晶闸管整流

Electrical Engineering

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Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

类似于二极管, 晶闸管, 也称为可控硅整流器 (中心), 从一个方向通过电流从阳极到阴极, 并阻止电流流向另一个方向。然而, 电流通道可以通过一个 "门" 终端来控制, 这需要一个小电流脉冲来打开晶闸管, 这样它就可以开始传导了。

晶闸管是四层装置, 由 n 型和 p 型材料交替层组成, 从而形成具有三个结点的 PNPN 结构。晶闸管有三端子;当阳极与 PNPN 结构的 p 型材料连接时, 阴极与 n 型层相连接, 而栅极连接到离阴极最近的 p 型层。

本实验的目的是研究在不同条件下可控晶闸管的半波整流器, 了解栅极脉冲的不同定时对直流输出电压的影响。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 电气工程. 晶闸管整流. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

除了具有栅极脉冲触发传导过程的条件外, 晶闸管只在与二极管相同的条件下导电。例如, 如果交流电源与可控硅和电阻负载串联, 则源的正半循环不足以向晶闸管转发偏置;在应用栅极脉冲之前, 晶闸管将保持反向偏置或关闭。然后, 它将开始进行在这半周期。因此, 晶闸管有三端子、阳极 (A)、阴极 (K) 和栅极 (G)。栅极脉冲由驱动电流进入栅极的 "栅极驱动" 电路产生。交流源零过闸脉冲指令之间的延迟称为 "发射角", 它是一个电角。

图1显示了一个简单的半波晶闸管整流电路与脉冲产生电路 (r1, R2, D1, D2,C), 产生电流脉冲在晶闸管的大门。当脉冲是可用的, 并在一个发射角 "发射" 在一定的延迟周期, 从输入电压的零交点的V在中, 晶闸管就像二极管一样在一个方向传递电流。一旦电流到零, 栅极脉冲不可用, 晶闸管将保持关闭, 直到电流再次为正值, 并发射栅极脉冲。

在本实验中, 我们将研究在不同点火角度下可控晶闸管的半波整流器。对不同角度的平均输出电压进行了比较, 研究了控制交变时间对平均直流输出功率的影响。

Figure 1
图 1: 具有可控硅和电阻负载的半波整流器。

Procedure

注意: 在这个实验中, 不要在通电时触摸电路的任何部分。不要磨调压器。

在本实验中, 以60赫兹和峰值35伏的低频变量变压器 (调压器) 作为主交流源。

1. 设置

  1. 启动前, 将差分探头连接到一个作用域通道。
    1. 将差分探头上的按钮设置为 1/20 (或 20X) 衰减。
  2. 在 "范围" 通道菜单上, 将探头设置为 10X, 除非有差分探头可用20X。如果选择了 10X, 请手动将任何测量或结果乘以2以达到所需的20X。
  3. 要设置调压器, 请确保调压器输出 (看起来像一个常规的插座) 没有连接到任何电缆。
    1. 保持调压器关闭, 并确保其旋钮设置为零。
    2. 慢慢调整调压器旋钮到大约15% 输出。
  4. 在将差分探头连接到电路之前, 将探头的端子系在一起, 并在屏幕上调整其测量波形, 以显示零偏移电压。
  5. 将输出电缆连接到调压器, 并将差分电压探头穿过调压器输出的香蕉插头。
    1. 打开调压器。
    2. 略调调压器达到35V 峰值。
  6. 在中采用 V的副本以供引用。显示两到五基本周期。
  7. 把调压器关了不要调整其旋钮设置为其余的实验。

2. 具有电阻负载和零点火角的半波整流可控硅电路

  1. 主要整流元件是 SCR (S), 这是一个 TYN058。负载电阻器 (R) 为51Ω。SCR 控制电路封装在图1的虚线框中。
  2. 控制电路使用二极管 (1N4004), 一个1ω电阻器 (R1), 一个手动改变的控制电阻 (R2), 和一个陶瓷 (无极性) 1 µF 电容器 (C)。
    1. 确保 SCR 和二极管极性正确无误。在二极管上的破折号是在阴极, 而 SCR 引脚分配显示在图2。
  3. 在原始板上, 构建图1所示的电路。使用短路而不是R2
  4. 将差分电压探头横跨负载电阻器, 以观察输出电压, V
  5. 打开调压器。
  6. 调整作用域上的时间基准, 以便在为 v所捕获的相同数量的基本周期显示V 。制作波形的拷贝。
    1. 测量平均值或平均值V
    2. 在 scr 关闭点和下一个 scr 转接点之间进行放大。使用作用域游标测量时差。制作波形的副本。
  7. 将差分探头连接和其他电路连接保持在下一部分。
  8. 关掉调压器不要更改调压器电压设置。

Figure 2
图 2: SCR 的 Pin 分配.

3. 具有电阻负载和非零点火角的半波整流可控硅电路

将使用两个不同的电阻器作为R2。值应介于100和1000Ω之间。电阻可以读取电阻颜色代码, 或者用数字万用表进行测量。

  1. 角度设置 #1 (小R2)
    1. 移除以前使用过的短路, 而不是R2
    2. 连接R2的小电阻值。
    3. 打开调压器。
    4. 调整作用域上的时间基准, 以便在为 v所捕获的相同数量的基本周期显示V 。制作波形的拷贝。
    5. 测量平均值或平均值V
    6. 在 scr 关闭点和下一个 scr 转接点之间进行放大。使用作用域游标测量时差。制作波形的副本。
    7. 将差分探头连接和其他电路连接保持在下一部分。
    8. 关掉调压器不要拆卸电路或改变调压器电压设置。
  2. 角度设置 #2 (小R2)
    1. 用较大的值电阻替换R2
    2. 打开调压器。
    3. 调整作用域上的时间基准, 以便在为 v所捕获的相同数量的基本周期显示V 。制作波形的拷贝。
    4. 测量平均值或平均值V
    5. 在 scr 关闭点和下一个 scr 转接点之间进行放大。使用作用域游标测量时差。制作波形的副本。平均值应该是这个等式的预期值:
      <V> =v0[1 + cos (α)]/(2π) (1)
      这是略少于一半的峰值电压的输入。
    6. 关掉调压器拆卸电路并将调压器设置返回零。

晶闸管, 也称为硅控制整流器, 或中心, 是用于轻型器, 马达速度控制器和电压调节器的电子设备。就像二极管一样, 晶闸管有阳极和阴极, 只有一个方向。实际上, 晶闸管的示意符号类似于二极管, 但第三个终端代表栅极, 控制电流流。然而, 不像二极管, 一个小电流脉冲进入栅极是需要开关的晶闸管, 所以向前电流可以从阳极流向阴极。如果此正向电流降至闭锁阈值以下, 则晶闸管将关闭。在关闭状态, 晶闸管块传导在两个方向。开启和关闭的能力, 使晶闸管整流, 即通过电流只有一个极性和调节交流电源的数量 allode。此视频将演示如何通过在交流周期的不同点触发闸门来控制晶闸管。

晶闸管由 P 和 N 型半导体的四交替层组成, 形成了 PNPN 结构。阳极引线一端连接到 P 型材料。阴极引线连接到另一端的 N 型材料。栅极引线连接到阴极旁边的 P 型层。在这个简单的电路中, 交流电源与可控硅和负载串联, 交流输入本身不能驱动晶闸管进入正向传导。电流可以从阳极流向阴极, 直到电流脉冲到栅极触发状态。此脉冲必须在源电压为正值时发生。否则, 晶闸管保持关闭, 阻挡电流。晶闸管是双稳态的, 这意味着它们可以在两个不同的状态下休息。因此, 只要源电压为正, 且电流高于闭锁阈值, 正向传导模式就会持续。如果电流低于这个阈值, 晶闸管进入阻塞模式, 并停留在该状态, 直到再次触发。栅极脉冲与正弦交流源的零交点之间的相位差是发射角。例如, 一个触发脉冲在初始零交点的同时有一个发射角度为零度, 造成完全半波整流, 就像二极管一样。在这种情况下, 晶闸管将所有的能量从循环的正部分传递到负载。如果脉冲与交流电压峰值重合, 则发射角度为90度, 并且负载从正周期的一半接收能量。最后, 一个脉冲与负零交点同时产生180度的射击角, 没有电流传导, 根本没有能量转移。本实验的目的是研究在不同点火角度触发的晶闸管整流电路, 并对所产生的平均输出电压进行比较。

因为这些实验使用120伏交流电源, 避免接触暴露的电线, 这可能导致触电和伤害或死亡。在通电时请勿触摸电路的任何部分, 也不要接地调压器。有关电气安全的更多信息, 请观看朱庇特科学教育视频 "安全预防措施和基本设备"。首先, 将标准示波器探头连接到一个通道, 并将差分探头设置在第二通道上, 以此来建立所要进行的测量。将差分探头配置为一个超过20的衰减。设置差分探头通道的示波器菜单上的放大。如果有差分探头可用, 请使用20x。否则, 使用10x 和双任何示波器测量。通过将差分探头端子一起修剪并将跟踪垂直位置调整为零伏, 取消任何示波器偏移。在这个实验中, 调压器提供交流电压与60赫兹的线频率。在调整调压器之前, 请确保它已关闭, 并且没有任何连接到输出。然后将控制旋钮转到15% 输出。将输出电缆连接到调压器, 并将差分范围探头端子连接到电缆的香蕉插头。打开调压器, 观察示波器上的波形, 调整调压器, 使其输出 V0 的振幅为35伏。更改时间基准, 即每个示波器的水平分区的时间间隔, 以显示两到五的电压周期。捕获并保存此波形的副本并记录此时间基准, 并将其指定 TB0 以备以后使用。最后, 关闭调压器, 不要更改其设置。

这第一个实验触发了晶闸管整流器, 点火角度为零度。按原板上所示的电路组装。使用调压器输入交流电源 V in。和一根跳线代替电阻 R2。将标准探头连接至输入电压 v, 然后将差分探头横跨负载电阻 R, 以观察输出电压 v。打开调压器, 并将范围设置为时间基准 TB0, 这是先前记录的。由于发射角为零度, 晶闸管的作用就像二极管, 输出电压为半整流正弦波。使用示波器内置的数学函数来测量平均输出电压。调整时间基准, 使之在晶闸管关闭时放大, 然后再打开。使用范围的游标来测量时差。关闭调压器, 不要改变电压设置。将所有调压器和范围连接保持在下一个实验中。

为了比较两个不同的非零点火角的结果, 接下来的实验将触发晶闸管的小, 然后大电阻为 R2。抵抗是, 在这种情况下, 300 欧姆和620欧姆。使用较小的电阻触发晶闸管在一个小的射击角度。卸下短短路 R2 的跳线。然后在其位置插入300欧姆电阻器。打开调压器, 将范围设置为时间基准 TB0。发射角度现在大于零度, 因此, 晶闸管在交流循环的正部分稍后触发。如前所述测量平均输出电压。然后放大并测量晶闸管关闭和重新打开之间的时间间隔。关掉调压器如果不更改调压器设置或其他连接, 请用较大的电阻替换 R2, 然后重复测试。实验完成后, 关闭调压器, 将其设置为零, 然后拆卸电路。

晶闸管整流电路的输出电压为零, 直到栅极脉冲触发晶闸管。触发后, 输出电压是半整流波的剩余部分。随着点火角的增加, 输出电压比输入端更短, 因此平均输出电压降低。因此, 点火角度决定了晶闸管传递给负载的功率量。

晶闸管可以控制转移到负载的电能量, 并且在较旧的可调直流电源中是常见的。它们仍然用于许多中、高压交流电源控制应用中。首先, 在家庭和办公室使用的普通光器有一个旋钮或滑块比控制电位器, 这是一个可变电阻器。改变电阻改变了晶闸管的点火角, 相应地增加或减少了照明灯泡的功率。阳极电弧放电是合成碳纳米管和石墨烯的一种实用、有效的方法。研究利用磁场提高了过程的可控性和灵活性。本应用中的电放电与电弧焊类似。两者都使用高压晶闸管来控制产生电弧的功率。

你刚才看了朱庇特的晶闸管整流器的介绍。现在您应该了解晶闸管是如何工作的, 以及它们如何能够控制交流电源到电气设备。谢谢收看

Results

交流输入电压波形被切至点火角度。不同的 SCR 整流器的平均输出电压和发射角的重要关系在 = V0 cos (ωt) 输入 V是:

·单可控硅和 R 负载: <V> =v0[1 + cos (α)]/(2π) (2)

·可控桥和 R 负载: <v> = v0[1 + cos (α)]/π (3)

· SCR 电桥, 电流源负载: <v> = 2v0 cos (α)/π (4)

随着点火角的增加, 输出电压的平均值或直流电压随电阻负载的输出波形是一个斩波的输入版本。

Applications and Summary

SCR 是常见的老式直流电源, 需要一个可变的直流输出电压从 AC 输入。通过在上述电路中调整电阻R2 , 可以调整平均V, 从而调节直流电源的结果。中心在直流电源中不常见, 因为它们在输入线频率 (通常为50或60赫兹), 和新的电源开关在十年代或100s 的赫, 使过滤输出电压, 提取直流分量更容易与较小的电容器然而, 中心在高压逆变器中仍然普遍存在, 因为在市场上有许多高电压和高电流可控硅可供选择, 因此在线路频率下开关频率较低。

注意: 在这个实验中, 不要在通电时触摸电路的任何部分。不要磨调压器。

在本实验中, 以60赫兹和峰值35伏的低频变量变压器 (调压器) 作为主交流源。

1. 设置

  1. 启动前, 将差分探头连接到一个作用域通道。
    1. 将差分探头上的按钮设置为 1/20 (或 20X) 衰减。
  2. 在 "范围" 通道菜单上, 将探头设置为 10X, 除非有差分探头可用20X。如果选择了 10X, 请手动将任何测量或结果乘以2以达到所需的20X。
  3. 要设置调压器, 请确保调压器输出 (看起来像一个常规的插座) 没有连接到任何电缆。
    1. 保持调压器关闭, 并确保其旋钮设置为零。
    2. 慢慢调整调压器旋钮到大约15% 输出。
  4. 在将差分探头连接到电路之前, 将探头的端子系在一起, 并在屏幕上调整其测量波形, 以显示零偏移电压。
  5. 将输出电缆连接到调压器, 并将差分电压探头穿过调压器输出的香蕉插头。
    1. 打开调压器。
    2. 略调调压器达到35V 峰值。
  6. 在中采用 V的副本以供引用。显示两到五基本周期。
  7. 把调压器关了不要调整其旋钮设置为其余的实验。

2. 具有电阻负载和零点火角的半波整流可控硅电路

  1. 主要整流元件是 SCR (S), 这是一个 TYN058。负载电阻器 (R) 为51Ω。SCR 控制电路封装在图1的虚线框中。
  2. 控制电路使用二极管 (1N4004), 一个1ω电阻器 (R1), 一个手动改变的控制电阻 (R2), 和一个陶瓷 (无极性) 1 µF 电容器 (C)。
    1. 确保 SCR 和二极管极性正确无误。在二极管上的破折号是在阴极, 而 SCR 引脚分配显示在图2。
  3. 在原始板上, 构建图1所示的电路。使用短路而不是R2
  4. 将差分电压探头横跨负载电阻器, 以观察输出电压, V
  5. 打开调压器。
  6. 调整作用域上的时间基准, 以便在为 v所捕获的相同数量的基本周期显示V 。制作波形的拷贝。
    1. 测量平均值或平均值V
    2. 在 scr 关闭点和下一个 scr 转接点之间进行放大。使用作用域游标测量时差。制作波形的副本。
  7. 将差分探头连接和其他电路连接保持在下一部分。
  8. 关掉调压器不要更改调压器电压设置。

Figure 2
图 2: SCR 的 Pin 分配.

3. 具有电阻负载和非零点火角的半波整流可控硅电路

将使用两个不同的电阻器作为R2。值应介于100和1000Ω之间。电阻可以读取电阻颜色代码, 或者用数字万用表进行测量。

  1. 角度设置 #1 (小R2)
    1. 移除以前使用过的短路, 而不是R2
    2. 连接R2的小电阻值。
    3. 打开调压器。
    4. 调整作用域上的时间基准, 以便在为 v所捕获的相同数量的基本周期显示V 。制作波形的拷贝。
    5. 测量平均值或平均值V
    6. 在 scr 关闭点和下一个 scr 转接点之间进行放大。使用作用域游标测量时差。制作波形的副本。
    7. 将差分探头连接和其他电路连接保持在下一部分。
    8. 关掉调压器不要拆卸电路或改变调压器电压设置。
  2. 角度设置 #2 (小R2)
    1. 用较大的值电阻替换R2
    2. 打开调压器。
    3. 调整作用域上的时间基准, 以便在为 v所捕获的相同数量的基本周期显示V 。制作波形的拷贝。
    4. 测量平均值或平均值V
    5. 在 scr 关闭点和下一个 scr 转接点之间进行放大。使用作用域游标测量时差。制作波形的副本。平均值应该是这个等式的预期值:
      <V> =v0[1 + cos (α)]/(2π) (1)
      这是略少于一半的峰值电压的输入。
    6. 关掉调压器拆卸电路并将调压器设置返回零。

晶闸管, 也称为硅控制整流器, 或中心, 是用于轻型器, 马达速度控制器和电压调节器的电子设备。就像二极管一样, 晶闸管有阳极和阴极, 只有一个方向。实际上, 晶闸管的示意符号类似于二极管, 但第三个终端代表栅极, 控制电流流。然而, 不像二极管, 一个小电流脉冲进入栅极是需要开关的晶闸管, 所以向前电流可以从阳极流向阴极。如果此正向电流降至闭锁阈值以下, 则晶闸管将关闭。在关闭状态, 晶闸管块传导在两个方向。开启和关闭的能力, 使晶闸管整流, 即通过电流只有一个极性和调节交流电源的数量 allode。此视频将演示如何通过在交流周期的不同点触发闸门来控制晶闸管。

晶闸管由 P 和 N 型半导体的四交替层组成, 形成了 PNPN 结构。阳极引线一端连接到 P 型材料。阴极引线连接到另一端的 N 型材料。栅极引线连接到阴极旁边的 P 型层。在这个简单的电路中, 交流电源与可控硅和负载串联, 交流输入本身不能驱动晶闸管进入正向传导。电流可以从阳极流向阴极, 直到电流脉冲到栅极触发状态。此脉冲必须在源电压为正值时发生。否则, 晶闸管保持关闭, 阻挡电流。晶闸管是双稳态的, 这意味着它们可以在两个不同的状态下休息。因此, 只要源电压为正, 且电流高于闭锁阈值, 正向传导模式就会持续。如果电流低于这个阈值, 晶闸管进入阻塞模式, 并停留在该状态, 直到再次触发。栅极脉冲与正弦交流源的零交点之间的相位差是发射角。例如, 一个触发脉冲在初始零交点的同时有一个发射角度为零度, 造成完全半波整流, 就像二极管一样。在这种情况下, 晶闸管将所有的能量从循环的正部分传递到负载。如果脉冲与交流电压峰值重合, 则发射角度为90度, 并且负载从正周期的一半接收能量。最后, 一个脉冲与负零交点同时产生180度的射击角, 没有电流传导, 根本没有能量转移。本实验的目的是研究在不同点火角度触发的晶闸管整流电路, 并对所产生的平均输出电压进行比较。

因为这些实验使用120伏交流电源, 避免接触暴露的电线, 这可能导致触电和伤害或死亡。在通电时请勿触摸电路的任何部分, 也不要接地调压器。有关电气安全的更多信息, 请观看朱庇特科学教育视频 "安全预防措施和基本设备"。首先, 将标准示波器探头连接到一个通道, 并将差分探头设置在第二通道上, 以此来建立所要进行的测量。将差分探头配置为一个超过20的衰减。设置差分探头通道的示波器菜单上的放大。如果有差分探头可用, 请使用20x。否则, 使用10x 和双任何示波器测量。通过将差分探头端子一起修剪并将跟踪垂直位置调整为零伏, 取消任何示波器偏移。在这个实验中, 调压器提供交流电压与60赫兹的线频率。在调整调压器之前, 请确保它已关闭, 并且没有任何连接到输出。然后将控制旋钮转到15% 输出。将输出电缆连接到调压器, 并将差分范围探头端子连接到电缆的香蕉插头。打开调压器, 观察示波器上的波形, 调整调压器, 使其输出 V0 的振幅为35伏。更改时间基准, 即每个示波器的水平分区的时间间隔, 以显示两到五的电压周期。捕获并保存此波形的副本并记录此时间基准, 并将其指定 TB0 以备以后使用。最后, 关闭调压器, 不要更改其设置。

这第一个实验触发了晶闸管整流器, 点火角度为零度。按原板上所示的电路组装。使用调压器输入交流电源 V in。和一根跳线代替电阻 R2。将标准探头连接至输入电压 v, 然后将差分探头横跨负载电阻 R, 以观察输出电压 v。打开调压器, 并将范围设置为时间基准 TB0, 这是先前记录的。由于发射角为零度, 晶闸管的作用就像二极管, 输出电压为半整流正弦波。使用示波器内置的数学函数来测量平均输出电压。调整时间基准, 使之在晶闸管关闭时放大, 然后再打开。使用范围的游标来测量时差。关闭调压器, 不要改变电压设置。将所有调压器和范围连接保持在下一个实验中。

为了比较两个不同的非零点火角的结果, 接下来的实验将触发晶闸管的小, 然后大电阻为 R2。抵抗是, 在这种情况下, 300 欧姆和620欧姆。使用较小的电阻触发晶闸管在一个小的射击角度。卸下短短路 R2 的跳线。然后在其位置插入300欧姆电阻器。打开调压器, 将范围设置为时间基准 TB0。发射角度现在大于零度, 因此, 晶闸管在交流循环的正部分稍后触发。如前所述测量平均输出电压。然后放大并测量晶闸管关闭和重新打开之间的时间间隔。关掉调压器如果不更改调压器设置或其他连接, 请用较大的电阻替换 R2, 然后重复测试。实验完成后, 关闭调压器, 将其设置为零, 然后拆卸电路。

晶闸管整流电路的输出电压为零, 直到栅极脉冲触发晶闸管。触发后, 输出电压是半整流波的剩余部分。随着点火角的增加, 输出电压比输入端更短, 因此平均输出电压降低。因此, 点火角度决定了晶闸管传递给负载的功率量。

晶闸管可以控制转移到负载的电能量, 并且在较旧的可调直流电源中是常见的。它们仍然用于许多中、高压交流电源控制应用中。首先, 在家庭和办公室使用的普通光器有一个旋钮或滑块比控制电位器, 这是一个可变电阻器。改变电阻改变了晶闸管的点火角, 相应地增加或减少了照明灯泡的功率。阳极电弧放电是合成碳纳米管和石墨烯的一种实用、有效的方法。研究利用磁场提高了过程的可控性和灵活性。本应用中的电放电与电弧焊类似。两者都使用高压晶闸管来控制产生电弧的功率。

你刚才看了朱庇特的晶闸管整流器的介绍。现在您应该了解晶闸管是如何工作的, 以及它们如何能够控制交流电源到电气设备。谢谢收看

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