第六章晶闸管及其应用电路ppt课件.ppt

第六章 晶闸管及其应用电路,6-1 晶闸管,6-2 晶闸管整流电路,6-4 晶闸管的选择和保护,6-5 晶闸管的触发电路,6-6 晶闸管的其他应用电路,6-3 负载对晶闸管整流的影响,6-7 双向晶闸管简介,6-1 晶闸管,一、晶闸管的结构、符号,A阳极,K阴极,G门极,晶闸管的结构,晶闸管的符号,晶闸管的导电特点：,（1）晶闸管具有单向导电特性,（2）晶闸管的导通是通过门极控制的,晶闸管导通的条件：,（1）阳极与阴极间加正向电压,（2）门极与阴极间加正向电压，这个电压称为触发电压。,（以上两个条件，必须同时满足，晶闸管才能导通）,导通后的晶闸管关断的条件：,（1）降低阳极与阴极间的电压，使通过晶闸管的电流小于维持电流IH,（2）阳极与阴极间的电压减小为零,（3）将阳极与阴极间加反向电压,（只要具备其中一个条件就可使导通的晶闸管关断）,二、晶闸管的工作特性,（1）晶闸管一旦触发导通，就能维持导通状态，门极失去控制作用。要使导通的晶闸管关断，必须减小阳极电流到维持电流IH以下。,小结：,（2）晶阐管具有“可控”的单向导电特性，所以晶闸管又称单向可控硅。,“可控”有两层含义：一是晶闸管的导通是受门极控制的；二是导通的晶闸管关断是受阳极与阴极间电压控制的。,由于门极所需的电压、电流比较低（电路只有几十至几百毫安），而阳极A与阴极K可承受很大的电压，通过很大的电流（电流可大到几百安培以上），因此，晶阐管可实现弱电对强电的控制。,三、晶闸管的主要参数,断态重复峰值电压UDRM,结温为额定值，门极断开，允许重复加在晶闸管A与K间的正向峰值电压,反向重复峰值电压URRM,结温为额定值，门极断开，允许重复加在晶闸管A与K间的反向峰值电压,通态平均电流IT（AV）,在规定的环境温度和散热条件下，结温为额定值，允许通过的工频正弦半波电流的平均值,通态平均电压UT（AV）,结温稳定，通过的工频正弦半波额定的平均电流，晶闸管导通时，A与K间的电压平均值，习惯上称为导通时的管压降,维持电流IH,在规定的环境温度下，门极断路时，维持晶闸管导通所必须的最小电流,晶闸管由通到断的临界电流,四、晶闸管的型号,五、晶闸管的简单测试,6-2 晶闸管整流电路,一、单相可控整流电路,二、三相可控整流电路,晶闸管组成的整流电路可以在交流电压不变的情况下，方便地改变直流输出电压的大小，即可控整流。,一、单相可控整流电路,1、单相半波可控整流电路,单相半波可控整流电路,单相半波整流电路,2,t1,t2,u2,+,u2,+,-,-,uL,+,-,iL,（1）电路组成及工作原理,t1,t1,t2,t2,u1,u2,2,t1,t2,t1,t1,t2,t2,控制角从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通所对应的电角度。,导通角晶闸管实际导通的角度。,+=,改变的大小，即可改变输出电压uL的波形。 越大，越小。,把控制角的变化范围称为移相范围。,单相半波可控整流电路的移相范围为：0,（2）主要参数计算,输出电压的平均值,负载电流平均值,通过晶闸管的平均电流,晶闸管承受的最大电压,（3）电路特点,优点：电路简单，调整方便,缺点：输出电压脉动大，设备利用率低,例6-1 单相半波可控整流电路中，变压器二次侧电压U2=120V，当控制角分别为0o、90o、120o、180o时，负载上的平均电压分别是多少？,解：,=0o时,=90o时,=120o时,=180o时,改变控制角的大小可改变输出电压的高低，移相范围为：0o180o,2、单相半控桥式整流电路,（1）电路组成及工作原理,正半周,单相整流电路,单相可控整流电路,t时,V1、V4正向阻断，V2、V3反向阻断,uL=0,t=时,V1、V4导通，V2、V3反向阻断,uL=u2,t=时,V1、V4关断,uL=0,+,-,+,-,uL,+,-,iL,负半周,t时,V2、V3反向阻断，V1、V4正向阻断,uL=0,t=时,V2、V3反向阻断，V1、V4导通,uL=u2,t=时,V1、V4关断,uL=0,单相桥式可控整流电路的移相范围为：0,（2）主要参数计算,输出电压的平均值,负载电流平均值,通过晶闸管的平均电流,晶闸管承受的最大电压,（3）电路特点,优点：输出电压脉动小，设备利用率高,缺点：元件多,例6-2 一单相桥式可控整流电路，输入电压U2=220V，RL=5，要求输出电压的范围为0150V，试求输出的最大电流ILM和晶闸管的导通角范围？,解：,输出最大平均电流,当输出电压为150V时,查表得60o,晶闸管的导通角的范围为,V5,用一只晶闸管的单相桥式可控整流电路,V5在电路中不承受反向电压，只要给晶闸管加上触发信号，晶闸管即能导通，,作用相当于接在负载电路中的一只开关。,注意：,1、整流电路之后不能接滤波电容,2、晶闸管应选维持电流较大的管子,特点：,uL,二、三相可控整流电路,1、三相半波可控整流电路,（1）电路组成及工作原理,三相半波整流电路,三相半波可控整流电路,uL,iL,各晶闸管控制角的起点均为各自的自然换相点,当控制角为时,+,-,V,U,W,uL,=1200,=1200,=1200,=0时,工作波形, =120,V,U,W,输出波形连续,uL,600,=60时,工作波形,600,600, =90, 120,V,U,W,输出波形不连续,uL,900,=90时,工作波形,900,900,120, =60,V,U,W,小结:,（1）改变触发脉冲的时间，就能改变整流电路输出电压uL的大小：当0时，输出波形同三相半波整流电路，输出电压最大，增大，输出电压减小，150时，uL=0。,（2）当30时，uL波形连续，,（3）任一相对应晶闸管导通期间，其他晶闸管承受相应的线电压。,晶闸管关断点均在下一个晶闸管被触发导通时；,当30时，uL波形断续，晶闸管关断点均在各自相电压过,=120,零处，120,移相范围是0150,（2）主要参数计算,输出电压的平均值,负载电流平均值,通过晶闸管的平均电流,晶闸管承受的最大电压,（3）电路特点,优点：较单相整流输出电压大小增大，脉动性减小，电源平衡性较好,缺点：如直接接电网，会造成电网损耗；如由变压器供电，铁芯易发生直流磁化，使变压器效率降低。,2、三相半控桥式整流电路,三相桥式整流电路,三相半控桥式整流电路,iL,-,（1）电路组成及工作原理,自然换相点为各晶闸管控制角的起点,当控制角为时,uL,+,=0时,工作波形,输出波形同三相桥式整流电路,=120,600,=60时,工作波形,600,600,=120,060,输出波形连续,=90时,工作波形,900,900,900,120,=90,60180,输出波形不连续,小结:,（1）改变触发脉冲的时间，就能改变整流电路输出电压uL的大小：当0时，输出波形同三相桥式整流电路，输出电压最大；增大，输出电压减小，180时，uL=0。,60时，波形断续，,（3）任一相对应晶闸管和二极管导通期间，其他晶闸管和二极管,（2）当60时，波形连续，,=120,120,承受相应的线电压。,移相范围为：0180,思考：如果触发脉冲在自然换相之前加入，输出波形会发生什么现象？,（2）主要参数计算,输出电压的平均值,负载电流平均值,通过晶闸管的平均电流,晶闸管承受的最大电压,（3）电路特点,优点：输出电压较高，脉动性较小，输出电压连续可调范围宽。,缺点：需用三只晶闸管，需三套触发电路.,6-3 负载类型对晶闸管整流的影响,一、电感性负载的影响,电感性负载：电动机的励磁绕组，各种电感线圈。,V1V4,V1V3,V2V3,V2V4,当电源过零时,晶闸管不能及时关断，使晶闸管导通时间延长。,当控制角突然增大或触发信号突然丢失时，,整流,整流,续流,续流,V2V3,整流,正常工作,失控现象,电感性负载单相桥式可控整流电路,1、正常工作,2、失控现象,使电路失控。,晶闸管连续导通，而整流二极管交替导通,3、加续流二极管后的工作,加续流二极管后的电路,V1V4,V5,V2V3,V5,整流,整流,续流,续流,在生产实际中,一旦发生失控,导通的晶闸管将因过热而损坏,为了防止失控现象的发生，必须采取预防措施在负载两端并联一只续流二极管。,整流,续流,+,-,uL,-,+,当整流元件工作时，负载电流经电源构成回路，当整流元件不工作时，负载中电流经续流二极管构成回路。,由以上分析可知：,晶闸管的导通角为时，续流二极管的导通角为2-2,流过晶闸管和整流二极管的平均电流为：,流过续流二极管的平均电流为：,例6-3 有一单相半控桥式整流电路，负载为直流电阻为5的感性负载，输入电压U2=220V，试求控制角=300时的输出电压，晶闸管中的电流平均值，续流二极管中的电流平均值。,解：,负载的平均电压：,负载的平均电流：,流过晶闸管的平均电流：,流过续流二极管的平均电流：,二、反电动势负载的影响,当电源电压u2E时，加触发信号，晶闸管才能导通,反电动势负载单相半控桥式整流电路,当电源电压等于E时，晶闸管关断,晶闸管导通角变小了，输出电流幅值增大,反电动势负载的影响：,采取的措施：,在负载回路上串联平波电感器，然后在其两端再并一个续流二极管,6-4 晶闸管的选择和保护,一、晶闸管的选择,二、晶闸管的保护,一、晶闸管的选择,1、电压等级的选择,2、电流等级的选择,例6-4 负载为纯电阻性的单相半控桥式整流电路，输出直流电流电压为UL=060V，直流电流为010A，试计算晶闸管反向峰值电压URM与It（AV），并选择合适的晶闸管。,解：,由,设输出电压最大（60V）时的控制角 则,考虑到整流器件上压降等因素，U2取值比计算值高10%，故取,晶闸管承受的反向峰值电压,晶闸管应取的反向峰值电压,通过晶闸管的最大平均电流,晶闸管应取的通态平均电流,可选用通态平均电流为10A，额定电压为200V的KP102晶闸管。,例6-5 一只接有续流二极管的单相半控桥式整流电路，RL=5，输入电压U2=220V，晶闸管控制角=60。试计算（1）晶闸管承受的反向峰值电压；（2）通过晶闸管的实际工作电流，并选择合适的管型。,解：,（1）晶闸管承受的反向峰值电压,晶闸管应取的反向峰值电压,（2）通过晶闸管的实际工作电流,输出的直流电压,通过负载的平均电流,导通角,通过晶闸管的实际平均电流,晶闸管应取的通态平均电流,应选取通态平均电流为20A、额定电压为600V的KP206晶闸管两只。,二、晶闸管的保护,普通晶闸管承受过压过流的能力很差，在使用中，除了需有充分的的余地外，还要采取一定的保护措施。,1、过电压保护,由于晶闸管电路中含有电感元件（如变压器、电抗线圈等）,变压器一次侧拉闸,整流装置直流侧切断开关,晶闸管由导通转变为阻断等,电感线圈上都会产生很高的电动势，使晶闸管承受很高的电压（过电压）。,（1）产生过电压的原因及后果,原因：,后果：,过电压即使作用时间很短，也可使晶闸管误导通，甚至被击穿损坏。,（2）过压保护的方法,1）阻容吸收电路,交流侧保护,直流侧保护,直接保护,2）压敏电阻保护,单相电路中的接法,三相电路中的Y形接法,三相电路中的形接法,压敏感电阻是一种非线性电阻,它具有正反向相同的很陡的电压电流特性。正常工作时，压敏电阻没有击穿，通过很小的电流；当有电压超过其额定电压时，可通过高达数千安的放电电流，之后又恢复正常。,2、过电流保护,（1）过流产生的原因及后果,原因：,负载过载,短路,其他晶闸管击穿,触发电路使晶闸管误触发,后果：,晶闸管的热容量较小，当发生过电流时，温度升高，若超过允许值，晶闸管会损坏。,（2）过流保护的作用,一旦有过电流产生威胁晶闸管时，能在允许时间内快速地将过电流切断，以防晶闸管损坏。,（3）保护方法,交流侧保护,直流侧保护,直接保护,采用快速熔断器进行保护,熔断速度很快,6-5 晶闸管的触发电路,触发电路：为晶闸管提供触发信号的电路,对触发电路的要求：,与主电路同步,能平稳移相，且有足够的移相范围,脉冲前沿陡，且有足够的幅值与脉宽,稳定性与抗扰性能好,触发电路的分类：,单结晶体管触发电路和集成触发电路,一、单结晶体管触发电路,1、单结晶体管,（1）单结晶体管的结构、符号,一个PN结,三个电极：,单结晶体管,一个发射极，两个基极,双基极二极管,结构,符号,等效电路,（2）单结晶体管的伏安特性曲线,V,P,IV,IP,UV,UP,截止区,负阻区,饱和区,分压比，其值一般为0.30.9,当UEUA时，PN结反向截止，单结晶体管截止,当UEUA时，PN结正向导通，IE显著增加，RB1迅速减小，UE下降负阻特性,管子由截止区进入负阻区的临界点峰点，用P表示,峰点电压：,峰点电流：IP,当UE下降至谷点时，谷点电压为UV，谷点电流为IV,过了V点后，管子又恢复正向特性。随IE增大，UE略有增大饱和区,UP是管子由截止转导通的临界点,工作区,UV是维持管子导通的临界点最小发射极电压,单结晶体管的工作特点：,当发射极电压等于峰点电压UP时，单结晶体管导通。导通后，发射极电压UE减小，当发射极电压减小到谷点电压UV时，管子又由导通转变为截止。,单结晶体管的型号：,BT31、BT33、BT35等。其中，B半导体，T特种管，33个电极，第四个数字耗散功率，分别为100mW、300mW、500mW。,（3）单结晶体管管脚的辨别,2、单结晶体管振荡电路,单结晶体管振荡电路,充电,充电,充电,放电,放电,放电,UP,UV,+,-,接通电源后，UBB经RP、RE给电容C充电，uC按指数规律增大，当uC=UP时，单结晶体管导通，RB1迅速减小，电容通过RB1、R1迅速放电，在R1上形成脉冲波形。当uC=UV时，单结晶体管截止，放电结束，输出电压降为0值，完成一次振荡。电源再次对电容充电，并重复上述过程。,充电,放电,uR1,+,-,改变RP的阻值（或电容C的大小），可改变电容充电的快慢，使输出脉冲提前或移后，从而控制晶闸管触发导通的时刻。,越大，触发脉冲后移，控制角增大，反之控制角减小。,利用单结晶体管的负阻特性和RC的充放电特性，组成频率可调的振荡电路。,3、单结晶体管触发电路,单结晶体管触发电路,由于每半个周期内，第一个脉冲可使晶闸管触发导通，后面的脉冲信号均不起作用。,改变电容的充放电时间常数，可实现脉冲的移相。,如：增大RP或C，使=（RP+RE）C增大，充电时间变长，即达到UP的时间就慢，第一脉冲输出的时间越晚；反之，第一脉冲输出时间越提前。,在实际工作中，通过改变RP的大小，可改变控制角的大小。,4、实际应用电路,自动控制的单结晶体管触发电路,改变uk的大小可改变控制角的大小,V3相当于一个可变电阻，改变它的大小可改变控制角的大小,V5起续流作用,V6保证只输出正半周信号,二、集成触发器,KJ004集成触发器的应用电路,集成触发器,单相半波可控整流电路,为V1管提供触发信号,为V2管提供触发信号,改变RP可调整控制角的大小,一、逆变器,逆变：整流的逆过程。即把直流电转变为交流电的过程。,逆变电路：把直流电逆变为交流电的电路称为逆变电路，又称为逆变器。,逆变器,有源逆变,无源逆变,定义：将直流电逆变为与电网同频率的交流电，并反送回电网。,定义：将直流电逆变为某一频率的交流电，并直接供给交流负载。,逆变过程：直流电逆变器交流电交流电网,逆变过程：直流电逆变器交流电负载,应用：直流可逆调速系统，交流线绕式电动机串级调速和高压直流输电等。,应用：当需直流电源为交流负载供电时，变频器、不间断电源、感应加热电源等。,6-6 晶闸管的其他应用电路,二、变频器,变频：将某一频率的电源转换成另一频率（或频率可调）的电源。,变频器,直接变频器（交交变频器）,间接变频器（交直交变频器）,交交变频器及工作原理,交直交变频器及工作原理,逆变器,整流器,频率的大小取决于两组电路的切换频率。,三、单相交流调压器,应用：电动机的调压、调速与正反转控制，以及机场、摄影、舞台灯的调光和加热炉的温度控制等。,工作原理：ui为正半周时，在t1（t1=）时刻将触发信号加到V2的门极，V2导通，当ui过零时，V2自行关断。 ui为负半周时，在t2 （t2=+）时刻将触发信号加到V1的门极，V1导通，当ui过零时，V1自行关断。 调节控制角，可改变输出电压的高低。,交流调压电路图,交流调压波形图,6-7 双向晶闸管简介,双向晶闸管顾名思义可以双向导通。,触发电路简单，工作稳定可靠等优点，在无触点交流开关电路中，经常应用。,一、双向晶闸管的结构和符号,双向晶闸管的结构,双向晶闸管的符号,由NPNPN五层半导体构成,相当于两个反向并联的单向晶闸管,有三个电极：两个主电极T1、T2和一个门极G,二、双向晶闸管的特性,双向晶闸管的导通实验,（1）门极上无触发时，双向晶闸管不导通。,（2）无论主电极电压极性如何，门极的触发信号无论是正的还是负的，只要电压足够大，均可触发导通。,（3）双向晶闸管一旦导通，门极便失去控制作用。,（4）主电极电流减小至维持电流时，双向晶闸管即关断。,主电极间电压是交流形式，一般用于交流负载的控制。,三、应用实例,1、双向晶闸管的调压电路,双向晶闸管的调压电路,改变RP可调节交流输出电压。,2、安全感应开关,安全感应开关,当人体接近感应板时产生的电容和本机电容C1对电源进行分压，使氖管VN导通，经V2组成的射极输出器使双向二极管V3导通，触发双向晶闸管V4导通，报警器即发声报警。,感应开关可安装在机床、冲床等危险的场所，防止事故发生，也可安装在某些场合作为防盗报警用。,