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电工学资料
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第20章晶闸管及其应用20章
20.1晶闸管20.2可控整流电路20.3晶闸管的保护20.4单结晶体管触发电路20.5应用举例
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第20章晶闸管及其应用20章
本章要求1.了解晶闸管的基本结构,工作原理,特1.了解晶闸管的基本结构,工作原理,了解晶闸管的基本结构性和主要参数.性和主要参数.2.理解可控整流电路的工作原理,掌握电理解可控整流电路的工作原理,压平均值与控制角的关系.压平均值与控制角的关系.3.了解单结晶体管及其触发电路的工作原理.
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晶闸管ectifier)(SiliconControlledRectifier)晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件.率半导体器件.它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域.扩展到强电领域.晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性,也像半导体二极管那样具有单向导电性晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性,但它的导通时间是可控的,主要用于整流,逆变,但它的导通时间是可控的,主要用于整流,逆变,调压及开关等方面.调压及开关等方面.优点:
优点:
体积小,重量轻,效率高,动作迅速,体积小,重量轻,效率高,动作迅速,维修简操作方便,寿命长,容量大(单,操作方便,寿命长,容量大(正向平均电流达千安,正向耐压达数千伏).达千安,正向耐压达数千伏).
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20.1.1基本结构
20.1晶闸管
A阳极
晶闸管是具有三个PN晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形,结的四层结构,其外形,结构及符号如图.结构及符号如图.四层A
P1N1P2
三个
PN
结
GG控制极
GK
(a)外形(b)符号
N2
(c)结构K阴极
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晶闸管的外形,晶闸管的外形,结构及符号
AP1N1GP2N2KG
APNPNPNKG
+IA
P1P2
AN1T1P2N2N1T2
IG
IK_K
晶闸管相当于PNPNPN型两个晶体管的组合晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合PNP和
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20.1.2工作原理
A
形成正反馈过程
β1β2iG
T1R
iG
GEG
iB2
β2iG
T2EA
+_
iC2=β2iG=iB1iC1=β1iC2=β1β2iG=iB2
在极短时间内使两个三极管均饱和导通,个三极管均饱和导通,此过程称触发导通.此过程称触发导通.
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iB2=iG
KEA>0,EG>00,
20.2.2工作原理
A
形成正反馈过程
β2iGβ1
T1GR
iG
E
G
βiG2
T2EA
iB2
+_
iC2=β2iG=iB1iC1=β1iC2=β1β2iG=iB2
晶闸管导通后,去晶闸管导通后,依靠正反馈,掉EG,依靠正反馈,仍可维持导通状态.仍可维持导通状态.
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iB2=iG
KEA>0,EG>00,
晶闸管导通的条件:
晶闸管导通的条件:
1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)电压.电压.2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)电压或正向脉冲(正向触发电压)电压或正向脉冲(正向触发电压).晶闸管导通后,控制极便失去作用.晶闸管导通后,控制极便失去作用.依靠正反晶闸管仍可维持导通状态.馈,晶闸管仍可维持导通状态.晶闸管关断的条件:
晶闸管关断的条件:
1.必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈正反馈效应不能维持.不能维持.2.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压.间加反相电压.
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)曲线20.1.3伏安特性(I=f(U)
I
正向平均电流
IF
+_
IG2>IG1>IG0IG2IG1IG0UUFRMUBOU
维持电流
UBRURRM
IHo
反向转折电压
_
+
正向转折电压
正向特性
反向特性
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20.1.4主要参数
UFRM:
正向重复峰值电压(晶闸管耐压值)正向重复峰值电压(晶闸管耐压值)耐压值晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下,晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压.晶闸管两端的正向峰值电压许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压.一般取UFRM=80%UB0.一般取普通晶闸管普通晶闸管UFRM为100V—3000VURRM:
反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管晶闸管元控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压.件上的反向峰值电压.一般取URRM=80%UBR普通晶闸管普通晶闸管URRM为100V—3000V
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环境温度为40标准散热条件下,环境温度为40C及标准散热条件下,晶闸管处于全导通时全导通时可以连续通过的工频正弦管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值.半波电流的平均值.如果正弦半波电流的最大值为Im,则π1ImIF=∫Imsinωtd(ωt)=π2π0i
正向平均电流IF:
°
IF
π2ππ普通晶闸管I普通晶闸管F为1A—1000A..
ωt
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IH:
维持电流在规定的环境和控制极断路时,在规定的环境和控制极断路时,晶闸管维持导通状态所必须的最小电流.通状态所必须的最小电流.一般I一百多毫安.一般IH为几十~一百多毫安.UF:
通态平均电压(管压降)通态平均电压(管压降)在规定的条件下,通过正弦半波平均电流时,在规定的条件下,通过正弦半波平均电流时,晶闸管阳,阴极间的电压平均值.晶闸管阳,阴极间的电压平均值.一般为1V左右左右.一般为1V左右.UG,IG:
控制极触发电压和电流室温下,阳极电压为直流6V时室温下,阳极电压为直流6V时,使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压,全导通所必须的最小控制极直流电压,电流.一般U5V,为几十到几百毫安.一般UG为1到5V,IG为几十到几百毫安.
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晶闸管型号及其含义KP导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示表示0.4~1.2V共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)晶闸管类型)普通型(晶闸管类型)P--普通晶闸管K--快速晶闸管S--双向晶闸管晶闸管表示额定正向平均电流为如KP5-7表示额定正向平均电流为,额定电压为表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V..
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20.2可控整流电路
20.2.1单相半波可控整流
1.电阻性负载
(1)电路+u–T+uT–io+RLuo–
u>0时:
0,晶闸管不导通不导通,若ug=0,晶闸管不导通,uo=0,uT=u.控制极加触发信号,晶闸管承受正向电压承受正向电压导控制极加触发信号,晶闸管承受正向电压导通,u<0时:
晶闸管承受反向电压不导通,晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通,uo=0,uT=u,故称可控整流.故称可控整流.
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uo=u,uT≈0.
(2)工作原理u
O
ug
O
ωt1π
2ππ
ωtωt
u>0时:
0~ωt1,ug=0,晶闸管不导通.0时晶闸管不导通.
ωt1:
加触发信号,晶闸管承受正向电压导通加触发信号,晶闸管承受正向电压导通
uo=u,uT≈0.
u<0时:
可控硅承受反向电压不导通uo=0,uT=u.:
晶闸管反向阻断即
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uo=0,uT=u.
u
O
(3)工作波形(3)工作波形
ug
ωt1π
2π
ωt2
ωtωtωt
uO
O
uT
动画
O
导通角
O
ωt
αθ
控制角
接电阻负载时单相半波可控整流电路电压,单相半波可控整流电路电压,电流波形
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(4)整流输出电压及电流的平均值(4)整流输出电压及电流的平均值
1UO=∫udωt2πα
π
由公式可知:
由公式可知:
1=∫2Usinωtd(ωt)2πα1+1+cosα=0.45U×2UOU1+cosαIO==0.45×RLRL2
π
改变控制角α可改变输出电压U改变控制角α,可改变输出电压Uo.
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2.电感性负载与续流二极管
(1)电路
(1)电路+u–T+uT–+uo–
⊕LeL⊕
R
在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时,电当晶闸管刚触发导通时,感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图),电流不能跃变,将由零逐渐上升(见波形)电流不能跃变,将由零逐渐上升(见波形).当电压u过零后,由于电感反电动势的存在,晶过零后,由于电感反电动势的存在,维持导通,失去单向导电作用.闸管在一段时间内仍维持导通,失去单向导电作用.
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2)工作波形(未加续流二极管)工作波形(续流二极管)
u
O
ug
ωt1π
2π
ωt2
ωtωtωt
uO
uT
OO
O
α
θ
ωt
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3.电感性负载(加续流二极管)3.电感性负载电感性负载(续流二极管)
(1)电路+–T++uT–uio–io+
LD
uo–
R
u>0时:
D反向截止,不影响整流电路工作.反向截止,不影响整流电路工作.u<0时:
0时D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元正向导通,晶闸管承受反向电压关断承受反向电压关断,释放能量形成的电流经D构成回路(续流),),负载件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压u波形与电阻性负载相同(见波形图)电压uo波形与电阻性负载相同(见波形图).
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(3)工作波形(加续流二极管)(3)工作波形加续流二极管)工作波形(
u
O
ug
O
π
2π
ωtωtωt
uOiL
uT
O
α
θ
ωt
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20.2.2单相半控桥式整流电路
1.电路2.工作原理
(1)电压u为正半周时
(1)电压为正半周时电压uT1和D2承受正向电压.电压.T1控制极加触发电压,发电压,则T1和D2导通,电流的通路为aT1RLD2baT1
ioT2RL
D1D2
+
u
–
b
++uo––
T1,T2晶闸管D1,D2晶体管
此时,均承受反向电压而截止.此时,T2和D1均承受反向电压而截止.
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io
(2)电压u为负半周时
(2)电压为负半周时电压uT2和D1承受正向电压.电压.T2控制极加触发电压,发电压,则T2和D1导通,电流的通路为bT2RLD1aa
+
u
T1
T2RL
–
D1
D2
++uo––
b
此时,均承受反向电压而截止.此时,T1和D2均承受反向电压而截止.
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3.工作波形
u
O
ug
O
π
2π
ωtωtωtωt
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uO
动画
uT1
O
4.输出电压及电流的平均值
1UO=∫udωtπα
π
1Uο=∫2Usinωtd(ωt)πα1+1+cosα=0.9U×2UU1+cosαIO==0.9×RοRL2
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π
两种常用可控整流电路
(1)TD1D2RLD3D4
+
+
u
u0
-
-
1.该电路只用一只晶闸管,且其上该电路只用一只晶闸管,电路无反向电压.无反向电压.特点2.晶闸管和负载上的电流相同.晶闸管和负载上的电流相同.
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(2)
+
T1
D1D2
+
RL
u
uO
电路特点
T2
-
1.该电路接入电感性负载时,D1,D2便起该电路接入电感性负载时,续流二极管作用.续流二极管作用.2.由于1的阳极和2的阴极相连,两管控由于T的阳极和T的阴极相连,制极必须加独立的触发信号.制极必须加独立的触发信号.
20.2.3三相半波可控整流电路
动画
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20.2.4三相桥式半控整流电路
1.电路T–u+
T1T2T3
io
+
abcRL
uo
–
uuu2a2bu2c
o
t2t1
π2ππ
D1
D2
D3
ωt
2.工作原理2.工作原理
动画
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20.3晶闸管的保护
晶闸管承受过电压,过电流的能力很差,这是晶闸管承受过电压,过电流的能力很差,它的主要缺点.晶闸管的热容量很小,它的主要缺点.晶闸管的热容量很小,一旦发生过电流时,温度急剧上升,可能将PN结烧坏,PN结烧坏电流时,温度急剧上升,可能将PN结烧坏,造成元件内部短路或开路.例如一只100A的晶闸管过电流件内部短路或开路.例如一只100A的晶闸管过电流400A时仅允许持续0.020.02秒为400A时,仅允许持续0.02秒,否则将因过热而损晶闸管耐受过电压的能力极差,坏;晶闸管耐受过电压的能力极差,电压超过其反向击穿电压时,即使时间极短,也容易损坏.向击穿电压时,即使时间极短,也容本文由229734003贡献
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第一章电路的基本概念与基本定律
1.1电路的作用与组成部分1.2电路模型1.3电压和电流的参考方向1.4欧姆定律电源有载工作、1.5电源有载工作、开路与短路1.6基尔霍夫定律1.7电路中电位的概念及计算
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第一章电路的基本概念与基本定律
1.了解电路模型及理想电路元件的意义;1.了解电路模型及理想电路元件的意义;了解电路模型及理想电路元件的意义2.理解电压、电流参考方向的意义;2.理解电压、电流参考方向的意义;理解电压3.理解电路基本定律并能正确应用理解电路基本定律并能正确应用;3.理解电路基本定律并能正确应用;4.了解电源的有载工作开路与短路状态,了解电源的有载工作、4.了解电源的有载工作、开路与短路状态,并能理解电功率和额定值的意义;能理解电功率和额定值的意义;5.掌握分析与计算简单直流电路和电路中各点5.掌握分析与计算简单直流电路和电路中各点电位的方法。
电位的方法。
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1.1电路的作用与组成部分
电路是电流的通路,电路是电流的通路,它是为了某种需要由某些电工设备或元件按一定方式组合起来的。
设备或元件按一定方式组合起来的。
1.1.1电路的作用
⒈实现电能的传输和转换
发电机升压变压器输电线降压变压器电灯电动机电炉……
⒉实现信号的传递和处理
话筒放大器扬声器
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1.1电路的作用与组成部分
1.1.2电路的组成
电源供应电能负载取用电能
电灯电动机电炉……
发电机
升压变压器
输电线
降压变压器
中间环节传输和分配电能
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1.1电路的作用与组成部分
信号源提供信号
话筒放大器
负载接受和转换信号
扬声器
中间环节信号处理电源或信号源的电压或电流称为激励,电源或信号源的电压或电流称为激励,它推动电路激励工作;工作;由激励在电路各部分产生的电压和电流称为响应响应。
由激励在电路各部分产生的电压和电流称为响应。
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1.2
电路模型
为了便于对实际电路进行分析和用数学描述,将实为了便于对实际电路进行分析和用数学描述,际元件理想化,际元件理想化,即在一定条件下突出其主要的电磁性忽略其次要因素。
质,忽略其次要因素。
由一些理想电路元件或其组合所组成的电路,就是实际电路的电路模型。
所组成的电路,就是实际电路的电路模型。
理想电路元件有电阻元件、电感元件、理想电路元件有电阻元件、电感元件、电容元件和电源元件等。
电源元件等。
+RCLUs
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+UsIs
1.2电路模型
例:
手电筒的电路模型ISE
++
–
U
开关R
干电池:
是电源元件,干电池:
是电源元件,其参数为电动势E和内电阻Ro;电珠:
是电阻元件,电珠:
是电阻元件,其参数为电阻R;参数为电阻;筒体(包括开关):
是筒体(包括开关):
是):
连接干电池与电珠的中间环节,其电阻忽略不计,环节,其电阻忽略不计,认为是一无电阻的理想导体。
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Ro
–
电珠干电池今后所分析的都是指电路模型,简称电路。
电路模型,简称电路。
在电路图中,在电路图中,各种电路元件都用规定的图形符号表示。
号表示。
1.3电压和电流的参考方向
1.3.1电流的方向
实际方向:
实际方向:
正电荷运动的方向或负电荷运动的反方向。
反方向。
参考方向(正方向):
任意选定的方向。
参考方向(正方向):
任意选定的方向。
):
任意选定的方向表示方法:
表示方法:
II箭头aRb
双下标Iab
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1.3电压和电流的参考方向
1.3.2电压的方向
实际方向:
高电位端指向低电位端。
实际方向:
高电位端指向低电位端。
参考方向(正方向):
任意选定的方向。
):
任意选定的方向参考方向(正方向):
任意选定的方向。
表示方法:
表示方法:
正负极性+aU–b双下标Uab
1.3.3电动势的方向
实际方向:
电源内部由低电位端指向高电位端。
实际方向:
电源内部由低电位端指向高电位端。
电动势与电压的关系:
方向相反,数值相等。
电动势与电压的关系:
方向相反,数值相等。
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1.3电压和电流的参考方向
1.3.4实际方向与参考方向的关系
实际方向与参考方向一致,电流或电压值为正值;或电压)值为正值实际方向与参考方向一致,电流(或电压值为正值;实际方向与参考方向相反,电流(或电压值为负值。
或电压)值为负值实际方向与参考方向相反,电流或电压值为负值。
例:
实际方向参考方向aIRb实际方向
流向b;若I=6A,则电流实际方向为从流向;,则电流实际方向为从a流向流向a。
若I=–6A,则电流实际方向为从流向。
,则电流实际方向为从b流向
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1.3电压和电流的参考方向
参考方向a
+U–R+b–实际方向
指向b,若U=6V,则电压的实际方向为从指向,,则电压的实际方向为从a指向实际方向与参考方向一致;实际方向与参考方向一致;指向a,若U=–6V,则电压的实际方向为从指向,,则电压的实际方向为从b指向实际方向与参考方向相反。
实际方向与参考方向相反。
参考方向选定后电流(或电压)值才有正负之分
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1.3电压和电流的参考方向
1.3.5关联参考方向与非关联参考方向
⒈若电压与电流参考方向相同,则为关联参考方向;若电压与电流参考方向相同,则为关联参考方向;关联参考方向⒉反之,则为非关联参考方向。
反之,则为非关联参考方向。
非关联参考方向+URU=IR–I+URU=–IR–I
本书如未作特殊声明均采用关联参考方向
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1.3电压和电流的参考方向
1.3.1如图,Uab=-5V,试问,b两点哪点电位高?
如图,两点哪点电位高?
,试问a,两点哪点电位高点电位低,点电位高点电位高。
点电位低解:
a点电位低,b点电位高。
1.3.2如图,U1=-6V,U2=4V,试问ab等于多少伏?
如图,,,试问U等于多少伏?
解:
Uab=U1U2=64=10Va+U1-U2+b
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1.4
UR=I
+U=6V
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