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矽控整流器 (SCR)

基本四層二極體. 11-1. 單接面電晶體 (UJT). 11-6. 矽控整流器 (SCR). 11-2. 可程式單接面電晶體 (PUT). 11-7. SCR 的應用. 11-3. 雙向觸發二極體 (Diac) 和 雙向交流觸發三極體 (Triac). 11-4. 矽控開關 (SCS). 11-5. 11-1 　基本四層二極體. 蕭克萊二極體 (Shockley Diode). 圖 11-1 　四層二極體。. 圖 11-2 　四層二極體的等效電路。. 歷史紀錄

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矽控整流器 (SCR)

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Presentation Transcript

  1. 基本四層二極體 11-1 單接面電晶體 (UJT) 11-6 矽控整流器 (SCR) 11-2 可程式單接面電晶體 (PUT) 11-7 SCR的應用 11-3 雙向觸發二極體 (Diac)和 雙向交流觸發三極體 (Triac) 11-4 矽控開關 (SCS) 11-5

  2. 11-1　基本四層二極體 • 蕭克萊二極體 (Shockley Diode) 圖11-1　四層二極體。 圖11-2　四層二極體的等效電路。

  3. 歷史紀錄 • 四層二極體(也被稱為蕭克萊Shockley二極體)是由William Shockley在貝爾實驗室工作時發明的。Shockley相信四層二極體可以用來取代當時電話設備中的交換器機械，因而大大地改善當時的電話交換電路。在西元1950年中期，Shockley成立了蕭克萊半導體實驗室，意圖製造矽電晶體，但很快地又將公司的重心轉移到四層二極體上。以當時的技術要製造四層二極體是很困難的，而Shockley的公司也從沒真正賺到錢。四層二極體最終發展成了矽控整流器(SCR)，其實也就是一個四層二極體加上一個控制閘極。

  4. 圖11-3　四層二極體等效電路中的各個電流。

  5. 圖11-4　四層二極體特性曲線。土黃色區域為 順向阻遏區域，而藍色區域為順向導通區域。

  6. 順向折轉電壓 (Forward-Breakover Voltage) • 保持電流 (Holding Current) • 切換電流 (Switching Current)

  7. 例題　11-1 • 將一個特定四層二極體偏壓在順向阻遏區域，其中陽極對陰極電壓為20V。在這種偏壓情況下，陽極電流為1 μA。試求在順向阻遏區域下的二極體電阻。

  8. 例題　11-1 • 解 • 電阻值為

  9. 例題　11-2 • 求出圖11-5中當此元件導通時的陽極電流值。 VBE(F) = 10 V。假設順向電壓降是 0.9 V。 圖11-5

  10. 例題　11-2 • 解 • 陽極的電壓VA為 0.9 V，RS兩端的電壓降為 • 陽極電流為

  11. 應用電路 (An Application) 圖11-6　四層二極體組成的弛緩振盪器。

  12. 11-2　矽控整流器 (SCR) 圖11-7　矽控整流器 (SCR) 。

  13. SCR等效電路 (SCR Equivalent Circuit) 圖11-8SCR等效電路。

  14. 導通SCR (Turning the SCR On) 圖11-9SCR的開啟程序以及等效開關電路。

  15. 圖11-10SCR特性曲線。

  16. 關閉SCR (Turning the SCR Off) • 一般而言有兩種基本方式可以關閉SCR：陽極電流中斷 (Anode current interruption) 與強迫換向 (Forced commutation) • 強迫換向方式基本上需要瞬間強迫電流，以相反於順向導通的方向通過 SCR ，使得淨順向電流減少至低於保持電流值。

  17. 圖11-11　利用中斷陽極電流來關閉SCR。

  18. 圖11-12　利用強迫換向來關閉SCR。

  19. SCR特性與額定值 (SCR Characteristics and Ratings) • 順向折轉電壓，VBR(F) • 保持電流IH • 閘極觸發電流IGT • 平均順向電流IF(avg) • 順向導通區 • 順向阻遏和逆向阻遏區 • 逆向崩潰電壓VBR(R)

  20. 光觸發矽控整流器 (LASCR, The Light-Activated SCR) 圖11-13　光觸發矽控整流器(LASCR)的 電路符號。 圖11-14LASCR電路。

  21. 11-3 SCR的應用 • 電流導通與截止的控制 (On-Off Control of Current) 圖11-17開啟與關閉SCR的控制電路。

  22. 例題　11-3 • 當按一下圖11-16中的開關SW1時，試求閘極觸發電流與陽極電流。假設VAK= 0.2 V， VGK = 0.7 V且 IH = 5 mA。 圖11-16

  23. 例題　11-3 • 解

  24. 半波功率控制 (Half-Wave Power Control) 圖11-17　半波、可變電阻、相位控制電路。

  25. 圖11-18　相位控制電路的工作原理。

  26. 例題　11-4 • 當負載電流分別在180°、45°和90°導通時，試畫出圖11-19中SCR從陽極到陰極 (接地) 的電壓波形。假設這是理想的SCR。 圖11-19

  27. 例題　11-4 • 解 • 當負載上有電流時，SCR是會導通的，而且在SCR兩端的電壓理想值為零。當負載上沒有電流時，SCR兩端的電壓與外加電壓相等。波形顯示在圖11-20中。 圖11-20

  28. 停電的備援照明 (Backup Lighting for Power Interruptions) 圖11-21　停電備用照明電路。

  29. 過電壓保護電路 (An Over-Voltage Protection Circuit) • 圖11-22為直流電源供應器中， 一個簡單的過電壓保護電路， 有時也稱為 "橇棍" (crowbar) 電路。 圖11-22　基本的SCR過電壓保護電路(以藍色表示的部分) 。

  30. 鋸齒波產生器 (Sawtooth Generator) 圖11-23

  31. 11-4　雙向觸發二極體 (Diac)和雙向交流觸 發三極體 (Triac) • 雙向觸發二極體 (The Diac) • 雙向觸發二極體 (Diac)是一個兩極四層的半導體元件(閘流體元件)，當元件被啟動，兩個方向皆可導通電流。 圖11-24　雙向觸發二極體(Diac)。

  32. 圖11-25Diac特性曲線。

  33. 圖11-26Diac等效電路和偏壓條件。

  34. 雙向交流觸發三極體 (The Triac) • 雙向交流觸發三極體 (Triac) 像是具有閘極端的雙向觸發二極體。Triac可以利用閘極電流脈衝開啟，而不需要像Diac一樣用折轉電壓來啟動導通。 圖11-27　雙向交流觸發三極體。

  35. 圖11-28Triac特性曲線。

  36. 應用電路 (Applications) 圖11-30基本的Triac相位控制。

  37. 圖11-31Triac相位控制電路。

  38. 在相位控制電路中，交流電源每個正半週期和負半週期結束的時候，Triac就會關閉。圖11-32說明在每個鄰近正負半週期交換的零電壓位置，Triac電流會低於保持電流值，因而使元件關閉。在相位控制電路中，交流電源每個正半週期和負半週期結束的時候，Triac就會關閉。圖11-32說明在每個鄰近正負半週期交換的零電壓位置，Triac電流會低於保持電流值，因而使元件關閉。 圖11-32Triac關閉期間。

  39. 11-5　矽控開關 (SCS) • 矽控開關 SCS (Silicon-Controlled Switch)是一四端子的閘流體，其中二個端點用來觸發元件開與關的閘極，SCS的符號和端點標識如圖11-33所示。 圖11-33矽控開關 (SCS) 。

  40. 圖11-34SCS的工作原理。

  41. 圖11-35　串聯或並聯情況下的電晶體開關都能降低陽極電流，圖11-35　串聯或並聯情況下的電晶體開關都能降低陽極電流， 使其低於保持電流並且關閉SCS。

  42. 應用電路 (Applications) • SCS和SCR可以使用在相似的應用電路中。SCS的優點是將脈衝施加在任何一個閘極端點，它都有較快的關閉速度，不過它在最大電流和電壓額定值上，也有較大的限制。而且，SCS有時會使用在數位應用電路中，如計數器、暫存器和時脈電路。

  43. 11-6　單接面電晶體 (UJT) • 單接面電晶體(Unijunction transistor, UJT) • 是一個三端點元件，它的基本構造如圖11-36(a)所示；而線路符號則表示在圖11-36(b)中。 圖11-36　單接面電晶體 (UJT) 。

  44. 等效電路 (Equivalent Circuit) • r'B1表示射極和基極1之間矽晶的內部動態電阻，而則表示射極和基極2之間的動態電阻。 r'B1＋ r'B2代表兩個基極端點間的電阻總和，稱為基極間電阻 (Interbase resistance) r'BB。

  45. r'B1/ r'BB的比值是UJT的一個特性，稱為本質的內分比(Standoff ratio) 圖11-37UJT等效電路。

  46. Vpn為pn接面的障壁電壓 • VP (峰點電壓) 圖11-38固定時的 UJT特性曲線。

  47. 例題　11-5 • 某個特定UJT的特性資料表提供的數據為η＝0.6。若VBB＝20 V，試求它的峰點射極電壓VP。

  48. 例題　11-5 • 解

  49. UJT應用電路 (A UJT Application) 圖11-39　弛緩振盪器。

  50. 圖11-40UJT弛緩振盪器的波形。

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