这一章在干嘛?
认识功率控制的主角——PNPN 四层结构家族:SCR(单向闸门)、双向二极管/双向晶闸管(交流全周控制)、光控 SCR,以及单结管 UJT/PUT(触发器专业户)、光电三极管和光耦(隔离传输)。学完你就能看懂调光器、电机控制器和固态继电器。
17.1 SCR:一触即发的单向闸门
SCR(可控硅)= 四层三结 PNPN,可拆成互补的两颗三极管正反馈相连:门极来个小电流脉冲,正反馈雪崩导通,此后门极失去控制权,直到阳极电流降到维持电流以下:
原书图 17.1:SCR 符号与基本结构:阳极、阴极、门极
原书图 17.2:两管等效模型:NPN+PNP 互锁正反馈
原书图 17.4:导通态:三个结中中间结被「淹没」,像闭合的开关
原书图 17.7:SCR 特性曲线:正向阻断 → 转折 → 导通;反向类似二极管
关断三板斧:
① 阳极电流自然过零(交流电每半周自动关);② 切断/拉低阳极电流;③ 强迫换流(并联电容反向放电)。直流场合必须想关断方案,交流场合天生省心。
17.2 SCR 应用:从调光到充电
门极触发角 α 控制每半周导通的「起点」,负载功率随 α 连续可调——调光器、电机调速的原理:
原书图 17.11:半波可变电阻相位控制:调 R 即调导通角
实战要点:
门极触发电流要有足够「陡度」;感性负载要加 RC 吸收(防 dv/dt 误触发);大电流 SCR 必须按规格散热。
17.3 双向二极管与双向晶闸管
双向二极管(diac):两端对称、双向都有转折电压的「点火管」,常用来给 triac 门极提供陡峭触发脉冲:
原书图 17.29:diac 特性与符号:双向对称的负阻转折
双向晶闸管(triac):相当于两只 SCR 反并联,一门极可双向触发,交流全周可控——家电路调光器/风扇调速的核心:
原书图 17.32:triac 符号、结构与双向特性
17.4 UJT 与 PUT:触发器专业户
单结管(UJT):一个发射结 + 两端基极,发射极电压超过峰值 VP=η·VBB+VD 的瞬间呈现负阻——非常适合做张弛振荡器,为 SCR 提供定时触发:
原书图 17.37:UJT 发射极特性:峰点 → 负阻区 → 谷点
PUT(可编程单结管):用两颗外接电阻把峰点电压「编程」,比 UJT 更灵活:
原书图 17.60:PUT:分压电阻决定触发阈值
套路:
RC 充电 → 电压到峰点 → UJT/PUT 突然导通 → 电容放电脉冲 → 触发 SCR。这个「锯齿波 + 尖脉冲」组合是相控电路的万能开场。
17.5 光电三极管与光耦
光电三极管:把光电二极管和三极管合一,光照产生基极电流再被 β 放大,灵敏度比光电二极管高得多:
原书图 17.49:光电三极管输出特性:光通量扮演「基极电流」角色
光耦(opto-isolator):LED + 光探测器封在一起,信号以「光」过桥,两侧完全电气隔离——弱电控制强电的安全卫士:
原书图 17.53:光耦特性:CTR 电流传输比是关键参数
隔离的意义:
市电侧与控制侧耐压等级不同,直接相连会触电/烧板。光耦隔离耐压数千伏,是开关电源反馈、固态继电器、工业总线必备。选型看 CTR(电流传输比)、隔离电压和传输速度。
1. SCR 导通后门极为什么失效?怎么关断?
导通靠内部 NPN+PNP 正反馈互锁,门极只负责「点火」,点着后反馈自维持。关断必须让阳极电流降到维持电流以下:交流自然过零、切断电流或强迫换流。
2. triac 为什么更适合交流功率控制?
triac 双向导通,正负半周都能用同一门极控制(配 diac 触发),一个器件完成全周功率调节;SCR 只能导通正半周(交流下等于半波),功率利用率低一半。
3. 光耦的核心参数 CTR 是什么?它随什么变差?
CTR = 输出侧集电极电流 / 输入侧 LED 电流(电流传输比)。它随 LED 老化(时间)、温度变化而下降,设计时要留 3~5 倍余量,否则长期工作后隔离传输会失效。