任务2　单结晶体管触发电路及单相半波电路的调试

学习目标

（1）能正确调试单结晶体管触发电路。

（2）能调试出单相半波可控整流电路在电阻性负载及电感性负载时的整流输出电压（Ud）波形。

（3）能认识续流二极管的作用。

相关知识

一、单相半波可控整流电路

1.电阻性负载

图1-12所示为单相半波可控整流电路。整流变压器（调光灯电路可直接由电网供电，不采用整流变压器）起变换电压和隔离的作用，其一次和二次电压瞬时值分别用u1和u2表示，二次电压u2为50Hz正弦波，其有效值为U2。当接通电源后，便可在负载两端得到脉动的直流电压，其输出电压的波形可以用示波器进行测量。

1）工作原理

在分析电路工作原理之前，先介绍几个名词术语和概念。

控制角α：又称触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。

导通角θ：指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。

移相：指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角α的大小。

移相范围：指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。

（1）α=0°时的波形分析。图1-13是α=0°时实际电路中输出电压和晶闸管两端电压的理论波形。

图1-13（a）所示为α=0°时负载两端（输出电压）的理论波形。

从理论波形图中可以分析出，在电源电压u2正半周内，在电源电压的过零点，即α=0°时刻加入触发脉冲触发晶闸管VT导通，负载上得到输出电压ud的波形是与电源电压u2相同形状的波形；当电源电压u2过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压ud为零；在电源电压u2负半周内，晶闸管承受反向电压不能导通，直到第二周期α=0°触发电路再次施加触发脉冲时，晶闸管再次导通。

图1-13（b）所示为α=0°时晶闸管两端电压的理论波形。在晶闸管导通期间，忽略晶闸管的管压降，uT=0，在晶闸管截止期间，晶闸管将承受全部反向电压。

（2）α=30°时的波形分析。改变晶闸管的触发时刻，即控制角α的大小即可改变输出电压的波形，图1-14（a）所示为α=30°时负载两端（输出电压）的理论波形。在α=30°时，晶闸管承受正向电压，此时加入触发脉冲晶闸管导通，负载上得到输出电压ud的波形是与电源电压u2相同形状的波形；同样，当电源电压u2过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压ud为零；在电源电压过零点到α=30°之间的区间上，虽然晶闸管已经承受正向电压，但由于没有触发脉冲，晶闸管依然处于截止状态。

图1-14（b）所示为α=30°时晶闸管两端电压的理论波形。其原理与α=0°时相同。

由以上的分析和测试可以得出：

（1）控制角α和导通角θ的关系为θ=π-α。

（2）在单相半波整流电路中，改变α的大小即改变触发脉冲在每周期内出现的时刻，则ud和id的波形也随之改变，但是直流输出电压瞬时值ud的极性不变，其波形只在u2的正半周出现，这种通过对触发脉冲的控制来实现控制直流输出电压大小的控制方式称为相位控制方式，简称相控方式。

（3）理论上，移相范围为0°～180°。

2）基本的物理量计算

（1）输出电压平均值与平均电流的计算：

可见，输出直流电压平均值Ud与整流变压器二次交流电压U2和控制角α有关。当U2给定后，Ud仅与α有关，当α=0°时，则Ud=0.45U2，为最大输出直流平均电压；当α=180°时，Ud=0。只要控制触发脉冲送出的时刻，Ud就可以在0～0.45U2之间连续可调。

（2）负载上电压有效值与电流有效值的计算：根据有效值的定义，U应是Ud的均方根值，即

负载电流有效值的计算：

（3）晶闸管电流有效值IT与其两端可能承受的最大电压：在单相半波可控整流电路中，晶闸管与负载串联，所以负载电流的有效值也就是流过晶闸管电流的有效值，其关系为

由图1-14中uT的波形可知，晶闸管可能承受的正反向峰值电压为

（4）功率因数cosф：

例1-2　单相半波可控整流电路，阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50V，直流输出平均电流为20A，试计算：

（1）晶闸管的控制角α。

（2）输出电流有效值。

（3）电路功率因数。

（4）晶闸管的额定电压和额定电流，并选择晶闸管的型号。

解　（1）由，计算输出电压为50V时的晶闸管控制角α

求得α=90°。

当α=90°时，

（4）根据额定电流有效值IT大于或等于实际电流有效值I的原则，即IT≥I，则IT（AV）≥（1.5～2），取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为IT（AV）≥42.4～56.6A。按电流等级可取额定电流为50A。

晶闸管的额定电压为

按电压等级可取额定电压700V，即七级。

选择晶闸管型号为KP50-7。

2.电感性负载

直流负载的感抗ωLd和电阻Rd的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。属于此类负载的有工业上电机的励磁线圈、输出串联电抗器的负载等。电感性负载与电阻性负载有很大不同。为了便于分析，在电路中把电感Ld与电阻Rd分开，如图1-15（a）所示。

我们知道，电感线圈是储能元件，当电流id流过线圈时，该线圈就储存有磁场能量，id愈大，线圈储存的磁场能量也愈大，当id减小时，电感线圈就要将所储存的磁场能量释放出来，试图维持原有的电流方向和电流大小。电感本身是不消耗能量的。众所周知，能量的存放是不能突变的，可见当流过电感线圈的电流增大时，Ld两端就要产生感应电动势，即，其方向应阻碍id的增大，如图1-15（b）所示；反之，id要减小时，Ld两端感应的电动势方向应阻碍id的减小，如图1-15（c）所示。

1）无续流二极管时

图1-16所示为电感性负载无续流二极管某一控制角α时输出电压、电流的理论波形，从波形图上可以看出：

（1）在0～α期间：晶闸管阳极电压大于零，此时晶闸管门极没有触发信号，晶闸管处于正向阻断状态，输出电压和电流都等于零。

（2）在α时刻：门极加上触发信号，晶闸管被触发导通，电源电压u2施加在负载上，输出电压ud=u2。由于电感的存在，在ud的作用下，负载电流id只能从零按指数规律逐渐上升。

（3）在π时刻：交流电压过零，由于电感的存在，流过晶闸管的阳极电流仍大于零，晶闸管会继续导通，此时电感储存的能量一部分释放变成电阻的热能，同时另一部分送回电网，电感的能量全部释放完后，晶闸管在电源电压u2的反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周，即2π+α时刻，晶闸管再次被触发导通，如此循环。

结论：由于电感的存在，使得晶闸管的导通角增大，在电源电压由正到负的过零点也不会关断，使负载电压波形出现部分负值，其结果使输出电压平均值Ud减小。电感越大，维持导电时间越长，输出电压负值部分占的比例越大，Ud减少越多。

当电感Ld非常大时（满足ωLd>>Rd，通常ωLd>10Rd即可），对于不同的控制角α，导通角θ将接近（2π-2α），这时负载上得到的电压波形正负面积接近相等，平均电压Ud≈0。可见，不管如何调节控制角α，Ud值总是很小，电流平均值Id也很小，没有实用价值。

实际的单相半波可控整流电路在带有电感性负载时，都在负载两端并联有续流二极管。

2）接续流二极管时

（1）电路结构。为了使电源电压过零变负时能及时地关断晶闸管，使ud波形不出现负值，又能给电感线圈Ld提供续流的旁路，可以在整流输出端并联续流二极管，如图1-17所示。

（2）工作原理。图1-18所示为电感性负载接续流二极管某一控制角α时输出电压、电流的理论波形。

从波形图上可以看出：

①在电源电压正半周（0～π区间），晶闸管承受正向电压，触发脉冲在α时刻触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流。在此期间续流二极管VD承受反向电压而关断。

②在电源电压负半周（π～2π区间），电感的感应电压使续流二极管VD承受正向电压导通续流，此时电源电压u2<0，u2通过续流二极管使晶闸管承受反向电压而关断，负载两端的输出电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使电流id连续，且id波形近似为一条直线。

结论：

电阻负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，可见续流二极管的作用是为了提高输出电压。

负载电流波形连续且近似为一条直线，如果电感无穷大，则负载电流为一直线。流过晶闸管和续流二极管的电流波形是矩形波。

（3）基本的物理量计算：

①输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id：

②流过晶闸管电流的平均值IdT和有效值IT：

③流过续流二极管电流的平均值IdD和有效值ID：

④晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压。晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压都为电源电压的峰值，即

二、单结晶体管触发电路

1.单结晶体管自激振荡电路

利用单结晶体管的负阻特性和电容的充放电，可以组成单结晶体管自激振荡电路。单结晶体管自激振荡电路的电路图和波形图如图1-19所示。

设电容初始没有电压，电路接通以后，单结晶体管是截止的，电源经电阻R、RP对电容C进行充电，电容两端电压从零起按指数充电规律上升，充电时间常数为REC；当电容两端电压达到单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管导通，电容开始放电，由于放电回路的电阻很小，因此放电很快，放电电流在电阻R4上产生了尖脉冲。随着电容放电，电容两端电压降低，当电容两端电压降到谷点电压UV以下时，单结晶体管截止，接着电源又重新对电容进行充电，如此周而复始，在电容两端会产生一个锯齿波，在电阻R4两端将产生一个尖脉冲，如图1-19（b）所示。

2.具有同步环节的单结晶体管触发电路

上述单结晶体管自激振荡电路输出的尖脉冲可以用来触发晶闸管，但不能直接用作触发电路，还必须解决触发脉冲与主电路的同步问题。

图1-20所示为单结晶体管触发电路，其触发方式采用单结晶体管同步触发电路，其中单结晶体管的型号为BT33，电路图及参数如图1-20所示。

1）同步电路

触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系称为同步。例如，在单相半波可控整流电路中，触发脉冲应出现在电源电压正半周范围内，而且每个周期的α相同，确保电路输出波形不变，输出电压稳定。

同步电路由同步变压器、桥式整流电路VD1～VD4、电阻R1及稳压管组成。同步变压器一次[侧]与晶闸管整流电路接在同一相电源上，交流电压经同步变压器降压、单相桥式整流电路整流后再经过稳压管稳压削波，形成一梯形波电压，作为触发电路的供电电压。梯形波电压零点与晶闸管阳极电压过零点一致，从而实现触发电路与整流主电路的同步。

单结晶体管触发电路的调试以及在今后的使用过程中的检修主要是通过几个点的典型波形来判断各元器件是否正常，下面进行理论波形分析。

（1）桥式整流后脉动电压的波形（图1-20中A点）。由电子技术的知识可知，A点的电压波形为由VD1～VD4四个二极管构成的桥式整流电路输出的电压波形，图1-21为理论波形。

（2）削波后梯形波电压波形（图1-20中B点）。B点的波形如图1-22所示，该点波形是经稳压管削波后得到的梯形波。

2）脉冲移相与形成电路

脉冲移相与形成电路实际上就是上述的自激振荡电路。脉冲移相电路由电阻RE和电容C组成；脉冲形成电路由单结晶体管、温补电阻R3、输出电阻R4组成。改变自激振荡电路中电容C的充电电阻的阻值，就可以改变充电的时间常数τC，图1-20中用电位器RP来实现这一变化，例如：RP↑→τC↑→出现第一个脉冲的时间后移→α↑→Ud↓。

（1）电容电压的波形（图1-20中C点）。C点的波形如图1-23所示。由于电容每半个周期在电源电压过零点从零开始充电，当电容两端的电压上升到单结晶体管峰点电压时，单结晶体管导通，触发电路送出脉冲，电容的容量和充电电阻RE的大小决定了电容两端的电压从零上升到单结晶体管峰点电压的时间，因此在本任务中的触发电路无法实现在电源电压过零点，即α=0°时送出触发脉冲。

调节电位器RP，C点的波形会有所变化。

（2）输出脉冲的波形（图1-20中D点）。D点的波形如图1-24所示。单结晶体管导通后，电容通过单结晶体管的eb1迅速向输出电阻R4放电，在R4上得到很窄的尖脉冲。

3）触发电路各元件的选择

（1）充电电阻RE的选择。改变充电电阻RE的大小，就可以改变自激振荡电路的频率，但是频率的调节有一定的范围，如果充电电阻RRE择不当，将使单结晶体管自激振荡电路无法E形成振荡。

充电电阻RE的取值范围为

式中，U为加于图1-20中B-E两端的触发电路电源电压。

（2）电阻R3的选择。电阻R3是用来补偿温度对峰点电压UP的影响，通常取值范围为200～600Ω。

（3）输出电阻R4的选择。输出电阻R4的大小将影响输出脉冲的宽度与幅值，通常取值范围为50～100Ω。

（4）电容C的选择。电容C的大小与脉冲宽窄和RE的大小有关，通常取值范围为0.1～1μF。

任务要求

（1）单结晶体管触发电路的认识与调试。

（2）单相半波可控整流电路的调试。

任务分析

晶闸管的导通条件有两个：UGK>0和UAK>0；单结晶体管触发电路就是实现UGK>0的电路。单相半波可控整流电路的核心器件是晶闸管。

任务实施

1.单结晶体管触发电路的认识与调试

图1-25中V6为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻R5和C1组成RC充电回路，由C1、V6和脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变C1充电回路中的等效电阻。电位器RP1已装在面板上，同步信号已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出，图1-25中TP1～TP6为测试孔。

按图1-26接线，按下“启动”按钮，用双踪示波器观察单结晶体管触发电路1、2、3、4、5点的触发脉冲波形，记录波形的类型、幅值和频率；最后观测输出的“G、K”触发电压波形，看其能否在30°～170°范围内移相。

2.单相半波可控整流电路的调试

（1）单相半波可控整流电路接电阻性负载。触发电路调试正常后，按图1-27接线，图1-28为关键部件图。将可调电阻调在最大阻值位置，按下“启动”按钮，用示波器观察负载电压Ud、晶闸管VT两端电压UVT的波形，调节电位器RP，观察α=30°、60°、90°、120°、150°时Ud、UVT的波形，并记录电源电压U2、直流输出电压Ud和直流输出电流Id。

（2）单相半波可控整流电路接电感性负载。将负载电阻R改成电感性负载（由电阻R与平波电抗器LD串联而成）。暂不接续流二极管VD1，在不同阻抗角，保持电感量不变，改变R的值，注意电流不要超过1A情况下，观察并记录α=30°、60°、90°、120°时的直流输出电压值Ud及UVT的波形，并记录电源电压U2、直流输出电压Ud和直流输出电流Id。

接入续流二极管VD1，重复上述操作观察续流二极管的作用，以及UVD1波形的变化。

一、单选题

1.晶闸管可控整流电路中的控制角α减小，则输出的电压平均值会（　）。

A.不变　　B.增大　　C.减小

2.单相半波可控整流电路输出直流电压的平均值等于整流前交流电压的（　）倍。

A.1　　B.0.5　　C.0.45　　D.0.9

3.为了让晶闸管可控整流电感性负载电路正常工作，应在电路中接入（　）。

A.晶体管　　B.续流二极管　　C.熔丝

4.晶闸管可整流电路中直流端的蓄电池或直流电动机应该属于（　）负载。

A.电阻性　　B.电感性　　C.反电动势

5.单结晶体管触发电路输出的脉冲宽度主要决定于（　）。

A.单结晶体管的特性　　B.电源电压的高低

C.电容的放电时间常数　　D.电容的充电时间常数

6.晶闸管整流电路中“同步”的概念是指（　）。

A.触发脉冲与主回路电源电压同时到来，同时消失

B.触发脉冲与电源电压频率相同

C.触发脉冲与主回路电压频率在相位上具有相互协调配合关系

D.触发脉冲与主回路电压频率相同

7.图1-29中，改变（　）就能达到改变控制角α的目的。

A.RW　　B.R2　　C.R3　　D.DW

二、填空题

1.当增大晶闸管可控整流电路的控制角α时，负载上得到的直流电压平均值会________________。

2.在单相半波可控整流带电感性负载并联续流二极管的电路中，晶闸管控制角α的最大移相范围是________________，其承受的最大正反向电压均为________________，续流二极管承受的最大反向电压为________________（设U2为相电压有效值）。

3.按负载的性质不同，晶闸管可控整流电路的负载分为________________性负载、________________性负载和________________性负载三大类。

三、分析题

1.单相半波可控整流电路，如门极不加触发脉冲；晶闸管内部短路；晶闸管内部断开，试分析上述三种情况下晶闸管两端电压和负载两端电压波形。

2.单相半波相控整流电路电阻性负载，要求输出电压Ud=60V，电流Id=20A，电源电压为220V，试计算导通角θT并选择VT。

3.单相半波可控整流电路，电阻性负载。要求输出的直流平均电压在50～92V之间连续可调，最大输出直流电流为30A，由交流220V供电，试求：（1）晶闸管控制角应有的调整范围为多少？（2）选择晶闸管的型号规格（安全裕量取2倍，）。

4.由图1-30所示单结晶体管的触发电路图画出各点波形。

四、问答题

1.晶闸管的控制角和导通角是何含义？

2.什么叫“同步”？单结晶体管触发电路中如何实现“同步”？