[分享] 可控硅专辑---原理篇、参数篇、应用篇、检测篇

可控硅元件—可控硅整流电路

• 电机电器的电磁线圈、带电感滤波的电阻负载等均属于电感性负载。
• 电感具有障碍电流变化的作用可控硅T导通时，其压降uT=0，但电流id只能从零开始上升。id增加和减少时线圈Ld两端的感应电动势eL的极性变化如图示。  
• 当电源电压u2下降及u2≥0时，只要释放磁场能量可以维持id继续流通，可控硅T仍然牌导通状态，此时ud=u2。当u2＜0时，虽然ud出现负值，但电流id的方向不变。
• 当电流id减小到小于维持电流IH时，可控硅T自行关断，id=0,UT=u2，可控硅承受反压。
• 负载电压平均值：其中电感Ld两端电压的平均值为零。
• 电感Ld的存在使负载电压ud出现负值，Ld越大，ud负值越大，负载上直流电压Ud就越小，Id=Ud/Rd也越小，所以如果不采取措施，可控硅的输出就达不到应有的电压和电流。

• 在负载上并联一只续流二极管D，可使Ud提高到和电阻性负载时一样，
• 在电源电压u2≤0时，D的作用有点：①把电源负电压u2引到可控硅T两端，使T关断，uT=u2；②给电感电流续流，形成iD；③把负载短路，ud=0,避免ud出现负值，使负载上直流输出电压ud提高。
• 负载电流为何控硅电流iT和二极管的续流iD之和，即id=iT+iD。当ωLd≥R时，iD下降很慢使id近似为一条水平线，所以流过T和D的电注平均值与有效值分别为：平均值：IdT=（θ/360°）Id；IdD=[(360°-θ)/360°]Id；有效值：IT=根号下（θ/360°）Id；ID=根号下[(360°-θ)/360°]Id
• 可控硅T开始导通后，如果电感Ld很大，iT的上升很慢，这就有可能导致触发脉冲消失时可控硅的电流还上升不到维持导通状态的维持电流，就是说，可控硅触发不了，为了使可控硅可靠触发，触发脉冲应该足够宽，或者在负载两端并联一只电阻，以利于加快iT的上升。

如何鉴别可控硅的三个极

晶闸管的工作原理

可关断晶闸管（GTO）

可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。
前已述及，普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。目前，GTO已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。
可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件，其结构及等效电路和普通晶闸管相同，因此图1仅绘出GTO典型产品的外形及符号。大功率GTO大都制成模块形式。
尽管GTO与SCR的触发导通原理相同，但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通晶闸管在导通之后即外于深度饱和状态，而GTO在导通后只能达到临界饱和，所以GTO门极上加负向触发信号即可关断。GTO的一个重要参数就是关断增益，βoff，它等于阳极最大可关断电流IATM与门极最大负向电流IGM之比，有公式
βoff =IATM/IGM
βoff一般为几倍至几十倍。βoff值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。很显然，βoff与昌盛 的hFE参数颇有相似之处。
下面分别介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益βoff的方法。
1．判定GTO的电极
将万用表拨至R×1档，测量任意两脚间的电阻，仅当黑表笔接G极，红表笔接K极时，电阻呈低阻值，对其它情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定G、K极，剩下的就是A极。
2．检查触发能力
如图2(a)所示，首先将表Ⅰ的黑表笔接A极，红表笔接K极，电阻为无穷大；然后用黑表笔尖也同时接触G极，加上正向触发信号，表针向右偏转到低阻值即表明GTO已经导通；最后脱开G极，只要GTO维持通态，就说明被测管具有触发能力。
3．检查关断能力
现采用双表法检查GTO的关断能力，如图2(b)所示，表Ⅰ的档位及接法保持不变。将表Ⅱ拨于R×10档，红表笔接G极，黑表笔接K极，施以负向触发信号，如果表Ⅰ的指针向左摆到无穷大位置，证明GTO具有关断能力。
4．估测关断增益βoff
进行到第3步时，先不接入表Ⅱ，记下在GTO导通时表Ⅰ的正向偏转格数n1；再接上表Ⅱ强迫GTO关断，记下表Ⅱ的正向偏转格数n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益：
βoff=IATM/IGM≈IAT/IG＝K1n1/ K2n2
式中K1—表Ⅰ在R×1档的电流比例系数；
K2—表Ⅱ在R×10档的电流比例系数。
βoff≈10×n1/ n2
此式的优点是，不需要具体计算IAT、IG之值，只要读出二者所对应的表针正向偏转格数，即可迅速估测关断增益值。
注意事项：
（1）在检查大功率GTO器件时，建议在R×1档外边串联一节1.5V电池E′，以提高测试电压和测试电流，使GTO可靠地导通。
（2）要准确测量GTO的关断增益βoff，必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同，测量结果仅供参考，或作为相对比较的依据。

硅控制开关（SCS）









硅控制开关SCS（Silicon Controlled Switch）亦称四端小功率晶闸管。它属于新颖、多功能半导体器件。只要改变其接线方式，就可构成普通晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、逆导晶闸管（RCT）、互补型N门极晶闸管（NGT）、程控单结晶体管（PUT）、单结晶体管（UJT），此外还能构成NPN型晶体管 、PNP型晶体管、肖克莱二极管（SKD）、3种稳压二极管、N型或P型负阻器件，分别实现十多种半导体器件的电路功能。迄今为止，还不曾有哪种器件象它具有如此众多的功能。因此它被誉为新颖“万能”器件亦当之无愧。
硅控制开关属于PNPN四层四端器件，其内部结构、等效电路及符号如图1所示。等效电路是由NPN晶体管（T1）和PNP晶体管（T2）组成的。四个引出端分别是阳极A、阴极K、阳极门极GA、阴极门极GK。由于其门极触发电流极小（几微安），开关时间（tON、toFF）极短，所以它相当于一只高灵敏度的小功率晶闸管。容量一般为60V、0.5A，大多采用金属壳封装，管径为8mm，管脚排列顺序见图2。国外典型产品有3N58、3N81、MAS32、3SF11等。
硅控制开关的最大特点是在PNPN的每一层都有一个引出端，所以使用极灵活。在不同接线方式下，硅控制开关的电路功能详见表1。其中，肖克莱二极管SKD（Shockley Diode）属于四层、高速、可控半导体整流二极管，可作开关二极管或触发器，用于激光脉冲发生器中。除表中所列用途之外，硅控制开关还可用作继电器驱动器、延时电路、脉冲发生器、双稳态触发器、高灵敏度电平检测器。
硅控制开关伯GTO使用时，需注意以下几点（参见图3）:
第一：A极接电源正极，K极接电源负极；
第二：GA极加负脉冲时器件导通。加正脉冲时器件关断；
第三：GK极加正脉冲时器件导通，加负脉冲时器件关断。
下面介绍利用万用表检查硅控制开关的方法
1．检查三个PN结的单向导电性
将万用表拨到R×1k档，分别测量A-GA、GA-GK、GK -K之间的正、反向电阻。正向电阻应为几千欧至十几千欧，反向电阻为无穷大，说明PN结具有单向导电性。
2．检查逆导性
只将 GA与A短接，即可观察到逆导性。但为使效果更明显，现将GK与K也短接，此时A、K之间只有两个同极性并联着的硅PN结，而且K极是接PN结正极，A极接PN结的负极。因此，用黑表笔接K极，红表笔接A极，测出的是正向电阻，约为几千欧。该特性就称为“逆导”（反向导通之意）。
若交换表笔位置，就无逆导性，电阻变成无穷大。
3．检查触发能力
首先用黑表笔接A 极，红表笔接K极，电阻为无穷大，证明器件关断。再按下述步骤操作：
（1）用红表笔尖搭一下GA极，然后脱开（但红表笔始终接着A极），为相当于给GA极加负脉冲，若电阻迅速减小，则说明器件具有触发能力。
（2）拿黑表笔搭一下GK极，旋即脱开，这相当于给GK极输入正脉冲，电阻值迅速降低，表明有触发能力。
4．检查关断能力
首先利用上面介绍的方法使器件导通，再进行以下操作：
（1）用黑表笔尖搭一下GA极，随即脱开，如果电阻变成无穷大，证明器件被关断，参见图4(a)。
（2）用红表笔尖搭一下GK极，迅速脱开，电阻呈无穷大，说明SCS关断，参见图4(b)。

逆导晶闸管(RCT)










逆导晶闸管RCT(Reverse-Conducting Thyristir)亦称反向导通晶闸管。其特点是在晶闸管的阳极与阴极之间反向并联一只二极管，使阳极与阴极的发射结均呈短路状态。由于这种特殊电路结构，使之具有耐高压、耐高温、关断时间短、通态电压低等优良性能。例如，逆导晶闸管的关断时间仅几微秒，工作频率达几十千赫，优于快速晶闸管（FSCR）。该器件适用于开关电源、UPS不间断电源中，一只RCT即可代替晶闸管和续流二极管各一只，不仅使用方便，而且能简化电路设计。
逆导晶闸管的符号、等效电路如图1(a)、(b)所示。其伏安特性见图2。由图显见，逆导晶闸管的伏安特性具有不对称性，正向特性与普通晶闸管SCR相同，而反向特性与硅整流管的正向特性相同（仅坐标位置不同）。
逆导晶闸管的典型产品有美国无线电公司（RCA）生产的S3900MF，其外形见图1(c)。它采用TO-220封装，三个引出端分别是门极G、阳极A、阴极K。S3900MF的主要参数如下：
断态重复峰值电压VDRM：＞750V
通态平均电流IT（AV）：5A
最大通态电压VT：3V（IT=30A）
最大反向导通电压VTR：＜0.8V
最大门极触发电压VGT:4V
最大门极触发电流IGT:40mA
关断时间toff:2.4μs
通态电压临界上升率du/dt:120V/μs
通态浪涌电流ITSM:80A
利用万用表和兆欧表可以检查逆导晶闸管的好坏。测试内容主要分三项：
1．检查逆导性
选择万用表R×1档，黑表笔接K极，红表笔接A极（参见图3(a)），电阻值应为5～10Ω。若阻值为零，证明内部二极管短路；电阻为无穷大，说明二极管开路。
2．测量正向直流转折电压V（BO）
按照（b）图接好电路，再按额定转速摇兆欧表，使RCT正向击穿，由直流电压表上读出V（BO）值。
3．检查触发能力
实例：使用500型万用表和ZC25-3型兆欧表测量一只S3900MF型逆导晶闸管。依次选择R×1k、R×100、R×10和R×1档测量A-K极间反向电阻，同时用读取电压法求出出内部二极管的反向导通电压VTR（实际是二极管正向电压VF）。再用兆欧表和万用表500VDC档测得V（BO）值。全部数据整理成表1。由此证明被测RCT质量良好。
注意事项：
（1）S3900MF的VTR＜0.8V，宜选R×1档测量。
（2）若再用读取电流法求出ITR值，还可以绘制反向伏安特性。

硅双向开关（SBS)

硅双向开关SBS（Silicon bidirectional Switch）也叫双向触发晶体管。它相当于把两只硅单向开关反极性并联，等效电路及符号如图1所示，伏安特性及典型产品的外形见图2。硅双向开关的正向特性及用途与硅单向开关相同，而正、反向转折电压的对称性又与双向触发二极管相近，区别只是对称性更好（偏差小于0.2V）。
使用万用表判定门极G的方法与硅单向开关相同，不再赘述。另外由于A1、A2极在结构上完全对称，可不再区分，允许互换使用。检查正、反向转折电压对称性的电路见图3。仍由兆欧表和万用表相配合，分别测出V（BO）、V（BR），最后比较二者之差。
实例：被测硅双向开关为BS08A。选500型万用表R×100档测得③-②、①-②的电阻分别为820Ω和830Ω，并具有对称性，由此判定②（中间脚）为门极。按图5.9.25所示电路分别测出V（BO）=8.35V，V（BR）=8.2V，二者仅相差0.15V，证明对称性很好。

硅单向开关SUS（单向触发晶体管）

硅单向开关SUS(Silicon Unidirectional Switch)亦称单向触发晶体管，上继双向触发二极管（DIAC）之后发展起来的新型触发器件。三个引出端分别是阳极A，阴极K，门极G，比DIAC增加了门极。硅单向开关实质上是由稳压管控制的N门极晶闸管构成集成电路。其结构、等效电路、符号及典型产品的外形如图1所示。典型产品有US08A等，外形同塑封晶体管。伏安特性示于图2中。
硅单向开关具有以下特点：
第一：稳压二极管并联在门极与阴极之间，稳压值为6～10V。导通过程首先将稳压管反向击穿，然后晶闸管才导通，A-K间正向压降迅速降到V（ON）。
第二：正反向转折电压不对称，有关系式V（BR）＞V（BO）》V（ON）。导通压降只有零点几伏，通态电阻仅2Ω左右。
第三：开关特性好，导通时间仅0.2μs左右。利用集成电阻R可以提高开关速度。
硅单向开关主要用于晶闸管移相电路。此外，它能代替单结晶体管构成振荡器，还可组成温度越限报警器、直流电机调速器管。
下面介绍用万用表和兆欧表检查硅单向开关的方法。
1．判定门极G
由图1(a)可见，在A-G、K-G之间分别有一个PN结，根据对称性很容易识别门极。具体方法上选择万用表的R×100档，拿红表接某一脚，用黑表笔依次碰触其它两脚，如困两次测出的电阻值都是几百欧姆，并在交换表笔之后电阻值均变成无穷大，就说明红表笔接的是门极G。
2．识别阳极A和阴极K
首先假定剩下一个脚为A极，另一脚是K极，然后按图3(a)的电路测出正向导通电压V（ON），再按照（b）图电路测出反向转折电压V（BR）。最后比较两次测量结果。若V（ON）《V（BR），证明假定成立，否则必须重新假定，继续测量。
实例：被测硅单向开关为US08A。为叙述方便，从左至右为三个管脚编上序号①、②、③。将500型万用表拨于R×100档，红表笔接②，黑表笔接①时测得电阻值为820Ω，此时表针倒数偏转格数n1′=22.5格，对应于U1= K′n1′=0.03V/格×22.5格=0.675V。红表笔不动，再反黑表笔接③，阻值为840Ω，同时读出n2′=22.8格，对应于U2= K′n2′=0.684V。由于两次电阻值都很小，且U1、U2分别与两个硅PN结的正向压降值相符合，故判定②为G极。
下面假定①为K极，③为A极，按照图3分别测出V（ON）=0.8V， V（BR）=8.6V，满足V（ON）《V（BR）之条件，证明原先的假定正确。
为进一步验证A、K极，另用兆欧表和万用表10VDC档测得G-K间PN结的反向击穿电压为8.3V；而G-A间PN结的反向击穿电压为16.5V，大于10V。证明稳压管位于G-K之间，即①为阴极，③自然是阳极了。
注意事项：刚摇兆欧表测A-K间正向电压时，电压表指针会从10V左右（对应于V（BO））突然降成1V以下（对应于V（ON）），然后才达到稳定。在商量A-K间反向转折电压时，指针则始终稳定。

双向触发二极管（DIAC)












双向触发二极管亦称二端交流器件（DIAC），与双向晶闸管同时问世。由于它结构简单、价格低廉，所以常用来触发双向晶闸管，构成过压保护电路、定时器等。
双向晶闸管的结构、符号及等效电路如图1所示。它属于三层构造、具有对称性的二端半导体器件，可等效于基极开路、发射极与集电极对称的NPN晶体管。正、反向伏安特性完全对称，见图2。当器件两端的电压V小于正向转折电压V（BO）时，呈高阻态；当V＞V（BO）时进入负阻区。同样，当V超过反向转折电压V（BR）时，管子也能进入负阻区。转折电压的对称性用⊿V（B）表示，⊿V（B）= V（BO）－V（BR），一般要求⊿V（B）＜2V。双向触发二极管的耐压值（V（BO））大致分三个等级：20～60V，100～150V，200～250V。
图3是由双向触发二极管和平共处双向晶闸管组成的过压保护电路。当瞬态电压超过DIAC的V（BO）时，DIAC导通并触发双向晶闸管也导通，使后面的负载免受过压损害。
下面介绍用兆欧表和万用表检查双向触发二极管的方法。
（1）将万用表拨于R×1k（或R×10档），因为DIAC的V（BO）值都20V以上，所以测量正、反向电阻值均为无穷大。
（2）按图4接好电路。由兆欧表提供击穿电压，并用直流电压表测量DIAC的正向转折电压V（BO）。然后调换DIAC的电极，测出反向转折电压V（BR）。最后检查转折电压的对称性。
实例之一：选择ZC25-3型兆欧表，将500型万用表拨至50VDC档。被测触发二极管为DB3型，其外形与检波二极管相似，管壳呈天蓝色。主要参数是：V（BO）=35V（典型值），峰值脉冲电流Ipk=5mA。
首先用R×1k档测量正、反向电阻均为无穷大。然后按图5.9.19所示方法分两次测得：V（BO）=28.5V，V（BR）=28.0V。由此算出⊿V（B）=0.5V＜2V 。该管子的正、反向转折电压较典型值稍低些，但转折电压的对称性很好。
实例之二：测量两只耐压30V的玻封双向触发二极管（具体型号未标出），测量数据整理成表1。说明两只被测管性能良好。
注意事项：
因双向触发二极管具有对称性，故可从两次测量值中任选一个定义为V（BO）。现取数值较大的作为V（BO），数值较小的作为V（BR）。

固态继电器简介

一、概述
固态继电器(SSR)与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。
二、固态继电器的组成
固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。安输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双
向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。
三、固态继电器的优缺点
1、固态继电器的优点
（1）高寿命，高可靠:SSR没有机械零部件，有固体器件完成触点功能，由于没有运动的零部件，因此能在高冲击，振动的环境下工作，由于组成固态继电器的元器件的固有特性，决定了固态继电器的寿命长，可靠性高。
（2）灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好:固态继电器的输入电压范围较宽，驱动功率低，可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。
（3）快速转换:固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。
（4）电磁干扰笑:固态继电器没有输入"线圈"，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少了开关瞬态效应。
2、固态继电器的缺点
（1）导通后的管压降大，可控硅或双相控硅的正向降压可达1~2V，大功率晶体管的饱和压浆液灾1~2V之间，一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。
（2）半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离。
（3）由于管压降大，导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高。
（4）电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低。
（5）固态继电器对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过在保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降。

S/HS固态继电器原理与应用

交流固态继电器SSR(Solid state releys)是一种无触点通断电子开关,为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端,另外两端为输出受控端,中间采用光电隔离,作为输入输出之间电气隔离(浮空)。在输入端加上直流或脉冲信号,输出端就能从关断状态转变成导通状态(无信号时呈阻断状态),从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点,可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。
由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件,所以与电磁继电器相比具有工作可靠、寿命长,对外界干扰小,能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等一系列优点,因而具有很宽的应用领域,有逐步取代传统电磁继电器之势,并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。目前,国内已有北京先锋公司电子厂、上海超诚电子技术研究所、上海中沪电子仪器厂、无锡康裕电器元件厂、无锡天豪电子仪器设备厂、苏州无线电元件一厂等单位生产此类产品。

SSR固态继电器以触发形式,可分为零压型(Z)和调相型(P)两种。在输入端施加合适的控制信号VIN时,P型SSR立即导通。当VIN撤销后,负载电流低于双向可控硅维持电流时(交流换向),SSR关断。
Z型SSR内部包括过零检测电路,在施加输入信号VIN时,只有当负载电源电压达到过零区时,SSR才能导通,并有可能造成电源半个周期的最大延时。Z型SSR关断条件同P型,但由于负载工作电流近似正弦波,高次谐波干扰小,所以应用广泛。
先锋公司电子厂SSR由于采用输出器件不同,有普通型(S,采用双向可控硅元件)和增强型(HS,采用单向可控硅元件)之分。当加有感性负载时,在输入信号截止t1之前,双向可控硅导通,电流滞后电源电压90O(纯感时)。t1时刻,输入控制信号撤销,双向可控硅在小于维持电流时关断(t2),可控硅将承受电压上升率dv/dt很高的反向电压。这个电压将通过双向可控硅内部的结电容,正反馈到栅极。如果超过双向可控硅换向dv/dt指标(典型值10V/　s,将引起换向恢复时间长甚至失败。
单向可控硅(增强型SSR)由于处在单极性工作状态,此时只受静态电压上升率所限制(典型值200V/　s),因此增强型固态继电器HS系列比普通型SSR的换向dv/dt指标提高了5　20倍。由于采用两只大功率单向可控硅反并联,改变了电流分配和导热条件,提高了SSR输出功率。
增强型SSR在大功率应用场合,无论是感性负载还是阻性负载,耐电压、耐电流冲击及产品的可靠性,均超过普通固态继电器,并达到了进口产品的基本指标,是替代普通固态继电器的更新产品。
固态继电器的应用
S系列固态继电器,HS系列增强型固态继电器、可以广泛用于:计算机外围接口装置,恒温器和电阻炉控制、交流电机控制、中间继电器和电磁阀控制、复印机和全自动洗衣机控制、信号灯交通灯和闪烁器控制、照明和舞台灯光控制、数控机械遥控系统、自动消防和保安系统、大功率可控硅触发和工业自动化装置等。在应用中需要考虑下述问题。

1.器件的发热

SSR在导通时,元件将承受P耗=V有