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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SiliconControlledRectifier,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.o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R1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「。
二者电阻相差仅几欧姆。
再用R10K档测量T,与T2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22KQ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】
N0.1
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To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
参数
部颁新标准(JB1144-75)
部颁旧标准(JB1144-71)
序号K
P型右控硅整流元件
3CT系列可控硅整流元件
1
额定通态平均电流(IT(AV)
额定正向平均值电流(IF)
2
断态重复峰值电压(UDRM
正向阻断峰值电压(UPF
3
反向重复峰值电压(URRM
反向峰值电压(VPR
4
断态重复平均电流(IDR(AV))
正向平均漏电流
(1)
5
反向重复平均电流(IRR(AV))
反向平均漏电电流(IRL)
6
通态平均电压(UT(AV)
最大正向平均电压降(VF)
7
门极触发电流(IGT)
控制极触发电流(lg)
8
门极触发电压(UGT
控制极触发电压(Vg)
9
断态电压临界上升率(du/dt)
极限正向电压上升率(dV/dt)
10
维持电流(IH)
维持电流(IH)
11
额定结温(TjM)
额定工作结温(Tj)
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
额定通态平均电流IT(AV)(A)
1,5,10,20,30,50,100,200,300,400,500,600,700,800,100
正反向重复
峰值电压UDRM
JRRMX100)(V)
1〜10,12,14,16,18,20,22,24,26,,28,30
通态平均电压
JT(AV)(V)
A
B
CD
E
F
G
H
I
<0.4
0.4~0.5
0.5~0.60.6~0.7
0.7〜0.8
0.8〜0.9
0.9〜1.0
1.0〜1.1
1.1〜1,2
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=B2ib2。
因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连,所以ib仁ic2。
此时,电流ic2再经BG1放大,于是BG1的集电极电流ic仁Blib仁B1B2ib2。
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
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
2、基本伏安特性
可控硅的基本伏安特性见图3
\f
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URC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UBC叫:
正向转折电压
图5、阳极加正向电压
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0A段左移,IGT越大,特性左移越快。
JIJ2J3
图6、阳极和控制极均加正向电压
N0.2
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丫轴通道的工作状态,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
双踪示波器控制电路方框图
2•“交替”与“断续”两种工作方式
双踪示波器的丫轴输入有两个通道,利用电子开关线路把信号,Ya和Ybo分别周期性地轮流加到示波管的丫偏转板上、其一工作方式可分为“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CHOI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i“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。
因此这种工作方式仅仅适用于低频信号测量。
3•双踪示波器几个特殊控制器功能的说明
双踪示波器和普通示波器一样,在面板上除了装置有荧光屏之外,它的面板控制器通常也可分为光点控制、丫轴控制和X轴控制等三大部分。
大部分控制器的功能与普通示波器相仿。
下面以SR—8型双踪示波器为例,对有明显差别的控制器的功能加以说明。
(1)双踪示波器有两个丫轴通道,所以丫轴输入插座有两个,Ya和Yb,可以分别输入两个待测电压信号。
(2)“交替YaYa+YbYb断续”显示方式开关
它是用以转换两个r轴前置放大器工作状态的控制器,具有五项功能。
1)开关置于“交替”位置一一Yb和yB通道受扫描频率控制,交替轮流工作,从而实现双踪信号显示。
此工作方式不适用于观测低频信号。
2)置“Ya”一一Ya通道单独工作,作为单踪示波器使用。
3)置“Ya+Yb――Ya和Yb两个通道同时工作,进行两个信号的叠加,并通过Ya通道的“极性”开关选择,可以显示两个通道输入信号的和或差。
4)置“Yb”一一Yb通道单独工作,作为单踪示波器使用。
5)置“断续”一一电子开关的自激振荡频率(约200KHZ)控制Ya和Yb两通道前置放大器交换工作,以实现两信号波形的显示。
此工作方式适用于低频信号的观测。
(3)“极性拉Ya”开关
在Ya通道系统中,设有极性转换控制器件,它系按拉式开关,当开关拉出时,使Ya信号倒相显示。
(4)“内触发拉Yb”开关此按拉式开关为选择内触发源而设立。
在“按”的位置上,扫描触发信号取
自经电子开关后的Ya和Yb通道的输入信号。
两触发信号之间没有确定的时间关系,所以在此触发状态下双踪显示不能作时间比较。
在“拉”的位置上,扫描触发信号取自Yb通道的输入信号。
此状态适用于有时间相关关系的两个信号波形显示,从而能够进行比较分析。
(5)“ACAC(H)DC'触发耦合方式开关
开关置于“AC'时,触发形式属于交流耦合状态。
由于触发信号的直流成分被去除,因而触发性能不受直流成分的影响。
这是常用的一种耦合方式,但观测低频信号时不宜使用。
置“AC(H)”时,触发形式属低频抑制状态,通过高通滤波器进行耦合。
高通滤波器对叠加在触发信号上的低频噪音或低频信号有抑制作用,只有高频分量可以与触发电路耦合而获得较稳定的扫描。
置“DC时,触发形式属于直流耦合状态,用于变化缓慢信号的扫描触发。
(6)“高频常态自动”触发方式开关
置“高频”时,扫描处于“高频”同步状态。
由机内产生的约2印kHz的自激振荡信号对待测信号进行同步。
此状态宜用于高频信号观测。
置“常态”时,由来自r轴或外接触发源的输入信号进行触发扫描。
它是观测信号常用的触发扫描方式。
置“自动”时,扫描处于自激状态,不必调整“电平”旋钮,就能自动显示扫描线。
4.相位差的测量
双踪示波器的使用,例如波形显示、电压与时间的测量等,其方法与普通示波器大体上相同。
这里重点叙述一下频率相同的两个信号,如何测量它们的相位差。
.
用双踪示波器测量两个同频率信号的相位差时,除了根据待测电压信号频串的高低,考虑显示工作方式开关选择“交替”还是选择“断续”工作方式外,同时还要注意,由于是对两个信号的时间关系进行比较,因此触发点正确与否极为重要。
观测时应将
“内触发拉Yb”开关置于“拉Yb”位置,然后用内触发形式启动扫描,从而使双踪波形真实地显现出两个同频率信号的相位差。
图4—7—12所示的双踪波形,其一个周期占10div于是X轴1div代表相位
差为360。
/10=36•或2pi/IO=O.2pi,所以信号Ya与信号Yb的相位差fai=D(div)•36•/div
或fai=D(div)•O.2pi/div
式中D为Ya和Yb两个波形在X轴上的间距,单位用div(格).
由于示波器的扫描是自左向右进行的,X轴方向应是自左向右,所以信号Ya
超前于信号Ybo[注:
本文参考<<物理实验教程>>陈铭南等编]
后记】
在可控硅调光电路这个实验中,我感受颇深,不仅是因为在实验中不小心焊烧掉的我的外套,更是因为我体会到的理论和实践的差距。
从实验电路图的选定到相关资料的查找,从零件的购买到元件的焊接,皆是煞费苦心。
从一开始我信誓旦旦的认为实验的简单,到最后却费时最多,付出最多,实在是有感于理想和现实的距离。
在该实验中遇到了不少问题,主要的有两个。
第一个就是采购的零件,有的质量不好,标定值和实际值大相径庭。
例如电容的实际耐压值低于标定值,为此有两个电容被烧掉。
还有变压器,其输出的电压远高于标定的,这个问题没有注意的话,无疑会给实验增加些危险。
第二个就是元件的型号问题,这个问题可谓是最后把我弄的头晕目眩。
我们所买的可控硅,要得型号和给的大不相同,结果第一次把实验顺利的做好了,第二次,做了好久都没做出来,最后分析得出是可控硅坏掉了。
型号的不配,的确给我们增加了不少困难。
通过这次全程亲自动手的实验,虽然遇到了不少麻烦,但总的来说,的确是收获不少,也让我明白了理论重要,实践同样也重要。
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