晶閘管是具有雙穩態行為的三端電子元件。控制端稱為“門極”(G)。另外兩個端子，陽極(A)和陰極(K)，與負載串聯導通電流，并且能夠承受高電壓。這些元件被用作電子開關。

簡介

晶閘管用于直流和交流電路中的開關和功率控制電路。與晶體管不同，大多數晶閘管的門極信號可以移除，它們仍會保持導通狀態。晶閘管設計用于處理高電流和高電壓，甚至超過1 kV或100 A。

它們是具有四個交替P型和N型材料層的半導體器件，形成P-N-P-N結構。其實際應用旨在功率調節，如燈具調光器或電機速度控制。它們還可用于將交流電轉換為直流電，并控制輸出電壓。它們還可以用作安全開關，保護電路免受過流影響。

直流電路中的SCR二極管

如圖1所示，SCR二極管由三個結組成：

· 一個PN結(g1)

· 一個NP結(g2)

· 另一個PN結(g3)

其符號類似于傳統二極管，具有陽極和陰極，但多了一個電極——門極。如果在陽極相對于陰極施加正電壓，SCR二極管與普通二極管不同，不允許任何電流通過。當在“門極”端施加相對于陰極的正電壓時，電流開始流經該元件。因此，即使門極上沒有電壓，二極管也始終導通。這種導通狀態會持續到電路電源中斷為止。

現在需要觀察SCR二極管的兩個重要特性：

· 當它進入導通狀態時，門極端子不再對元件的運行有任何控制權。

· 流過的電流不能被調制到中間值。

基于這些前提，可以創建一個簡單的SCR二極管電路圖，當在其門極施加電壓時，它會為串聯的負載供電。圖2展示了一個典型的控制電路解決方案，該電路使用SCR來控制負載的電流供應。最初，晶閘管處于阻斷狀態，即不導通電流，即使存在24 V的電源電壓，陽極和陰極之間也沒有電流通過。

晶閘管的門極沒有接收到任何激活信號，因此器件保持關閉狀態。門極信號由產生三角信號的源生成。一旦其電壓達到約1.7 V，晶閘管就會被“永久”激活，并開始在陽極和陰極之間導通電流。通常，觸發晶閘管需要0.8 V到1.8 V之間的脈沖。SCR可以通過再生過程達到觸發狀態，該過程可以與兩個雙極晶體管的等效模型相關聯。在直流電路中，晶閘管的內部結構使其能夠通過保持電流保持觸發狀態，只有在電源中斷時才會解除觸發。

請注意，在此示例中，電路以直流模式運行。一旦激活，即使移除門極信號，晶閘管仍保持導通狀態。這種解決方案的一個有用應用是通過按鈕激活燈。在導通期間，陽極和陰極之間的電壓顯著降低，通常降至幾伏。在導通狀態下，器件可以傳導高電流。只有當陽極和陰極之間的電壓降至零或反向時，晶閘管才會停止導通，如在交流(AC)電路中。

當電流降至保持值以下時，也會達到關閉狀態。第一個波形圖顯示了隨時間施加在門極上的電壓，其值在0 V到3 V之間，呈三角信號。該信號用于激活晶閘管。第二個波形圖顯示了流經晶閘管陽極的電流。一旦激活，它始終保持導通狀態。即使在移除門極信號后，晶閘管仍保持導通。最后，第三個波形圖顯示了晶閘管在時域中耗散的功率。

控制負載的開關按鈕

本節討論的電路(如圖3所示)在繼電器系統、自動門控制或工業電機的手動控制系統中非常常見。以下解決方案展示了一個帶有兩個按鈕和一個電機的控制電路。它由兩個按鈕P1和P2組成。

第一個按鈕通常是關閉的，而第二個按鈕通常是打開的。電池為電路提供電壓，在這種情況下，電路和電機都在直流電下工作。P2是啟動按鈕：如果按下，它會向SCR的門極發送一個脈沖，使其導通。一旦激活，SCR保持導通狀態，為電機供電。另一方面，P1是停止按鈕，中斷流向SCR的主電流，關閉電機。

當電流停止時，SCR關閉，電路返回等待狀態。電機僅在SCR處于導通狀態時供電。在此電路中，SCR充當受控開關;單個門極脈沖可將其打開，但要將其關閉，必須中斷流向負載的電流。在同一圖中，可以觀察到三個波形圖：

· 第一個波形圖位于頂部，顯示了通過按鈕P2(啟動按鈕)施加在SCR門極上的電壓。請注意，存在一個持續約半秒的短正脈沖。該脈沖通過門極激活SCR，啟動晶閘管的導通并啟動電機。

· 第二個波形圖位于中間，顯示了按鈕P1(停止按鈕)的活動。持續約200毫秒，它中斷了主電流的流動，關閉SCR并停止電機。此開關可以用繼電器或其他固態功率電子元件替換。

· 最后一個波形圖位于底部，是最重要的一個，顯示了通過SCR陽極的電流，即為電機供電的電流。最初，電流為零約3秒，然后通過按下P2按鈕上升到穩定值，表明SCR完全導通，因此電機正在運行。幾秒鐘后，電流再次降至零，表明P1按鈕已停止導通，關閉SCR并停止電機。

交流電路中的SCR二極管

盡管SCR本質上是直流器件，但大多數SCR應用用于交流功率控制。SCR用于交流功率控制應用的主要原因是晶閘管對交流電的獨特響應。它在交流半周期內保持導通狀態，直到電流降至零，開始下一個半周期。此時，晶閘管關閉，必須在下一個周期內再次開啟。結果是類似于“削波”正弦波的電流。圖4展示了一個非常基本的電路解決方案，該電路將晶閘管置于觸發極限，通過電位器精細調節。

結論

總之，晶閘管是電力電子中的基本元件，用于控制高電流流動，應用包括電壓調節器、電機控制和電力系統。然而，影響其性能的關鍵因素之一是溫度：溫度升高會降低可安全管理的電流值，并加速器件的退化，縮短其平均壽命。因此，必須采用適當的熱消散解決方案，以確保可靠運行并延長晶閘管的使用壽命。