晶体闸流管的工作原理及型号识别方法

2017-03-15 19:07分类：电子元器件阅读：

晶体闸流管（Thyristor）简称晶闸管，过去叫可控硅(SCR)，它是一种以小电流（电压）控制大电流（电压）的功率（电流）型半导体器件，由于它能够像闸门控制水流一样，轻而易举地控制大电流的流通，闸流管由此得名。

晶体闸流管作为一种能够控制强电（高电压、大电流）的特殊无触点开关，具有体积小、功耗低、动作快、寿命长以及使用方便等优点，因而应用领域十分广泛，在普通家用电器、电子测量仪器和工业自动化设备中都能见到它。如今，在电子爱好者的许多制作中也采用了晶体闸流管，如交流无触点开关、可控整流器、调光灯、调速器、调压器以及各种自动控制装置等。

限于篇幅，下面我们只对业余电子制作中经常使用的普通单向晶闸管和双向晶闸管进行重点介绍。

外形和种类

晶体闸流管有多种分类方法：按其关断、导通及控制方式可分为普通单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、门极可关断晶闸管( GTO)、逆导晶闸管、温控晶闸管和BTG晶闸管（既可作晶闸管使用，又可作单结晶体管使用）等多种；按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管；按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管3种类型（金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种，塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种）；按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管（大功率晶闸管多采用金属壳封装，中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装）；按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。

目前，电子爱好者最常用的晶体闸流管是中、小功率的单向晶闸管和双向晶闸管，其实物外形如图26-1所示。由图可见，它们的外形与普通三极管别无两样，封装形式主要有金属壳封装和塑料封装两大类，引脚线均为3根。

结构及特性

单向晶闸管的内部结构示意图和等效电路图如图26-2所示。它是一种由PNPN四层半导体材料、3个PN结、3个电极所构成的三端半导体器件，3个引出电极的名称分别为阳极A、阴极K和控制极G（又称门极）。单向晶闸管的阳极A与阴极K之间不仅具有一般晶体二极管单向导电的整流作用，而且其导通电流还直接受控于控制极G。单向晶闸管的内部电路可以等效为由一只PNP三极管和一只NPN三极管组成的复合管。

单向晶闸管的基本工作原理和特性可通过图26-3所示的实验电路来说明：闭合电源开关SA，单向晶闸管的阳极A通过小电珠H等接通电源正端，阴极K接通电源负端，此时管子并不导通。当按下按钮开关SB给控制极G加上合适的正向触发电压信号时，单向晶闸管内部的等效三极管VT1、VT2相继迅速导通，并形成强烈的正反馈而很快达到饱和导通状态，使得阳极A-5阴极K2间由阻断状态转为完全导通状态，小电珠H发光。如果控制极G所加触发电压为负，则单向晶闸管不能导通。若单向晶闸管的阳极A接电源负端、阴极K接电源正端时，无论控制极G加上什么极性的电压，单向晶闸管也不能导通。

一旦单向晶闸管受触发导通之后，即使取消其控制极G的触发电压（即手松开按钮开关SB使其复位），只要在阳极A与阴极K之间仍保持正向电压，单向晶闸管就会维持导通状态，小电珠H会一直发光。只有断开电源开关SA、或将阳极的电压降低到某一临界值、或改变阳极A-5阴极K2间的电压极性（如交流电过零），单向晶闸管的阳极A-5阴极K2间才会由导通状态转换为断开状态，小电珠H才会熄灭。单向晶闸管一旦恢复为断开状态，即使在其阳极A-5阴极K之间又重新加上正向电压，也不会再次导通，只有在控制极G与阴极K之间重新加上正向触发电压后，方可再次受触发而导通。利用这些特性，可实现直流无触点开关控制、可控整流等。

双向晶闸管是在单向晶闸管基础上研制出的一种由NPNPN五层半导体材料所构成的三端半导体器件，其内部结构如图26-4所示。双向晶闸管的内部结构可以等效为两只普通单向晶闸管反向并联的组合体（即由两组PNPN四层半导体材料“反向”组合而成），并且只用一个触发控制极G，便可实现对交流电的“双向”控制。正因为如此，双向晶闸管的两个主电极不再有阴、阳之分，而是称作主电极T1（或第一阳极）和主电极T2（或第二阳极）。

双向晶闸管的最大特点是具有“双向”可控导电性能，即无论主电极T1与主电极T2之间所加电压极性是正向还是反向，也不管控制极G所加触发电压极性如何，只要满足其必须的触发电流，管子即可被触发导通而呈低阻状态，这一特点也说明，双向晶闸管可直接工作于交流电源。

双向晶闸管一旦导通，即使失去触发电压，也能继续维持导通状态。当通过主电极T1、T2的电流减小至维持电流以下、或T1、T2之间电压改变极性时，双向晶闸管才会自动关断。待主电极T1、T2之间恢复正常供电后，只有重新施加触发电压，才能再次触发管子导通。如果主电极T1、T2之间所加电压是交流电，则只要改变加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间，就可控制其导通电流相应改变。利用上述特性，可实现交流无触点开关控制、交流调压等功能

主要参数

晶体闸流管的参数较多，尤其是双向晶闸管的有关参数是参照单向晶闸管定义或当作单向晶闸管接入电路测试出来的，两者的有关参数含义并不完全相同，实际应用时不可混为一谈。晶体闸流管的主要参数如下。

①额定通态电流( IT)。这是指在规定的环境温度和标准散热条件下，晶体闸流管导通时所允许通过的最大电流值，值得注意的是，对于单向晶闸管而言，该参数定义为通态电流在一整个周期内的平均值，所以也称“额定通态平均电流”或“额定正向平均电流”；而对于双向晶闸管，该参数定义为通态电流在一整个周期内的有效值。

②通态平均电压( UT)。也称通态平均压降，是指在规定的环境温度和标准散热条件下，当通过晶体闸流管的电流为其额定电流时，在管子产生电压降的平均值。该参数的大小能够反映出晶体闸流管的管耗大小，显然此值越小越好。

③维持电流( IH)。这是指在规定的环境温度和控制极开路的条件下，维持晶体闸流管继续导通所必须的最小电流。当通过晶体闸流管的电流小于此值时，晶体闸流管将自动退出导通状态而阻断。一般维持电流IH小的晶体闸流管，其工作比较稳定。

④控制极触发电压( UGT)。也称门极触发电压，是指在规定的环境温度和晶体闸流管正向电压为一定值的条件下，使管子从阻断状态转变为导通状态所需要的最小控制极（门极）电压。常用普通单向晶闸管的UGT值一般为0.8 - 3V，双向晶闸管的/GT值一般为1.5- 3V，

⑤控制极触发电流( /GT)。也称门极触发电流，是指在规定的环境温度和晶体闸流管正向电压为一定值的条件下，使管子从阻断状态转变为导通状态所需要的最小控制极（门极）电流。常用普通单向晶闸管的/GT值一般为10 μA - 30mA，双向晶闸管的/GT值一般为1 - 50mA。

⑥擎住电流(/L)。这是指在触发电流的作用下，晶体闸流管从断态到通态的临界电流值。也就是说，只要通过晶体闸流管的电流达到该临界值，撤除它的触发电流，管子仍然会自动维持通态。擎住电流幡口维持电流lH在概念上是不同的，通常擎住电流，。要比维持电流/L大2-4倍。

⑦断态重复峰值电流( /DR)。这是指晶体闸流管在阻断状态下的正向最大平均漏电电流值，一般小于100 μA。

⑧反向重复峰值电流（/RRM）。这是指晶体闸流管在阻断状态下的反向最大漏电电流值，一般小于100μA。

⑨不重复浪涌电流（/TSM）。这是指在一定的时间内，在保证管子不会因为PN结的温度升高太快而导致损坏的前提下，所允许流过管子的最大故障电流值。

⑩断态重复峰值电压( UDRM)。也称正向阻断峰值电压，是指晶体闸流管在控制极开路和额定结温的条件下，管子处于正向阻断状态时，可以重复加在管子上的正向最大电压，此电压规定为管子从阻断状态转为导通状态的正向转折电压UBO减去100V,即UDRM=UBO-100V。

⑪反向重复峰值电压( URRM)。这是指晶体闸流管在控制极开路和额定结温的条件下，可以重复加在管子上的反向最大电压。此电压规定为管子的反向漏电流开始急剧增加时所对应的峰值电压（反向击穿电压UBR）减去100V，即URRM一UBR-1 00V。

断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM在数值上一般相近，统称为峰值电压。通常把其中较小的那个数值作为该型号器件的额定电压。晶体闸流管在实际使用中，施加在管子上的电压必须小于极限参数UDRM和URRM，并留有一定余量，以免造成击穿损坏。

型号命名

国产晶体闸流管的型号格式和意义如图26-5所示。其中3CT或3CTS系列的字母后面第一个空格位置是一组数字，表示额定通态电流值；斜线后的空格位置也是一组数字，表示额定电压，实际就是断态重复峰值电压。有的型号用单字母代替斜线及后面的一组数字，该字母表示断态重复峰值电压的分挡，以双向晶闸管为例，A代表断态重复峰值电压≤100V，B代表断态重复峰值电压为101 - 200V-----其具体分挡见表26-1。例如：图26-6( a)左边所示的晶体闸流管型号为3CT5/400，表示这个管子是单向晶闸管，其额定通态电流（平均值）是5A，断态重复峰值电压是400V；图26-6( a)中间所示的管子型号为3CTSIA，表示这是一只双向晶闸管，其额定通态电流（有效值）是1A，断态重复峰值电压是100V。

表26-1 国产双向晶闸管断态重复峰值电压分挡
UDRM (v)	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1200	1400	1600	1800	2000
分挡标志	A	B	C	D	E	F	G	H	J	K	L	M	N	P	Q

国产KP或KS系列的字母后面用3组数字或字母表示3个不同的参数，第1组数字表示额定通态电流，规定从1 ~1000A共分1 4级，其数字后面加上“A”，就是管子的标称通态电流，短线后面的一组数字表示正、反向断态重复峰值电压（即额定电压）的级别，规定从100 - 3000V共分20级，1000V以下每一级相差100V．1000V以上每个级差为200V，并且在型号中表示时省略掉个位数和十位数，只用它的百位数和千位数。因此1000V以下有1-10共1 0个级别，1000V以上有12 - 30共1 0个级别（没有奇数）。在识别型号时，只要将该级数乘以1 00，就可得到管子的标称额定电压。型号的最后用A、B、C……I共9个字母中的一个表示通态平均电压范围（小于100A不标），A表示通态平均电压UT≤0.4V，B表示0.4V<UT≤0.5V，以后每个字母相差0.1V，直到I时，1.1V<UT≤1.2V。例如：图26-6( a)右边所示的晶体闸流管型号为KS1—4，表示这个管子是双向晶闸管，其额定通态电流（有效值）是1A，断态重复峰值电压是400V；又如某晶体闸流管型号为KP100-6D，表示这是一个单向晶闸管，其额定通态电流（平均值）是100A，断态重复峰值电压是600V，通态平均电压为0.6 ~ 0.7V。

国外晶体闸流管的型号，大都是按本国或本公司自己的命名方式定型号，其实物举例如图26-6( b)所示。常见的单向晶闸管有MCR100-8、BT169D、2N6564、SFOR1、CR02AM8、2P4M、SF5等，双向晶闸管有BCRIAM、MAC97A6、TLC336A、BTA06-600等。但这些型号命名规则大多数与同类晶体三极管一致，这里就不再详细介绍了。

无论是国产晶体闸流管还是进口（包括外资企业生产）晶体闸流管，从型号上都只能反映出几个主要的参数，其他许多参数却是型号中找不到的。对那些不能从型号标志上直接看出来的参数，就需要到产品说明书或半导体手册中去查找。表26-2给出了电子制作中经常用到的普通中、小功率晶体闸流管的型号和主要参数，仅供参考。

表26-2常用中、小功率晶体闸流管的型号和主要参数
类别	型号	额定通态电流/T(A)	不重复浪涌电流 /TSM(A)	断态重复峰值电压UDRM、 URRM(A)	维持电流 /H(mA)	通态平均电压UT(V)	控制极触发电压 UT(V)	控制极触发电流 /GT(mA)
单向晶闸管	3CT1	1		30 - 3000	〈20	1.2	〈2.5	〈20
	3CT5	5		30 - 3000	〈40	1.2	〈3.5	〈50
	KP1-4	1	20	400	〈20	1.2	≤2.5	3~30
	MCR100-6	0.8		400			0.8	0.03~0.06
	MCR100-8	0.8		600			0.8	0.03~0.06
	2P4M	2		400				0.01~0.03
	CR02AM8	0.3	10	400	3	1.6	0.8	0.1
	2N6564	0.5	6	300	5	1.7	0.8	0.2
	2N6565	0.5	6	400	5	1.7	0.8	0.2
双向晶闸管	3CTS1	1	≥10		〈10	≤2.2	≤3	≤50
	3CTS2	2	≥20		〈15
	3CTS3	3	≥30	100~1500	〈30
	3CTS4	4	≥33.6		〈45
	3CTS5	5	≥42		〈60
	MAC97A4	0.6	8	400			2~2.5	4
	MAC97A6	0.6	8	600			2~2.5	4
	BCR1AM	1	10	200 - 600	25	1.6	2	5~40
	BCR3AM	3	30	200 - 600	25	1.5	1.5	30
	TLC336A	3		600
	BT134- 600E	2		600	〈40		1.5	20~25
	BTA06- 600C	6		600				10~45

引脚识别

通过对常用晶体闸流管（包括国外型号）引脚排列位序的对比，发现基本有规律可循（如图26-7所示），这不像普通晶体三极管那样“混乱”，这对快速识别各引脚带来了极大的方便。常用单向晶闸管各引脚的排列位序如图26-7( a)所示，对于国产的金属圆形管帽封装的单向晶闸管，其管帽下有一个小凸口，把引脚对着自己，从凸口开始沿顺时针方向数，依次为阴极K、控制极（门极）G和阳极A。对于小型半圆柱状塑料封装管，其3个引线脚呈“一字形”排列，面对标有型号的一面，将电极引脚向下，从左到右依次为K、G、A脚。但需要注意的是，有些国外型号的小型半圆柱状塑料封装管（如CR02AM型等），其引脚排列位序从左到右依次为G、A、K脚。如果是带散热片的塑料封装管，其阳极A与散热片相通，引线脚从左到右依次为K、A、G脚。对于大功率金属螺栓式封装管，其螺丝杆一端是阳极A，另一端的大直头引线是阴极K，而小直角弯头引线是控制极G。

常用双向晶闸管各引脚的排列位序如图26-7( b)所示，对于小型半圆柱状塑料封装管，面对标有型号的一面，从“一字形”排列的引线脚左边开始至右边，依次为主电极T1、控制极（门极）G、主电极T2。对于不带和带有散热片的方形塑料封装管，其主电极T2与散热片相通，引线脚从左到右依次为T1、T2、G脚。对于大功率金属螺栓式封装管，其螺丝杆一端是主电极T2，另一端的大直头引线是主电极T1，而小直角弯头引线是控制极G。

当遇到型号、封装和引脚排列不熟悉的晶体闸流管时，就要查阅有关资料或用万用表检测辨认后再接入电路。

电路符号

晶体闸流管的电路符号如图26-8所示。单向晶闸管的图形符号很像一个普通晶体二极管的符号，不同处是在原晶体二极管符号的负极旁边又引出了一条斜线，这就是单向晶闸管的控制极（门极）G。在符号正极一端引出的电极，就是单向晶闸管的阳极A；在符号负极一端引出的电极，就是单向晶闸管的阴极K。双向晶闸管的图形符号更加形象，将两个“晶体二极管”符号反向并联起来，表示控制极G能够通过主电极T1、T2，对电流实现“双向”控制。