晶闸管的工作原理

晶闸管是一种大功率的半导体器件，它具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、使用维护简单、控制灵敏等优点。同时它的功率放大倍数很高，可以用微小的信号功率对大功率的电源进行控制和变换。在脉冲数字电路中也可以作为功率开关使用。它的缺点是过载能力和抗干扰能力较差，控制电路比较复杂等。

晶体二极管组成的整流电路，电路形式一旦确定，则当输入的交流电压不变时，输出的直流电压值也是固定的，不能任意控制和改变，因此这种整流电路通常称为不可控整流电路。然而在实际工作中，有时希望整流器的输出直流电压能够根据需要进行调节，例如，交、直流电动机的调速、随动系统和变频电源等等。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。晶闸管的外形图片见图1。 

图1   晶闸管的照片

晶闸管有三个电极，阳极A、阴极K和控制极G，图2为晶闸管的符号和内部结构。晶闸管由PNPN四层半导体构成，中间形成三个PN结：J₁、J₂、J₃。从下面的P₁层引出阳极A，从N₂层引出阴极K，由中间的P₂层引出控制极G，用铝片和钼片作为衬底。

　

图2  晶闸管的内部结构示意图及电路符号

[!--empirenews.page--]晶闸管导电情况的实验一[/!--empirenews.page--]晶闸管导电情况的实验一

 第一步：按图3(a)接线，晶闸管不导通，指示灯不亮。

 

第二步：见图3(b)，在晶闸管的栅极阴极间加触发电压U_GK，晶闸管导通，指示灯亮。

第三步：按图3(c)接线，去掉触发电压，晶闸管仍导通，指示灯亮。

第四步：按图3(d)接线，去掉触发电压，将电位器阻值加大，晶闸管电流减小，当电流减小到一定值时，晶闸管关断，指示灯熄灭。

第五步：按图3(e)接线，去掉触发电压，将电源极性反接，晶闸管关断，指示灯熄灭。

为说明晶闸管的工作原理，把晶闸管看成是由PNP（T₁）和NPN（T₂）两个三极管所组成，如图4所示 

              图4  晶闸管等效为两个三极管

当不加控制极电压时，即I_G=0 ，T₂没有输入基极电流，则T₁和T₂中只有比较小的漏电流，晶闸管处于阻断状态.

[!--empirenews.page--]当阳极和阴极之间加正向电压[/!--empirenews.page--]当阳极和阴极之间加正向电压U_AK ，控制极和阴极之间加正向电压U_GK时，如图5所示，控制极电流I_G （I_G=I_B2）就产生，经过T₂放大后，形成集电极电流I_C2=B₂I_B2 ，这个电流又是T₁的基极电流I_B1 ，即 I_B1=I_C2，同样经过T₁放大，产生集电极电流I_C1=B₁B₂I_B2 ，此电流又作为T₂的基极电流再次放大，如此循环往复，形成一个正反馈过程。每循环一次，管子中的电流增大B₁B₂倍，T₁和T₂的b值与通过的电流大小有关，如图6所示，当I_G增大到满足条件 B₁B₂>1时，即使撤去I_G ，电流也能自行保持且不断增长，于是在极短时间内很快使两个管子充分饱和，使晶闸管处于导通状态。导通以后，晶闸管的阳极电流很大，而管子两端的压降很小，约1V左右，此时外加的电源电压 U_AK基本上都降落在负载电阻R_L上。

   图5  晶闸管的导电原理

晶闸管导通以后，T₂中的基极电流比原来外加的电流I_G大得多，所以即使此时将控制极电压去掉，晶闸管仍能继续导通，成为不可控，所以为使晶闸管导通，控制极只需加一个正的触发脉冲。

     图6  与b的关系曲线

[!--empirenews.page--]晶闸管由导通变为阻断状态[/!--empirenews.page--]为使晶闸管由导通变为阻断状态，可以采用降低电源电压，或增大负载电阻，或改变电源电压极性等方法使阳极电流I_A减小到某一特定数值以下，才能使晶闸管重新阻断。这是由于当 I_A减小时，相当于三极管T₁、T₂的电流也随之减小，当I_E很小时，b值下降。此时在两个三极管中电流将愈来愈小，因而很快使晶闸管阻断。

 

 

 

 

晶闸管导电情况的实验二

(1)当S1未按下时，Q2基极无回路﹒没有IB2产生，则IC2=0，无IB1供给Q1，则IC1=0，故两电晶体均截止，即使A、K之间加上电压;也无法使电流从A流到K。
(2)若按开关S1则VGG电压加于G、K之间，使G流入电流IG，IG供给Q2基极电流，使Q2产生集极电流IC2，供Q1产生基极电流IB1，如因此有IC1流动，IC1再供给Q2基极电流，如此正回授使Q1、Q2在很短时间内成为导通状态，虽然S1断开两三极管仍然维持导通。
(3)欲使A、K之间恢复截止状态，可将开关S2断开令IAK中断，则Q1、Q2又成为截止。

综上所述，晶闸管的导通条件为：①在晶闸管的阳极和阴极之间加上一定大小的正向电压；②在控制极和阴极之间加上正向触发电压。满足这两个条件，晶闸管才能导通，否则处于阻断状态。值得注意的是，晶闸管一旦触发导通后，控制极就失去了控制作用，这时要使电路阻断，必须使阳极电压降到足够小，以使阳极电流降到I_H（晶闸管的最小维持电流）以下。

在晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压而控制极不加电压时，由于PN结J₂为反向偏置，所以晶闸管不导通，即处于阻断状态；而当外加电压极性相反时，由于J₁和J₃反向偏置，晶闸管仍然阻断。这两种情况均相当于开关处于断开状态。如果在阳极和阴极之间加正向电压的同时，在控制极与阴极之间也加上一个正向电压，则晶闸管就由阻断变为导通，而且管压降很小，约1V左右，相当于开关处于闭合状态。可见，晶闸管相当于一个可以控制的单方向导电的开关。与二极管相比，它具有可控性；与三极管相比，它不具有阳极电流随控制极电流按比例增大的特性，只有当控制极电流达到某一数值时（一般为几十毫安），阳极与阴极之间由阻断突然变为导通。晶闸管导通后，可以通过几十至上千安培的电流），并且一旦导通后，控制极一般就不再起控制作用，从而保持其导通状态。如欲使其关断，可将阳极电流减小到某一数值或加上反向电压来实现。关断后可重新恢复其控制能力。

 

(可控硅)晶闸管的工作原理