可控硅整流器

可控硅整流器的写法

可控硅整流器介绍

可控硅整流器：是一种以晶闸管（电力电子功率器件）为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器。具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。

优点

1、整流结构先进

采用先进出口变压器结构设计大大提高了整流效率节约了能源并使整机体积、重量大为减小，可靠性大为提高。

2、控制特性良好

采用的控制电路与国际主流可控硅控制电路可完全互换，该控制电路它具有自动稳压/稳流、自动电流密度、0-180秒任意调节软启动等良好控制功能，并可通过接口实现计算机控制，是目前的可控硅控制系统。

3、保护功能完善

具有缺相、输出短路/过载、超温的完善自动保护。

4、选用优质材料及采用严谨的制造工艺

变压器铁芯采用进口优质硅钢片晶粒取向裁片并严格控制接缝。

变压器线圈采用优质无氧铜线材绕制并采用两次浸渍工艺

一次侧控制型整流器原边采用进口高压可控硅元件，付边采用国产优质整流元件

二次侧控制采用进口可控硅元件。

5、具备妥善的防护措施

整流器的控制部分采用三重防腐处理。优良的防腐蚀设计使整机具有极好的环境耐受力，工作的可靠性大大提高，设备的环境适应能力远高于整流器国家标准。

6、操作方便

配备简单实用的遥控操作箱，即方便使用者在工位就近操作又可方便整流器安装选位。

参数

输入电压范围：(三相)380V±10[%]50-60Hz

稳定度：≤±1[%]

波纹电压：≤2[%]

冷却方式：风冷、油冷、水冷

调节范围：连续0-100[%]

保护措施：过电流、过热、过压、及短路缺相等保护

功能选择：普通型、低纹波型、周期换向型、交直流叠加型（着色）

结构

一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它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。又由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。

在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。

可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显着增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。

可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。

可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。

可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。

可控硅元件的结构

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。见图1。它有三个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。

图1、可控硅结构示意图和符号图

可控硅整流电路中的波形系数

某一电压(或电流)的有效值与其平均值之比，我们称之为波形系数。在可控硅整流电路中波形系数是个值得注意的问题。为说明这个问题，我们先按图1所示的可控硅半波整流电路做个实验，各元件的型号和参数仅供参考。

先将R值调至，接通电源，此时直流电压表指示为零，灯泡不亮。然后慢慢减小R值，电压表读数逐渐增大，灯泡逐渐增亮。我们会发现当直流电压表指示为10伏时，灯泡便达到正常亮度了，这就是说灯泡的功耗已达额定功率了，若再继续增高电压，灯泡就可能烧毁。为什么电压表的读数还远没有达到灯泡的额定电压36伏，而灯泡的功耗却已达到额定功率了呢?

灯光中流过的电流是单向脉动电流，灯泡两端的电压为单向脉动电压，其波形如图2中实线所示。直流电压表的读数是这种脉动电压的平均值，而刁；是它的有效值。其有效值却要比平均值大得多。

根据电工学知识，这种周期性的单向脉动电压的有效值U。乃是瞬时值的平方在一个周期内平均值的算术平方根(均方根值)，即

将不同的Q值代入式(3)，就得到相应的K值，如表一所示。由表一可以看出，当可控硅的移相角由零变到n时，波形系数K值逐渐增大，而且增大的速度越来越快，当。接近，I时，K值将急聚增加(而U和Uo都急聚下降。)

现在再来看看实验结果。据式(2)可算出，当直流电压表指示10伏即U。=10伏时，CO$n=-0．7979，波形系数K~3．57，Uo~35．7伏。Uo己相当接近灯泡的额定电压了，所以灯泡达到正常亮度。

根据同样的道理可算出，当G相同时，在电阻性负载的全波可控整流电路中，输出脉动电压(波形见图3中的实线)系数的1／／2倍。在上述计算中，均忽略了可控硅导通时的正向压降。对其他形式的整流电路以及负载呈电感性时输出电压的波形系数，本文不再赘述。

由上面的分析可知，在用可控硅进一行整流时，直流电压表(或电流表)上L的读数是输出电压(或电流)的平均1K值，不能将读数直接代入公式卜U2L来计算负载上的功耗，这是因为式中U为负载R，上的电压有效值，即U=Uo。

如欲减小波形系数，使输出出电压有效值接近于平均值，有三条措施可取：

(1)尽量减小可控硅的移相角，如Q：o时，则K=I．57(单相半波)：(2)当负载额定电压比输入交流电压的有效值低得多时，先用变压器降压再进行整流；(3)尽量采用单向可控整流或三相可控整流电路。如忽视波形系数的影响，尽管电压表的读数还远未达到负载的额定电压，但仍有可能烧毁电器，以致造成不应有的损失。这是必须注意的。

在实际应用中，为方便起见，我们可根据表二来估算不同的输出直流电压时的波形系数，从而估算出输出电压的有效值。表二中的n为直流电压表的读数U。与输入交流电压有效值U的比。即23(3)，便可得到相应的波形系数K。例如在图1所示的电路中，当直流电压表指示为50伏时，n=50／220~0．23，根据表二可估算出此时波形系数K在2．32和1．98之间。

对于全波可控整流电路来说，

根据同样的道理，可得出全波可控整流电路中，对应于不同n值(可控硅全导通时n取得值0．9)时的波形系数K。

可控硅知识的问与答

一、可控硅的概念和结构？

晶闸管又叫可控硅。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、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。今天大家使用的是单向晶闸管，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〔图2(a)〕：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〔图2(b)〕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。

图2

二、晶闸管的主要工作特性

为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，大家先看这块示教板(图3)。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在3V直流电源的正极(这里使用的是KP5型晶闸管，若采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极)。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通；再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢?

图3

这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。

晶闸管的特点：是“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。那么，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(图3中的开关S)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。

三、用万用表可以区分晶闸管的三个电极吗?怎样测试晶闸管的好坏呢?

普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡R×100挡位来测。大家知道，晶闸管G、K之间是一个PN结〔图2(a)〕，相当于一个二极管，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A了。测试晶闸管的好坏，可以用刚才演示用的示教板电路(图3)。接通电源开关S，按一下按钮开关SB，灯泡发光就是好的，不发光就是坏的

四、晶闸管在电路中的主要用途是什么?

普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路〔图4(a)〕。在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug，VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发脉冲Ug时，晶闸管被触发导通。现在，画出它的波形图〔图4(c)及(d)〕，可以看到，只有在触发脉冲Ug到来时，负载RL上才有电压UL输出(波形图上阴影部分)。Ug到来得早，晶闸管导通的时间就早；Ug到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL(阴影部分的面积大小)。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180°，称为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α；在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。很明显，α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。

五、在桥式整流电路中，把二极管都换成晶闸管是不是就成了可控整流电路了呢?

在桥式整流电路中，只需要把两个二极管换成晶闸管就能构成全波可控整流电路了。现在画出电路图和波形图(图5)，就能看明白了。

六、晶闸管控制极所需的触发脉冲是怎么产生的呢?

晶闸管触发电路的形式很多，常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸管的触发电路，等等。今天大家制作的调压器，采用的是单结晶体管触发电路。

七、什么是单结晶体管?它有什么特殊性能呢?

单结晶体管又叫双基极二极管，是由一个PN结和三个电极构成的半导体器件(图6)。我们先画出它的结构示意图〔图7(a)〕。在一块N型硅片两端，制作两个电极，分别叫做基极B1和第二基极B2；硅片的另一侧靠近B2处制作了一个PN结，相当于一只二极管，在P区引出的电极叫发射极E。为了分析方便，可以把B1、B2之间的N型区域等效为一个纯电阻RBB，称为基区电阻，并可看作是两个电阻RB2、RB1的串联〔图7(b)〕。值得注意的是RB1的阻值会随发射极电流IE的变化而改变，具有可变电阻的特性。如果在两个基极B2、B1之间加上一个直流电压UBB，则A点的电压UA为：若发射极电压UE<UA，二极管VD截止；当UE大于单结晶体管的峰点电压UP(UP=UD＋UA)时，二极管VD导通，发射极电流IE注入RB1，使RB1的阻值急剧变小，E点电位UE随之下降，出现了IE增大UE反而降低的现象，称为负阻效应。发射极电流IE继续增加，发射极电压UE不断下降，当UE下降到谷点电压UV以下时，单结晶体管就进入截止状态。

八、怎样利用单结晶体管组成晶闸管触发电路呢?

单结晶体管组成的触发脉冲产生电路在今天大家制作的调压器中已经具体应用了。为了说明它的工作原理，我们单独画出单结晶体管张弛振荡器的电路(图8)。它是由单结晶体管和RC充放电电路组成的。合上电源开关S后，电源UBB经电位器RP向电容器C充电，电容器上的电压UC按指数规律上升。当UC上升到单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管突然导通，基区电阻RB1急剧减小，电容器C通过PN结向电阻R1迅速放电，使R1两端电压Ug发生一个正跳变，形成陡峭的脉冲前沿〔图8(b)〕。随着电容器C的放电，UE按指数规律下降，直到低于谷点电压UV时单结晶体管截止。这样，在R1两端输出的是尖顶触发脉冲。此时，电源UBB又开始给电容器C充电，进入第二个充放电过程。这样周而复始，电路中进行着周期性的振荡。调节RP可以改变振荡周期。

九、在可控整流电路的波形图中，发现晶闸管承受正向电压的每半个周期内，发出个触发脉冲的时刻都相同，也就是控制角α和导通角θ都相等，那么，单结晶体管张弛振荡器怎样才能与交流电源准确地配合以实现有效的控制呢?

为了实现整流电路输出电压“可控”，必须使晶闸管承受正向电压的每半个周期内，触发电路发出个触发脉冲的时刻都相同，这种相互配合的工作方式，称为触发脉冲与电源同步。

怎样才能做到同步呢?大家再看调压器的电路图(图1)。请注意，在这里单结晶体管张弛振荡器的电源是取自桥式整流电路输出的全波脉冲直流电压。在晶闸管没有导通时，张弛振荡器的电容器C被电源充电，UC按指数规律上升到峰点电压UP时，单结晶体管VT导通，在VS导通期间，负载RL上有交流电压和电流，与此同时，导通的VS两端电压降很小，迫使张弛振荡器停止工作。当交流电压过零瞬间，晶闸管VS被迫关断，张弛振荡器得电，又开始给电容器C充电，重复以上过程。这样，每次交流电压过零后，张弛振荡器发出个触发脉冲的时刻都相同，这个时刻取决于RP的阻值和C的电容量。调节RP的阻值，就可以改变电容器C的充电时间，也就改变了个Ug发出的时刻，相应地改变了晶闸管的控制角，使负载RL上输出电压的平均值发生变化，达到调压的目的。

双向晶闸管的T1和T2不能互换。否则会损坏管子和相关的控制电路。