1.4 晶闸管可控整流电路

学习目标：

① 了解晶闸管的基本结构、符号、引脚排列、伏安特性和主要参数。

② 掌握晶闸管的工作原理及工作特点。

③ 掌握单相可控整流电路的工作原理和整流电压与电流的波形，了解特殊晶闸管的应用。

在实际工作中，有时希望整流器的输出直流电压能够根据需要调节，例如交、直流电动机的调速、随动系统和变频电源等。在这种情况下，需要采用可控整流电路，而晶闸管正是可以实现这一要求的可控整流元件。全面了解晶闸管的基本结构、符号、引脚排列、工作特性等应用常识是正确理解晶闸管在可控整流、交流调压等方面应用的基础。

1.4.1 晶闸管

1．晶闸管的外形与符号

晶闸管又称可控硅，从外形上区分有螺栓式和平板式等。晶闸管的外形及符号如图1-44所示。晶闸管有三个电极：阳极A、阴极K、门极G。在图1-44（a）中，带有螺栓的一端是阳极A，利用它和散热器固定，另一端是阴极K，细引线为门极G。图1-44（b）所示为大功率的平板式晶闸管，其中间金属环连接出来的引线为门极，离门极较远的端面是阳极A，较近的端面是阴极K，安装时用两个散热器把平板式晶闸管夹在中间，以保证它具有较好的散热效果。塑封普通晶闸管的中间引脚为阳极，且多与自带散热片相连，如图1-44（c）所示。晶闸管的电路图形符号如图1-44（d）所示，文字符号为VT。

2．晶闸管的结构及导电特性

（1）结构

不论哪种结构形式的晶闸管，管芯都是由四层（P1，N1，P2，N2）器件和三端（A，G，K）引线构成。因此，它有三个PN结J1，J2，J3，由最外层的P层和N层分别引出阳极和阴极，中间的P层引出门极，如图1-45所示。普通晶闸管不仅具有与硅整流二极管正向导通、反向截止相似的特性，更重要的是它的正向导通是可以控制的，起这种控制作用的就是门极的输入信号。

（2）导电特性

单向晶闸管可以理解为一个受控制的二极管，由其符号可见，它也具有单向导电性，不同之处是除了应具有阳极与阴极之间的正向偏置电压外，还必须给控制极加一个足够大的控制电压，在这个控制电压作用下，晶闸管就会像二极管一样导通了，一旦晶闸管导通，控制电压即使取消，也不会影响其正向导通的工作状态。

3．晶闸管的应用

晶闸管既有单向导电的作用，又可以作控制开关使用，具有弱电控制强电的功能。例如，在可控整流电路中，它把交流电变换成可调的直流电压，还可以在可控开关、变频电源、交直流电动调速系统等方面得到广泛应用。本节中主要介绍晶闸管在单相可控整流电路中的应用。

1.4.2 实训项目：晶闸管的测量

1．技能目标

① 能正确识别晶闸管。

② 能使用万用表正确判别晶闸管的引脚。

2．工具、元件和仪器

① 晶闸管。

② 万用表。

3．技能训练

1）单向晶闸管的识别与测量

目前，国内常见晶闸管主要有螺栓型、平板型和塑封型，前两种三个电极的形状区别很大，可以直观识别出来，只有塑封晶闸管需要用万用表检测识别。

如果外形不能判别晶闸管的引脚，可以用万用表电阻挡进行测量。使用万用表R× 100挡，将黑表笔接某一电极，红表笔依次接触另外的电极，如果有一次阻值很小，约为几百欧，而另一次阻值很大约为几千欧，则黑表笔接的是控制极G。在阻值小的那次测量中，红表笔接的是阴极K，剩余一脚为阳极A。

2）双向晶闸管的测量

（1）T2的识别

由图1-46可知，G极靠近T1极，距T2极较远。因此，G-T1极间的正、反向电阻值都很小。在用万用表R×1挡检测任意两脚之间的正、反向电阻时，其中若测得两个电极间的正、反向电阻都呈现低阻值，约为几十欧，则被测两极为G和T1，剩余的脚就是T2。

（2）区分G和T1极

T2确定后，先假定两脚中一脚为T1极，另一脚为G极，把黑表笔接T1，红表笔接T2，电阻为无穷大。接着用红表笔短接T2和G，给G极加上负触发信号，阻值应为10Ω左右，如图1-47所示。证明双向晶闸管已导通，其方向为T1→T2。再用红表笔接T1，用黑表笔接T2，然后使T2和G短路，给G加上正触发信号，电阻仍为10Ω左右，在G脱开后，若阻值不变，说明双向晶闸管触发后，在T2→T1方向上能维持导通。若现象与假定不符，则假定错误，据此判别出T1与G。

3）测量记录

将晶闸管识别与测量的结果填入表1-12。

4）实训项目考核评价

完成实训项目，填写表1-13。

1.4.3 晶闸管单相可控整流电路

用晶闸管代替二极管组成的整流电路可以将正弦交流电转变成大小可调的直流电，这种电路称为可控整流电路。可控整流电路有几种形式，如单相半波、单相全波和单相桥式可控整流电路等。当功率较大时，常采用三相交流电源组成三相半波或三相桥式可控整流电路。本节只介绍单相可控整流电路。

1．单相半波可控整流电路

（1）电路结构

单向半波可控整流电路如图1-48所示。其中，u2为交流电源变压器的二次电压，变压器TR起变换电压和电气隔离作用；RL为电阻负载，负载电压随电流的变化而变化。

（2）工作原理

当 u2在正半周时，晶闸管承受正向电压，但处于正向阻断状态，这时只要门极加一个触发脉冲电压 ug则晶闸管导通，忽略晶闸管的正向压降，此时负载电压 uO=u2。当 u2下降到接近于零时，晶闸管的正向电流小于管子的维持电流，晶闸管关断。

当u2在负半周时，晶闸管承受反向电压，处于反向阻断状态，所以uO=0。直到u2的下一个电压周期到来。控制极的第二个触发脉冲来临时，晶闸管再次导通。如此循环重复，负载上就得到一个稳定的缺角的半波电压，波形如图1-49所示。

由图1-49所示波形可知，从晶闸管开始承受正向电压起到施加触发脉冲前的电角度，称为触发延迟角（又称控制角或移相角），用α表示。晶闸管在一个电源周期内处于导通范围的电角度称为导通角，用θ表示。因为θ=π-α，所以改变触发延迟角α就能改变输出的电压值。α越大，θ越小，输出的电压就越低；α越小，θ就越大，输出的电压就越高。整流后负载的输出电压平均值可以用触发延迟角表示，即

由式（1-16）可知，当α=0°，θ=180°时，晶闸管导通，相当于二极管单相半波整U流电路，O=0.45U2；当180α= °，0θ= °时，晶闸管关断，UO=0。

整流输出电流的平均值为

流过晶闸管的平均电流为

由图1-49所示波形可以看出，晶闸管承受的正向峰值电压和最高反向电压都是电源电压的最大值，即

2．单相桥式可控整流电路

在二极管的单相桥式整流电路中，把其中两个二极管替换成晶闸管，就构成了单相半控桥式整流电路，如图1-50所示。晶闸管VT1和VT2的阴极接在一起为共阴极连接法。即使触发脉冲电压 Ug1、Ug2同时触发两管时，使阳极电位高的管子导通，而另一只管子承受反向电压而阻断。VD1和VD2的阳极接在一起为共阳极连接法，总是阴极电位低的导通。

在u2的正半周时，晶闸管VT1承受正向电压，当触发延迟角为α时，在晶闸管VT1的门极上加上一个触发脉冲，则VT1和VD2导通，其电流的流通路径为：a→VT1→RL→VD2→b。当u2过零时，晶闸管VT1关断。此时，VT2和VD1因承受反向电压而截止。

在u2的负半周时，晶闸管VT2承受正向电压，当触发延迟角为π+α时，在晶闸管VT2的门极上加上一个触发脉冲，则VT2和VD1导通，其电流的流通路径为：b→VT2→RL→VD1→a。当u2过零时，晶闸管VT2关断。此时，VT1和VD2因承受反向电压而截止。单相桥式可控整流电路波形如图1-51所示。

通过以上分析可知，单相桥式半控整流电路的输出电压的平均值为

整流输出电流的平均值为

流过晶闸管和二极管的平均电流为输出电流的一半，即

由图1-51所示波形可以看出，晶闸管承受的正向峰值电压、最高反向电压和二极管的最高反向电压都为电源电压的最大值，即

典型例题分析

【例题1-9】已知一单相半波可控整流电路，接在220V的交流电源上，负载电阻RL=12Ω，要求直流控制可调电压范围为30～90V，求晶闸管导通角的变化范围。

解：由式（1-16）可知。

当整流输出的电压为30V时，

α1=113.2°

θ1=π-α=180°-113.2°=66.8°

当整流输出的电压为90V时，

α1=35.1°

θ1=π-α=180°-35.1°=144.9°

所以，导通角θ的变化范围为66.8 °～144.9 °。

1.4.4 实训项目：家用调光台灯制作

1．技能目标

① 掌握基本的手工焊接技术。

② 能在万能印制电路板上进行合理布局、布线。

③ 熟悉晶闸管的工作状态及触发原理。

④ 能正确安装电路，并对其进行安装、调试与测量。

2．工具、元件和仪器

① 电烙铁等常用电子装配工具。

② 晶闸管等。

③ 万用表。

3．技能训练

在现实生活中，家用调光台灯的电路就可以利用晶闸管来实现，其主要构成框图如图1-52所示。

（1）电路原理图及工作原理分析

利用晶闸管实现的家用调光台灯电路原理图如图1-53所示。其工作原理为：接通电源后，交流电经桥式整流后给单向晶闸管阳极提供正向电压，并经过R2和R3加在单结晶体管的基极上，同时经过电阻R1，RP和R4给电容器C充电，当C两端的电压大于单结晶体管的导通电压时，单结晶体管导通，给晶闸管提供一个触发脉冲信号，调节电位器RP，就可以改变单向晶闸管的触发延迟角α的大小，改变单结晶体管触发电路输出的触发脉冲的周期，从而即改变输出电压的大小，这样就可以改变灯泡的亮暗。

（2）装配要求和方法

工艺流程：准备→熟悉工艺要求→绘制装配草图→核对元件数量、规格、型号→元件检测→元器件预加工→万能电路板装配、焊接→总装加工→自检。

具体操作过程详见1.2.3小节实训项目，表1-14所列为元件清单。

（3）调试、测量

① 通电前检查：对照电路原理图检查整流二极管、晶闸管、单结晶体管的连接极性及电路的连线。

② 试通电：闭合开关，调节 RP，观察电路的工作情况。如正常则进行下一环节检测。

③ 通电检测：调节RP的值，观察灯泡亮度的变化，用万用表交流电压挡测灯泡两端的电压，并且断开交流电源，测出RP的阻值，记入表1-15中。

（4）实训项目考核评价

完成实训项目，填写表1-16。