可控硅的原理和作用

在高速風筒方案開發(fā)中，可控硅是必不可少的元器件之一?？煽毓枋强煽毓枵髟暮喎Q，是一種具有三個PN 結的四層結構的大功率半導體器件，一般由兩晶閘管反向連接而成。它的出現，使半導體技術從弱電領域進入了強電領域，成為工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件。目前可控硅在自動控制、機電應用、工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應用。

可控硅從外形上區(qū)分主要有螺旋式、平板式和平底式三種。螺旋式應用較多。

可控硅包含三個極，分別為陽極（A）、陰極（C）和控制極（G）。其管芯由P型導體和N型導體交替組成，形成獨特的四層結構，包含三個PN結，這與僅含一個PN結的硅整流二極管在結構上存在顯著差異?？煽毓璧乃膶咏Y構與控制極的引入，為其展現“以小控大”的卓越控制性能提供了基礎。

在應用過程中，僅需對控制極施加微弱的電流或電壓，便能實現對陽極電流或電壓的顯著調控。目前，可控硅元件的電流容量已達到幾百安培甚至上千安培的水平。通常，將電流容量在5安培以下的可控硅定義為小功率可控硅，而50安培以上的則稱為大功率可控硅。

經過嚴謹分析，我們可以將晶體管的構造理解為：從陰極起始的第一、二、三層構成一只NPN型晶體管，而二、三、四層則組合成另一只PNP型晶體管。在這其中，第二和第三層為兩只晶體管所共用。基于這一構造，我們可以繪制出等效電路圖（如圖1所示）。

當在陽極和陰極之間施加正向電壓E，同時在控制極G和陰極C之間（對應于BG2的基極與發(fā)射極之間）輸入一個正向觸發(fā)信號時，BG2將產生基極電流Ib2。經過放大過程，BG2將輸出一個放大了β2倍的集電極電流IC2。由于BG2的集電極與BG1的基極相連，因此IC2將作為BG1的基極電流Ib1。接下來，BG1將把Ib1（或Ib2）放大β1倍，產生集電極電流IC1，該電流將被送回BG2的基極進行進一步放大。這一過程將持續(xù)循環(huán)放大，直至BG1和BG2完全導通。

實際上，這一過程極為迅速，對于可控硅而言，一旦觸發(fā)信號施加到控制極，可控硅將立即導通。導通時間的長短主要取決于可控硅的性能特性。

由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關特性，這種特性需要一定的條件才能轉化，此條件見表1

應用實例展示中，可控硅在電路設計中展現出多樣化的應用方式，特別是在其柵極觸發(fā)回路的設計上。這些設計可概括為直流觸發(fā)電路、交流觸發(fā)電路以及相位觸發(fā)電路等多種類型。

直流觸發(fā)電路：

如圖2所示，這是一項常用于電視機的過壓保護電路設計。當E+電壓異常升高時，A點的電壓也會相應提升。一旦A點的電壓超過穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值，穩(wěn)壓管DZ將導通，進而觸發(fā)可控硅D的導通。這會導致E+電源短路，使保險絲RJ熔斷，從而有效地實現了對電路的過壓保護作用。

相位觸發(fā)電路：

相位觸發(fā)電路實際上是交流觸發(fā)電路的一種，如圖3，這個電路的方法是利用RC回路控制觸發(fā)信號的相位。當R值較少時，RC時間常數較少，觸發(fā)信號的相移A1較少，因此負載獲得較大的電功率；當R值較大時，RC時間常數較大，觸發(fā)信號的相移A2較大，因此負載獲得較少的電功率。這個典型的電功率無級調整電路在日常生活中有很多電氣產品中都應用它。

1、 額定通態(tài)平均電流

在一定條件下，陽極---陰極間可以連續(xù)通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。

2、 正向阻斷峰值電壓

在控制極開路未加觸發(fā)信號，陽極正向電壓還未超過導能電壓時，可以重復加在可控硅兩端的正向峰值電壓?？煽毓璩惺艿恼螂妷悍逯担荒艹^手冊給出的這個參數值。

3、 反向陰斷峰值電壓

當可控硅加反向電壓，處于反向關斷狀態(tài)時，可以重復加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時，不能超過手冊給出的這個參數值。

4、 控制極觸發(fā)電流

在規(guī)定的環(huán)境溫度下，陽極---陰極間加一定電壓，使可控硅從關斷狀態(tài)轉為導通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。

5、 維持電流

在規(guī)定溫度下，控制極斷路，維持可控硅導通所必需的最小陽極正向電流。

可控硅的作用之一就是可控整流，這也是可控硅最基本也最重要的作用。大家所熟知的二極管整流電路只可完成整流的功能，并沒有實現可控，而一旦把二極管換做可控硅，便構成了一個可控整流電路。

在一個最基本的單相半波可控整流電路中，當正弦交流電壓處于正半周時，只有在控制極外加觸發(fā)脈沖時，可控硅才被觸發(fā)導通，負載上才會有電壓輸出，因此可以通過改變控制極上觸發(fā)脈沖到來的時間，來進一步調節(jié)負載上輸出電壓的平均值，達到可控整流的作用。

可控硅的作用之二就是用作無觸點開關，經常用于自動化設備中，代替通用繼電器，具有無噪音、壽命長的特點。

可控硅的作用三：開關和調壓作用

可控硅的作用之三就是起到開關和調壓的作用，經常應用于交流電路中，由于其被觸發(fā)時間不同，因此通過它的電流只有其交流周期的一部分，通過它的電壓只有全電壓的一部分，因而起到調節(jié)輸出電壓的作用。