单晶体管触发电路的设计.docx

西安科技大学高新学院

毕 业 设 计（论 文）

题 目 ________单晶体管触发电路设计________

单晶体管触发电路设计
摘要
伴随着科学技术的飞速发展，作为电力电子技术的重要组成部分，单结晶体管触发电路已经广泛运用于工业中，如机庆，轧钢，造纸，纺织，汽车工业，以及电镀等领域。
单结晶体管具有大的脉冲电流能力而且电路简单，因此在各种开关应用中，在构成定时电路或触发SCR等方面获得了广泛应用。它的开关特性具有很高的温度稳定，基本上不随温度而变化。
触发电路是具有一些稳态的或非稳态的电路，其中至少有一个是稳态的，并设计成在施加一适当脉冲时即能启动所需的转变。
要使晶闸管开始导通，必须施加触发脉冲，在晶闸管触发电路中必须有触发电路，触发电路性能的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性，也影响系统的控制精度，正确设计触发电路是晶闸管电路应用的重要环节。
晶闸管电路是电力电子电路中常用电路之一，在生产，生活中应用非常广泛，是一弱强电电路的过渡的桥梁。要使晶闸管开始导通，必须有足够能量的触发脉冲，在晶闸管电路中必须有触发电路。用于晶闸管可控整流电路等相控电路的驱动控制，即晶闸管的触发电路。本课题针对晶闸管的触发电路进行设计，其电路的主要组成部分有移相控制电路，触发脉冲形成电路， 同步电压环节，脉冲形成，整形放大和输出环节等电路环节组成，涉及触发电路的方案选择以及选择方案后电路的设计，包括电路的工作原理和电路工作过程中的输出波形。
本文对晶闸管及其工作原理，单结晶体管触发电路的应用等都有较为详细的介绍。
关键词：电力电子技术；晶闸管；触发电路；单结晶体管。

Abstract

摘要 I
1 绪论 1
1.1 电力电子技术发展概况 1
1.2 晶闸管简介 2
1.3 触发电路 3
1.4单结晶体管简介 4
1.5设计任务 5
2 课题总路线 6
2.1 课题路线 6
2.2 课题总内容 7
2.3 课题实现 7
3 单晶体管触发电路软件设计 10
3.1 单晶体管触发电路设计电路图 10
3.2单结晶体管的结构 10
3.3单结晶体管张驰振荡电路 12
3.4 单晶体管触发电路 13
3.4.1 同步电路 14
3.4.2脉冲移相与形成 15
3.4.3 触发电路各元件的选择 18
结论 19
参 考 文 献 20
致 谢 21

1 绪论
1.1 电力电子技术发展概况
电力电子技术是普通高等院校自动化，电气工程及其自动化，电气自动化技术等相关专业的基础课程。本课题的目的和任务是是学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子装置的应用及技术经济指标。同时，为“电力拖动自动控制系统”等后续课程打好基础。
由于电力电子技术是将电子技术和控制技术引入传统电力技术领域，利用半导体电力开关器组件组成各种电力变换电路实现电能和变换控制，而构成一门完整的学科。故其学习方法和电子技术控制技术有很多相似之处。
电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术（整流，逆变，斩波，变频，变相等）两个分支。
现已成为现代电气工程与自动化不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。
电力电子学（Power Electronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和工程技术2个不同的角度来称呼的。
一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电子研制出的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。70年代后期以门级可关断晶闸管（GTO），电力双极型晶体管（BJT），电力厂效应（Power-MOSFET）为代表的全控器件全速发展（全控型器件的特点是通过对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT 可看作MOSFET和BJT的复合）为代表的复合型器件集驱动功率小，开关速度快，通态压降小，载流能力大于一身，性能优越使之成为现代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前PIC的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。

1.2 晶闸管简介
晶闸管是一种大功率PNPN四层半导体元件，具有三个PN结，引出三个极，阳极A、阴极K、门极（控制极）G，其外形及符号如图1-1所示，各管脚名称（阳极A、阴极K、具有控制作用的门极G）标于图中。图1-1（b）所示为晶闸管的图形符号及文字符号。
小电流塑封式

小电流塑封式

小电流螺旋式

阴极（K）

阴极（K）

阳极（A）

阳极（A）

门极（G）

门极（G）

（b）电气图形符号及文字符号
（a） 部分晶闸管外形

图1-1 晶闸管的外形及符号

晶闸管的工作原理如下：
（1）当晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极是否有正向触发电压或者承受反向电压，晶闸管不导通，只有很小的的反向漏电流流过管子，这种状态称为反向阻断状态。说明晶闸管像整流二极管一样，具有单向导电性。
（2）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上反向电压或者不加电压，晶闸管不导通，这种状态称为正向阻断状态。这是二极管所不具备的。
（3）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上正向触发电压，晶闸管导通，这种状态称为正向导通状态。这就是晶闸管闸流特性，即可控特性。
（4）晶闸管一旦导通后维持阳极电压不变，将触发电压撤除管子依然处于导通状态。即门极对管子不再具有控制作用。

1.3 触发电路
触发电路分类：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成触发电路、计算机控制数字触发电路等。
常见的触发脉冲电压波形

图1-2 常见的触发脉冲电压波形

a) 正弦波 b)尖脉冲 c)方脉冲 d)强触发脉冲 e)脉冲列

要求：
多数晶闸管电路要求触发脉冲前沿要陡，以实现精确的触发导通控制。当负载为电感性时，触发脉冲必须具有一定的宽度，以保证晶闸管的电流上升到擎住电流以上，使之可靠导通。

1.4单结晶体管简介
单结晶体管单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构、符号和等效电路如图所示。

图1-3 单结晶体管
只有一个PN结作为发射极而有两个基极的三端半导体器件，早期称为双基极二极管。其典型结构是以一个均匀轻掺杂高电阻率的N型单晶半导体作为基区,两端做成欧姆接触的两个基极，在基区中心或者偏向其中一个极的位置上用浅扩散法重掺杂制成 PN结作为发射极。当基极B1和B2之间加上电压时，电流从B2流向B1,并在结处基区对B1的电势形成反偏状态。如果将一个信号加在发射极上，且此信号超过原反偏电势时，器件呈导电状态。一旦正偏状态出现，便有大量空穴注入基区，使发射极和B1之间的电阻减小，电流增大，电势降低，并保持导通状态，改变两个基极间的偏置或改变发射极信号才能使器件恢复原始状态。因此，这种器件显示出典型的负阻特性,特别适用于开关系统中的弛张振荡器，可用于定时电路、控制电路和读出电路。
单结晶体管具有大的脉冲电流能力而且电路简单，因此在各种开关应用中，在构成定时电路或触发SCR等方面获得了广泛应用。它的开关特性具有很高的温度稳定性，基本上不随温度而变化。
单结晶体管组成的振荡电路。所谓震荡，是指在没有输入信号的情况下，电路输出一定频率、一定幅值的电压或电流信号。当合闸通电时，电容C上的压电压为零，管予截止，电源VBB通过电阻R对C充电，随时间增长电容上电压uC逐渐增大；一旦UEB1增大到峰点电压UP后，管子进入负阻 区，输入端等效电阻急剧减小，使C通过管子的输入回路迅速放电，iE随之迅速减小，当UEB1减小到谷点电压Uv后，管子截止；电容又开始充电。上述过程 循环往返，只有当断电时才会停止，因而产生振荡。
为了提高使用可靠性，在使用过程中应注意以下问题：
（1）在第二基极B2上串联1个限流电阻R2，限制单结管的峰值功率
（2）电路中的CT或VP（峰值电压）较大时，CT上应串联一个保护电阻，以保护发射极B1不受到电损伤。例如：电容CT大于10μF或 VP大于30V时就应适当串电阻，这个附加电阻的阻值至少应取每微法CT串1Ω电阻。否则，较大的电容器放电电流会逐渐损伤单结管的EB1结，使振荡器的 振荡频率或单稳电路的定时宽度随着时间的增长而逐渐发生变化。
（3）在某些应用中，用一只二极管与单结管的基极B2或发射极E相串联，这样可改善温度稳定性及减小电源电压变化的影响
（4）单结管和硅可控整流器的抗辐照特性很差，不宜在辐照环境中使用。
1.5设计任务
要使晶闸管开始导通，必须施加触发脉冲，在晶闸管触发电路中必须有触发电路，触发电路性能的好坏直接影响晶闸管电路工作的可靠性，也影响系统的控制精度，正确设计触发电路是晶闸管电路应用的重要环节。
设计系统原理图，对电路原理进行分析，通过分析，结和具体的性能指标和相关特性，参数计算然后选择了解元器件特性后，选择正确的元器件。再利用示实验室波器等仪器画出波形图，完成本次设计课题任务。
本设计课题是属于电气工程设计类论文，设计中计涉及到的单结晶体管及其触发电路需要在设计中给出设计图，设计方法及原理。

2 课题总路线
2.1 课题路线

图2-1 单结晶体管触发电路(一)

单结晶体管触发电路(一)如上图所示。变压器二次侧36V电压经单相桥式整流，经稳压管V7削波得到梯形波电压，该电压既作为单结晶体管触发电路的同步电压，又作为单结晶体管的工作电源电压。调节RP就可以改变电容C的充电电流大小，改变电容C的电压达到晶体管峰值电压的时间，改变触发脉冲的第一个触发脉冲出现的时间，即改变晶闸管的控制角。

图2-2 单结晶体管触发电路(二)
单结晶体管触发电路(二)如上图所示，电路中单结晶体管触发电路带有三极管Q1，Q2组成直接耦合放大电路，Q2采用PNP型管（2N9012）,Q1采用NPN型管（2N9013），触发电路的给定电压有电位器PR调节，给定电压经Q1放大后加到Q2。当给定电压增大时，Q1的集电极电流增加，使Q1的集电极电位降低，Q2的基极电位降低，Q2的集电极电流增大，使电容C的充电电流增大，使出现第一个脉冲的时间前移，即晶闸管的控制角减小。同理，当给定电压较小时，Q1的集电极电流较小 ，使Q1的集电极电位升高，Q2的基极电位升高，Q2的集电极电流较小，使电容C的充电电流减小，使出现第一个脉冲的时间后移，即晶闸管的控制角增大。三极管Q2相当于由给定电压控制的一个可变电阻，它的作用与单结晶体管触发电路(一)中电位器RP的作用相同，起移相作用。

2.2 课题总内容
(1)单结晶体管触发电路的调试。
(2)单结晶体管触发电路各点电压波形的观察并记录。

2.3 课题实现
(1)单结晶体管触发电路安装。
1、元件布置图和布线图。根据晶体管触发电路原理图画出元件布置图和布线图。
2、元器件选择与测量。根据晶体管触发电路原理图选择元器件并进行测量，重点对二极管、稳压管、单结晶体管等元器件的性能、极性、管脚进行测量和区分。
3、焊接前准备工作。将元器件按布置图在电路底板焊接位置上做引线成形。弯脚时，切忌从元件根部直接弯曲，应将根部留有5～10mm长度以免断裂。引线端在去除氧化层后涂上助焊剂，上锡备用。

(2)单结晶体管触发电路的测试。
1、通电前检查。对已焊接安装完毕的电路板根据图纸进行详细检查。重点检查二极管、稳压管、单结晶体管等管脚是否正确，将给定电位器RP调节在中间位置。
2、通电调试。合上交流电源接通触发电路，观察单结晶体管触发电路板有无异常现象，如有异常现象，应立即断开交流电源，并进行检查。单结晶体管触发电路板在无异常现象情况下，可进行如下操作：
a.用万用表测量变压器二次侧36V电压和单相整流嗲路直流输出电压和稳压管VD5两端直流电压是否正常。
b.用示波器逐一观察并记录单结晶体管触发电路中整流输出，梯形波，电容C两端锯齿波电压，单结晶体管输出脉冲波形，如下图所示。

图2-3单结晶体管触发电路各点电压波形
（a）整流电压波形（b）梯形波电压
（c）锯齿波电压（d）输出脉冲波形

c.改变给定电位器RP上的输入给定电压，用示波器观察并记录电容C两端锯齿波电压及单结晶体管输出脉冲移动及移相范围。

(3)单结晶体管触发电路故障分析及处理。
单结晶体管触发电路在安装、调试及运行中，由元器件及焊接等原因产生故障，可根据故障现象，用万用表、示波器等仪表进行检查测量并根据电路原理进行分析，找出故障原因并进行处理，现举例如下：当改变给定电位器RP时，单结晶体管触发电路触发脉冲移相范围较小，此时，用示波器观察电容C两端电压如下图所示。说明电阻R4阻值太大，使电容C充电时间常数太大（充电电流大小），使触发脉冲不能前移。此时应减小电阻R4的阻值，但电阻R4阻值不可太小，否则，可能使单结晶体管无法关断，造成触发电路工作不正常，只产生一只脉冲，甚至无法产生脉冲。另一方面也可能由于电容C充电时间常数太小，使产生的尖脉冲幅度较小，难以触发晶闸管导通。

图2-4 电阻R4阻值太大时电容C两端电压波

3 单晶体管触发电路软件设计
3.1 单晶体管触发电路设计电路图
要使晶闸管导通，除了加上正向阳极电压外，还必须在门极和阴极之间加上适当的正向触发电压与电流。为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路。对晶闸管触发电路来说，首先触发信号应该具有足够的触发功率（触发电压和触发电流），以保证晶闸管可靠导通；其次触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿要陡峭；最后触发脉冲必须与主电路晶闸管的阳极电压同步并能根据电路要求在一定的移相范围内移相。
图3-1所示为单相桥式半控整流电路的触发电路，其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3-1所示。
单结晶体管

图3-1 单结晶体管触发电路

3.2单结晶体管的结构
单结晶体管的原理结构如图3-2（a）所示，图中e为发射极，b1为第一基极，b2为第二基极。由图可见，在一块高电阻率的N型硅片上引出两个基极b1和b2，两个基极之间的电阻就是硅片本身的电阻，一般为。在两个基极之间靠近b1的地方合金法或扩散法掺入P型杂质并引出电极，成为发射极e。它是一种特殊的半导体器件，有三个电极，只有一个PN结，因此称为“单结晶体管”，又因为管子有两个基极，所以又称为“双极二极管”。

图 3-2 单结晶体管
（a） 结构 （b）等效电路 （c）图形符号 （d）外形管脚排列

单结晶体管的等效电路如图3-2（b）所示，两个基极之间的电阻，在正常工作时，是随发射极电流大小而变化，相当于一个可变电阻。PN结可等效为二极管VD，它的正向导通压降常为0.7V。单结晶体管的图形符号如图3-2(c)所示。触发电路常用的国产单结晶体管的型号主要有、、，其外形与管脚排列如图3-2（d）所示。其实物图、管脚如图3-3所示。

发射极e

第一基极b1

第二基极b2

图3-3 单结晶体管实物及管脚

3.3单结晶体管张驰振荡电路
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张驰振荡电路。单结晶体管张驰振荡电路的电路图和波形图如图3-4所示。

（a）电路图 （b）波形图

图3-4 单结晶体管张驰振荡电路电路图和波形图

设电容器初始没有电压，电路接通以后，单结晶体管是截止的，电源经电阻、对电容进行充电，电容电压从零起按指数充电规律上升，充电时间常数为；当电容两端电压达到单结晶体管的峰点电压时，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，放电电流在电阻上产生了尖脉冲。随着电容放电，电容电压降低，当电容电压降到谷点电压以下，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，在电阻两端将产生一个尖脉冲
波。如图3-4（b）所示。

上述单结晶体管张驰振荡电路输出的尖脉冲可以用来触发晶闸管，但不能直接用做触发电路，还必须解决触发脉冲与主电路的同步问题。单结晶体管触发电路实际上就是由同步电路和张弛振荡电路两部分组成。
图3-1示为单结晶体管触发电路，是由同步电路和脉冲移相与形成两部分组成的。
3.4.1 同步电路
1）什么是同步
触发信号和电源电压在频率和相位上相互协调的关系叫同步。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，而且每个周期的角相同，确保电路输出波形不变，输出电压稳定。
2）同步电路组成
此触发同步电路既作为触发电路同步电压又作为触发电路工作电源。同步变压器与晶闸管整流电路接在同一相电源上，使晶闸管的阳极电压为正时的某一区间内被触发。同步电路由同步变压器、桥式整流电路VD1～VD4、电阻R2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、单相桥式整流后（如图3-5所示）再经过稳压管稳压削波形成一梯形波电压（如图3-6所示），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。
3）波形分析
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个元器件是否正常，我们将通过理论波形与实测波形的比较来进行分析。
① 桥式整流后脉动电压的波形(图3-1“A”点)
将Y1探头的测试端接于“A”点，接地端接于“E”点，调节旋钮“t/div”和“v/div”，使示波器稳定显示至少一个周期的完整波形，测得波形如图3-5（a）所示。由电子技术的知识我们可以知道“A”点为由VD1～VD4四个二极管构成的桥式整流电路输出波形，图3-5（b）为理论波形，对照进行比较。

（a）实测波形 （b）理论波形

图3-5桥式整流后电压波形

② 削波后梯形波电压波形（图3-1中“B”点）
将Y1探头的测试端接于“B”点，测得B点的波形如图3-6（a）所示，该点波形是经稳压管削波后得到的梯形波，图3-6（b）为理论波形，对照进行比较。

（a）实测波形 （b）理论波形

图3-6削波后电压波形

3.4.2脉冲移相与形成
1）电路组成
脉冲移相与形成电路实际上就是上述的张驰振荡电路。脉冲移相由电阻和电容组成，脉冲形成由单结晶体管、温补电阻、输出电阻组成。
改变张驰振荡电路中电容的充电电阻的阻值，就可以改变充电的时间常数，图中用电位器来实现这一变化，例如：
↑→↑→出现第一个脉冲的时间后移→↑→↓
2）波形分析
①、电容电压的波形（图3-1中“C”点）
将Y1探头的测试端接于“C”点，测得C点的波形如图3-7（a）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，因此在本课题中的触发电路无法实现在电源电压过零点即时送出触发脉冲。图3-7（b）为理论波形，对照进行比较。

半个周期

（a）实测波形 （b）理论波形

图3-7 电容两端电压波形

调节电位器的旋钮，观察C点的波形的变化范围。图3-8为调节电位器后得到的波形。

图3-8改变后电容两端电压波形

③ 输出脉冲的波形（图3-1中“D”点）
将Y1探头的测试端接于“D”点，测得D点的波形如图3-9（a）所示。单结晶体管导通后，电容通过单结晶体管的迅速向输出电阻放电，在上得到很窄的尖脉冲。图3-9（b）为理论波形，对照进行比较。

（a）实测波形

（b） 理论波形
图3-9输出波形
调节电位器的旋钮，观察D点的波形的变化范围。图3-10所示为调节电位器后得到的波形。

图3-10 调节后输出波形

3.4.3 触发电路各元件的选择
1）充电电阻的选择
改变充电电阻的大小，就可以改变张驰振荡电路的频率，但是频率的调节有一定的范围，如果充电电阻选择不当，将使单结晶体管自激振荡电路无法形成振荡。
充电电阻的取值范围为：

其中：
——加于图2-1中B-E两端的触发电路电源电压
——单结晶体管的谷点电压
——单结晶体管的谷点电流
——单结晶体管的峰点电压
——单结晶体管的峰点电流
2）电阻的选择
电阻是用来补偿温度对峰点电压的影响，通常取值范围为：200～600。
3）输出电阻的选择
输出电阻的大小将影响将影响输出脉冲的宽度与幅值，通常取值范围为：50～100。
4）电容的选择
电容的大小与脉冲宽窄和的大小有关，通常取值范围为：0.1～1。

结论
经过了三个月的毕业设计忙碌之后，设计终于完成。此刻可以说是轻松感与成就感并存。毕业设计直接关系我们专业知识而且涉及了很多电力电子领域的知识。我们通过做毕业设计，巩固了我所学的专业知识及电气专业基础知识,并使之系统化，条理化，可应用化。同时培养了我们正确的设计思想和方法，以及独立解决工程实际问题的工作能力；提高了我们查阅资料，分析实际问题等方面的能力，为以后投入工作打下基础。

参 考 文 献

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致 谢
在这里首先要感谢的就是我的导师-----薛弘晔老师。因为是在他的指导下我才能按时的完成我的毕业设计的，薛老师给我指出了正确的设计方向，使我加深了对知识的理解，同时也避免了我在设计中少走弯路，在做设计的过程当中，刘老师耐心的帮我改图，解决我在设计过程中遇到的问题，这些指导对我的毕业设计顺利完成是十分重要的。我十分感谢。
历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—薛老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。
由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！