可控硅(晶闸管)具有三个PN结的四层结构,引出的三个极分别是阳极A,阴极C以及控制极G。
可控硅的结构和符号晶闸管工作原理:当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极不加电压时,J2处于反向偏置,管子不导通,称为阻断状态。
当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时,J3处于导通状态。
若T2管的基极电流为IB2,则其集电极电流为β2*IB2;T1管的基极电流IB1等于T2管的集电极电流β2*IB2,因而T1管的集电极电流IC1为β1*β2*IB2;该电流又作为T2管的基极电流,再一次进行上述放大过程,形成正反馈。
在很短的时间内(一般不超过几微秒),两只管子均进入饱和状态,使晶闸管完全导通,这个过程称为触发导通过程。
晶闸管一旦导通,控制极就失去控制作用,管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。
晶闸管导通后,阳极和阴极之间的电压一般为0.6~1.2V,阳极电流IA因型号不同可达几~几千安。
晶闸管如何从导通变为阻断呢?如果能够使阳极电流IA减小到小于一定数值IH,导致晶闸管不能维持正反馈过程,管子将关断,这种关断称为正向阻断,IH称为维持电流;如果在阳极和阴极之间加反向电压,晶闸管也将关断,这种关断称为反向阻断。
因此,控制极只能通过加正向电压控制晶闸管从阻断状态变为导通状态;而要使晶闸管从导通状态变为阻断状态,则必须通过减小阳极电流或改变A—C电压极性的方法实现。
晶闸管伏安特性曲线:以晶闸管的控制极电流IG为参变量,阳极电流I与A—C间电压u的关系称为晶闸管的伏安特性。
u>0时的伏安特性称为正向特性。
从伏安特性曲线可知,当IG=0时,u逐渐增大,在一定限度内,由于J2处于反向偏置,i为很小的正向漏电流,曲线与二极管的反向特性类似;当u增大到一定数值后,晶闸管导通,i骤然增大,u迅速下降,曲线与二极管的正向特性类似;电流的急剧增大容易造成晶闸管损坏,应当在A—C所在回路加电阻(通常为负载电阻)限制阳极电流。
使晶闸管从阻断到导通的A—C电压u称为转折电压UBO。
正常工作时,应在控制极和阴极间加触发电压,因而IG大于零;而且,IG愈大,转折电压愈小。
u<0时的伏安特性称为反向特性。
从伏安特性曲线可知,晶闸管的反向特性与二极管的反向特性相似。
当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压时,由于J1和J3均处于反向偏置,因而只有很小的反向电流IR;当反向电压增大到一定数值时,反向电流骤然增大,管子击穿。
晶闸管伏安特性曲线家用漏电断路器线路板家用漏电断路器中线路板可控硅一般是MCR100-8型号。
漏电断路器正常合闸时可控硅承载着整流之后的电压,脱扣器线圈中没有流过电流,也就是说脱扣器线圈并不能产生电磁力带动机构动作;当漏电断路器检测到线路中存在漏电流故障时,可控硅导通,此时脱扣器线圈流过电流,产生的电磁力带动机构动作,漏电断路器分闸起到保护功能。
如图所示的电子放大器就是可控硅MCR100-8。
正是因为可控硅一旦导通后除非降低阳极和阴极之间的电压,否则是一直导通的,所以大多数漏电产品不能反接线,如果反接线线路板从空开进线端取电,即使漏电跳闸了,但是进线端还是一直有电的,那么线圈也会马上烧掉(若能反接线,制造厂商需要做出相应的说明)。
对于MCR100-8的几个关键参数:1.触发电压0.8V,触发电流小于200uA,满足这两个条件可控硅就触发了。
2.I2t为0.72,t等于10ms,通过I2t可以计算出MCR100-8在10ms时间内最大能够承受8.5A电流,实际产品设计时要留有余量,取50%也就是4A是合理的。
这个值对于漏电断路器很重要。
我们知道线圈产生的电磁力跟安匝数成正比,安匝数越大那么线圈越容易带动铁芯,或者说铁芯的冲击力度也越大,漏电断路器脱扣更可靠。
实际设计时首先确定安培数为4A,此时也就确定了线圈阻值的大小,然后在此基础上确定线圈匝数和线径。
举个例子,单相取电的产品,线圈匝数1100匝,阻值80Ω;估算100-8导通时流过的电流3.8A;三相取电的产品,线圈匝数1900匝,阻值130欧,估算MCR100-8导通时流过的电流4A。
这就解释了为什么脱扣器线圈阻值在这两个值的附近,就是为了保证MCR100-8导通时流过的电流在4A左右。
3.断态可重复峰值电压或者说耐压值,就是可控硅阳极和阴极之间能够承受的最大电压值。
可控硅的耐压值对于漏电断路器也是很重要的参数,因为漏电断路器正常合闸时,可控硅一直承受着整流之后的电压。
产品有直跳的现象,很大的可能性就是耐压值不够导致被击穿。
MCR100-8规格书里标注的耐压值是800V,实际产品设计时要留有余量,取50%也就是400V。
单相取电的产品,整流+滤波电压300V左右,因此一个可控硅就可以了;三相取电的产品,整流+滤波电压600V左右,因此需要两个可控硅串联去分压。
这里要说明一下,虽然100-8规格书里标注的耐压值是800V,但是实际上还有一种MCR100-8,耐压值不到600V,耐压值大小取决于MCR100-8内部硅片面积大小。
MCR100-8可控硅内部的硅片面积有三种。
第一种是硅片面积为1.38×1.38mm,这种可控硅耐压值900V以上,是专门为漏电断路器这方面的产品设计的,用晶闸管测试仪测耐压值的话,一般在900V到1000V之间。
其他两种硅片面积分别是1.20×1.20mm以及1.06×1.06mm,耐压值不到600V,用晶闸管测试仪测耐压值,有些质量差的产品耐压值甚至不到400V,这种可控硅用到漏电断路器,168h老化试验之后,产品很容易出现直跳,原因十有八九就是可控硅耐压不够而击穿了。