可控硅电路分析入门

可控硅电路是电子电路的一个分支。可控硅电路既有和晶体管电路相似的一面，又有它独特的一面。面对一个复杂的可控硅电路，广大无线电爱好者往往会有“似乎熟悉又似乎陌生”的感觉，在分析电路时常常因为没有掌握要领，以致感到无从下手。

其实可控硅电路有相当一部分是和一般晶体管电路的原理相同的。对于已经有了一定基础的无线电爱好者来讲，只要抓住分析可控硅电路的两个环节、一个关键和一把钥匙，它的原理是容易弄懂的，入门也是不难的。

不管可控硅电路多么复杂，它只不过是器件性能的巧妙应用和控制电路的合理组合罢了。因此分析可控硅电路时，只要紧紧抓住器件的基本性能和电路的结构这两个环节，再复杂的电路也会变得清晰和简单的。

第一个环节是要熟悉可控硅器件的性能。对可控硅来讲，除了必须了解它的型号、参数、性能等特点外，特别要搞清并熟练地掌握它的导通和阻断条件。可控硅的导通和阻断条件是：要使它导通，除了阳极要处于正向电压外，还必须在控制极上加正向触发电压，同时还要求阳极电流大于维持电流。而当管子一旦导通以后，控制极就失去控制作用，这时即使撤掉控制极电压，管子仍是导通的。要使可控硅阻断，就必须用降低阳极电流使它小于维持电流的方法。这种特性是其它电子器件少有的，这也正是可控硅的特色所在。不熟悉这种特性，就无法分析可控硅电路的工作原理。

第二个环节是电路的结构和组合。不管可控硅电路多么复杂，都可分成主电路和触发电路两大部分。主电路包括的是从电源起经过可控硅器件直到负载的全部电路。触发电路则是接在控制极和阴极之间的那一部分电路（图1）。

主电路的功能是通过可控硅的特殊开关作用，在电源和负载之间进行电能的变换：例如有时是把交流电能变换成直流电能，也就是整流；或者是把直流电能变换成交流电能，因为它是整流的反变换，所以叫做逆变。有时是用来改变交流电压的大小，就是交流调压；或者是改变直流电压的大小，也就是直流调压。这部分电路除了是用可控硅器件外，其它方面的内容对我们来说是不陌生的。

触发电路的作用，是产生触发脉冲去控制可控硅的开关。它是保证可控硅电路可靠地工作和实现电路功能的重要条件。因此，一个完整的可控硅电路必定包括这两大部分，缺少哪一部分都不行。

按理说，一个完整的电路图，应该是画出它的全部电路。但有时也用简化的画法，例如有的可控硅电路只画出主电路而不画触发电路，这是为了突出主电路，便于分析。有的电路中，有好几个相同的触发电路，这时就采用只画出其中的一个，其它的用框图代替的方法。这样做既保持电路的完整，又使电路清晰、明白，便于阅读和分析。

就这两个环节来讲，管子的导通和阻断条件是可控硅工作的内部特点。把电路分成主电路和触发电路以后，就可以看到：触发电路正是保证可控硅工作的外部条件。因此，抓住这两个环节之后，就能比较顺利地阅读和分析电路了。当你拿到一张复杂的可控硅电路图时，首先应该找出它的主电路和触发电路这两大部分，然后用可控硅的导通和阻断条件，根据电路的不同功能，按主电路和触发电路之间的关系一步步对照分析，最后就一定能理出头绪从而掌握其工作原理。

可控硅这个名称，说明它具有某种控制电压、电流的性能。那么它又是怎样达到控制的目的呢？用来说明它的控制过程的关键是控制角。

当可控硅的电源是交流时，由于电压的大小和方向都是随时间变化的，所以可控硅阳极和阴极间的电压有时高，有时低，有时正向，有时又成了反向。如图2所承，当电压u\(_{2}\)为正半周时，a点为正，b点为负，这时尽管电压的大小在变化，但正的方向是不变的。因此，在整个正半周内，可控硅阳极和阴极间的电压一直是正向的。根据可控硅的导通条件，这时只要加一个适当的触发信号，它就会立即导通。而当u2为负半周时，阳极和阴极间电压变成反向，可控硅就不能导通。

但是，正半周在相位上有一个从0～π的变化范围，可控硅是从哪一点开始导通呢？很明显，在0～π范围内，可控硅一直处于正向电压下，所以什么时刻加上触发脉冲u\(_{g}\)，就从什么时刻开始导通。一旦导通后，即使去掉触发信号，可控硅也不会阻断，一直要到电源电压从正半周降低到零时，由于阳极电流低于维持电流才使可控硅阻断（图3）。

从图3中看到，触发信号加入的时刻不同，输出电压u\(_{L}\)的波形就不同。由于输出电压的平均值Ud就是负载R\(_{L}\)上得到的直流电压，所以只要改变触发信号加入的时刻就能得到不同数值的直流输出电压。图2就是一个常用的单相半波可控整流电路（未画出触发电路）。

我们把触发信号的相位角叫做控制角，一般用α表示，见图3。可以看出，α越小，导通范围越大，输出直流电压越高；相反，α越大，输出直流电压就越低。当α=0时，输出最大，这时在电源正半周内可控硅全导通；当α=π时，输出为零，可控硅阻断。图2的电路中，控制角可以在0～π范围内变化。通常把控制角变化的范围叫做移相范围。

实际应用中，只要改变触发信号加入的时刻就可以改变控制角的大小，从而改变输出电压，达到控制电压变化的目的。

有时，我们也把可控硅的导通范围叫做导通角，用θ表示，如图3所示。其实α与θ说明的是一回事，只是表示方法不同。它们两者之间关系是：α＋θ=π或θ=π-α。

控制角对了解可控硅电路的工作原理是一个关键性的概念。它在分析可控硅的工作原理时起着很重要的作用。例如有一种可控硅电路，当α的范围在0～\(\frac{π}{2}\)之间变化时，电路处于整流状态，能把交流电能变换成直流电能送到负载上去；当α在π;2～π之间变化时，电路不再整流，而是把负载中的直流电能变换成交流电能送回到电网，这也就是所说的逆变状态。可见当控制角在不同变化范围内时，同一个电路竟能实现完全相反的两种功能。这种电路如果用控制角的概念去分析，就很容易说明和理解。

实际上，工作在交流电源的可控硅，它的所有工作状态几乎都与控制角有关。所以为了分析电路，就必须抓住控制角这个关键。

控制角是可控硅的关键，那么，控制角又是由什么控制的呢？它是由触发电路产生的触发脉冲控制的。因此，我们可以形象地把触发脉冲比做是一把打开可控硅的钥匙。

不是说，在阳极为正向电压时，只要在控制极加正向电压，可控硅就能导通吗？那么用一个稳定的直流电压就可以了，为什么非要用脉冲电压呢？

假定图2中的触发信号不是脉冲而是直流电压，那么电源电压在正半周时，可控硅就全导通，它的控制角α=0，输出电压就成为固定不变的了。它的输出波形和一般的半波整流波形完全相同，电路的作用也和普通的二极管半波整流电路没有什么两样（见图4）。这就失去了可控硅电路的特色。所以可控硅电路里一般是不用直流电压作触发信号的。

可控硅电路中使用的触发电路种类很多，它们产生出波形不同的触发脉冲。但是从保证可控硅工作可靠这一点出发，所有触发脉冲都应当满足以下一些要求。

从可控硅的导通条件知道，可控硅一旦导通，即使去掉触发脉冲，它也仍能导通。因此，所加的触发脉冲只要宽度比可控硅的开通时间大一些，电压和电流值略大于手册中给出的触发电压和触发电流值，就能保证可靠地打开可控硅。这是对触发脉冲的宽度、幅度和电流的要求。

因为只有当可控硅阳极处于正向电压时，加上触发电压才能使可控硅导通，所以在交流电源的情况下（例如可控整流），必须保证触发脉冲都是在正半周时加到控制极上。而且为了使每个正半周的控制角都相同，还必须保证在每个正半周的同一时刻加到控制极上。这种步调一致的关系称为同步。因此，对触发脉冲的第二个要求是必须和电源电压同步（图5）。

因为可控硅的控制作用是靠改变控制角的大小得到的，所以对触发脉冲的第三个要求是应该能在一定范围内移动。

如果触发脉冲和主电路工作电压不同步，例如有的触发脉冲出现在正半周，有的却出现在负半周，这就使电路不能按一定规律工作，也就不能达到控制的目的。更为严重的是，由于不同步或控制角不一致，会使电路的功能完全受到破坏。

由于可控硅电路各部分都是严格按照规定时间有条不紊地工作的，它要求可控硅的导通和阻断时间必须准确无误，因此触发脉冲一旦出现，就应该在极短的时间内上升到最大值。也就是说，触发脉冲应该是上升沿陡峭的脉冲电压，这是第四个要求。

最后，对不同功率的可控硅、不同用途的电路、不同性质的负载，对触发脉冲的宽度、波形都有不同的要求。但不管怎样，它们一般都是脉冲电压，这一点却是一致的。

图6是一个简单的可控硅充电机电路。它的电源是220伏交流市电，负载就是被充电的蓄电池。从电路可以看到，它是由主电路和触发电路两部分组成的。虚线框内就是触发电路，其余部分则是主电路。在可控硅阳极和阴极上并联的R\(_{4}\)、C2串联电路是为了可控硅的安全而加的保护电路。

触发电路是由一只双基极二极管BT和一些元件组成的驰张振荡电路。它的电源是由220伏市电经二极管D\(_{1}\)半波整流后供给的。主电路的电源也是市电，因此当电源电压正半周对触发电路工作，有正向脉冲经脉冲变压器T输出加到可控硅的控制极。因此可控硅这时也处于正向电压，所以能被触发导通。当市电电压为负半周时，触发电路停止工作，没有脉冲输出，这时的可控硅也处于反向电压，所以可控硅阻断。可见，触发脉冲和主电路的电源是同步的。

充电机接上电源后，触发电路工作，触发脉冲在正半周时把可控硅打开，充电机有脉动电流输出，对蓄电池进行充电。触发电路中还有一个电位器P，调节它的阻值可以改变双基极二极管的电源电压，就是改变触发脉冲送到可控硅控制极上的时刻，从而使可控硅的控制角发生变化。而控制角的变化可以改变输出电流的大小。可见，这个可控硅充电机正是通过调整控制角实现对充电电流的调节的。在未接上蓄电池时，由于BT管发射极电路没有正电压。驰张振荡器不能工作，故整个电路也不工作。只有当接入被充的蓄电池后才能自动进入工作状态。(方波)