肖克利二極管和硅控整流器（SCR）

肖克利二極管是奇特的裝置，但應(yīng)用相當(dāng)有限。然而，通過為它們配備另一種鎖定方式，可以擴(kuò)大其用途。這樣，每個(gè)二極管都變成了真正的放大裝置（盡管只是以開/關(guān)模式），我們稱之為硅控整流器（SCR）。

從肖克利二極管到SCR的轉(zhuǎn)變，只需在現(xiàn)有的PNPN結(jié)構(gòu)上增加一個(gè)小部件，實(shí)際上不過是增加了一個(gè)第三根導(dǎo)線連接（見下圖）：

硅控整流器（SCR）

SCR導(dǎo)電性

如果SCR的門極處于浮動(dòng)（斷開）狀態(tài)，其行為完全與肖克利二極管相同。它可能會(huì)因擊穿電壓或陽極和陰極之間電壓上升速率超過臨界值而被鎖定，這與肖克利二極管一樣。通過減少電流直到一個(gè)或兩個(gè)內(nèi)部晶體管進(jìn)入截止模式，可以完成截止操作，這也與肖克利二極管類似。然而，由于門極端子直接連接到下晶體管的基極，因此它可以作為鎖定SCR的另一種手段。通過在門極和陰極之間施加小電壓，下晶體管將因產(chǎn)生的基極電流而被強(qiáng)制導(dǎo)通，這將導(dǎo)致上晶體管導(dǎo)通，然后為上晶體管的基極提供電流，因此它不再需要由門極電壓激活。當(dāng)然，啟動(dòng)鎖定所需的門極電流將遠(yuǎn)低于從陰極到陽極流過SCR的電流，因此SCR確實(shí)實(shí)現(xiàn)了一定程度的放大。

觸發(fā)/點(diǎn)火

確保SCR導(dǎo)電性的這種方法稱為觸發(fā)或點(diǎn)火，這實(shí)際上是實(shí)踐中最常用的鎖定SCR的方式。事實(shí)上，通常選擇SCR，使其擊穿電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源可能經(jīng)歷的最大電壓，以便只能通過有意施加到門極的電壓脈沖來打開它。

反向觸發(fā)

應(yīng)該提到的是，有時(shí)可以通過直接將SCR的門極和陰極端子短路，或者通過用負(fù)電壓（相對(duì)于陰極）對(duì)門極進(jìn)行“反向觸發(fā)”，使下晶體管被迫截止，從而關(guān)閉SCR。我之所以說這是“有時(shí)”可能的，是因?yàn)樗婕皩⑸暇w管的所有集電極電流分流到下晶體管的基極。這個(gè)電流可能相當(dāng)大，使得SCR的觸發(fā)關(guān)閉最多只能說是困難的。SCR的一種變體，稱為門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），使這項(xiàng)任務(wù)變得更容易。但即使使用GTO，關(guān)閉它所需的門極電流也可能高達(dá)陽極（負(fù)載）電流的20%！GTO的示意圖符號(hào)如下圖所示：（下圖）

門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

SCR與GTO的比較

SCR和GTO具有相同的等效原理圖（兩個(gè)晶體管以正反饋方式連接），唯一的區(qū)別在于結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，使NPN晶體管的β值大于PNP晶體管。這使得較小的門極電流（正向或反向）能夠?qū)年帢O到陽極的導(dǎo)電性產(chǎn)生更大的控制作用，而PNP晶體管的鎖定狀態(tài)更依賴于NPN晶體管，而不是相反。門極可關(guān)斷晶閘管也被稱為門控開關(guān)或GCS。

使用歐姆表測(cè)試SCR功能

可以使用歐姆表對(duì)SCR功能進(jìn)行初步測(cè)試，或者至少進(jìn)行端子識(shí)別。由于門極和陰極之間的內(nèi)部連接是一個(gè)單一的PN結(jié)，因此當(dāng)將紅色測(cè)試線連接到門極，黑色測(cè)試線連接到陰極時(shí)，儀表應(yīng)指示這兩個(gè)端子之間的連續(xù)性，如下所示：（下圖）

SCR的初步測(cè)試

對(duì)SCR進(jìn)行的其他所有連續(xù)性測(cè)量都將顯示“開路”（在某些數(shù)字萬用表顯示屏上為“OL”）。必須明白，這個(gè)測(cè)試非常粗略，并不能對(duì)SCR進(jìn)行全面評(píng)估。SCR可能會(huì)給出良好的歐姆表指示，但仍然可能存在缺陷。最終，測(cè)試SCR的唯一方法是對(duì)其施加負(fù)載電流。

如果你使用的是具有“二極管檢查”功能的多用表，那么你得到的門極到陰極結(jié)電壓指示可能與硅PN結(jié)的預(yù)期值（大約0.7伏特）相對(duì)應(yīng)，也可能不對(duì)應(yīng)。在某些情況下，你將讀到一個(gè)更低的結(jié)電壓：僅幾十分之一伏特。這是由于某些SCR內(nèi)部在門極和陰極之間連接了一個(gè)內(nèi)部電阻器。添加此電阻器是為了使SCR不易受到來自電路“噪聲”或靜電放電的雜散電壓尖峰的錯(cuò)誤觸發(fā)。換句話說，在門極-陰極結(jié)上連接一個(gè)電阻器要求必須施加一個(gè)強(qiáng)大的觸發(fā)信號(hào)（大電流）來鎖定SCR。這個(gè)功能通常出現(xiàn)在較大的SCR中，而不是小SCR中。請(qǐng)記住，在門極和陰極之間連接內(nèi)部電阻器的SCR將在這兩個(gè)端子之間指示兩個(gè)方向的連續(xù)性：（下圖）

較大的SCR具有門極到陰極電阻器。

敏感門極SCR

缺乏這種內(nèi)部電阻器的“普通”SCR有時(shí)被稱為敏感門極SCR，因?yàn)樗鼈兡軌虮蛔钗⑷醯恼T極信號(hào)觸發(fā)。

SCR的測(cè)試電路既是一個(gè)實(shí)用的診斷工具，用于檢查疑似故障的SCR，也是理解基本SCR操作原理的極好輔助工具。該電路使用直流電壓源供電，并使用兩個(gè)按鈕開關(guān)分別鎖定和解鎖SCR：（下圖）

SCR測(cè)試電路

按下常開“開”按鈕開關(guān)會(huì)將門極連接到陽極，允許電流從電池的正極通過負(fù)載電阻，通過開關(guān)，通過陰極-門極PN結(jié)，然后流回電池。此門極電流應(yīng)迫使SCR鎖定，允許電流直接從陽極流向陰極，而無需進(jìn)一步通過門極觸發(fā)。當(dāng)釋放“開”按鈕時(shí)，負(fù)載應(yīng)保持通電狀態(tài)。

按下常閉“關(guān)”按鈕開關(guān)會(huì)斷開電路，迫使通過SCR的電流停止，從而迫使其關(guān)閉（低電流脫落）。

維持電流

如果SCR無法鎖定，則問題可能出在負(fù)載上，而不是SCR本身。在“開”狀態(tài)下保持SCR鎖定需要一定的最小負(fù)載電流。這個(gè)最小電流水平被稱為維持電流。如果負(fù)載的電阻值過大，則當(dāng)門極電流停止時(shí)，可能無法抽取足夠的電流來保持SCR鎖定，從而在測(cè)試電路中給出SCR不良（無法鎖定）的錯(cuò)誤印象。不同SCR的維持電流值應(yīng)可從制造商處獲得。對(duì)于較大的單元，典型的維持電流值范圍從1毫安到50毫安或更高。

為了進(jìn)行全面測(cè)試，除了觸發(fā)動(dòng)作外，還需要測(cè)試更多內(nèi)容?？梢酝ㄟ^增加直流電壓電源（不按下按鈕開關(guān)）來測(cè)試SCR的正向擊穿電壓極限，直到SCR自行鎖定。請(qǐng)注意，擊穿測(cè)試可能需要非常高的電壓：許多功率SCR的擊穿電壓額定值為600伏特或更高！此外，如果可以使用脈沖電壓發(fā)生器，則可以用相同的方式測(cè)試SCR的臨界電壓上升率：在沒有按下按鈕開關(guān)的情況下，使其承受不同V/時(shí)間速率的脈沖電源電壓，并觀察其何時(shí)鎖定。

在此簡(jiǎn)單形式下，SCR測(cè)試電路可以作為直流電機(jī)、燈泡或其他實(shí)際負(fù)載的啟動(dòng)/停止控制電路：（下圖）

直流電機(jī)啟動(dòng)/停止控制電路

“短路棒”電路

SCR在直流電路中的另一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是作為過電壓保護(hù)的短路棒裝置。短路棒電路由與直流電源輸出并聯(lián)的SCR組成，用于在該電源輸出上直接短路，以防止過高的電壓到達(dá)負(fù)載。通過在SCR之前謹(jǐn)慎地放置保險(xiǎn)絲或較大的串聯(lián)電阻來限制短路電流，可以防止SCR和電源損壞：（下圖）

直流電源中使用的短路棒電路

一些感測(cè)輸出電壓的設(shè)備或電路將連接到SCR的門極，以便在出現(xiàn)過電壓情況時(shí)，在門極和陰極之間施加電壓，觸發(fā)SCR并迫使保險(xiǎn)絲熔斷。其效果與直接在電源輸出的正負(fù)極之間放置一根堅(jiān)固的鋼質(zhì)短路棒大致相同，因此得名該電路。

盡管SCR本質(zhì)上是直流（單向）設(shè)備，但其大多數(shù)應(yīng)用都用于交流電源控制。如果需要雙向電路電流，則可以使用多個(gè)SCR，每個(gè)方向放置一個(gè)或多個(gè)SCR來處理交流波形的兩個(gè)半周期中的電流。SCR之所以在交流電源控制應(yīng)用中得到應(yīng)用，主要原因是晶閘管對(duì)交流電的獨(dú)特響應(yīng)。正如我們所見，當(dāng)交流半周期的一部分被觸發(fā)時(shí)，磁控管（SCR的電子管版本）和雙向觸發(fā)二極管（DIAC，一種滯回設(shè)備）將鎖定并在該半周期剩余時(shí)間內(nèi)保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到交流電流減小到零，因?yàn)榻涣麟娏鞅仨殰p小到零才能開始下一個(gè)半周期。就在電流波形的零交叉點(diǎn)之前，晶閘管將由于電流不足而關(guān)閉（這種行為也稱為自然換向），并且必須在下一個(gè)周期中再次觸發(fā)。結(jié)果是電路電流相當(dāng)于一個(gè)“斬波”正弦波。為了回顧，以下是DIAC對(duì)交流電壓（其峰值超過DIAC的擊穿電壓）的響應(yīng)圖：（下圖）

DIAC的雙向響應(yīng)

對(duì)于DIAC來說，擊穿電壓極限是一個(gè)固定值。對(duì)于SCR來說，我們可以通過在波形上的任何時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)門極來精確控制設(shè)備何時(shí)鎖定。通過將適當(dāng)?shù)目刂齐娐愤B接到SCR的門極，我們可以在任何點(diǎn)“斬波”正弦波，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的定時(shí)比例功率控制。

以下圖中的電路為例。在這里，SCR被放置在電路中，以控制從交流電源到負(fù)載的功率。

SCR的交流電源控制

作為單向（單向）設(shè)備，我們最多只能在交流電的一個(gè)半周期內(nèi)（即電源電壓極性在上半周期為正，在下半周期為負(fù)）向負(fù)載提供半波功率。然而，為了展示定時(shí)比例控制的基本概念，這個(gè)簡(jiǎn)單的電路比控制全波功率的電路（需要兩個(gè)SCR）更好。

如果不向門極觸發(fā)，且交流電源電壓遠(yuǎn)低于SCR的擊穿電壓額定值，則SCR將永遠(yuǎn)不會(huì)導(dǎo)通。將SCR的門極通過標(biāo)準(zhǔn)整流二極管連接到陽極（以防止在SCR包含內(nèi)置門陰極電阻的情況下，通過門極產(chǎn)生反向電流），將使SCR在每個(gè)正半周期開始時(shí)幾乎立即被觸發(fā)：（下圖）

通過二極管直接將門極連接到陽極；負(fù)載上幾乎完整的半波電流。

SCR觸發(fā)延遲

然而，我們可以通過在門電路中插入一些電阻來延遲SCR的觸發(fā)，從而增加觸發(fā)SCR所需的電壓降。換句話說，如果我們通過添加電阻來使電流更難通過門極，那么交流電壓必須在其周期內(nèi)達(dá)到更高的點(diǎn)，才能產(chǎn)生足夠的門極電流來觸發(fā)SCR。結(jié)果如下圖所示。

在門電路中插入電阻；負(fù)載上的電流小于半波電流。

通過延遲觸發(fā)SCR來更大程度地“斬波”半正弦波，負(fù)載接收的平均功率會(huì)更少（因?yàn)樵谡麄€(gè)周期內(nèi)供電時(shí)間更短）。通過使串聯(lián)門極電阻可變，我們可以調(diào)整定時(shí)比例功率：（下圖）

增加電阻會(huì)提高閾值水平，導(dǎo)致向負(fù)載輸送的功率減少。減小電阻會(huì)降低閾值水平，導(dǎo)致向負(fù)載輸送的功率增加。

不幸的是，這種控制方案有一個(gè)重大的局限性。在使用交流電源波形作為SCR觸發(fā)信號(hào)時(shí)，我們將控制限制在波形半周期的前半部分。換句話說，我們不可能等到波形峰值之后才觸發(fā)SCR。這意味著我們只能將功率降低到SCR在波形峰值處開始導(dǎo)通的程度：（下圖）

電路在最小功率設(shè)置下

如果再提高觸發(fā)閾值，電路將根本不會(huì)觸發(fā)，因?yàn)榧词菇涣麟娫措妷旱姆逯狄膊蛔阋杂|發(fā)SCR。結(jié)果將是負(fù)載無功率輸出。

解決這一控制難題的一個(gè)巧妙方法是在電路中加入一個(gè)移相電容器：（下圖）

在電路中加入移相電容器

圖中顯示的小波形是電容器兩端的電壓。為了說明相位差，我假設(shè)了一個(gè)最大控制電阻的情況，此時(shí)SCR完全不會(huì)觸發(fā)，負(fù)載電流為零，除了通過控制電阻和電容器的少量電流。這個(gè)電容器電壓將與電源交流波形的相位差在0°到90°之間滯后。當(dāng)這個(gè)移相電壓達(dá)到足夠高的水平時(shí)，SCR將觸發(fā)。

當(dāng)電容器兩端有足夠的電壓來周期性觸發(fā)SCR時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)載電流波形將類似于（下圖）所示。

移相信號(hào)觸發(fā)SCR導(dǎo)通

由于電容器波形在主交流電源波形達(dá)到峰值后仍在上升，因此有可能在超過該峰值的閾值水平上觸發(fā)SCR，從而進(jìn)一步斬?cái)嘭?fù)載電流波，這是使用更簡(jiǎn)單的電路所無法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，電容器電壓波形比這里顯示的要復(fù)雜一些，每次SCR鎖定時(shí)，其正弦波形都會(huì)發(fā)生畸變。然而，我在這里想要說明的是通過移相RC網(wǎng)絡(luò)獲得的延遲觸發(fā)作用；因此，簡(jiǎn)化的、未失真的波形能夠很好地達(dá)到這個(gè)目的。

復(fù)雜電路觸發(fā)SCR

SCR也可以通過更復(fù)雜的電路來觸發(fā)或“點(diǎn)燃”。雖然之前展示的電路對(duì)于像燈控這樣的簡(jiǎn)單應(yīng)用已經(jīng)足夠，但大型工業(yè)電機(jī)控制通常依賴于更復(fù)雜的觸發(fā)方法。有時(shí)，脈沖變壓器被用來將觸發(fā)電路耦合到SCR的門極和陰極，以在觸發(fā)電路和功率電路之間提供電氣隔離。

變壓器耦合觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)隔離

當(dāng)使用多個(gè)SCR來控制電力時(shí)，它們的陰極通常不是電氣共通的，這使得難以將單個(gè)觸發(fā)電路平等地連接到所有SCR上。這種情況的一個(gè)例子是下圖所示的控制橋式整流器。

控制橋式整流器

在任何橋式整流器電路中，整流二極管（在此例中為整流SCR）必須成對(duì)反向?qū)?。SCR1和SCR3必須同時(shí)觸發(fā)，SCR2和SCR4也必須作為一對(duì)同時(shí)觸發(fā)。然而，你會(huì)注意到，這兩對(duì)SCR的陰極連接并不相同，這意味著不能簡(jiǎn)單地將它們的柵極連接并聯(lián)起來，然后連接一個(gè)單一的電壓源來同時(shí)觸發(fā)兩者：（下圖）

變壓器耦合柵極實(shí)現(xiàn)SCR2和SCR4的觸發(fā)

請(qǐng)注意，此電路僅顯示了四個(gè)SCR中兩個(gè)的柵極連接。為了簡(jiǎn)化，省略了SCR1和SCR3的脈沖變壓器和觸發(fā)源，以及脈沖源本身的細(xì)節(jié)。

控制橋式整流器不僅限于單相設(shè)計(jì)。在大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)中，為了提高效率，交流電源以三相形式提供，固態(tài)控制電路也是為此而構(gòu)建的。一個(gè)由SCR構(gòu)建的三相控制整流器電路（未顯示脈沖變壓器或觸發(fā)電路）將如下所示（圖略）。

三相橋式SCR負(fù)載控制

回顧：硅控制整流器（SCR）本質(zhì)上是一個(gè)帶有額外端子的肖克利二極管。這個(gè)額外的端子稱為柵極，通過施加小電壓來觸發(fā)設(shè)備導(dǎo)通（鎖定）。要觸發(fā)或點(diǎn)燃SCR，必須在柵極和陰極之間施加電壓，柵極為正，陰極為負(fù)。

在測(cè)試SCR時(shí)，柵極和陽極之間的瞬時(shí)連接在極性、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間上都足以觸發(fā)它。SCR可以通過有意觸發(fā)柵極端子、陽極和陰極之間的過壓（擊穿）或陽極和陰極之間電壓上升率過高來點(diǎn)燃。SCR可以通過陽極電流降至保持電流值以下（低電流脫落）或“反向觸發(fā)”柵極（向柵極施加負(fù)電壓）來關(guān)閉。反向觸發(fā)有時(shí)有效，但總是需要高柵極電流。

SCR的一種變體稱為門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），它特別設(shè)計(jì)用于通過反向觸發(fā)來關(guān)閉。即便如此，反向觸發(fā)也需要相當(dāng)高的電流：通常是陽極電流的20%。可以使用連續(xù)性測(cè)試儀來識(shí)別SCR的端子：在所有端子中，僅有兩個(gè)端子之間會(huì)顯示連續(xù)性，即柵極和陰極。柵極和陰極端子連接到SCR內(nèi)部的PN結(jié)，因此，當(dāng)將紅色（+）引線連接到柵極，黑色（-）引線連接到陰極時(shí)，連續(xù)性測(cè)試儀應(yīng)在這兩個(gè)端子之間獲得類似二極管的讀數(shù)。但請(qǐng)注意，一些大型SCR在柵極和陰極之間連接了內(nèi)部電阻，這會(huì)影響測(cè)試儀的任何連續(xù)性讀數(shù)。

SCR是真正的整流器：它們只允許電流單向通過。這意味著它們不能單獨(dú)用于全波交流電源控制。如果將整流電路中的二極管替換為SCR，就可以構(gòu)成控制整流電路，通過在不同點(diǎn)觸發(fā)SCR沿交流電源波形對(duì)負(fù)載的直流電源進(jìn)行時(shí)間比例控制。