晶閘管電路

晶閘管是高速固態器件，可用于控制電機、加熱器和燈具。

在之前的教程中，我們探討了可控硅整流器（SCR）的基本構造和操作，通常稱為晶閘管。這次我們將探討如何使用晶閘管和晶閘管電路來控制更大的負載，如燈具、電機或加熱器等。

我們之前提到，為了使晶閘管“開啟”，我們需要在晶閘管處于正向方向時向門極（G）端注入一個小的觸發電流脈沖（不是連續電流），即陽極（A）相對于陰極（K）為正，以實現再生鎖定。

典型晶閘管

典型晶閘管

通常，這個觸發脈沖只需要持續幾微秒，但門極脈沖施加的時間越長，內部雪崩擊穿發生得越快，晶閘管的“開啟”時間也越快，但不得超過最大門極電流。一旦觸發并完全導通，晶閘管兩端的電壓降（陽極到陰極）在所有陽極電流值下都相當恒定，大約為1.0V，直到其額定值。

但請記住，一旦晶閘管開始導通，即使沒有門極信號，它也會繼續導通，直到陽極電流降至器件的保持電流（IH）以下，低于此值時它會自動“關閉”。因此，與雙極晶體管和場效應晶體管（FET）不同，晶閘管不能用于放大或受控開關。

晶閘管是專門設計用于高功率開關應用的半導體器件，不具備放大器的能力。晶閘管只能在開關模式下工作，像開關一樣打開或關閉

一旦通過其門極端觸發導通，晶閘管將始終保持導通（通過電流）。因此，在直流電路和一些高感性交流電路中，必須通過單獨的開關或關閉電路人為地減少電流。

直流晶閘管電路

當連接到直流電源時，晶閘管可以用作直流開關來控制更大的直流電流和負載。當使用晶閘管作為開關時，它的行為類似于電子鎖存器，因為一旦激活，它將保持在“開啟”狀態，直到手動重置。考慮下面的直流晶閘管電路。

直流晶閘管開關電路

用作開關

這個簡單的“開關”晶閘管觸發電路使用晶閘管作為開關來控制燈，但它也可以用作電機、加熱器或其他此類直流負載的開關控制電路。晶閘管正向偏置，并通過短暫關閉常開“開啟”按鈕S1觸發導通，S1通過門極電阻RG將門極端連接到直流電源，從而允許電流流入門極。如果RG的值相對于電源電壓設置得太高，晶閘管可能不會觸發。

一旦電路被“開啟”，它會自鎖并保持“開啟”狀態，即使按鈕被釋放，只要負載電流大于晶閘管的鎖定電流。按鈕S1的額外操作不會影響電路狀態，因為一旦“鎖定”，門極將失去所有控制。晶閘管現在完全“開啟”（導通），允許全負載電路電流通過器件正向流動并返回電池電源。

在直流電路中使用晶閘管作為開關的一個主要優點是它具有非常高的電流增益。晶閘管是電流操作器件，因為小的門極電流可以控制更大的陽極電流。

門極-陰極電阻RGK通常用于降低門極的靈敏度并增加其dv/dt能力，從而防止器件的誤觸發。

由于晶閘管已自鎖到“開啟”狀態，電路只能通過中斷電源并將陽極電流降低到晶閘管的最小保持電流（IH）值以下來重置。

打開常閉“關閉”按鈕S2會斷開電路，將流過晶閘管的電路電流減少到零，從而迫使它“關閉”，直到再次施加另一個門極信號。

然而，這種直流晶閘管電路設計的一個缺點是機械常閉“關閉”開關S2需要足夠大，以處理在觸點打開時流過晶閘管和燈的電路功率。

如果是這種情況，我們可以用一個大機械開關替換晶閘管。克服這個問題并減少對更大更堅固的“關閉”開關需求的一種方法是將開關與晶閘管并聯連接，如圖所示。

替代直流晶閘管電路

開關電路

這里晶閘管開關像以前一樣接收所需的端電壓和門極脈沖信號，但之前電路中的較大常閉開關已被替換為與晶閘管并聯的較小常開開關。

激活開關S2會在晶閘管的陽極和陰極之間短暫施加短路，通過將保持電流降低到其最小值以下來停止器件導通。

交流晶閘管電路

當連接到交流電源時，晶閘管的行為與之前的直流連接電路不同。這是因為交流電源周期性地反轉極性，因此任何用于交流電路的晶閘管都會自動反向偏置，導致它在每個周期的半周期內“關閉”。考慮下面的交流晶閘管電路。

交流開關電路

晶閘管電路

上述晶閘管觸發電路在設計上類似于直流SCR電路，除了省略了額外的“關閉”開關并包含了二極管D1，以防止反向偏置施加到門極。

在正弦波形的正半周期期間，器件正向偏置，但開關S1打開，零門極電流施加到晶閘管，它保持“關閉”。在負半周期期間，器件反向偏置，無論開關S1的狀態如何，它都將保持“關閉”。

如果現在關閉開關S1，在每個正半周期開始時，晶閘管完全“關閉”，但不久后，門極將出現足夠的正觸發電壓，因此電流存在以將晶閘管完全導通并使燈“開啟”。

晶閘管現在在正半周期期間鎖定“開啟”，門極沒有影響并有效地短路到陰極。這種情況持續到晶閘管在正半周期結束時自動“關閉”，當正弦波形在180度達到零伏時，陽極電流降至保持電流值以下。

在下一個負半周期期間，器件完全“關閉”，直到下一個正半周期，當過程重復并且晶閘管再次導通，只要開關關閉。

然后在這種情況下，燈將只接收來自交流電源的一半可用功率，因為晶閘管的行為類似于整流二極管，并且只在正向偏置的正半周期期間導通電流。晶閘管繼續向燈提供一半功率，直到開關打開。

如果可以快速打開和關閉開關S1，使晶閘管在每個正半周期的“峰值”（90度）點接收其門極信號，器件將只在正半周期的一半時間內導通。換句話說，導通只會在正弦波的一半時間內發生，這種情況會導致燈接收來自交流電源的總功率的“四分之一”或四分之一。

通過準確改變門極脈沖和正半周期之間的時間關系，可以使晶閘管向負載提供所需的任何百分比功率，介于0%和50%之間。顯然，使用此電路配置，它不能向燈提供超過50%的功率，因為它不能在反向偏置的負半周期期間導通。考慮下面的電路。

半波相位控制

半波相位控制電路

相位控制是晶閘管交流功率控制的最常見形式，可以構建如上所示的基本交流相位控制電路。這里晶閘管的門極電壓來自通過觸發二極管D1的RC充電電路。

在正半周期期間，當晶閘管正向偏置時，電容器C通過電阻R1跟隨交流電源電壓充電。只有當點“A”處的電壓上升到足以使觸發二極管D1導通時，門極才會激活。

此時，電容器放電到晶閘管的門極，使其完全導通。在正半周期內導通開始的時間由RC電路的時間常數控制。這個時間常數可以通過可變電阻R1設置。

增加R1的值會延遲提供給晶閘管門極的觸發電壓和電流，從而導致器件導通時間的滯后。因此，器件導通的半周期部分可以在0到180度之間控制。

這意味著燈消耗的平均功率可以調整。然而，晶閘管是單向器件，因此每個正半周期只能提供最多50%的功率。

有多種方法可以使用“晶閘管”實現100%全波交流控制。一種方法是在二極管橋式整流電路中包含一個晶閘管，該電路將交流轉換為通過晶閘管的單向電流，而更常見的方法是使用兩個反向并聯連接的晶閘管。

更實際的方法是使用單個三端雙向可控硅（Triac），因為該器件可以在兩個方向上觸發，因此適用于交流開關應用。