可控硅调光电路实验

可控硅调光电路【概述】可控硅英文名为Silicon Controlled Rectifier,缩写为SCR，意为硅的可控整流器。

SCR是一种半导体的可控整流器件，可以作为一种控制电路通断的无触点开关。

如果用它组成一定的电路，用来调节灯泡两端的电压，便可以调节灯的亮度，制成可控硅调光灯。

电路如图所示。

图中双向可控硅，它有三个电极，T1,T2和控制极G.。

双向可控硅无阴、阳极之分，且正、负触发电压Ug只要达到一定的数值都可以使它导通。

2CS为双向触发二极管，是一种配合双向可控硅工作的专用二极管。

当二极管两端电压未达到转折电压时，它呈现高阻状态，一旦达到转折电压时突然呈现低阻状态，电流迅速增大。

R2为电位器，作可变电阻用。

R1为保护电阻，以免R2减小到零时，将电容器C、双向二极管、可控硅等元件损坏。

当R2处于阻值最大时。

电容器C上充电到触发二极管转折电压所需要的时间最长，因而可控硅导通时间最短，灯泡发光最暗。

当R2逐渐减小时，相应可控硅的导通时间变长，灯逐渐变亮。

为达到开、关灯的目的，所以采用带有开关的电位器，开关K接在图中虚线的部位。

可控硅调光灯实际使用时是直接采用交流220V市电。

但是，为避免初学者在测试是发生触电的危险，所以实验是采用的是36V安全电压的交流电源。

【实验目的】1．了解可控硅调光的基本原理。

2．使用双踪示波器测量电路有关点的电压波形，以进一步理解可控硅调光灯的工作原理【知识准备】1．关键词：可控硅，双向可控硅，双向触发二极管，调光灯。

2．可控硅的符号，三个电极的名称。

在什么条件下可以使可控硅导通或截止。

可控硅的主要技术参数。

3．双向可控硅的符号及其特性。

采用双向可控硅电路调光的原理。

4．双踪示波器的使用知识。

【仪器】万用电表，双踪示波器，电路元件（包括双向可控硅，双向触发二极管，电阻，电容，电位器和变压器等），电路板等。

【实验内容】1．熟悉各电路元件的性能，记录主要参数，并考虑元件的选择。

2．调光灯电路的调试与装配。

测试灯泡两端电压的变化范围，并观察调光效果。

3．用双踪示波器测量可控硅调光灯电路有关点的电压波形，以具体阐明可控硅调光灯的工作原理。

提示：用双踪示波器作两个波形比较时，要注意接地点的选择。

接地点必须选用同一点以免发生局部短路事故。

另外，两个通道必须采用同一触发源，这样两个信号波形的相位比较才有意义。

【思考题】1. 单向可控硅可以采用本实验线路吗？为什么？2. 为什么不可用万用电表电阻量程来判断触发二极管的性能？你能设计出用万用电表来判断它的性能的方法吗？附：【万用电表判别双向可控硅的电极方法】先用1⨯R 档将正负表棒分别与双向可控硅的任意二个电极相接，若发现不论黑红表棒如何与其中二个电极相接时，电阻都很小（约几十欧姆），其电阻较小的一次与黑表棒下接的电极为G ，红表棒相接的为1T 。

二者电阻相差仅几欧姆。

再用K R 10⨯档测量1T 与2T 之间电阻时不论表棒极性电阻都极大，表针基本上不偏。

实验中使用的双向可控硅型号为TLC336(3A600V)，它的管脚排列如图。

【参考实验线路图】图中22K Ω为保护电阻，以免460K 电位器减小为零时将电容器、双向二极管、可控硅等损坏。

当电位器处于电阻值最大时，电容器C 上充电到触发二极管所需的转折电压所需时间愈长，因而可控硅导通时间短，灯泡发光较暗，当电阻逐渐减小时，相应可控硅的导通时间愈长，灯的亮度逐渐增大。

从原理上讲改变电容C 的电容量也可以达到改变灯的亮度，但改变电容比较困难，所以实用灯光控制电路中都采用电位器来调节光强。

为达到关灯的目的所以采用带有开关的电位器。

开关可安置在图中虚线框内。

【参考资料】NO.1可控硅元件基础知识一、概述一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称晶闸管T。

又由于晶闸管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。

在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（谷称“死硅”）更为可贵的可控性。

它只有导通和关断两种状态。

可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损髦显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。

可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。

可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。

可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。

二、可控硅元件的结构和型号1、结构不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。

见图1。

它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件图1、可控硅结构示意图和符号图2．型号目前国产可控硅的型号有部颁新、旧标准两种，新型号将逐步取代旧型号。

表一 KP型可控硅新旧标准主要特性参数对照表KP型可控硅的电流电压级别见表二表二、KP型可控硅电流电压级别示例：（1）KP5-10表示通态平均电流5安，正向重复峰值电压1000伏的普通反向阻断型可控硅元件。

（2）KP500-12D表示通态平均电流500安，正、反向重复峰值电压1200伏，通态平均电压0.7伏的业通反向阻断型可控硅元件（3）3CT5/600表示通态平均电流5安，正、反向重复峰值电压600伏的旧型号普通可控硅元件。

三、可控硅元件的工作原理及基本特性1、工作原理可控硅是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，其等效图解如图2所示图2、可控硅等效图解图当阳极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=ic2。

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，此条件见表三表三、可控硅导通和关断条件2、基本伏安特性可控硅的基本伏安特性见图3图3、可控硅基本伏安特性（1）反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图4），J2结正偏，但J1、J2结反偏。

此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。

此时，可控硅会发生永久性反向击穿。

（2）正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图5），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压图4、阳极加反向电压图5、阳极加正向电压由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。

进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。

这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图3中的BC段3、触发导通在控制极G上加入正向电压时（见图6）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。

在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。

图6、阳极和控制极均加正向电压NO.2双踪示波器1．特点一般示波器在同一时间甲只能观察一个电压信号，而双踪示波器可以在荧光屏上同时显示两个电压信号，以进行观测。

为了在只有个电子枪的示波管(称为单束示波管)的荧光屏上能够同时观测两个电压信号，这种示波器内设有电子开关线路。

用电子开关来控制两个Y轴通道的工作状态，使得待测的两个电压信号Ya和Yr周期性地轮流作用在r偏转板上，这样在荧光屏上忽儿显示Ya信号波形，忽儿显示Yr信号波形。

由于荧光屏荧光物质的余辉以及人眼视觉滞留效应的缘故，在荧光屏上看到的便是两个波形。

下图是双踪示波器的控制电路方框图。

双踪示波器控制电路方框图2．“交替”与“断续”两种工作方式双踪示波器的Y轴输入有两个通道，利用电子开关线路把信号，Ya和Yb。

分别周期性地轮流加到示波管的Y偏转板上、其—工作方式可分为“交替”与“断续”两种；(1)“交替”工作方式常用ALT表示，它是英文alternate的缩写。

它表示第1次扫描接通Ya信号，那么第2次扫描就接通Yb信号，如此重复下去，这就是“交替”工作方式，其原理示意图见图1a。

处于“交替”工作方式时，尽管Ya和Yb信号波形是交替显示的，但如果扫描频率大于25Hz，由于荧光物质的余辉和视觉滞留效应，所观察到的波形似乎仍然是持续的，不会有闪烁的感觉。

为了能至少显示一个周期的完整波形，待测信号频率不宜低于扫描频率，因此“交替”工作方式不适用于观测低频信号。

(2)“断续”工作方式也可用英文Chopping的缩写CHOP表示。

在每次扫描过程中，快速地轮流接通两个输入信号Ya和Yb，这种方式称为“断续”工作方式。

图1b是“断续”工作方式的原理示意图。

图1 “交替”与“断续”工作方式原理图在“断续"工作方式时，荧光屏显示的两个波形实际上是由许多不连续的小线段组成的。

只要电子开关所控制的通道转换速度足够快，显示的线段足够地密集，于是观察到的波形看起来还是连续的。

显而易见，在“断续”工作方式时，待测信号的周期一定要比电子开关通道转换周期大得多，也就是要求待测信号频率远远低于电子开关通道转换频率。