可控硅元件的工作原理及基本特性

可控硅元件的工作原理及基本特性

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。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等。

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。

一、单向可控硅

1．单向可控硅的工作原理

单向可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，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。分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，如图1所示。

图1 单向可控硅结构示意图、等效电路及其符号

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I b2流过，经BG2放大，其集电极电流I c2=β2I b2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以I b1=I c2，于是BG1的发射极电流I e1=(1+β1)I b1 β1β2I b2。这个电流又流回到BG2的基极，形成正反馈，使I b2不断增大，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，所以单向可控硅是不可通过改变控制极G的电压关断的。

2．单向可控硅的工作特性

单向可控硅的导通和关断两种工作状态，需要一定的条件才能转化，此条件见表1。

表1 单向可控硅导通和关断条件

状态条件说明

从关断到导通1．阳极电位高于是阴极电位

2．控制极有足够的正向电压和电流

两者缺一不可

维持导通1．阳极电位高于阴极电位

2．阳极电流大于维持电流

两者缺一不可

从导通到关断1．阳极电位低于阴极电位

2．阳极电流小于维持电流

任一条件即可

其工作特性见图2。

图2 单向可控硅特性

其VI特性见图3。

图3 单向可控硅VI特性

3．单向可控硅的电参数

单向可控硅的电参数见表2。

表2 单向可控硅的电参数

4．单向可控硅三个电极的测试

单向可控硅的三个电极可以用万用表欧姆档R×100档位来测试。大家知道，晶闸管G、K之间是一个PN结，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A了。

5．各种不同封装形式的单向可控硅引脚图

各种不同封装形式的单向可控硅引脚图如图4所示。

图4 不同封装形式的单向可控硅引脚图

二、双向可控硅

1．双向可控硅的工作原理

双向可控硅TRIAC（TRIode AC semiconductor switch）为三端双向交流开关，亦称为双向晶闸管。双向可控硅的结构与符号见图5，从形式上可将双向可控硅看成一对反并联连接的普通可控硅的集成，工作原理与普通单向可控硅相同。它属于NPNPN 五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。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。

图5 双向可控硅符号、结构示意图及其等效电路

2．双向可控硅的工作特性

双向可控硅的工作特性见图6。

图6 双向可控硅特性

双向可控硅的伏安特性见图7，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。

图7 双向可控硅VI特性双向可控硅的触发模式见图8。

图8 双向可控硅的触发模式双向可控硅的触发象限见表3。

3．双向可控硅的电参数

双向可控硅的电参数见表4。

表4 双向可控硅的电参数

4．双向可控硅三个电极的测试

双向可控硅的三个电极可以用万用表欧姆档R×100档位来测试。用红黑两表笔分别测任意两引脚正反向电阻，结果其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时，该组红黑表笔所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G，另一空脚即为第二阳极A2。

5．各种不同封装形式的双向可控硅引脚图

各种不同封装形式的双向可控硅引脚图如图9所示。

图9 不同封装形式的双向可控硅引脚图