可控矽的用途?

▲可控矽，英文名稱為Silicon Controlled Rectifier，簡寫為SCR，是可控矽整流元件的簡稱，現在人們叫它閘流體。

閘流體全稱為晶體閘流管，是一種半導體器件，閘流體最主要的特點是能用微小的功率控制較大的功率，因此常用於電機驅動控制電路以及在申源中作過載保護器件等，在如今的工業、農業、交通、電力個行各業等廣泛應用於它。常見的閘流體主要有單向晶聞管、雙向閘流體等，工業自動化控制、電力系統中功率比較大的還有門極可關斷閘流體，簡稱GTO，電力雙極性閘流體（GTR）及閘流體模組QTM。下面簡單介紹一下單相閘流體和雙向閘流體

單向閘流體(SCR)又稱可控矽，是一種可控整流電子元器件，觸發後只能單向導通,，其陽極A與陰極K之間加有正向電壓，同時控制極G與陰極間加上所需的正向觸發電壓時，方可被觸發導通，該管導通後即失去掉觸發電壓，仍能保持導通狀態。單相閘流體實物圖及符號見下圖所示。

▲單向閘流體(SCR)內有3個PN接面，由P-N-P-N共4層組成，其實物外形如上圖所示，它被廣泛應用於可控整流、交流調壓、逆變器和開關電源電路中。

▲雙向閘流體又稱雙向可控矽，與單向閘流體一樣，也具有觸發控制特性。不過，它的觸發控制特性與單向閘流體有很大的不同，它具有雙向導通的特性，這就是無論在陽極和陰極間接入何種極性的電壓，只要在它的控制極上加上一個任意極性的觸發脈衝，都可以使雙向閘流體導通。

雙向閘流體是由N-P-N-P-N共5層半導體組成的器件，有第一電極(TI)、第二電極(T2)、控制極(G) 3個電極，在結構上相當於兩個單向閘流體反極性並聯。如圖下所示。

▲上圖為雙向閘流體的實物外形和符號表示。該類閘流體在電路中一般用於調節電壓、電流或用作交流無觸點開關使用。

雖然各種品閘管的種類不同，但其型號的命名規則基本相同，都是由產品名稱、型別、額定通態電流值以及重複峰值電壓級數等構成的。

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單向可控矽矽的誕生

說起可控矽這個電力半導體器件的誕生，掐指算起來也有６０多年了。第一個作為真正用在工業上的可控矽是在１９５８年，當時的美國通用電氣公司用在調壓和變流上使用時獲得了較大的成功。從此之後，可控矽就用在了電壓的變換、電流的變換、頻率的變換以及波形和交流電的相數變換等方面得到了廣泛的使用，經過這麼多年來，可控矽家族已經衍生了許多品種，比如到了二十世紀７０年代已經出現了全控型的可控矽，到了上個世紀八十年代又出現了第三代可控矽，這種可控矽製成一種整合的功率器件，其品種發展出了雙向可控矽（ＫＳ）、門極可關斷可控矽（ＧＴＯ）、絕緣柵閘流體（ＩＧＢＴ）和功率積體電路（Ｐower IC）等。這些新可控矽器件的“誕生”為它們在電力的整流技術、逆變技術、斬波技術以及變頻技術等方面都有了廣闊的使用。

１、可控矽的內部結構

為了好說明問題，我們以單向可控矽為例談談它的工作過程，我們先從它的內部看看可控矽的結構，我們從內部結構圖可以看到可控矽是一個四層三端的半導體器件，它有三個ＰＮ結，它從兩個Ｐ型半導體上分別引出一個引腳叫陽極，我們用Ａ表示、另一個叫柵極，我們用Ｇ表示。第三個引腳從Ｎ型半導體引出，被稱為陰極用Ｋ表示。其結構示意圖與電路圖符號如下圖表示的那樣。

２、可控矽的工作過程

我們從下面第一幅圖看，可控矽的陽極電壓高於陰極電壓，此時門控極的開關Ｓ沒閉合，這時燈泡是不亮的，說明了可控矽沒有導通；第二幅圖我們再把門控極的開關Ｓ閉合，燈泡被點亮了，這說明可控矽導通了，第三幅圖，當燈泡被點亮後，我們再把門控極的開關Ｓ開啟，這時燈泡仍然在亮，這說明可控矽仍然在導通；第四幅圖可以看到我們把控制門極的電源極性反接，這時燈泡就熄滅了，說明單向可控矽不導通了。

由以上可控矽的工作情況可以看出，可控矽的導通條件是：可控矽的門極要加一定電壓的正向觸發訊號，同時它的陽極（Ａ）電壓要高於陰極（Ｋ）電壓，這時可控矽就會導通。它的關閉條件是可以讓可控矽的陽極電流小到一定值時它就可以關閉，或者陽極與陰極之間加上反向電壓它也會關閉。由此可見可控矽就像一個無觸點的開關一樣來控制負載的通電與斷電。

我們從可控矽的工作過程可以看出，它想一個開關一樣透過一定的條件可以控制可控矽的導通與關斷，這樣我們可以把它用在聲光控制電路中、調光電路和單相半波以及單向全波電路中。

１單向可控矽在調光電路的應用

當開關Ｓ閉合時，首先２２０Ｖ交流市電經過整流二極體ＶＤ１到ＶＤ４組成橋式整流電路，經過橋式整流後得到了脈動的直流電。得到的脈動直流電經過分壓限流電阻Ｒ１和充電定時電阻Ｒ４、ＲＰ後向電容Ｃ進行充電。電容Ｃ上的電壓會按指數規律逐漸升高，當電容Ｃ上的電壓大於單結電晶體ＢＴ３３的峰點電壓時，單結電晶體就會導通，這時電容就會透過ＢＴ３３的ＥＢ１極和電阻Ｒ３進行放電，這時會在電阻Ｒ３上輸出脈衝電壓，觸發閘流體ＭＣＲ１００－６的導通，從而使電燈ＨＬ就會被點亮。

當調節可調電阻ＲＰ可以改變電容Ｃ充放電的快慢時間，這也就控制了閘流體ＭＣＲ１００－６的導通時間，從而控制燈泡的ＨＬ的亮度。當電位ＲＰ調小時，電容器Ｃ充電就快，在電阻Ｒ３上形成的觸發電壓的時間就會變短，這樣就會使閘流體的導通時間就會延長，燈泡ＨＬ的亮度就會增加。反之，當電位ＲＰ調大時，電容器Ｃ充電就變慢，在電阻Ｒ３上形成的觸發電壓的時間就會變長，這樣就會使閘流體的導通時間就會變短，燈泡ＨＬ的亮度就會暗，其電路原理圖如下圖所示。

２、單向可控矽在聲控和光控電路

從圖中可以看到，當白天時由於光敏電阻阻值降的低了，這時ＣＤ４０１１組成的與非閘電路的第二腳輸入了低電平，不管這時是有聲音還是沒有聲音單向可控矽的門極都是低電平訊號，無法開啟可控矽；當天黑後光敏電阻阻值升高了，這時ＣＤ４０１１組成的與非閘電路的第二腳輸入了高電平，這時有聲音時，單向可控矽的門極就會的到高電平訊號，符合了可控矽的導通條件，這時燈泡就會點亮。

３、單向可控矽在整流電路中的應用

單相橋式半控整流電路是由三部分子電路組成，其分別是同步取樣給定電路、觸發電路以及橋式整流電路。

同步取樣給定電路：是由二極體組成的橋式整流電路，然後透過１ＫΩ電阻的分壓和限流，再透過１０Ｖ的穩壓二極體進行穩壓，穩壓後再透過電解電容Ｃ６進行濾波，得到了穩定的１０Ｖ直流電，最後再透過可調電阻ＲＰ３和ＲＰ２進行電壓取樣。

脈衝觸發電路：也是由二極體組成的橋式整流電路，然後透過２ＫΩ電阻的分壓和限流，再透過１５Ｖ的穩壓二極體進行穩壓，穩壓後再透過電解電容Ｃ５和Ｃ４進行濾波，得到了穩定的１５Ｖ直流電壓，這個１５Ｖ的電壓為單結電晶體提供了工作電壓，首先同步取樣電壓加到三極體ＶＴ１的基極，促使三極體ＶＴ１導通，ＶＴ１導通後使ＰＮＰ三極體ＶＴ２導通，這樣１５Ｖ的直流電就透過２４ＫΩ電阻，ＶＴ２三極體的發射極Ｅ和集電極Ｃ對電解電容Ｃ１進行充電，電容Ｃ１上的電壓會按指數規律逐漸升高，當電容Ｃ１上的電壓大於單結電晶體ＶＴ３的峰點電壓時，單結電晶體就會導通，這時電容Ｃ１就會透過單結電晶體ＶＴ３的Ｅ極和Ｂ極以及１００Ω的電阻進行放電，這時就會在１００Ω電阻上產生一個高脈衝電壓，這個高脈衝電壓會促使ＮＰＮ三極體ＶＴ４的導通，一但ＶＴ４導通了，就會在兩個具有同名端的電感上產生兩個同步的高脈衝電壓訊號，這兩個同步的高脈衝訊號分別加在閘流體ＶＴ５和ＶＴ６的門極上，就會使閘流體ＶＴ５和ＶＴ６隨時準備著導通。其電路圖如下圖所示的那樣。

主電路：分別由兩個整流二極體ＶＤ８和ＶＤ９以及兩個閘流體ＶＴ５和ＶＴ６組成，以及負載燈泡和阻容保護環節構成。當電壓處於正半周時，整流二極體ＶＤ９承受正向電壓處於導通狀態，與此同時閘流體ＶＴ５也承受正向電壓，在此時刻又有觸發脈衝的到來，這樣ＶＴ５就會導通，其電流流過的路徑由電源正向端到閘流體ＶＴ１再到燈泡，然後經過整流二極體ＶＤ９，最後到達電源的負極，這樣就會在負載燈泡上得到一個從上到下的電流；同樣，當電壓處於負半周時，其電流流過的路徑由電源負向端到閘流體ＶＴ６再到燈泡，然後經過整流二極體ＶＤ８，最後到達電源的正極，這樣也會在負載燈泡上得到一個從上到下的電流。由此可見在單相交流電的整個週期內，負載上的電流始終都是從上到下流過燈泡的，其電路原理圖如下圖所示。

除了單向可控矽以外還有雙向可控矽，它可以在交流開關電路中、可逆直流調速電路中以及交流調壓電路中都可以使用它，這樣能夠簡化電路，減小電路的體積；另外還有快速可控矽，主要用在逆變器和斬波器電路當中，有時也會用在中頻電源電路當中；現在用的比較多的是功率場效應電晶體，它在變頻器中用的很普遍。