可控矽電路原理
晶閘管又叫可控矽(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自從20世紀50年代問世以來已經發展成了壹個大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說的普通晶閘管，它是由四層半導體材料組成的，有三個PN結，對外有三個電極〔圖2(a)〕：第壹層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號〔圖2(b)〕可以看到，它和二極管壹樣是壹種單方向導電的器件，關鍵是多了壹個控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。
可控矽
二、晶閘管的主要工作特性
為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，大家先看這塊示教板(圖3)。晶閘管VS與小燈泡EL串聯起來，通過開關S接在直流電源上。註意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負極，控制極G通過按鈕開關SB接在3V直流電源的正極(這裏使用的是KP5型晶閘管，若采用KP1型，應接在1.5V直流電源的正極)。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓。現在我們合上電源開關S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導通；再按壹下按鈕開關SB，給控制極輸入壹個觸發電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這個演示實驗給了我們什麽啟發呢?可控矽
這個實驗告訴我們，要使晶閘管導通，壹是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入壹個正向觸發電壓。晶閘管導通後，松開按鈕開關，去掉觸發電壓，仍然維持導通狀態。
晶閘管的特點： 是“壹觸即發”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導通。控制極的作用是通過外加正向觸發脈沖使晶閘管導通，卻不能使它關斷。那麽，用什麽方法才能使導通的晶閘管關斷呢?使導通的晶閘管關斷，可以斷開陽極電源(圖3中的開關S)或使陽極電流小於維持導通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓，那麽，在電壓過零時，晶閘管會自行關斷。
怎樣測試晶閘管的好壞
三、用萬用表可以區分晶閘管的三個電極嗎?怎樣測試晶閘管的好壞呢?
普通晶閘管的三個電極可以用萬用表歐姆擋R×100擋位來測。大家知道，晶閘管G、K之間是壹個PN結〔圖2(a)〕，相當於壹個二極管，G為正極、K為負極，所以，按照測試二極管的方法，找出三個極中的兩個極，測它的正、反向電阻，電阻小時，萬用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極K，剩下的壹個就是陽極A了。測試晶閘管的好壞，可以用剛才演示用的示教板電路(圖3)。接通電源開關S，按壹下按鈕開關SB，燈泡發光就是好的，不發光就是壞的。
四、晶閘管在電路中的主要用途是什麽?
普通晶閘管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流電路屬於不可控整流電路。如果把二極管換成晶閘管，就可以構成可控整流電路、逆變、電機調速、電機勵磁、無觸點開關及自動控制等方面。現在我畫壹個最簡單的單相半波可控整流電路〔圖4(a)〕。在正弦交流電壓U2的正半周期間，如果VS的控制極沒有輸入觸發脈沖Ug，VS仍然不能導通，只有在U2處於正半周，在控制極外加觸發脈沖Ug時，晶閘管被觸發導通。現在，畫出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕，可以看到，只有在觸發脈沖Ug到來時，負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，晶閘管導通的時間就早；Ug到來得晚，晶閘管導通的時間就晚。通過改變控制極上觸發脈沖Ug到來的時間，就可以調節負載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術中，常把交流電的半個周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發脈沖到來瞬間所經歷的電角度稱為控制角α；在每個正半周內晶閘管導通的電角度叫導通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示晶閘管在承受正向電壓的半個周期的導通或阻斷範圍的。通過改變控制角α或導通角θ，改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL，實現了可控整流。
可控矽
五、在橋式整流電路中，把二極管都換成晶閘管是不是就成了可控整流電路了呢?
在橋式整流電路中，只需要把兩個二極管換成晶閘管就能構成全波可控整流電路了。現在畫出電路圖和波形圖(圖5)，就能看明白了。
六、晶閘管控制極所需的觸發脈沖是怎麽產生的呢?
晶閘管觸發電路的形式很多，常用的有阻容移相橋觸發電路、單結晶體管觸發電路、晶體三極管觸發電路、利用小晶閘管觸發大晶閘管的觸發電路，等等。今天大家制作的調壓器，采用的是單結晶體管觸發電路。
七、什麽是單結晶體管?它有什麽特殊性能呢?
單結晶體管又叫雙基極二極管，是由壹個PN結和三個電極構成的半導體器件(圖6)。我們先畫出它的結構示意圖〔圖7(a)〕。在壹塊N型矽片兩端，制作兩個電極，分別叫做第壹基極B1和第二基極B2；矽片的另壹側靠近B2處制作了壹個PN結，相當於壹只二極管，在P區引出的電極叫發射極E。為了分析方便，可以把B1、B2之間的N型區域等效為壹個純電阻RBB，稱為基區電阻，並可看作是兩個電阻RB2、RB1的串聯〔圖7(b)〕。值得註意的是RB1的阻值會隨發射極電流IE的變化而改變，具有可變電阻的特性。如果在兩個基極B2、B1之間加上壹個直流電壓UBB，則A點的電壓UA為：若發射極電壓UE<UA，二極管VD截止；當UE大於單結晶體管的峰點電壓UP(UP=UD＋UA)時，二極管VD導通，發射極電流IE註入RB1，使RB1的阻值急劇變小，E點電位UE隨之下降，出現了IE增大UE反而降低的現象，稱為負阻效應。發射極電流IE繼續增加，發射極電壓UE不斷下降，當UE下降到谷點電壓UV以下時，單結晶體管就進入截止狀態。
八、怎樣利用單結晶體管組成晶閘管觸發電路呢?
單結晶體管組成的觸發脈沖產生電路在今天大家制作的調壓器中已經具體應用了。為了說明它的工作原理，我們單獨畫出單結晶體管張弛振蕩器的電路(圖8)。它是由單結晶體管和RC充放電電路組成的。合上電源開關S後，電源UBB經電位器RP向電容器C充電，電容器上的電壓UC按指數規律上升。當UC上升到單結晶體管的峰點電壓UP時，單結晶體管突然導通，基區電阻RB1急劇減小，電容器C通過PN結向電阻R1迅速放電，使R1兩端電壓Ug發生壹個正跳變，形成陡峭的脈沖前沿〔圖8(b)〕。隨著電容器C的放電，UE按指數規律下降，直到低於谷點電壓UV時單結晶體管截止。這樣，在R1兩端輸出的是尖頂觸發脈沖。此時，電源UBB又開始給電容器C充電，進入第二個充放電過程。這樣周而復始，電路中進行著周期性的振蕩。調節RP可以改變振蕩周期。
九、在可控整流電路的波形圖中，發現晶閘管承受正向電壓的每半個周期內，發出第壹個觸發脈沖的時刻都相同，也就是控制角α和導通角θ都相等，那麽，單結晶體管張弛振蕩器怎樣才能與交流電源準確地配合以實現有效的控制呢?
為了實現整流電路輸出電壓“可控”，必須使晶閘管承受正向電壓的每半個周期內，觸發電路發出第壹個觸發脈沖的時刻都相同，這種相互配合的工作方式，稱為觸發脈沖與電源同步。
怎樣才能做到同步呢?大家再看調壓器的電路圖(圖1)。請註意，在這裏單結晶體管張弛振蕩器的電源是取自橋式整流電路輸出的全波脈沖直流電壓。在晶閘管沒有導通時，張弛振蕩器的電容器C被電源充電，UC按指數規律上升到峰點電壓UP時，單結晶體管VT導通，在VS導通期間，負載RL上有交流電壓和電流，與此同時，導通的VS兩端電壓降很小，迫使張弛振蕩器停止工作。當交流電壓過零瞬間，晶閘管VS被迫關斷，張弛振蕩器得電，又開始給電容器C充電，重復以上過程。這樣，每次交流電壓過零後，張弛振蕩器發出第壹個觸發脈沖的時刻都相同，這個時刻取決於RP的阻值和C的電容量。調節RP的阻值，就可以改變電容器C的充電時間，也就改變了第壹個Ug發出的時刻，相應地改變了晶閘管的控制角，使負載RL上輸出電壓的平均值發生變化，達到調壓的目的。
雙向晶閘管的T1和T2不能互換。否則會損壞管子和相關的控制電路。
十、可控矽元件的工作原理及基本特性電路
可控矽是P1N1P2N2四層三端結構元件,***有三個PN結,分析原理時,可以把它看作由壹個PNP管和壹個NPN管所組成,其等效圖解如圖1所示
圖1 可控矽等效圖解圖
當陽極A加上正向電壓時,BG1和BG2管均處於放大狀態。此時,如果從控制極G輸入壹個正向觸發信號,BG2便有基流ib2流過,經BG2放大,其集電極電流ic2=β2ib2。因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連,所以ib1=ic2。此時,電流ic2再經BG1放大,於是BG1的集電極電流ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個電流又流回到BG2的基極,表成正反饋,使ib2不斷增大,如此正向饋循環的結果,兩個管子的電流劇增,可控矽使飽和導通。
由於BG1和BG2所構成的正反饋作用, 可控矽導通後,即使控制極G的電流消失了,可控矽仍然能夠維持導通狀態,由於觸發信號只起觸發作用,沒有關斷功能,所以這種可控矽是不可關斷c 所以壹旦的。
由於可控矽只有導通和關斷兩種工作狀態,所以它具有開關特性,這種特性需要壹定的條件才能轉化,此條件見表1
表1 可控矽導通和關斷條件
狀態 條件 說明
從關斷到導通 1、陽極電位高於是陰極電位
2、控制極有足夠的正向電壓和電流
兩者缺壹不可
維持導通 1、陽極電位高於陰極電位
2、陽極電流大於維持電流
兩者缺壹不可
從導通到關斷 1、陽極電位低於陰極電位
2、陽極電流小於維持電流
任壹條件即可
2、基本伏安特性
可控矽的基本伏安特性見圖2
圖2 可控矽基本伏安特性
（1）反向特性
當控制極開路,陽極加上反向電壓時（見圖3）,J2結正偏,但J1、J2結反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流,當電壓進壹步提高到J1結的雪崩擊穿電壓後,接差J3結也擊穿,電流迅速增加,圖3的特性開始彎曲,如特性OR段所示,彎曲處的電壓URO叫“反向轉折電壓”。此時,可控矽會發生永久性反向擊穿。
圖3 陽極加反向電壓
（2）正向特性
當控制極開路,陽極上加上正向電壓時（見圖4）,J1、J3結正偏,但J2結反偏,這與普通PN結的反向特性相似,也只能流過很小電流,這叫正向阻斷狀態,當電壓增加,圖3的特性發生了彎曲,如特性OA段所示,彎曲處的是UBO叫：正向轉折電壓
圖4 陽極加正向電壓
由於電壓升高到J2結的雪崩擊穿電壓後,J2結發生雪崩倍增效應,在結區產生大量的電子和空穴,電子時入N1區,空穴時入P2區。進入N1區的電子與由P1區通過J1結註入N1區的空穴復合,同樣,進入P2區的空穴與由N2區通過J3結註入P2區的電子復合,雪崩擊穿,進入N1區的電子與進入P2區的空穴各自不能全部復合掉,這樣,在N1區就有電子積累,在P2區就有空穴積累,結果使P2區的電位升高,N1區的電位下降,J2結變成正偏,只要電流稍增加,電壓便迅速下降,出現所謂負阻特性,見圖3的虛線AB段。
這時J1、J2、J3三個結均處於正偏,可控矽便進入正向導電狀態---通態,此時,它的特性與普通的PN結正向特性相似,見圖2中的BC段
3、觸發導通
在控制極G上加入正向電壓時（見圖5）因J3正偏,P2區的空穴時入N2區,N2區的電子進入P2區,形成觸發電流IGT。在可控矽的內部正反饋作用（見圖2）的基礎上,加上IGT的作用,使可控矽提前導通,導致圖3的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。
圖5 陽極和控制極均加正向電壓
十壹、可控矽參數符號
參數符號說明:
IT(AV)--通態平均電流
VRRM--反向重復峰值電壓
IDRM--斷態重復峰值電流
ITSM--通態壹個周波不重復浪湧電流
VTM--通態峰值電壓
IGT--門極觸發電流
VGT--門極觸發電壓
IH--維持電流
dv/dt--斷態電壓臨界上升率
di/dt--通態電流臨界上升率
Rthjc--結殼熱阻
VISO--模塊絕緣電壓
Tjm--額定結溫
VDRM--通態重復峰值電壓
IRRM--反向重復峰值電流
IF(AV)--正向平均電流
十二、如何鑒別可控矽的三個極
鑒別可控矽三個極的方法很簡單，根據P-N結的原理，只要用萬用表測量壹下三個極之間的電阻值就可以。
陽極與陰極之間的正向和反向電阻在幾百千歐以上，陽極和控制極之間的正向和反向電阻在幾百千歐以上（它們之間有兩個P-N結，而且方向相反，因此陽極和控制極正反向都不通）。
控制極與陰極之間是壹個P-N結，因此它的正向電阻大約在幾歐-幾百歐的範圍，反向電阻比正向電阻要大。可是控制極二極管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻斷狀態的，可以有比較大的電流通過，因此，有時測得控制極反向電阻比較小，並不能說明控制極特性不好。另外，在測量控制極正反向電阻時，萬用表應放在R*10或R*1擋，防止電壓過高控制極反向擊穿。
若測得元件陰陽極正反向已短路，或陽極與控制極短路，或控制極與陰極反向短路，或控制極與陰極斷路，說明元件已損壞。
可控矽是可控矽整流元件的簡稱，是壹種具有三個PN 結的四層結構的大功率半導體器件。實際上，可控矽的功用不僅是整流，它還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路，實現將直流電變成交流電的逆變，將壹種頻率的交流電變成另壹種頻率的交流電，等等。可控矽和其它半導體器件壹樣，其有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優點。它的出現，使半導體技術從弱電領域進入了強電領域，成為工業、農業、交通運輸、軍事科研以至商業、民用電器等方面爭相采用的元件。
壹、 可控矽的結構和特性
■可控矽從外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三種（見圖表-25）。螺旋式的應用較多。
■可控矽有三個電極----陽極（A）陰極（C）和控制極（G）。它有管芯是P 型導體和N 型導體交叠組成的四層結構，***有三個PN 結。其結構示意圖和符號見圖表-26。
■從圖表-26中可以看到，可控矽和只有壹個PN 結的矽整流二極度管在結構上迥然不同。可控矽的四層結構和控制極的引用，為其發揮“以小控大”的優異控制特性奠定了基礎。在應用可控矽時，只要在控制極加上很小的電流或電壓，就能控制很大的陽極電流或電壓。目前已能制造出電流容量達幾百安培以至上千安培的可控矽元件。壹般把5安培以下的可控矽叫小功率可控矽，50安培以上的可控矽叫大功率可控矽。
■可控矽為什麽其有“以小控大”的可控性呢？下面我們用圖表-27來簡單分析可控矽的工作原理。
■首先，我們可以把從陰極向上數的第壹、二、三層看面是壹只NPN 型號晶體管，而二、三四層組成另壹只PNP 型晶體管。其中第二、第三層為兩管交叠***用。這樣就可畫出圖表-27（C）的等效電路圖來分析。當在陽極和陰極之間加上壹個正向電壓Ea ，又在控制極G和陰極C之間（相當BG1 的基壹射間）輸入壹個正的觸發信號，BG1 將產生基極電流Ib1 ，經放大，BG1 將有壹個放大了β1 倍的集電極電流IC1 。因為BG1 集電極與BG2 基極相連，IC1 又是BG2 的基極電流Ib2 。BG2 又把比Ib2 （Ib1 ）放大了β2 的集電極電流IC2 送回BG1 的基極放大。如此循環放大，直到BG1 、BG2 完全導通。實際這壹過程是“壹觸即發”的過程，對可控矽來說，觸發信號加入控制極，可控矽立即導通。導通的時間主要決定於可控矽的性能。
■可控矽壹經觸發導通後，由於循環反饋的原因，流入BG1 基極的電流已不只是初始的Ib1 ，而是經過BG1 、BG2 放大後的電流（β1 *β2 *Ib1 ）這壹電流遠大於Ib1 ，足以保持BG1 的持續導通。此時觸發信號即使消失，可控矽仍保持導通狀態只有斷開電源Ea 或降低Ea ，使BG1 、BG2 中的集電極電流小於維持導通的最小值時，可控矽方可關斷。當然，如果Ea 極性反接，BG1 、BG2 由於受到反向電壓作用將處於截止狀態。這時，即使輸入觸發信號，可控矽也不能工作。反過來，Ea 接成正向，而觸動發信號是負的，可控矽也不能導通。另外，如果不加觸發信號，而正向陽極電壓大到超過壹定值時，可控矽也會導通，但已屬於非正常工作情況了。
■可控矽這種通過觸發信號（小的觸發電流）來控制導通（可控矽中通過大電流）的可控特性，正是它區別於普通矽整流二極管的重要特征。
[編輯本段]二、可控矽的主要參數
可控矽的主要參數有：
1、 額定通態平均電流IT在壹定條件下，陽極---陰極間可以連續通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。
2、 正向阻斷峰值電壓VPF 在控制極開路未加觸發信號，陽極正向電壓還未超過導能電壓時，可以重復加在可控矽兩端的正向峰值電壓。可控矽承受的正向電壓峰值，不能超過手冊給出的這個參數值。
3、 反向陰斷峰值電壓VPR當可控矽加反向電壓，處於反向關斷狀態時，可以重復加在可控矽兩端的反向峰值電壓。使用時，不能超過手冊給出的這個參數值。
4、 控制極觸發電流Ig1 、觸發電壓VGT在規定的環境溫度下，陽極---陰極間加有壹定電壓時，可控矽從關斷狀態轉為導通狀態所需要的最小控制極電流和電壓。
5、 維持電流IH在規定溫度下，控制極斷路，維持可控矽導通所必需的最小陽極正向電流。
■近年來，許多新型可控矽元件相繼問世，如適於高頻應用的快速可控矽，可以用正或負的觸發信號控制兩個方向導通的雙向可控矽，可以用正觸發信號使其導通，用負觸發信號使其關斷的可控矽等等。
可控矽
可控矽是矽可控整流元件的簡稱，亦稱為晶閘管。具有體積小、結構相對簡單、功能強等特點，是比較常用的半導體器件之壹。該器件被廣泛應用於各種電子設備和電子產品中，多用來作可控整流、逆變、變頻、調壓、無觸點開關等。家用電器中的調光燈、調速風扇、空調機、電視機、電冰箱、洗衣機、照相機、組合音響、聲光電路、定時控制器、玩具裝置、無線電遙控、攝像機及工業控制等都大量使用了可控矽器件。
可控矽的分類
按其工作特性，可控矽（THYRISTOR)可分為普通可控矽（SCR）即單向可控矽、雙向可控矽（TRIAC)和其它特殊可控矽。
可控矽的觸發
過零觸發-壹般是調功，即當正弦交流電交流電電壓相位過零點觸發，必須是過零點才觸發，導通可控矽。
非過零觸發-無論交流電電壓在什麽相位的時候都可觸發導通可控矽，常見的是移相觸發，即通過改變正弦交流電的導通角（角相位），來改變輸出百分比。
可控矽的主要參數:
1. 額定通態電流（IT)即最大穩定工作電流，俗稱電流。常用可控矽的IT壹般為壹安到幾十安。
2. 反向重復峰值電壓（VRRM)或斷態重復峰值電壓（VDRM），俗稱耐壓。常用可控矽的VRRM/VDRM壹般為幾百伏到壹千伏。
3. 控制極觸發電流（IGT)，俗稱觸發電流。常用可控矽的IGT壹般為幾微安到幾十毫安。
可控矽的常用封裝形式
常用可控矽的封裝形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。
可控矽的主要廠家
主要廠家品牌：ST，NXP/PHILIPS，NEC，ON/MOTOROLA，RENESAS/MITSUBISHI，LITTELFUSE/TECCOR，TOSHIBA，JX ，SANREX，SANKEN ，SEMIKRON ，EUPEC，IR迪昌科技，北京瑞田達技貿有限責任公司等。