可控硅管电压调整器

可控硅管也叫“开关管”或“可控硅整流器”。自从可控硅管问世以来，其应用范围日益广泛，目前已用于同步发电机的励磁系统、无接点交直流开关、调光、控温、各种电机调速、电机放大器、离子变流器、磁放大器、脉冲技术等方面，在工业上有宽广的用途。

一般整流管只有两个电极——阳极（A）和阴极（K），而可控硅管多一个电极——控制极（G）。外形及代表符号如图1所示。一般二极电子管或半导体二极管的反向电阻很大，正向电阻很小，但可控硅管不同，它不仅加反向电压时，电阻很大，就是加上正向电压时，电阻也很大。如果在控制极上加上一个正电压（对阴极而言），就有一个小电流由控制极流向阴极（这个电流叫触发电流，一般只有几毫安），这时如果阳极对阴极有一正电压时，就有电流（阳极电流）从阳极流向阴极，就好象一个开关被接通一样。这时即使撤去触发电压，阳极电流依然畅通，除非使阳极电位对阴极为零，或比阴极负，阳极电流才会停止。这一过程和闸流管的一样。可控硅管为什么会有这种性质呢？我们要从他的结构谈起。

可控硅管是由p-n-p-n四层结构的硅片构成的（见图2a）。它一共有三个结：两个p-n结j\(_{1}\)、j3和一个n-p结j\(_{2}\)。在A、K间加一不大的正电压时，由于j2的存在，可控硅管呈闭锁状态不导电。在AK间加一不大的负电压时，由于j\(_{1}\)，j3的存在，可控硅管亦呈闭锁状态。

为了便于理解可控硅管的可控性，我们把它的p－n－p－n四层结构的硅片，等效地看成是由p－n－p型和n－p－n型的两个三极管构成的，而每一个三极管的基极和另一个三极管的集电极相连（见图2b、c）。

控制极输入一正触发脉冲时，有一电流i\(_{g}\)流过n－p－n型三极管的基极——发射极。这一电流相当于n－p－n型三极管的偏流，从而产生集电极电流i1。i\(_{1}\)要流过p－n－p型三极管的发射极——基极，因它又是p-n- p型三极管的偏流，从而有集电极电流i2流过。i\(_{2}\)同时又是n-p-n型三极管的偏流，使之产生集电极电流。只要i2大于i\(_{g}\)，不管原来的触发电压消失与否，这一过程就会继续下去，直至可控硅管完全导通。导通状态一直继续到AK间的正电压消失，或加一负电压时为止。

可控硅管的导通过程，实际上是一个电流正反馈过程，所以所用导通时间很短。

在要求电源电压可以调整，用来控制负载电流，而同时对电源波形要求又不高的场合下（例如负载是电热丝的场合），可以用可控硅管来代替笨重的调压器或降压电阻。这样就能使原来几十公斤的重量减小成为零点几公斤。现在举例来说明可控硅管是怎样代替调压器来控制电炉温度的。

在说明控制电路以前，我们先看一看移相电路（图3）。我们把AE两端的电压与同一时间所对应的FG两端的电压画在图4中。AE两端接的是交流市电。当调整电位器W，使它的阻值为零的，电压U\(_{AE}\)与UFG就会同时出现最大值和最小值，这叫做同相（图4a上）。如果转W，使其阻值增大，那么，U\(_{FG}\)就不再与UAE同相了（图4b上），U\(_{FG}\)的最大值要比UAE的落后一些。U\(_{AE}\)的最大值（Q2）与U\(_{FG}\)的最大值（Q3）相差的角度叫做相位差。W阻值调得越大，电压U\(_{AE}\)与UFG之间的相位差就越大。

下面看一看移相电路是怎样与可控硅管结合起来构成调压电路的。图5就是这种调压电路，图中的SCR\(_{1}\)，SCR2是可控硅管（300伏，5安），R\(_{Z}\)是负载。

在AE两端加上市电后，如果电位器W调到零欧，那么在正半周时，就可能经 A→SCR\(_{1}\)→D→C→D2→B→R\(_{Z}\)→E构成通过负载RZ的通路。但此时有一个条件：SCR\(_{1}\)处于前面所说的导通状态才可以。实际上这个条件是满足的，因为W为零欧时，UFG与U\(_{AE}\)同相（图4a），通过R1和D\(_{4}\)加在SCR1控制极上的是正电压，加在阳极上的也是正电压，所以SCR\(_{1}\)是导通的。导通状态一直继续到加在AE两端的电压（实际上也是加在SCR1阳阴极间的电压）反相为止。如果把W阻值增大，由于U\(_{AE}\)与UFG之间不同相（图4b），虽然加在SCR\(_{1}\)阳阴极间的是正向电压（图4bQ点），而UFG却为负值，没有触发电流，所以可控硅管不通，一直等到U\(_{FG}\)变到Q1点（比零值高一些），才有触发电流，可控硅管才导通。导通期间的阳极电流如图4b下的阴影部分所示。W阻值越大，U\(_{AE}\)与UFG间的相位差也就越大，电流通过的时间也就越短。这样，只要转动电位器W，就能达到控制负载电流的目的。同理，当电源U\(_{AE}\)变到负半周时，SCR2代替了SCR\(_{1}\)的工作，也能起到控制负载电流的目的。

这一电路对负载电流的控制范围是从0.05安到5安。

从图5中可以看出，虽然电源是交流，但通过CD间导线上的电流方向是不变的，总是从D到C。如果我们把R\(_{Z}\)取消，把BE两点短路，而把DC两点间断开、接上负载，那么DC两点间输出的就是直流电了。这种直流输出的脉动很大，应当在CD间并联一滤波电容器或接入滤波器。这种电路的电压可调范围是13～300伏（电源为220伏交流）。

1．可控硅管SCR\(_{1}\)和SCR2应当选用触发导通电压相同或接近的（本例用的是一个0.9伏，一个1.2伏），否则就得不到很宽的控制范围，并会造成低压时单管工作，而电压调到较高时另一管突然开通而引起冲击电压。

2．R\(_{1}\)、R2是调整偏压用的电阻，其目的是使两个触发电压不同的管子同时开通，要由实验决定，一般在几百到几千欧的范围内，它只承担开关管的触发电流流过 （一般只有几到几十毫安）。

3．移相变压器B次级的单边电压（U\(_{MF}\)或UPN）应当比所选开关管的激发电压大2.5～3倍才能可靠的工作，所以选管时要注意。

4．装好的电路可能不工作（即没有负载电流，无论怎样转动W都不行），或控制范围很窄。此时只要把MN两端接线对调一下就可以了。

最后应当说明，对于导通时间有严格要求时，这里所举的移相电路是不理想的。触发电压最好不是正弦波（我们这里就是），而应是尖锐的脉冲波，所以移相变压器应有特殊形状的铁心，或采用别的移相电路。当然在一般情况下并没有这种必要。（黄象贤）