晶闸管

什么是晶闸管？

它们是强大的开关元件，主要用于工业领域，适用于各种交流 (AC) 和直流 (DC) 设备。整流器是一种电子元件，当电荷流过时，它会将交流电转换为直流电。

这些强大的设备是固态开关，这意味着它们由晶体管和二极管等半导体元件制成。半导体器件的导电性介于全导体（如铜）和绝缘体（如玻璃）之间。

晶闸管（thyristor）的名称源于晶体管（transistor）和闸流管（thyratron，一种早期具有类似功能的充气管）的组合。这类器件最初开发于20世纪50年代，也常被称为 可控硅整流器 （SCR），因为它们由四层硅制成，而硅是一种广泛使用的半导体材料。

SCR最初是通用电气公司用于一种晶闸管的品牌名称。现在，这两个术语通常作为同义词使用。

晶闸管起什么作用？

晶闸管是双稳态开关，这意味着它们只有两种可能的状态——开或关（0 或 1）。即使设备断电，它们也能保持稳定。电流模型会在电流到达控制栅极（入口点）时激活，即从关断状态转为开通状态。它们会持续允许电流流过，直到电流降至零或电流终止或改变方向。

后者被称为反向偏置或反向电压。早期型号依靠电流反向从导通状态切换到关断状态，但新型型号可以通过控制栅极停用。这些有时被称为门极可关断 (GTO) 晶闸管。

可控整流器是高增益器件，这意味着控制栅极的电流可以控制阳极和阴极之间更高的电流。因此，它们被归类为电流驱动设备。

晶闸管应用

尽管晶闸管体积很小，但它可以控制高电压和大电流，因此可用于高压直流输电线路。

其他用途包括：

• 工厂和类似工业环境中的电源开关

• 车辆点火开关

• 控制电动机的速度

• 液位调节器

• 压力控制系统

• 电涌保护器

这些器件也广泛应用于各种电路。应用包括：

• 逆变器电路

• 振荡器电路

• 斩波电路

• 电源开关电路

• 继电器替代电路

• 电平检测电路

• 逻辑电路

• 相控电路

• 速度控制电路

• 定时器电路

晶闸管如何工作？

它们通常有三个引线或电极（电流进出点）。它们分别称为阳极、阴极和栅极（或控制栅极）。阳极是正极，阴极是负极，而栅极控制着阳极到阴极的主电流，并通过外部脉冲触发。有些型号有两个或四个电极。

典型的可控硅整流器 (SCR) 内部有两层交替的 N 型（负）半导体和 P 型（正）半导体。这样一共四层，每层之间有三个结。每层中的四层硅都经过电处理，以增加载负或载正电荷的电子数量。它们也被称为 NPN 和 PNP 半导体，指的是它们内部正负电子的排列模式。

如果没有电流通过栅极流入器件，器件将处于截止状态，中心结（三个结中的一个）反转，与阳极和阴极的方向相反，因此无论器件的方向如何，电流都无法通过。根据方向的不同，这被称为正向阻断模式或负向阻断模式。

为了使电流按要求流动，阳极必须为正，阴极必须为负。一旦栅极电流启动，正电荷和负电荷就会流入硅的四层，并在器件中从一层半导体移动到下一层时依次激活每一层。一旦所有四层都被激活，电流就可以自由地流过器件。晶闸管现在处于正向导通状态；它已锁定（进入导通状态），并将保持锁定状态，直到器件外部的电流（通常是流向整个电路的电流）被切断。栅极电流不需要维持阳极和阴极之间的电流。

交流 SCR 电路

晶闸管的电路略有不同，取决于它们是用于交流电还是直流电。

该图显示了用于交流电的 SCR 电路。

该图显示了用于直流电的电路的典型布局。

晶闸管与晶体管

晶体管是一种标准的电子元件，用于控制电信号的开关和放大。晶体管发明于20世纪初，推动了无线电和长途电话的发展。然而，尽管晶体管用途广泛，但它们在高压电流下工作效果不佳，最适合用于低功率毫安电流。换言之，1毫安是1安的千分之一。相比之下，晶闸管的工作功率要高得多，可达5-10安培，电压高达数百甚至数千伏。

它们还依赖稳定的电源输入才能正常工作。晶体管会在入侵时放大低电流，但在某些设备中，这还不够。入侵警报器需要不同类型的反应。警报触发器（例如运动检测器）中需要低电流，以在警报器内启动更高电流来触发铃声或警报 - 并且即使触发电流停止，此更高电流也会继续。晶体管无法做到这一点，但晶闸管可以。运动检测器或类似设备会触发栅极电流，这反过来又会触发阳极和阴极之间的电流。即使栅极电流停止，阴极也会继续 - 保持闭锁状态。

晶闸管与二极管

二极管是相对简单、廉价的元件，只有两个端子（一个正极和一个负极）、一个阳极（也称为极板）和一个阴极。电流仅沿一个方向流动。用电学术语来说，二极管是正向偏置，而不是反向偏置。

二极管主要用于切换或转换电流。它们只有两个半导体层——一个正极，一个负极，两者之间只有一个电连接点。

相比之下，大多数晶闸管有三个端子和四层，并由三个结点隔开。它们设计用于高功率应用。二极管设计用于低压应用，但与晶闸管不同，它不需要栅极脉冲来激活。

晶闸管的类型

大多数晶闸管都是三引线器件，这意味着它们有三个电极 - 阳极、阴极和控制栅极，以触发另外两个电极之间的电流流动。

然而，不太常见的双导联模型只有两个电极，当每个电极之间的电荷差达到或超过定义的击穿电压时，就会触发电流流动，从而将它们从关闭状态切换到打开状态。

您可能还会发现：

可控硅开关 (SCS)：这些开关具有额外的阳极栅极，用于在施加正电压时停用设备。

双向可控硅开关元件：这种晶闸管-二极管混合元件有四层，可以接受任意方向的电流。尽管其名称源自二极管交流开关，但双向可控硅开关元件既可以工作在交流电中，也可以工作在直流电中。

三端双向可控硅开关元件：这类器件是双向的，也就是说它们可以双向导电。它们可以切换交流电和直流电。

SIDACtors：这些型号无需控制门即可工作，而是依靠短时电涌

IGBT：绝缘栅双极晶体管，具有四层和三个端子，但设计为纯粹的晶体管功能，而不是晶闸管

PCT：相控晶闸管，用于通过以预定时间间隔使设备进入或退出导通状态来限制交流电流

晶闸管的优点

晶闸管已成为标准元件，因为它们具有以下几个优点：

• 速度和微秒内切换电流的能力

• 能够控制高电压和高功率

• 缺少活动部件，可靠性高

• 能够控制直流设备，而不仅仅是常规交流电

• 快速简便的激活

• 便宜

• 操作简便

• 相对简单

• 小型

如何检查晶闸管

与任何电气设备一样，需要不时检查晶闸管，以确保其正常工作。最简单的方法是使用万用表。

如何测试晶闸管

万用表是行业标准的电气测试设备，能够测量电压、电流和电阻强度。

使用万用表测试可控硅整流器的方法如下：

1. 将晶闸管的阳极（输入端）连接到万用表的正极（红色）。将阴极（输出端）连接到负极（黑色）。将万用表切换到二极管测试模式——本例中，二极管（双端元件）指的是晶闸管本身。评估

2. 将万用表设置为高阻模式。它应该显示开路。然后反转导线的位置，设备仍然应该显示开路。

3. 将导线放回原位，这次将栅极端子连接到正极导线。万用表应显示较低的电阻。这表明可控硅整流器处于导通状态，断开栅极端子后，该状态应持续。

4. 如果万用表通过上述检查，则说明其工作正常