可控矽的基本工作原理及在調光器中的使用——可控矽設計經驗總結

不管可控矽的外形如何，它們的管芯都是由P型矽和N型矽組成的四層P1N1P2N2結構。見圖1。它有三個PN結（J1、J2、J3），從J1結構的P1層引出陽極A，從N2層引出陰級K，從P2層引出控制極G，所以它是一種四層三端的半導體器件。

1、 額定通态平均電流

在一定條件下，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

在控制極開路未加觸發信号，陽極正向電壓還未超過導能電壓時，可以重複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

當可控矽加反向電壓，處于反向關斷狀态時，可以重複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

在規定的環境溫度下，陽極---陰極間加一定電壓，使可控矽從關斷狀态轉為導通狀态所需要的最小控制極電流和電壓。

5、 維持電流

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。

采用可控矽技術對照明系統進行控制具有：電壓調節速度快，精度高，可分時段實時調整，有穩壓作用，采用電子元件，相對來說體積小、重量輕、成本低。但該調壓方式存在一緻命缺陷，由于斬波，使電壓無法實現正弦波輸出，還會出現大量諧波，形成對電網系統諧波污染，危害極大，不能用在有電容補償電路中。（現代照明設計要求規定，照明系統中功率因數必須達到0.9以上，而氣體放電燈的功率因數在一般在0.5以下，所以都設計用電容補償功率因數）在國外發達國家，已有明文規定對電氣設備諧波含量的限制，在國内，北京、上海、廣州等大城市，已對諧波含量超标的設備限制并入電網使用。

在分析可控矽工作原理時，我們經常将這種四層P1N1P2N2結構看作由一個PNP管和NPN管構成，如下圖所示。

當陽極A端加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀态，此時由控制極G端輸入正向觸發信号，使得BG2管有基極電流ib2通過，經過BG2管的放大後，其集電極電流為ic2=β2ib2。而ic2沿電路流至BG1的基極，故有ib1=ic2，電流又經BG1管的放大作用後，得到BG1的集電極電流為ic1=β1ib1=β1β2ib2。此電流又流回BG2的基極，使得BG2的基極電流ib2增大，從而形成正向反饋使電流劇增，進而使得可控矽飽和并導通。由于在電路中形成了正反饋，所以可控矽一旦導通後無法關斷，即使控制極G端的電流消失，可控矽仍能繼續維持這種導通的狀态。

通過上面對工作原理的分析可知，可控矽隻具有導通和關斷兩種工作狀态，那麼這兩種工作狀态之間如何進行轉換呢？如下表：

可控矽在實際應用中電路花樣最多的是其栅極觸發回路，概括起來有直流觸發電路，交流觸發電路，相位觸發電路等等。

1、直流觸發電路

如圖2是一個電視機常用的過壓保護電路，當E 電壓過高時A點電壓也變高，當它高于穩壓管DZ的穩壓值時DZ道通，可控矽D受觸發而道通将E 短路，使保險絲RJ熔斷，從而起到過壓保護的作用。

2、相位觸發電路

相位觸發電路實際上是交流觸發電路的一種，如圖3，這個電路的方法是利用RC回路控制觸發信号的相位。當R值較少時，RC時間常數較少，觸發信号的相移A1較少，因此負載獲得較大的電功率；當R值較大時，RC時間常數較大，觸發信号的相移A2較大，因此負載獲得較少的電功率。這個典型的電功率無級調整電路在日常生活中有很多電氣産品中都應用它。

可控矽調光器是目前舞台照明、環境照明領域的主流設備。

在照明系統中使用的各種調光器實質上就是一個交流調壓器，老式的變壓器和變阻器調光是采用調節電壓或電流的幅度來實現的，如下圖所示。u1是未經調壓的220V交流電的波形，經調壓後的電壓波形為u2，由于其幅度小于u1，使燈光變暗。在這種調光模式中，雖然改變了正弦交流電的幅值，但并未改變其正弦波形的本質。

與變壓器、電阻器相比，可控矽調光器有着完全不同的調光機理，它是采用相位控制方法來實現調壓或調光的。對于普通反向阻斷型可控矽，其閘流特性表現為當可控矽加上正向陽極電壓的同時又加上适當的正向控制電壓時，可控矽就導通；這一導通即使在撤去門極控制電壓後仍将維持，一直到加上反向陽極電壓或陽極電流小于可控矽自身的維持電流後才關斷。普通的可控矽調光器就是利用可控矽的這一特性實現前沿觸發相控調壓的。在正弦波交流電過零後的某一時刻t1（或某一相位角wt1），在可控矽控制極上加一觸發脈沖，使可控矽導通，根據前面介紹過的可控矽開關特性，這一導通将維持到正弦波正半周結束。因此在正弦波的正半周（即0~p區間）中，0~wt1範圍可控矽不導通，這一範圍稱為控制角，常用a表示；而在wt1~p間可控矽導通，這一範圍稱為導通角，常用j表示。同理在正弦波交流電的負半周，對處于反向聯接的另一個可控矽（對兩個單向可控矽反并聯或雙向可控矽而言）在t2時刻（即相位角wt2）施加觸發脈沖，使其導通。如此周而複始，對正弦波每半個周期控制其導通，獲得相同的導通角。如改變觸發脈沖的施加時間（或相位），即改變了導通角j（或控制角a）的大小。導通角越大調光器輸出的電壓越高，燈就越亮。從上述可控矽調光原理可知，調光器輸出的電壓波形已經不再是正弦波了，除非調光器處在全導通狀态，即導通角為180°（或p）。正是由于正弦波被切割、波形遭受破壞，會給電網帶來幹擾等問題……

好的調光設備應采取必要措施，努力降低使用可控矽技術後産生的幹擾。

第一、運行環境因素是這類調光設備關鍵的影響因素，在選購、安裝之前大家需要将這類設備的安裝環境進行測裡，并且良好相應的電力指标問題，必須确保所選購的調光器設備在這方面可以告訴滿足于自己的日常需求。

第二、避免将可控矽周光器安裝在朝濕、陽光直射的地方。并且在連接過程當中，大家最好采用原廠家所提供的電源線，否則可能因為電流輸送的不穩定，導緻了設備出現故障問題。

第三、針對這類設備的安裝操作，大家必須進行換位思考，從日後的使用以及維修保養角度來考慮，确保能夠讓日後的相關操作得到便捷的進行。

第四、在使用過程當中避免調光器四周存在熱源、水源，更加需要做好相應的防腐、防潮措施。不管是安裝還是使用，操作人員都應該提前熟讀說明書，這樣在充分了解這款型号的調光器之下進行使用。

第五、堅持做好可控矽調光器和運行安裝環境的雙重清潔衛生打掃，防塵措施的采取，也可以使得這類調光器的性能發揮更加出色。

第六、在運行這樣的調光設備時，如果發現任何異常現象或是故障問題的産生，必須要第- -時 間通知原廠家的維修人員，千萬不要私自拆開調

光設備進行維修，否則可能造成更大的故障，導緻調光器直接報廢。

第七、根據這類設備的使用情況，制定完善有效的維護保養方案，定期利用專業的檢則設備為調光裝置故好檢測。

這兩年來，LED産業的快速發展，使得可控矽調光器等産品的市場需求裡也逐步增加。希望通過上面的簡單介紹，可以幫助大家更好的了解關于這類調光設備在安裝與使用過程當中的基本注意事項。

1.為了導通閘流管（或雙向可控矽），必須有門極電流≧IGT ，直至負載電流達到≧IL 。這條件必須滿足，并按可能遇到的最低溫度考慮；

2.要斷開（切換）閘流管（或雙向可控矽），負載電流必須《IH， 并維持足夠長的時間，使能回複至截止狀态。在可能的最高運行溫度下必須滿足上述條件。；

3. 設計雙向可控矽觸發電路時，隻要有可能，就要避開3 象限（WT2-， ）；

4. 為減少雜波吸收，門極連線長度降至最低。返回線直接連至MT1（或陰極）。若用硬線，用螺旋雙線或屏蔽線。門極和MT1 間加電阻1kΩ或更小。高頻旁路電容和門極間串接電阻。另一解決辦法，選用H 系列低靈敏度雙向可控矽；

5. 若dVD/dt 或dVCOM/dt 可能引起問題，在MT1 和MT2 間加入RC 緩沖電路。若高dICOM/dt 可能引起問題，加入一幾mH 的電感和負載串聯。另一種解決辦法，采用Hi-Com 雙向可控矽；

6. 假如雙向可控矽的VDRM 在嚴重的、異常的電源瞬間過程中有可能被超出，采用下列措施之一： 負載上串聯電感量為幾μH 的不飽和電感，以限制dIT/dt； 用MOV 跨接于電源，并在電源側增加濾波電路；

7. 選用好的門極觸發電路，避開3 象限工況，可以最大限度提高雙向可控矽的dIT/dt 承受能力；

8. 若雙向可控矽的dIT/dt 有可能被超出，負載上最好串聯一個幾μH 的無鐵芯電感或負溫度系數的熱敏電阻。另一種解決辦法：對電阻性負載采用零電壓導通；

9. 器件固定到散熱器時，避免讓雙向可控矽受到應力。固定，然後焊接引線。不要把鉚釘芯軸放在器件接口片一側。；

10.為了長期可靠工作，應保證Rth j-a 足夠低，維持Tj 不高于Tjmax ，其值相應于可能的最高環境溫度。

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