R B1 和 R B2 。这些电阻器允许计算固有分压比 η。 PUT等效单结晶体管 下图显示了单结张弛振荡器的 PUT 版本。电阻器 R 对电容器充电直到峰值点，然后重导将工作点沿负电阻斜率向下移动到谷点。在电容器放电期间，电流尖峰流过阴极，从而在阴极电阻器上产生电压尖峰。电容器放电后，工作点重新回到峰值点的斜率。 PUT张弛振荡器 问题：上图中 R 的合适值范围是多少，一个张弛振荡器？充电电阻器必须足够小，以提供足够的电流以在对电容器充电时将阳极升高到 V P峰值点。一旦达到 V P，阳极电压会随着电流增加（负电阻）而降低，这会将工作点移至谷底。提供谷值电流 I V是电容器的工作。一旦放电，工作点将重新设置回向上斜坡到峰值点。电阻器必须足够大，使其永远不会提供高谷值电流 I P. 如果充电电阻器能够提供那么多电流，则在电容器放电后，电阻器将提供谷值电流，并且工作点永远不会重置回峰值点左侧的高电阻状态。 我们选择与单结晶体管示例相同的 V BB =10V。我们选择 R1 和 R2 的值，使 η 约为 2/3。我们计算 η 和 VS。R1、R2 的并联等效物为 R G，仅用于从下表中进行选择。随着 V S =10，最接近我们的 6.3 的值，我们找到 V T =0.6V 并计算 V P。 我们还在表中分别找到了 I P和 I V，即峰值和谷值电流。我们仍然需要 V V，即谷底电压。在前面的单结示例中，我们使用了 10% 的 V BB = 1V。查阅数据表，我们发现 I F =50mA时的正向电压 V F =0.8V 。谷值电流 I V =70µA 远小于 I F =50mA。因此，V V必须小于 V F =0.8V。少了多少？为了安全起见，我们设置 V V = 0V。这将稍微提高电阻范围的下限。 143k 可以保证电容器放电后工作点可以从谷点复位。R < 755k 允许在峰值点充电至 V P。 选定的 2n6027 PUT 参数，改编自 2n6027 数据表。 下图显示了具有最终电阻值的 PUT 张弛振荡器。还显示了 PUT 触发 SCR 的实际应用。该电路需要一个从桥式整流器分压的 V BB未滤波电源（未显示），以在每次功率过零后复位张弛振荡器。可变电阻器应有一个与其串联的最小电阻器，以防止低电位器设置挂在谷点。 PUT 带有分量值的张弛振荡器。PUT 驱动 SCR 灯调光器。 据说 PUT 定时电路可用于 10kHz。如果需要线性斜坡而不是指数斜坡，请将充电电阻器替换为恒流源，例如基于FET的恒流二极管。通过省略阴极栅极并使用阳极栅极，可以从 PNP 和 NPN 硅晶体管构建替代 PUT。 审查： 单结晶体管由连接到硅电阻棒的两个基极（B1，B2）和中心的发射极组成。E-B1结具有负电阻特性；它可以在高阻和低阻之间切换。 PUT（可编程单结晶体管）是一个 3 端子 4 层晶闸管，其作用类似于单结晶体管。外部电阻网络“编程”η。 对于 PUT，固有隔离比为 η=R1/(R1+R2)；分别用R B1和R B2代替单结晶体管。触发电压由 η 决定。 单结晶体管和可编程单结晶体管应用于振荡器、定时电路和晶闸管触发。 9. 可控硅开关 SCS 如果我们采用SCR的等效电路并添加另一个外部端子，连接到顶部晶体管的基极和底部晶体管的集电极，我们有一个称为可控硅开关或 SCS 的设备：（下图) 可控硅开关（SCS） 这个额外的终端允许对设备施加更多的控制，特别是在强制换向模式下，外部信号强制它关闭，而通过设备的主电流尚未低于保持电流值。请注意，电机位于下图中的阳极栅极电路中。这是正确的，虽然它看起来不正确。需要使用阳极引线来关闭 SCS。因此电机不能与阳极串联。 SCS：电机启动/停止电路，具有两个晶体管的等效电路。 当“on”按钮开关被启动时，施加在阴极栅极和阴极之间的电压，正向偏置下部晶体管的基极 - 发射极结，并将其打开。SCS 的顶部晶体管已准备好导通，其发射极（SCS 的阳极端子）通过电阻器 R2 到电源正极侧的电流路径已被提供。与 SCR 一样，两个晶体管都打开并相互保持“开启”模式。当下晶体管导通时，它传导电机的负载电流，电机启动并运行。与 SCR 一样，可以通过中断电源来停止电机，这称为自然换向。但是，SCS 为我们提供了另一种关闭方式：通过将阳极端子与阴极短路来强制换向。 如果这样做（通过启动“关闭”按钮开关），SCS 内的上部晶体管将失去其发射极电流，从而停止通过下部晶体管基极的电流。当下部晶体管关闭时，它会断开通过顶部晶体管（确保其“关闭”状态）和电机（使其停止）的基极电流电路。SCS 将保持关闭状态，直到“开启”按钮开关重新启动。 审查： 可控硅开关或 SCS 本质上是一个带有额外栅极端子的 SCR。 通常，通过 SCS 的负载电流由阳极栅极和阴极端子承载，阴极栅极和阳极端子足以作为控制引线。 通过在阴极栅极和阴极端子之间施加正电压来开启 SCS。它可以通过在阳极和阴极端子之间施加负电压或简单地将这两个端子短接在一起来关闭（强制换向）。为了使 SCS 锁定，阳极端子必须相对于阴极保持正极。 10. 场效应管控制晶闸管 旨在降低经典晶闸管器件的“驱动”（栅极触发电流）要求的两种相对较新的技术是 MOS 门控晶闸管和 MOS 控制晶闸管或 MCT。 MOS门控晶闸管 MOS 门控晶闸管使用MOSFET通过标准晶闸管结构的上 (PNP) 晶体管启动导通，从而触发器件。由于 MOSFET 需要可忽略不计的电流来“驱动”（使其饱和），这使得整个晶闸管非常容易触发：（下图） OS门控晶闸管等效电路 鉴于普通SCR很容易“驱动”，因此使用更灵敏的器件（MOSFET）启动触发的实际优势值得商榷。此外，在晶闸管的栅极输入端放置一个 MOSFET 现在无法通过反向触发信号将其关闭。只有低电流压差才能使该器件在被锁存后停止导通。 MOS控制晶闸管 一个可以说价值更大的设备将是一个完全可控的晶闸管，一个小的栅极信号可以触发晶闸管并迫使它关闭。这样的设备确实存在，它被称为MOS 控制晶闸管，或MCT。它使用一对连接到公共栅极端子的 MOSFET，一个用于触发晶闸管，另一个用于“取消触发”它。 MOS 控制晶闸管 (MCT) 等效电路 正栅极电压（相对于阴极）开启上部（N 沟道）MOSFET，允许基极电流通过上部（PNP）晶体管，从而将晶体管对锁定在“导通”状态。一旦两个晶体管都完全锁定，阳极和阴极之间的电压降就会很小，只要受控电流超过最小（保持）电流值，晶闸管就会保持锁定状态。但是，如果施加负栅极电压（相对于阳极，其电压与处于锁存状态的阴极几乎相同），下部 MOSFET 将导通并在下部 (NPN) 晶体管的基极之间“短路”和发射极端子，从而迫使它进入截止状态。一旦NPN三极管截止，PNP三极管就会失去导通，整个晶闸管关断。 不过，该设备仍然是晶闸管。如果在栅极和阴极之间施加零电压，则两个 MOSFET 都不会开启。因此，双极晶体管对将保持在它最后的任何状态（滞后）。因此，一个短暂的正向栅极脉冲打开 MCT，一个短暂的负向脉冲迫使它关闭，并且没有施加的栅极电压让它保持在它已经处于的任何状态。本质上，MCT 是 IGBT 的锁存版本（绝缘栅双极晶体管）。 审查： MOS 门控晶闸管使用N 沟道 MOSFET 来触发晶闸管，从而实现极低的栅极电流要求。 MOS 控制晶闸管或MCT使用两个 MOSFET 对晶闸管施加完全控制。正栅极电压触发器件；负栅极电压迫使它关闭。零栅极电压允许晶闸管保持在之前的任何状态（关闭或锁定）。