第 可控整流电路学习教案

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1、会计学1第第 可控整流可控整流(zhngli)电路电路第一页，共32页。第1页/共32页第二页，共32页。由四层半导体P1、N1和P2、N2重叠构成，中间形成(xngchng)3个PN结J1、J2和J3。最外层的P1和N2分别引出阳极A和阴极K，中间的P2层引出控制极G。阴极 K控制极 G阳极 AJ3J2J1P1N1P2N2AKGN2P2N1P1GKAJ3J2J1第2页/共32页第三页，共32页。晶闸管具有导通和截止（阻断）两种工作方式。晶闸管具有导通和截止（阻断）两种工作方式。当 晶 闸 管 的 阳 极 与 阴 极 之 间 加 反 向 电 压 时 ， 由 于当 晶 闸 管 的 阳 极 与 阴

2、 极 之 间 加 反 向 电 压 时 ， 由 于(yuy)PN结结J1和和J3处于反向偏置，无论控制极是否加处于反向偏置，无论控制极是否加电压，晶闸管均不会导通，相当于开关处于断开状态，称电压，晶闸管均不会导通，相当于开关处于断开状态，称为反向阻断。为反向阻断。当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极不加电压当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极不加电压时，由于时，由于(yuy)PN结结J2处于反向偏置，晶闸管也不会导处于反向偏置，晶闸管也不会导通，也相当于开关处于断开状态，称为正向阻断。通，也相当于开关处于断开状态，称为正向阻断。当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极与阴极之当晶闸

3、管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极与阴极之间也加正向电压时，晶闸管可以导通，且导通后管子的压间也加正向电压时，晶闸管可以导通，且导通后管子的压降很小，只有降很小，只有1V左右，相当于开关处于闭合状态。左右，相当于开关处于闭合状态。第3页/共32页第四页，共32页。GAKP1N1P2N1P2N2GGAKP1N1P2N2KAV2V1可把晶闸管等效地看成由一个可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管型三极管V1和一个和一个PNP型三极型三极管管V2组合而成。阳极组合而成。阳极A是是V2的发射极，阴极的发射极，阴极K是是V1的发射极，的发射极，V1的基极与的基极与V2的集电极相连成为的集电极相连成为

4、(chngwi)控制极控制极G，而，而V2的基极与的基极与V1的集电极也连在一起。的集电极也连在一起。第4页/共32页第五页，共32页。（1）控制极不加电压时IG=0，尽管这时晶闸管的阳极(yngj)和阴极之间加有正向电压，由于V1没有基极电流输入，因此V1和V2中只有很小的漏电流，晶闸管处于阻断状态。GKAS+UG+UARAIG1IGV2V112IG（2）控制极加正向电压UG，而阳极通过电阻RA也加上正向电压UA，使两个三极管的发射结均为正向偏置，集电结均为反向偏置，均处于放大状态。此时IG就是V1的基极电流IB1，经V1放大后，得到V1的集电极电流IC1 ，而IC1又是V2的基极电流IB2

5、，再经V1放大，得到V2的集电极电流IC2 。IC2又流入V1基极，再次放大，这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅速进入饱和状态，即晶闸管导通。导通后，其压降很小，电压UA几乎全部加到负载电阻RA上，所以晶闸管导通后的电流大小(dxio)取决于外电路参数。第5页/共32页第六页，共32页。若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V2中的正向漏电流增大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。晶闸管导通后，再把开关S打开，使控制电流IG消失，但由于管子本身的正反馈自保持作用，晶闸管仍然处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶

6、闸管导通，导通后，控制极就失去了控制作用。若要晶闸管回到阻断状态，必须使阳极电流减小到不能维持其正反馈的数值，晶闸管自行关断，此时对应的阳极电流称为维持电流，用IH表示。根据这个道理，使晶闸管由导通状态回到阻断状态，也可以(ky)将阳极与电源断开或给阳极与阴极之间加一反向电压。可见(kjin)晶闸管相当于一个可控的单向导通开关，其导通必须同时具备两个条件：（1）在阳极和阴极之间加适当的正向电压UAK；（2）在控制极和阴极之间加适当的正向触发电压UGK，在实际工作中，UGK常采用正向触发脉冲信号。第6页/共32页第七页，共32页。IA /mA0正向特性反向特性UAK/VUBOIG =0IG 增大

7、ABIHUBRUBRMCUFRM（1）正向特性。UAK0，IG=0时，晶闸管正向阻断，对应特性曲线的0A段。此时晶闸管阳极和阴极之间呈现很大的正向电阻，只有(zhyu)很小的正向漏电流。当UAK增加到正向转折电压UBO时，PN结J2被击穿，漏电流突然增大，从A点迅速经B点跳到C点，晶闸管转入导通状态。晶闸管正向导通以后工作在BC段，电流很大而管压降只有(zhyu)1V左右，此时的伏安特性和普通二极管的正向特性相似。晶闸管导通以后，如果减小阳极电流(dinli)IA，则当IA小于维持电流(dinli)IH时，突然由导通状态变为阻断，特性曲线由B点跳到A点。第7页/共32页第八页，共32页。应该指

8、出，晶闸管的这种导通是正向击穿现象，很容易造成晶闸管永久性损坏，实际工作中应避免这种现象发生。另外，外加电压超过正向转折电压时，不论控制极是否加正向电压，晶闸管均会导通，控制极失去控制作用，这种现象也是不希望出现的，这是因为在可控整流电路中，应该由控制极电压来决定晶闸管何时导通，使之成为一个可控开关，所以，晶闸管的正常导通应在控制极施加正向触发电压。从图中可以(ky)发现，晶闸管的触发电流IG越大，就越容易导通，正向转折电压就越低。不同规格的晶闸管所需的触发电流是不同的，一般情况下，晶闸管的正向平均电流越大，所需的触发电流也越大。（2）反向特性。晶闸管承受(chngshu)反向电压，即时，晶闸

9、管只有很小的反向漏电流，此段特性与二极管反向特性很相似，晶闸管处于反向阻断状态。当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流剧增，晶闸管反向击穿。第8页/共32页第九页，共32页。（1）额定正向平均电流IF。IF是指在环境温度不大于40和标准散热及全导通的条件下，在电阻性负载的电路(dinl)中，晶闸管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。它也叫通态平均电流，简称正向电流。在选择晶闸管时，其通态平均电流IF应为安装处实际通过的最大平均电流的1.52倍。（2）维持电流IH。在规定环境温度下，控制极断开后，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH，当正向电流小于IH时，晶闸管自行

10、关断。（3）正向重复峰值电压UFRM。在晶闸管控制极开路且正向阻断情况下，可以重复加在晶闸管上的正向峰值电压，用UFRM表示。通常规定UFRM为正向转折电压UBO的80。（4）反向重复峰值电压URRM。在控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压，用URRM表示。通常规定URRM为反向击穿电压UBR的80。通常把UFRM和URRM中较小者作为晶闸管的额定电压。选用晶闸管时，额定电压应为正常工作时峰值电压的23倍，作为允许的过电压余量。第9页/共32页第十页，共32页。6.2 单相可控整流单相可控整流(zhngli)电路电路u2的正半周，触发脉冲ug到来时晶闸管导通，负载电 压u o =

11、u 2。u 2下 降(xijing)到接近于零时晶闸管关断。u2的负半周，晶闸管反向阻断。+u2+u1VT+uoRLiotu20234t0234t0ugt1t2tuVT0234uoiouoio第10页/共32页第十一页，共32页。输出(shch)电压的平均值：2cos145. 0)cos1 (22)d(sin221222oUUttUU输出(shch)电流的平均值：2cos145. 0L2LooRURUI晶闸管承受的最高正向和反向(fn xin)电压：2RMFM2UUU第11页/共32页第十二页，共32页。+u2+u1VT+uoRLLiouo，iot0tuVT0uoiou2经过零值变负之后，只要

12、(zhyo)eL大于u2，晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通。只要(zhyo)电流大于维持电流，晶闸管就不会关断，负载上出现了负电压。当电流下降到维持电流以下时，晶闸管才能会关断。第12页/共32页第十三页，共32页。可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角将大于。负载电感愈大，导通角愈大，在一个周期中负载上负电压(diny)所占比重就愈大，整流输出电压(diny)和电流的平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压(diny)降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电压(diny)，必须采取相应措施。解决的方法是在电感性负载两端并联一个二极管。当交流电压u2过零值变负后，二极管

13、因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势eL产生的电流经过这个二极管形成(xngchng)回路。因此这个二极管称为续流二极管。这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。+u2+u1VT+uoRLLioiDVD第13页/共32页第十四页，共32页。+u1+uoRLioVT1VT2VD1VD2+u2abt0uo，iotuVT10uotuVT20iou2的正半周VT1和VD2承受正向(zhn xin)电压。这时如对晶闸管VT1引入触发信号，则VT1和VD2导通，电流通路为：aVT1RLVD2b这时VT2和VD1都因承受反向电压而截止。第14页

14、/共32页第十五页，共32页。u2的负半周VT2和VD1承受(chngshu)正向电压。这时如对晶闸管VT2引入触发信号，则VT2和VD1导通，电流通路为：bVT2RLVD1a这时VT1和VD2截止。+u1+uoRLioVT1VT2VD1VD2+u2abt0uo，iotuVT10uotuVT20io第15页/共32页第十六页，共32页。输出(shch)电压的平均值：2cos19 . 02oUU输出(shch)电流的平均为：2cos19 . 0L2LooRURUI晶闸管和二极管承受的最高正向和反向(fn xin)电压：2DRMRMFM2UUUU第16页/共32页第十七页，共32页。例例 6 6.

15、 .1 1 有一纯电阻负载，需要电压1800oUV、电流60oIA 的可调直流电源。现采用如图 6.10（a）所示的单相半控桥式整流电路，设晶闸管导通角180（控制角 0）时，180oUV，6oIA。试求：（1）交流电压 u2的有效值；（2）各整流元件承受的最大电压和流过各整流元件的电流平均值；（3）整流电路输出电压120oUV时的输出电流 Io和晶闸管的导通角。解解 （1）交流电压 u2的有效值为：2009 . 01800.9o2UU（V）实际上还要考虑电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了 180（一般只有160170左右）等因素，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大 10左右，即大约

16、为 220 V。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到 220 V的交流电源上。（2）晶闸管所承受的最高正向电压 UFM、最高反向电压 URM和二极管所承受的最高反向电压 UDRM都等于：31022041. 122DRMRMFMUUUU（V）流过晶闸管和二极管电流的平均值为：362121oDTIII第17页/共32页第十八页，共32页。为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通常根据下式选取晶闸管所承受的正向和反向重复峰值电压 UFRM和 URRM：UFRM930620310)32()32(FMU（V）UFRM930620310)32()32(FMU（V）（3）负载电阻为：306180o

17、oLIUR（）所以，当输出电压120oUV时的输出电流 Io为：430120LooRUI（A）此时晶闸管的控制角为：75.7712209 . 01202arccos19 . 02arccos2oUU晶闸管的导通角为：25.10275.77180180第18页/共32页第十九页，共32页。6.3 单结晶体管触发单结晶体管触发(chf)电电路路对触发电路的要求：（1）触发时能提供足够的触发脉冲电压和电流。一般要在触发电路接到晶闸管控制极时，输出脉冲的幅度为410V。（2）晶闸管不应导通时，触发电路输出的漏电电压不超过0.25V，以免发生误导通。（3）触发脉冲的前沿要陡，以保证触发时间准确，一般要求

18、前沿时间小于10s。（4）触发脉冲要有足够的宽度。对于(duy)电阻性负载电路，一般要求脉冲宽度大于20s。（5）由触发脉冲所产生的控制角要能平稳移动并有足够宽的移动范围。对于(duy)单相可控整流电路，控制角的范围要求接近或大于150。（6）触发电路必须与主电路同步，否则输出电压的波形为非周期性，造成输出电压平均值不稳定。第19页/共32页第二十页，共32页。PN 结EB2B1N 型硅片P 区欧姆接触电阻B2B1EARB2RB1+UE+UA+UBBB2B1E在基极B1和B2之间的电阻（包括(boku)硅片本身的电阻和基极与硅片之间的接触电阻）为RBB，一般约在215k之间。设RB1和RB2分

19、别为两个基极与PN结之间的电阻，则RBB= RB1+RB2。第20页/共32页第二十一页，共32页。ARB2RB1+UE+UA+UBBB2B1E截止区负阻区饱和区0PVIVIEUEUVUPIPREIEBBBBB2B1B1AUURRRU峰点P与谷点V是单结晶体管工作状态的转折点，当UEUP（UP=UA+UD）时，单结晶体管导通，RB1急剧(jj)减小，UE也随之下降；当UEUV时，单结晶体管截止。第21页/共32页第二十二页，共32页。R2R1+ugB2B1EUGRCuC tUPUV0ug t0 +uC 接通电源后，电源UG通过R向C充电，电压UE按指数规律增大。UEUP时，单结晶体管截止。当U

20、E UP时，单结管开始导通，RB1急剧减小，C向R1放电。由于R1较小，放电很快，放电电流在R1上形成尖脉冲(michng)电压。当UEUV 时，单结晶体管截止。此后电源再次经R向C充电，然后放电，形成振荡。如此反复，结果在电容C上形成锯齿波电压，在电阻R1上得到一系列的尖脉冲(michng)电压ug。第22页/共32页第二十三页，共32页。+uoRLioVT1VT2VD1VD2R2R1+ugRC+u2u1+uo1VDZR3RP+uZ第23页/共32页第二十四页，共32页。t0uo1t0uZUZt0uCUPt0ugt0uo当电源电压u1过零时，u2也过零，使单结晶体管触发电路电源电压UBB=0

21、，此时峰点电压UPUBB 0，单结晶体管的E、B1结导通。如果此时电容C上的电压uC不为零值，就会通过单结晶体管的E、B1结对R2放电，uC迅速下降至零，使得电容C在电源每次过零后都从零开始重新充电，只要R与C的数值不变，则每半周由过零点到产生第一个脉冲的时间间隔是固定的。虽然在每个半周期内会产生多个脉冲，但只有(zhyu)第一个脉冲起到触发晶闸管的作用，一旦晶闸管被触发导通，后面的脉冲不再起作用。第24页/共32页第二十五页，共32页。6.4 晶闸管的保护晶闸管的保护(boh)晶闸管的主要缺点是承受过电压、过电流的能力较弱。当晶闸管承受过电压过电流时，晶闸管温度会急剧(jj)上升，可能烧坏P

22、N结，造成元件内部短路或开路。为了使元件能可靠地长期运行，必须对晶闸管电路中的晶闸管采取保护措施。第25页/共32页第二十六页，共32页。晶闸管发生过电流的原因：负载端过载或短路；电路中某一晶闸管击穿短路，引起相邻的其它晶闸管过电流；触发(chf)电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发(chf)引起过电流。晶闸管允许过电流时间很短，例如一个100A额定电流的晶闸管过载倍数为4倍，即通过400A的过电流时，仅允许持续0.02s（工频的1个周），否则将因过热而损坏。过载倍数越大，允许的时间越短。这表明晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以(suy)，过电流保护的作用就是当发生过电流时，应在允许

23、的时间内将过电流切断，以保护晶闸管不致损坏。第26页/共32页第二十七页，共32页。+u1+uoRLVT1VT2VD1VD2+u2这是一种专用(zhunyng)保护晶闸管的快速熔断器，它与普通熔断器的主要区别是，在同样的过电流倍数情况下，快速熔断器熔体熔断时间比普通熔断器熔体熔断时间短很多。这样可保证晶闸管未损坏前，快速熔断器的熔体就已熔断，将事故电路与电源断开，保护晶闸管不致损坏。快速熔断器内装的是银质熔丝。快速熔断器接入电路的方式：一是将快速熔断器与晶闸管串联，可对元件本身的故障进行保护。二是将快速熔断器接在输出（负载）端，这种接法对输出回路的过载或短路起保护作用，但对元件本身故障引起的过

24、电流无保护作用。三是将快速熔断器接在输入端，这样可同时(tngsh)对输出端短路和元件短路起保护作用，但熔断器熔断后不能马上判断是什么故障。第27页/共32页第二十八页，共32页。在输入端（交流端）经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，或在输出端（直流端）接入直流过电流继电器，都可在发生(fshng)过电流故障时动作，使输入端的自动开关断开。这种保护措施对过载是有效的，但是在发生(fshng)短路故障时，因为过电流继电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定时间，如果短路电流比较大，这种保护方法不很有效。所以，快速熔断器仍然需要，以防止短路事故。电路中一旦出现过电流后，通过电流反馈信号将晶闸管的触发脉

25、冲后移，使晶闸管的导通角减小或停止触发，晶闸管关断，电路断电，切断过电流。第28页/共32页第二十九页，共32页。产生过电压的主要原因(yunyn)：由于电路中通常都接有电感元件，当晶闸管所在装置或邻近的用电设备接通或断开电源时，或从一个晶闸管导通转换到另一个晶闸管导通（称换相）时，或熔断器熔断时，由于电路中电流的变化而在电感两端产生感应电动势，使电路中电压往往超过正常值。有时，电源或负载侧受雷击会引起雷击过电压。过电压的根本原因(yunyn)是由于电路中积聚的电磁能量消散不掉。晶闸管承受过电压的能力很差，加给它的反向电压超过它的反向击穿(j chun)电压时，即使超出数值不多、时间不长（0.

26、51s)，都可能使元件反向击穿(j chun)而损坏。另外，加给元件的正向电压超过了它的正向转折电压时，则晶闸管误导通（未经触发便导通）。这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流大，也可能使晶闸管损坏，或使它的特性变坏。因此，一定要采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。第29页/共32页第三十页，共32页。阻容电路接入电路的3种方式：其一是将阻容元件与晶闸管并联，以防止它在换相过电压时遭到损坏；其二是将阻容元件并联在整流装置的交流侧（输入端），可防止由于电源侧过电压使晶闸管损坏；其三是将阻容元件并联在直流侧（输出端），以吸收输出端的过电压。阻容保护就是利用电容吸收过电压，其实质是把电路积聚(jj)的造成过电压的电磁能量转换为电场能量储存到电容器中，再释放到电阻中消耗掉。阻容保护是过电压保护的基本方法。硒堆是硒整流片串联组成的非线性元件，并且是将两组硒堆整流片对接起来使用。它可以单独使用（如在图6.17中只接硒堆），也可以和阻容元件并联使用。当有过电压时，承受反向电压的一组硒堆的电阻迅速减小，漏电流增大，过电压能量被非线性电阻硒堆吸收。过电压消失后，硒堆不损坏而恢复原状。第30页/共32页第三十一页，共32页。RLVT1VT2VD1VD2L第31页/共32页第三十二页，共32页。