一、可控硅的工作原理

可控硅是可控硅整流器的簡稱。它是由三個PN結(jié)四層結(jié)構(gòu)硅芯片和三個電極組成的半導(dǎo)體器件。圖3-29是它的結(jié)構(gòu)、外形和圖形符號。

可控硅的三個電極分別叫陽極(A)、陰極(K)和控制極(G)。當(dāng)器件的陽極接負(fù)電位(相對陰極而言)時，從符號圖上可以看出PN結(jié)處于反向，具有類似二極管的反向特性。當(dāng)器件的陽極上加正電位時(若控制極不接任何電壓)，在一定的電壓范圍內(nèi)，器件仍處于阻抗很高的關(guān)閉狀態(tài)。但當(dāng)正電壓大于某個電壓(稱為轉(zhuǎn)折電壓)時，器件迅速轉(zhuǎn)變到低阻通導(dǎo)狀態(tài)。加在可控硅陽極和陰極間的電壓低于轉(zhuǎn)折電壓時，器件處于關(guān)閉狀態(tài)。此時如果在控制極上加有適當(dāng)大小的正電壓(對陰極)，則可控硅可迅速被激發(fā)而變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)?？煽毓枰坏?dǎo)通，控制極便失去其控制作用。就是說，導(dǎo)通后撤去柵極電壓可控硅仍導(dǎo)通，只有使器件中的電流減到低于某個數(shù)值或陰極與陽極之間電壓減小到零或負(fù)值時，器件才可恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。

圖3-30是可控硅的伏安特性曲線。

圖中曲線I為正向阻斷特性。無控制極信號時，可控硅正向?qū)妷簽檎蜣D(zhuǎn)折電壓(UB0)；當(dāng)有控制極信號時，正向轉(zhuǎn)折電壓會下降(即可以在較低正向電壓下導(dǎo)通)，轉(zhuǎn)折電壓隨控制極電流的增大而減小。當(dāng)控制極電流大到一定程度時，就不再出現(xiàn)正向阻斷狀態(tài)了。

曲線Ⅱ?yàn)閷?dǎo)通工作特性。可控硅導(dǎo)通后內(nèi)阻很小，管子本身壓降很低，外加電壓幾乎全部降在外電路負(fù)載上，并流過比較大的負(fù)載電流，特性曲線與二極管正向?qū)ㄌ匦韵嗨?。若陽極電壓減小(或負(fù)載電阻增加)，致使陽極電流小于維持電流IH時，可控硅從導(dǎo)通狀態(tài)立即轉(zhuǎn)為正向阻斷狀態(tài)，回到曲線I狀態(tài)。

曲線Ⅲ為反向阻斷特性。當(dāng)器件的陽極加以反向電壓時，盡管電壓較高，但可控硅不會導(dǎo)通(只有很小的漏電流)。只有反向電壓達(dá)到擊穿電壓時，電流才突然增大，若不加限制器件就會燒毀。正常工作時，外加電壓要小于反向擊穿電壓才能保證器件安全可靠地工作。

可控硅的重要特點(diǎn)是：只要控制極中通以幾毫安至幾十毫安的電流就可以觸發(fā)器件導(dǎo)通，器件中就可以通過較大的電流。利用這種特性可用于整流、開關(guān)、變頻、交直流變換、電機(jī)調(diào)速、調(diào)溫、調(diào)光及其它自動控制電路中。

二、可控硅的主要技術(shù)參數(shù)

1．正向阻斷峰值電壓(VPFU)

是指在控制極開路及正向阻斷條件下，可以重復(fù)加在器件上的正向電壓的峰值。此電壓規(guī)定為正向轉(zhuǎn)折電壓值的80％。

2．反向阻斷峰值電壓(VPRU)

它是指在控制極斷路和額定結(jié)溫度下，可以重復(fù)加在器件上的反向電壓的峰值。此電壓規(guī)定為較高反向測試電壓值的80％。

3．額定正向平均電流(IF)

在環(huán)境溫度為+40C時，器件導(dǎo)通(標(biāo)準(zhǔn)散熱條件)可連續(xù)通過工頻(即指供電網(wǎng)供給的電源頻率．一般為50Hz或60Hz，我國規(guī)定為50Hz)正弦半波電流的平均值。

4．正向平均壓降(UF)

在規(guī)定的條件下，器件通以額定正向平均電流時，在陽極與陰極之間電壓降的平均值。

5．維持電流(IH)

在控制極斷開時，器件保持導(dǎo)通狀態(tài)所必需的極小正向電流。

6．控制極觸發(fā)電流(Ig)

陽極與陰極之間加直流6V電壓時，使可控硅完全導(dǎo)通所必需的極小控制極直流電流。

7．控制極觸發(fā)電壓(Ug)

是指從阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時控制極上所加的極小直流電壓。

普通小功率可控硅參數(shù)見表3-lO。

表3-10 普通小功率可控硅參數(shù)

*正向阻斷峰值電壓及反向阻斷峰值電壓在30～3000范圍內(nèi)分檔。

三、多種用途的可控硅

根據(jù)結(jié)構(gòu)及用途的不同，可控硅已有很多不同的類型，除上述介紹的整流用普通可控硅之外還有；①快速可控硅。這種可控硅可以工作在較高的頻率下，用于大功率直流開關(guān)、電脈沖加工電源、激光電源和雷達(dá)調(diào)制器等電路中。②雙向可控硅。它的特點(diǎn)是可以使用正的或負(fù)的控制極脈沖，控制兩個方向電流的導(dǎo)通。它主要用于交流控制電路，如溫度控制、燈光調(diào)節(jié)及直流電極調(diào)速和換向電路等。③逆導(dǎo)可控硅。主要用于直流供電車輛(如無軌電車)的調(diào)速。④可關(guān)斷可控硅。這是一種新型可控硅，它利用正的控制極脈沖可觸發(fā)導(dǎo)通，而用負(fù)的控制極脈沖可以關(guān)斷陽極電流，恢復(fù)阻斷狀態(tài)。利用這種特性可以做成無觸點(diǎn)開關(guān)或用于直流調(diào)壓、電視機(jī)中行掃描電路及高壓脈沖發(fā)生器電路等。

可控硅的用途很廣泛，下面僅舉兩例來說明可控硅電路的工作過程。

圖3-31是采用雙基極管的可控硅調(diào)壓電路，D1～D2組成全波橋式整流電路。BG雙基極管構(gòu)成可控硅的同步觸發(fā)電路(是一個張弛振蕩器)。整流電壓經(jīng)電阻R1降壓后加在A、B兩點(diǎn)。整流后脈動電壓的正半周通過R4、W向電容C充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到雙基極管峰點(diǎn)電壓UP時，BG由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，電容C通過b1e結(jié)及R。迅速放電，其放電電流在R。上產(chǎn)生一個尖脈沖，成為觸發(fā)可控硅(SCR)極的觸發(fā)信號，從而導(dǎo)致可控硅導(dǎo)通?？煽毓鑼?dǎo)通后其正向壓降很低，所以張弛振蕩器即停止工作，電源電壓過零時(由于無濾波電容，故為單向脈動電壓)可控硅就自動關(guān)斷。待下一個正半周到來時，電容C又充電，重復(fù)上述過程。因而串聯(lián)于整流電路的負(fù)載RL上就得到～個受控的脈沖電壓。電容C的充電速度與R4、、W及C的乘積有關(guān)，所以調(diào)節(jié)W之值，即能改變電容C充電到U，值的時間．也就可以改變可控硅的導(dǎo)通時間，從而改變了負(fù)載上電壓的大小。

圖3-32是一種利用可控硅做成的感應(yīng)(接近)開關(guān)。它是利用人體電容和電阻與電路上電容C1，并聯(lián)促使氖管N導(dǎo)通點(diǎn)燃，從而在電阻R1上產(chǎn)生可控硅的觸發(fā)信號，使可控硅導(dǎo)通，點(diǎn)著串于可控硅電路里的燈泡。也可在電路里串接繼電器，帶動其他電器裝置的開啟或關(guān)閉。

四、用萬用表檢查可控硅的好壞

1．判定可控硅的電極

小功率可控硅的電極從外形上可以差別，一般陽極為外殼，陰極線比控制極引線長，如圖3-29所示。如果其它型式的封裝，不知電極引線時可以用萬用表的電阻檔進(jìn)行判別。從可控硅的結(jié)構(gòu)圖上可以看出，陰極與控制極之間有一個PN結(jié)，而陽極與控制極之間有兩個反向串聯(lián)的PN結(jié)。用電表R×100檔先測出控制極。方法是將負(fù)表筆試接某一電極，正表筆依次碰觸另外兩個電極，假如有一次阻值很小(約幾百歐姆)，另一次阻值很大(約幾千歐姆)，說明負(fù)表筆接的正是控制極(G)。在阻值小的那次測量中，接正表筆的一端是陰極(C或K)，阻值大的那次，接正表筆的是陽極(A)；若兩次測出的阻值均很大，說明負(fù)表筆接的不是控制極，應(yīng)更換另外一個電極，重復(fù)上述判別．

2．檢查可控硅的好壞

對于一個良好的可控硅應(yīng)包括以下內(nèi)容：①三個PN結(jié)均是良好的；②可控硅反向電壓時能夠阻斷，不導(dǎo)通；⑧可控硅正向在控制極開路時能夠阻斷；④如果控制極加了正向電流，而陽極加正向電壓時可控硅可以導(dǎo)通，且撤去控制極電流后仍能維持導(dǎo)通。對于前三項(xiàng)可以通過測量極間電阻的方法判別，后一條要進(jìn)行導(dǎo)通試驗(yàn)。

(1)測極間電阻。用萬用表電阻檔測陽極與控制極之間、陽極與陰極之間的電阻。注意，宜用電表電阻極高檔，阻值均應(yīng)很高。如阻值很小，并用低阻檔再量阻值仍較小，表明可控硅已擊穿、管子是壞的。陽極和陰極之間的正向電阻值(即陽極接負(fù)表筆，陰極接正表筆時阻值)，反映可控硅正向阻斷特性，阻值愈大，表示正向漏電流愈小。陽極與陰極之間的反向阻值反映可控硅的反向阻斷特性，阻值愈大，表示反向漏電流愈小。

測控制極與陰極之間的電阻。用R×10或R×100檔測量為宜。如果正向電阻(控制極接負(fù)筆，陰極接正筆)極大，接近∞處，表示控制極與陰極之間已經(jīng)燒毀，管子已壞。至于反向電阻應(yīng)很大，不過有些管子控制極與陰極之間的反向電阻并不太高，這也是正常的。表3-11給出測量3CT5B可控硅的G、C極間電阻數(shù)據(jù)，供參考。

表3-11 3CT5可控硅G、C極間電阻值

(2)導(dǎo)通試驗(yàn)。利用萬用表的直流電流檔(100mA檔或更大些電流檔)，需外加6V直流電源，按圖3-33所示電路接好。先不合開關(guān)K，此時電流表指示應(yīng)很小(正向阻斷)，當(dāng)K閉合時電流應(yīng)有100mA左右。電流若很小表明管子正向壓降太大或已損壞。再斷開K，電表指示應(yīng)仍為100mA左右基本上無變化。切斷6V電源再一次重復(fù)上述過程，如一切同前表示管子導(dǎo)通性能是良好的。在沒有萬用表時，用6.3V小燈泡代替電表也可以，導(dǎo)通時燈泡亮。

五、單結(jié)晶體管

單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和電路符號如圖3-34所示。因?yàn)樗挥幸粋€PN結(jié)，所以稱為單結(jié)晶體管。但由于它有兩個基極，故又稱雙基極二極管。它的外形與三極管相似，也有三只管腳，其中一個是發(fā)射極(e)，另外兩個是基極(b1和b2)。它是一種具有負(fù)阻特性的器件(電流增加而電壓降反而減小的特性)。圖3-35是它的伏安特性曲線及等效電路。雙基極管可組成弛張振蕩器、自激多諧振蕩器以及定時延時等電路，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

輸入電壓U＜ηUbb時，發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)處于反向偏置，管子截止，電流很小。

當(dāng)輸入電壓Ube＞ηUbb+UD時，(UD為二極管正向壓降約為0.7V)PN結(jié)正向?qū)щ姡琁e明顯增加，rbl阻值迅速減小，Ue相應(yīng)下降。這種電壓隨電流增加反而下降的特性就是雙基極管的負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的交界點(diǎn)稱為峰點(diǎn)。與其對應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流分別稱為峰點(diǎn)電壓VP和峰點(diǎn)電流IP，顯然UP≈ηUbb。

隨著發(fā)射極電流Ie不斷增加，Ue不斷下降，降至某一點(diǎn)時不再下降了，這一點(diǎn)稱為谷點(diǎn)。谷點(diǎn)之后管子特性進(jìn)入了飽和區(qū)。與谷點(diǎn)對應(yīng)的發(fā)射極電壓Uu與發(fā)射極電流Iu分別稱為谷點(diǎn)電壓和谷點(diǎn)電流。顯然Uu是維持單結(jié)管導(dǎo)通的極小發(fā)射極電壓，只要Ue>Uu管子又會重新截止。

特性進(jìn)入飽和區(qū)后，發(fā)射極與第一基極間的電流達(dá)到飽和狀態(tài)，所以Ue繼續(xù)增加時，Ie增加不多。