双向可控硅工作原理图

2018-05-05 18:11:42 admin 0

 双向可控硅是一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件,是在普通可控硅的基础上发展而成的交流开关器件,其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意,发明于1957年。双向可控硅为单向导电性开关,能代替两只反极性并联的可控硅,而且仅需一个触发电路。可控硅具有导通和关断两种状态,从外形上区分主要有:螺栓形、平板形和平底形三类。

  由于双向可控硅特性类似于真空闸流管,所以国际上通称为硅晶体闸流管,简称可控硅T;又由于可控硅最初应用于可控整流方面,所以又称为硅可控整流元件,简称为可控硅SCR。

双向可控硅原理图——结构原理图

  双向可控硅属于NPNPN五层器件,三个电极分别是T1、T2、G。尽管从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合,但实际上它是由7只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。

  因该器件可以双向导通,故除门极G以外的两个电极统称为主端子,用T1、T2。表示,不再划分成阳极或阴极。其特点是,当G极和T2极相对于T1,的电压均为正时,T2是阳极,T1是阴极。反之,当G极和T2极相对于T1的电压均为负时,T1变成阳极,T2为阴极。双向可控硅由于正、反向特性曲线具有对称性,所以它可在任何一个方向导通。

  相比于单向可控硅,双向可控硅在原理上最大的区别就是能双向导通,不再有阳极阴极之分,取而代之以T1和T2,其结构示意图如下图2(a)所示,如果不考虑G级的不同,把它分割成图2(b)所示,可以看出相当于两个单向可控硅反向并联而成,如图2(c)所示连接。

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  图2 双向可控硅结构原理图

双向可控硅原理图——特性

  TRIAC为三端元件,其三端分别为T1 (第二端子或第二阳极),T 2(第一端子或第一阳极)和G(控制极)亦为一闸极控制开关,与SCR最大的不同点在于TRIAC无论于正向或反向电压时皆可导通,其符号构造及外型如下图3所示。因为它是双向元件,所以不管T1、T2的电压极性如何,若闸极有信号加入时,则T1 ,T2间呈导通状态;反之,加闸极触发信号,则T1 ,T2间有极高的阻抗。

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 (a)符号(b)构造

  图3 TRIAC

双向可控硅原理图——触发特性

  由于TRIAC为控制极控制的双向可控硅,控制极电压VG极性与阳极间之电压VT1T2四种组合分别如下:

  (1). VT1T2为正, VG为正。

  (2). VT1T2为正, VG为负。

  (3). VT1T2为负, VG为正。

  (4). VT1T2为负, VG为负。

  一般最好使用在对称情况下(1与4或2与3),以使正负半周能得到对称的结果,最方便的控制方法则为1与4之控制状态,因为控制极信号与VT1T2同极性。

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  图4 TRIAC之V-I特性曲线

  上图4所示为TRIAC之V-I特性曲线,将此图与SCR之VI特性曲线比较,可看出TRIAC的特性曲线与SCR类似,只是TRIAC正负电压均能导通,所以第三象限之曲线与第一象限之曲线类似,故TRIAC可视为两个SCR反相并联TRIAC之T1-T2的崩溃电压亦不同,亦可看出正负半周的电压皆可以使TRIAC导通,一般使TRIAC截止的方法与SCR相同,即设法降低两阳极间之电流到保持电流以下TRIAC即截止。

双向可控硅原理图——相位控制

  TRIAC的相位控制与SCR很类似,可用直流信号,交流相位信号与脉波信号来触发,所不同者是V T1-T2负电压时,仍可触发TRIAC。TRIAC能双向导通,在正负半周均能触发、可作为全波功率控制之用,因此TRIAC除具有SCR的优点,更方便于交流功率控制。

  图5(a)为TRIAC相位控制电路,只适当的调整RC时间常数即可改变它的激发角;图5(b)、5(c)分别是激发角为30度时的VT1-T2及负载的电压波形,一般TRIAC所能控制的负载远比SCR小,大体上而言约在600V、40A以下。

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  (a)

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  (b)AC两端电压波形

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  (c)负载两端电压波形

  图5 TRIAC相位控制电路

双向可控硅原理图——检测方法

  下面介绍利用万用表RXl档判定双向晶闸管电极的方法,同时还检查触发能力。

  1.判定T2极

  由图6可见,G极与T1极靠近,距T2极较远。因此,G—T1之间的正、反向电阻都很小。在用 RXl档测任意两脚之间的电阻时,只有在G-T1之间呈现低阻,正、反向电阻仅几十欧,而T2-G、T2-T1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明,如果测出某脚和其他两脚都不通,就肯定是T2极。另外,采用TO—220封装的双向晶闸管,T2极通常与小散热板连通,据此亦可确定T2极。

  2.区分G极和T1极

  (1)找出T2极之后,首先假定剩下两脚中某一脚为Tl极,另一脚为G极。

  (2)把黑表笔接T1极,红表笔接T2极,电阻为无穷大。接着用红表笔尖把T2与G短路,给G极加上负触发信号,电阻值应为十欧左右(参见图6(a)),证明管子已经导通,导通方向为T1一T2。再将红表笔尖与G极脱开(但仍接T2),若电阻值保持不变,证明管子在触发之后能维持导通状态(见图6(b))。

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  图6 用万用表判定双向晶闸管电极

双向可控硅原理图——工作原理

  双向可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三个PN结,分析原理时,可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成。

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  图7 双向可控硅等效图解

  当阳极A加上正向电压时,BG1和BG2管均处于放大状态。此时,如果从控制极G输入一个正向触发信号,BG2便有基流ib2流过,经BG2放大,其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连,所以ib1=ic。

  此时,电流ic2再经BG1放大,于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极,表成正反馈,使ib2不断增大,如此正向馈循环的结果,两个管子的电流剧增,可控硅使饱和导通。

  由于BG1和BG2所构成的正反馈作用,所以一旦可控硅导通后,即使控制极G的电流消失了,可控硅仍然能够维持导通状态,由于触发信号只起触发作用,没有关断功能,所以这种可控硅是不可关断的。

  由于可控硅只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性需要一定的条件才能转化,条件如下:

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  表1 可控硅导通和关断状态的转化条件

双向可控硅原理图——命名规则

  1,TRIAC:

  三端:TRIode(取前三个字母);

  交流半导体开关:ACsemiconductor switch(取前两个字母)。

  以上两组名词组合成“TRIAC”,中文译意“三端双向可控硅开关”。由此可见“TRIAC”是双向可控硅的统称。

  2,BCR:

  双 向:Bi-directional(取第一个字母);

  控 制:Controlled (取第一个字母);

  整流器:Rectifier (取第一个字母)。

  再由这三组英文名词的首个字母组合而成:“BCR”,中文译意“双向可控硅”。以“BCR”来命名双向可控硅的典型厂家如日本三菱,如:BCR1AM-12、BCR8KM、BCR08AM等等。

  3,BT:

  双 向:Bi-directional (取第一个字母);

  三 端:Triode (取第一个字母)。

  由以上两组单词组合成“BT”,也可对双向可控硅产品的型号命名,典型的生产商如:  意法ST公司、荷兰飞利浦-Philips公司,均以此来命名双向可控硅。代表型号如:PHILIPS 的BT131-600D、BT134-600E、BT136-600E、BT138-600E、BT139-600E、等等,这些都是四象限/非绝缘型/双向可控硅。



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