1.3 可控整流及交流调压电路

知识点：

① 晶闸管、程控单结管和双向晶闸管的特性。

② 单相可控整流电路的结构和原理。

③ 交流调压电路的结构和原理。

技能点：

① 学会测试晶闸管，能识别常见双向晶闸管的管脚。

② 会测试、调试单相可控整流电路。

③ 会测试、调试单相交流调压电路。

晶闸管即晶闸管整流器（俗称可控硅），是一种大功率半导体器件，具有耐压高、容量大、效率高、控制灵敏等优点。晶闸管的种类很多，按其控制（导通）特性，可分为单向晶闸管和双向晶闸管。单向晶闸管常见的外形以及符号、内部结构如图1-30所示，三个电极分别称为阳极A（或a）、阴极K（或k）和控制极G（或g），控制极又称门极（或栅极）。

晶闸管按其容量有大、中、小功率管之分，一般认为电流容量大于50 A的为大功率管，5A以下的则为小功率管，小功率晶闸管触发电压为1V左右，触发电流约为几毫安，中功率以上的触发电压为几伏到几十伏，触发电流为几十到几百毫安。

1.3.1 晶闸管简介

1. 晶闸管基本特性

晶闸管特性仿真电路如图1-31所示。其中，阳极（A）、阴极（K）之间电压UAK ＞0称为正向阳极电压，反之称为反向阳极电压；控制极（G）、阴极（K）之间电压UGK ＞0称为正向触发电压，反之称为反向触发电压。若指示灯Y（灯泡X）发光，表示有阳极电流通过，晶闸管导通；反之则为阻断（关断）。各种电压偏置下晶闸管的状态如图1-31所示。

仿真结果表明，晶闸管和二极管类似，导通时只有很小的管压降（相当于一个闭合的开关），关断时承受阳极、阴极间所加的电源电压（相当于一个断开的开关）。

晶闸管导通必须同时满足两个条件：

① 阳极、阴极间加正向电压，即UAK＞0。

② 控制极、阴极间加适当的正向触发电压，即UGK＞0。

普通晶闸管具有“可控”的单向导电特性，故又称单向可控硅；其一旦导通，控制极就失去控制作用，控制极的作用称为“触发”，在实际电路中都采取脉冲触发。要使导通的晶闸管关断，必须降低阳极电压，使阳极电流减小至一定值（即维持电流IH）以下。

2. 晶闸管的主要参数

①正向重复峰值电压UDRM。UDRM是指在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。普通晶闸管的UDRM值为100～3000V。

②反向重复峰值电压URRM。URRM是指控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。普通晶闸管URRM值为100～3000V。

③ 正向平均电流IV。IV是指在环境温度不大于40℃、标准散热及全导通的条件下，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。其值一般为1～1000A。

④ 维持电流IH。IH是指在规定的环境温度和控制极断路时，维持晶闸管导通的最小阳极电流。当晶闸管的正向平均电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。

3. 单向晶闸管的简单测试

对于螺栓式和平板式晶闸管可以从外形上分辨出管脚对应的电极：螺栓为A极、小管脚（或细编织线）为G极，另一管脚为K极；平板式晶闸管中间的引出线为G极，离G极较远的端面为A极，另一端面即为K极。对于中、小功率的塑封晶闸管，可利用万用表来检测。

从图1-30（b）所示的内部结构可以看出，单向晶闸管的内部有三个PN结，控制极G和阴极K之间只有一个PN结，类似于一只二极管，而阳极A与控制极G之间有两个PN结，阳极A与阴极K之间有三个PN结，因这些PN结是反串在一起的，正、反向电阻均为无穷大。

将万用表置R × 100或R × 10挡，测量任意两个电极之间的电阻值，如果测得其中两个电极间阻值较小（正向电阻），而交换表笔后测得阻值较大（反向电阻），那么，测得阻值较小的那次，黑表笔所接的就是控制极G，而红表笔所接的就是阴极K，剩下的电极便是阳极A。

如果测得阳极A与控制极G，阳极A与阴极K间正、反向电阻均为无穷大（用R × 1k或R × 10k挡判定），而控制极G与阴极K间的正、反向电阻有差别，则说明晶闸管质量良好。若G、K极间的正、反向电阻皆为无穷大，表明控制极断路；如果正、反向电阻都为0，表明控制极短路，这种晶闸管都不能使用了。

要注意的是，有的大功率晶闸管的G、K极间存在旁路电阻（用于防止误导通），所测得的正、反向电阻的差别将会极小（可用R ×1挡判断）。

1.3.2 单相可控整流电路

将晶闸管可控的单向导电特性应用于整流电路，即可实现可控整流。将单相桥式整流电路中的两个二极管用晶闸管替换，就构成了单相半控桥式整流电路，如图1-32（a）所示。其中输入的交流电压（变压器副边电压）。

在u2的正半周，a端为正，b端为负，VT2、VD1均承受反向电压而关断，而VT1和VD2则承受正向电压，在ωt=α时刻触发晶闸管VT1（如ωt1），则VT1、VD2导通，电流的回路为a→VT1→RL→VD2→b，输出电压uL≈u2，极性为上正下负，当电源电压u2过0时，VT1关断，电流为0；在u2的负半周，a端为负，b端为正，VT1、VD2均承受反向电压而关断，而VT2和VD1则承受正向电压，在ωt=π+α时刻触发晶闸管VT2（如ωt2），则VT2、VD1导通，电流的回路为b→VT2→RL→VD1→a，输出电压与u2正半周时相同，当u2由负值过0时，VT2关断，电流为0。当u2的下一个周期到来时将重复以上的过程，如此周而复始，电路输出稳定的电压。

将晶闸管从开始承受正向电压至触发导通其间的电角度α称为控制角，θ =π-α则称为导通角。显然，改变触发脉冲的输入时刻（即改变控制角α）就可以控制晶闸管的导通角，负载上的电压平均值UL也随之改变，从而达到可控整流的目的。

当输出端为电阻性负载时，单相半控桥式整流电路的输出波形如图1-32（b）所示。可以证明，负载电压uL在一个周期内的平均值UL与控制角α的关系为

当 α=0（即θ =π）时，晶闸管全导通，UL=0.9U2，此时输出电压最高，相当于二极管单相桥式整流电路；若α=π（即θ=0），则晶闸管全关断，UL=0。

电阻负载中流过的电流平均值为

显然，晶闸管可能承受的最高反向电压以及最大正向电压均等于电源电压的峰值，即

通过晶闸管的平均电流等于负载电流的一半，即

注意：晶闸管前不能接入滤波电容，否则当电源电压过0时，将会影响晶闸管的正常关断。

1.3.3 触发电路

为晶闸管的控制极提供触发脉冲信号的电路简称触发电路。晶闸管触发电路有多种形式，下面介绍由程控单结晶体管（Programmable Uniguction Transistor，PUT）构建的触发电路。

1. 程控单结晶体管简介

程控单结晶体管又称可编程单结晶体管（简称可编程单结管），其内部结构、符号以及常见外形如图1-33所示。可编程单结管的外形和普通三极管相似，三个电极分别为阳极A、阴极K和门极（控制极）G，有金属封装和塑料封装两种形式，管脚排序分别如图所示。可编程单结管的内部结构与晶闸管类似，实质上是一个N极门控的晶闸管，因与单结管的用途相近，将其纳入单结管之列，常见的典型产品有BT40、2 N6027、NTE6402等型号。

可编程单结管是一种具有负阻特性的半导体器件，使用时通过分压电阻为控制极G设置偏置电压UG（见图1-34（a）），其峰点电压UP=UAG+UG（UAG是A极与G极之间的PN结正向压降，约为0.7V），显然，改变UG即可调节峰点电压UP（“可编程”的特点），谷点电压UV由器件特性参数决定。当外加电压使UAK＜UP时，PN结截止，阳极电流iA≈0，单结管处于截止状态；当UAK增大到UP时，PN结正偏导通，iA猛增，RAK（A-K间的等效电阻）急剧下降，呈现负阻效应，使UAK随iA的增大而减小，当UAK降低到UV时，单结管重新截止。

2. 可编程单结管振荡仿真电路

可编程单结管组成的自激振荡电路的仿真电路如图1-34（a）所示。可编程单结管VT（2N6027）G极电位UG由电阻R1、R2 对直流电源V分压而得。

通电瞬间，直流电源通过R向电容C充电，使电容两端电压uC逐渐升高，当uC两端电压上升至VT的峰点电压UP时，VT导通，其发射极电流iA突然增大，电容C通过A、K以及负载RL迅速放电，在负载RL上输出尖脉冲电压，UAK随iA的增大急剧减小，uC随之迅速下降；当uC下降至VT的谷点电压UV时，单结管重新截止，电源又开始对C充电，重复上述过程。如此周而复始，在电容C两端形成连续的锯齿波电压，而负载两端获得连续的尖脉冲信号，如图1-34（b）所示。

电路的输出脉冲的形成时刻以及脉冲的间隔，取决于充电回路的参数及电路的峰点电压UP：改变R的阻值则可改变输出脉冲形成时刻及脉冲间隔，调节输出脉冲信号的频率；若改变UG（调整R1、R2的分压比）以调整电路的峰点电压，则可同时调节输出脉冲信号的频率及输出脉冲信号的幅度。从示波器（通道A）显示的数据可以看出，该电路的峰点电压UP=UAG+UG≈10.6V，谷点电压UV≈1.0V。

3. 单相半控桥式整流仿真电路

单结管同步触发的单相半控桥式整流电路的仿真电路如图1-35（a）所示。图中下半部分是单相半控桥式整流的主电路，上半部分是触发电路，它为主电路中的晶闸管提供触发信号。

图1-35（a）中的交流电源VS 为主电路和触发电路相同的交流电压，经桥式整流、稳压管VZ削波得到梯形波电压，作为触发电路的工作电压。削波环节使单结管输出的脉冲幅值不受交流电源波动的影响，提高了触发脉冲的稳定性。当梯形电压过0时，电容器C两端电压也为0，使电容器每一次连续充放电的起点均为电源电压的过0点，从而保证晶闸管总在每个导通周期的相同时刻得到触发脉冲，有相同的导通角，实现了触发脉冲与晶闸管阳极电压的同步。

如图1-35（b）所示，在每个半周期的一连串脉冲中，只有第一个脉冲为触发脉冲，其余的脉冲均不起作用。调节R即可改变C充电的速度，由此而改变第一个脉冲出现的时间，使得触发脉冲移相，从而改变控制角α，实现对输出电压UO的调节。

在示波器屏幕显示的电压波形中，从上往下依次为稳压管VZ两端的梯形波（通道A）、电容C上的锯齿波（通道B）、触发电路输出的触发脉冲（通道C）、负载RL（灯泡）两端的输出电压UO（通道D）。特别注意，由于通道D连接的极性相反，输出电压UO的波形相位相反。

单相半波可控整流电路的仿真电路和波形如图1-36所示，电路原理及仿真结果请自行分析。

晶闸管可控整流电路在许多场合已取代直流发电机组用于直流拖动调速装置，还广泛应用于轧钢、电解、电镀、机床、造纸、纺织、励磁等多个领域。

4. 单向晶闸管组成的交流调压电路

将晶闸管与桥式整流电路相结合，可以实现交流调压功能。单向晶闸管组成的交流调压电路的仿真电路如图1-37（a）所示。电路中的晶闸管VT1、整流桥BD2及负载（X1、X2）构成主电路。由于触发电路与主电路同步，晶闸管VT1对整流桥BD2输出直流电压的控制，转换成输入的交流电压的变化，因而在负载两端得到可调的交流电压。

其中的U1为光电耦合器，由输入端的发光二极管和输出端的光电晶体管组成，当触发脉冲到来时，其1、2端输入触发电流，发光二极管发光，内部的光电晶体管导通，BD2的整流电压通过R6及U1的4、3端为晶闸管VT1提供触发信号，VT1导通（相当于开关闭合），主电路有电流通过；若无触发脉冲，发光二极管截止，光电晶体管截止，晶闸管VT1因无触发信号而（在交流电过0时自动）关断。显然，只要通过触发脉冲控制VT1的导通角，即可调节主电路的交流电压，实现负载两端的交流调压。仿真电路的电压波形如图1-37（b）所示，上面为输出电压波形（通道B），下面为触发脉冲信号（通道A），负载两端得到对称的交流电压，调节RP可以在一定范围内实现平滑调压。

显然，采取光电耦合器驱动晶闸管，使得控制电路与主电路之间有良好的电气隔离，极大减少了主电路对触发电路的干扰和影响，提高了电路工作的可靠性。必须指出，在实际的电气控制电路中，驱动晶闸管的光电耦合器的输出端通常都要承受主电路的高电压，同时要求能输出较大的触发电流，所以，一般都选择输出端为晶闸管驱动输出型的光电耦合器，如MOC3061、MOC3040等系列产品，以满足驱动电路在耐压、电流容量等方面的要求。

1.3.4 双向晶闸管及交流调压电路

1. 双向晶闸管简介

双向晶闸管由NPNPN五层半导体构成，相当于两个单向晶闸管反向并联而成。对外引出的三个电极，除控制极G以外的两个电极统称为主电极，分别用T1、T2表示，不再区分阳极或阴极。双向晶闸管的封装、外形与单向晶闸管大多相同。双向晶闸管常见的外形、管脚名称，以及内部结构、电路符号和等效结构如图1-38所示。

双向晶闸管的特性和性能参数与单向晶闸管有许多相同之处，如控制极上无触发电压时，双向晶闸管不导通；双向晶闸管一旦导通，控制极便失去控制作用；只有主电极电流减小至维持电流以下时，双向晶闸管才关断等。

双向晶闸管的特性与单向晶闸管的不同之处如图1-39所示。无论双向晶闸管的主电极之间所加电压极性如何，控制极的触发信号无论是正的还是负的，只要触发电压足够高，满足其所需的触发电流，均可触发导通。

双向晶闸管特性的仿真电路如图1-40所示，仿真结果验证了以上的结论。

需要指出的是，普通晶闸管的额定电流是指正弦半波平均值，而双向晶闸管的额定电流指的是有效值。由于双向晶闸管具有正、反两个方向都能控制导通的特性，用于控制交流负载的电路结构更简单，使用也更为方便，因而广泛应用于工业、交通、家电等领域，实现交流调压、交流调速、调光等多种功能。

2. 双向晶闸管的测试

首先确定T2。控制极G与T1极之间的距离较近，其正反向电阻都很小，用万用表R × 1挡测量G、T1两脚之间的电阻，仅为几十欧，而G与T2、T1与T2之间的电阻均为无穷大，故测出某管脚和其他两脚都不通，即可确定该管脚为T2极。带散热片的双向晶闸管的T2极通常与散热片短接。

确定T2极之后，假设剩下两脚中某一脚为T1极，另一脚为G极，把黑表笔接假设的T1极，红表笔接T2极，并在保持红表笔与T2极连接的情况下，把T2极与假设的G极瞬时短接一下（给G极加上负触发信号），如万用表显示的电阻值很小（如10欧左右），表明此时晶闸管已经导通，导通电流方向为T1→T2，则上述假设的两电极正确。如万用表指示的电阻值仍为无穷大，则说明管子没有导通，所作的假设错误，可改变两极连接表笔再测。

把红表笔接T1极，黑表笔接T2极，然后使T2极与G极瞬时短接一下（给G极加上正触发信号），同样测得很小的电阻值，证明管子再次导通，导通电流方向为T2→T1。

上述的测试结果表明双向晶闸管具有双向触发性质。如果按上述两种假设方法测量，都不能使双向晶闸管触发导通，则证明晶闸管已损坏。

3. 交流调压电路

一个简易的交流调压电路如图1-41所示，其中VT为双向晶闸管，VD为双向触发二极管，当加在VD上的正、反向电压达到其转折导通电压（通常为几伏至几十伏）时，双向触发二极管会突然导通，并呈负阻效应，为双向晶闸管VT提供上升沿极陡的触发脉冲。

当电源电压为上正下负时，电源通过RP、R向电容C充电，电容C上的电压极性为上正下负，当该电压增大至双向二极管的导通电压时，双向触发二极管VD导通，给双向晶闸管的控制极一个正向触发脉冲uG，双向晶闸管因而导通，负载RL上得到相应的正半周交流电压uL，交流电压过0时，双向晶闸管自行关断；当电源电压为上负下正时，电容C反向充电，电压极性为上负下正，当该电压增大至VD导通电压时，双向二极管VD反向导通，双向晶闸管VT再次被触发导通，负载RL上得到相应的负半周交流电压。如此周而复始，电路中的相关波形如图1-41所示。

增大RP值，电容C充电速度变慢，控制角α增大，晶闸管导通时间变短，输出电压下降；反之，输出电压则升高。所以，通过调节电容C充电的时间常数，就可以实现交流调压。