http://www.hnrpc.com:90/ec2006/c7/Course/Index.htm湖南铁道职业技术学院
《电力电子技术》
课题一 调光灯
【学习目标】：
完成本课题的学习后，能够：
1． 用万用表测试晶闸管和单结晶体管的好坏。 2． 掌握晶闸管工作原理。
3． 分析单相半波整流电路的工作原理。 4． 分析单结晶体管触发电路的工作原理。 5． 熟悉触发电路与主电路电压同步的基本概念。
【课题描述】：调光灯在日常生活中的应用非常广泛，其种类也很多。图1-1（a）是常见的调光台灯。旋动调光旋钮便可以调节灯泡的亮度。图1-1（b）为电路原理图。
同步变压器 触发电路 调光电位器 晶闸管 调光 旋钮
（a） (b)
图1-1 调光灯
（a）调光灯 （b）调光灯电路原理图
主电路
如图1—1(b)所示，调光灯电路由主电路和触发电路两部分构成，通过对主电路及触发电路的分析使学生能够理解电路的工作原理，进而掌握分析电路的方法。下面具体分析与该
电路有关的知识：晶闸管、单相半波可控整流电路、单结晶体管触发电路等内容。
【相关知识点】： 一、晶闸管的工作原理 1．晶闸管的结构
晶闸管是一种大功率PNPN四层半导体元件，具有三个PN结，引出三个极，阳极A、阴极K、门极（控制极）G，其外形及符号如图1—2所示，各管脚名称（阳极A、阴极K、具有控制作用的门极G）标于图中。图1—2（b）所示为晶闸管的图形符号及文字符号。
阴极（K） 门极（G） 小电流小电流塑封式 塑封式
小电流螺旋式
阴极（K）
阳极（A） 门极（G） 阳极（A） （（b)
a)
图1-2 晶闸管的外形及符号
（a）部分晶闸管外形 （b）电气图形符号及文字符号
晶闸管的内部结构和等效电路如图1-3所示
（a）
(b)
图1-3 晶闸管的内部结构及等效电路
（a）内部结构 （b）以三个PN结等效
2．晶闸管的工作原理
为了说明晶闸管的工作原理，先做一个实验，实验电路如图1-4所示。阳极电源Ea连
接负载（白炽灯）接到晶闸管的阳极A与阴极K，组成晶闸管的主电路。流过晶闸管阳极的电流称阳极电流Ia，晶闸管阳极和阴极两端电压，称阳极电压Ua。门极电源E g连接晶闸管的门极G与阴极K，组成控制电路亦称触发电路。流过门极的电流称门极电流Ig，门极与阴极之间的电压称门极电压Ug。用灯泡来观察晶闸管的通断情况。该实验分九个步骤进行。
图1－4 晶闸管导通关断条件实验电路
第一步：按图1-4（a）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间不加电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第二步：按图1-4（b）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间加反向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第三步：按图1-4（c）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间加正向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第四步：按图1-4（d）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间不加电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第五步：按图1-4（e）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间加反向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第六步：按图1-4（f）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间也加正向电压，指示灯亮，晶闸管导通。
第七步：按图1-4（g）接线，去掉触发电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。
第八步：按图1-4（h）接线，门极和阴极之间加反向电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。 第九步：按图1-4（i）接线，去掉触发电压，将电位器阻值加大，晶闸管阳极电流减小，
当电流减小到一定值时，指示灯熄灭，晶闸管关断。
实验现象与结论列于表1-1。
表1-1 晶闸管导通和关断实验
实验前灯的情实验顺序 况 1 2 导通实验 3 1 2 3 1 2 关断实验 4 亮 3 暗 暗 暗 暗 暗 暗 亮 亮 亮 反向 反向 反向 正向 正向 正向 正向 正向 正向 正向（逐渐减小到接近于零） 实验说明： （1）当晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极是否有正向触发电压或者承受反向电压，晶闸管不导通，只有很小的的反向漏电流流过管子，这种状态称为反向阻断状态。说明晶闸管像整流二极管一样，具有单向导电性。
（2）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上反向电压或者不加电压，晶闸管不导通，这种状态称为正向阻断状态。这是二极管所不具备的。
（3）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上正向触发电压，晶闸管导通，这种状态称为正向导通状态。这就是晶闸管闸流特性，即可控特性。
（4）晶闸管一旦导通后维持阳极电压不变，将触发电压撤除管子依然处于导通状态。即门极对管子不再具有控制作用。
结论：
任意 暗 反向 零 正向 反向 零 正向 正向 零 反向 暗 暗 暗 暗 暗 亮 亮 亮 亮 晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何电压，它都处于关断状态 晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压作用下，才能导通 已导通的晶闸管在正向阳极作用下，门极失去控制作用 晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，晶闸管关断 阳极电压Ua 门极电压Ug 况 灯的情结论 实验时晶闸管条件 实验后
1） 晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正向电压。 2）关断条件：流过晶闸管的电流小于维持电流。
3．晶闸管的导通关断原理
由晶闸管的内部结构可知，它是四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）结构，有三个PN
结，即J1、J2、J3。因此可用三个串联的二极管等效（如图1－3）。当阳极A和阴极K两端加正向电压时，J2处于反偏，P1N1P2N2结构处于阻断状态，只能通过很小的正向漏电流，当阳极A和阴极K两端加反向电压时，J1和J3处于反偏，P1N1P2N2结构也处于阻断状态，只能通过很小的反向漏电流，所以晶闸管具有正反向阻断特性。
晶闸管的P1N1P2N2结构又可以等效为两个互补连接的晶体管（如图1－5所示）。晶
闸管的导通关断原理可以通过等效电路来分析。
（a） (b) 图1－5 晶闸管工作原理的等效电路 （a）以互补三极管等效 （b）晶
闸管工作原理等效电路
当晶闸管加上正向阳极电压，门极也加上足够的门极电压时，则有电流IG从门极流入N1P2N2管的基极，经N1P2N2管放大后的集电极电流IC2又是P1N1P2管的基极电流，再经P1N1P2管的放大，
其集电极电流IC1又流人N1P2N2管的基极，如此循环，产生强烈的正反馈过程，使两个晶体管快速饱和导通，从而使晶闸管由阻断迅速地变为导通。导通后晶闸管两端的压降一般为1．5 V左右，流过晶闸管的电流将取决于外加电源电压和主回路的阻抗。
晶闸管一旦导通后，即使IG=0，但因IC1的电流在内部直接流入N1P2N2管的基极，晶闸管仍将继续保持导通状态。若要晶闸管关断，只有降低阳极电压到零或对晶闸管加上反向阳极电压，使IC1的电流减少至N1P2N2管接近截止状态，即流过晶闸管的阳极电流小于维持电流，晶闸管方可恢复阻断状态。
二、 晶闸管特性与主要参数 1．晶闸管的阳极伏安特性
晶闸管的阳极与阴极间电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图1-6所示。