第三章接口設(shè)計(jì)第三節(jié)控制量輸出接口中的功率接口設(shè)計(jì)小功率大功率？常用電力電子器件光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)繼電器和接觸器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)晶閘管功率晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管固態(tài)繼電器直流電磁式繼電器功率驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)電磁式交流接觸器的驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)晶閘管晶閘管又稱可控硅，是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)元件，其控制電流可從數(shù)安培到數(shù)千安培。晶閘管的主要類型有單向晶閘管SCR，雙向晶閘管Triac和可關(guān)斷晶閘管GTO等三種最基本類型，此外還有光控晶閘管、溫控晶閘管等特殊類型。單向晶閘管（SCR）晶閘管是具有三個(gè)PN結(jié)構(gòu)的四層結(jié)構(gòu)，其外形，結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖。基本結(jié)構(gòu)單向晶閘管（SCR）導(dǎo)通條件

陽(yáng)極加正向電壓，同時(shí)在控制極加正向電壓，晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極對(duì)晶閘管就不起作用了。

關(guān)斷條件

當(dāng)流過(guò)晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需要的電流即維持電流時(shí)，晶閘管截止。開(kāi)關(guān)閉合單向晶閘管（SCR）

當(dāng)在晶閘管的陽(yáng)極加上交流電壓時(shí)，在電壓的正半周，若給控制極加一個(gè)正觸發(fā)脈沖，則晶閘管導(dǎo)通，而電壓過(guò)零時(shí)，晶閘管將關(guān)斷；在下一個(gè)正半周，若想使晶閘管導(dǎo)通，必須重新給控制極加觸發(fā)脈沖。（P76圖3-36）單向晶閘管（SCR）1)控制角：指從零電壓到被觸發(fā)導(dǎo)通的瞬間的這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電度角。2)導(dǎo)通角

：指從被觸發(fā)導(dǎo)通的瞬間開(kāi)始到電壓為零這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的電度角。對(duì)于純阻性負(fù)載有

+

＝

觸發(fā)信號(hào)越提前，導(dǎo)通角

越大，則平均輸出電壓Va越大。3）移相范圍：通常把SCR輸出電壓的最大值到最小值之間所對(duì)應(yīng)的

角的變化范圍稱為移相范圍。4）純阻性負(fù)載：

=0時(shí)Va最大，

＝時(shí)Va最小，所以SCR移相范圍是180°。單向晶閘管（SCR）L是純感性負(fù)載，R是阻性負(fù)載，L與R共同組成SCR的實(shí)際負(fù)載。在電流變化時(shí)，電感的兩端會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流的變化產(chǎn)生阻止作用。單向晶閘管應(yīng)用（做控制器件）撥盤式密碼鎖控制電路

晶閘管應(yīng)用（做控制器件）撥盤式密碼鎖控制電路123456789101112撥盤開(kāi)鎖繼電器按鈕UCCJT3T2T1SD1D2R工作原理根據(jù)晶閘管的特性分析可知，開(kāi)鎖時(shí)三個(gè)晶閘管的工作順序應(yīng)該是：T1–T2–T3。否則T3或T2將因陽(yáng)極和陰極間加不上電壓而不導(dǎo)通，繼電器線圈不通電，鎖打不開(kāi)。1.開(kāi)鎖時(shí)晶閘管工作情況UCCT3T2T1JD1D2T1導(dǎo)通時(shí)的路徑T3、T2的導(dǎo)通路徑請(qǐng)自行分析。T1導(dǎo)通時(shí)的路徑如圖中虛線，此時(shí)發(fā)光管D2導(dǎo)通，給出指示信號(hào)。鎖打開(kāi)2.開(kāi)鎖過(guò)程根據(jù)開(kāi)鎖時(shí)三只晶閘管導(dǎo)通順序的要求以及圖中連線，可知開(kāi)鎖過(guò)程如下：撥盤撥至10T2導(dǎo)通按下ST3導(dǎo)通撥盤撥至2按下S撥盤撥至7按下ST1導(dǎo)通123456789101112UCCJT3T2T1SD1D2R雙向晶閘管（TRIAC）

可以看成是兩個(gè)單向晶閘管反向并聯(lián)組成，其中MT1和MT2為主電極，G為門極。特點(diǎn)：

在觸發(fā)后是雙向?qū)ǖ模婚T極所加觸發(fā)信號(hào)可以為正也可以為負(fù)。雙向晶閘管（TRIAC）在使用時(shí)應(yīng)注意：由于雙向晶閘管是雙向?qū)ǖ模鼜囊粋€(gè)方向過(guò)零進(jìn)入反向阻斷狀態(tài)只是一個(gè)十分短暫的過(guò)程，當(dāng)負(fù)載是感性負(fù)載時(shí)(如電樞)，由于電流滯后性，有可能會(huì)使電壓過(guò)零時(shí)電流仍存在，從而導(dǎo)致雙向晶閘管失控(不關(guān)斷)。為使雙向晶閘管能正確工作應(yīng)在其兩主電極MT1與MT2間加RC電路。

雙向可控硅可廣泛用于工業(yè)、交通、家用電器等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓、電機(jī)調(diào)速、交流開(kāi)關(guān)、路燈自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉、溫度控制、臺(tái)燈調(diào)光、舞臺(tái)調(diào)光等多種功能，它還被用于固態(tài)繼電器(SSR)和固態(tài)接觸器電路中。雙向可控硅是在普通可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個(gè)觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開(kāi)關(guān)器件。雙向晶體管的特點(diǎn)及應(yīng)用門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）是個(gè)四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，與SCR相比，GTO有更靈活方便的控制性能，即在門極上加正控制信號(hào)時(shí)GTO導(dǎo)通；在門極上加負(fù)控制信號(hào)時(shí)GTO截止門極可關(guān)斷進(jìn)閘管（GTO）

門極可關(guān)斷晶閘管既保留了晶閘管的高反壓，大電流，耐浪涌能力強(qiáng)等特性，又像功率晶體管那樣具有自關(guān)斷能力，而且開(kāi)關(guān)頻率較高，控制功耗小，應(yīng)用方便，有相當(dāng)大的開(kāi)發(fā)功能光控晶閘管與溫控晶閘管光控晶閘管是把光電耦合器件與雙向晶閘管做到一起形成的集成電路。它的典型產(chǎn)品有MOC3041，MOC3021等。光控晶閘管與一般晶閘管的區(qū)別在于：它受光信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的電隔離。有些型號(hào)內(nèi)部有過(guò)零電路(如MOC3041)，故可用來(lái)作過(guò)零開(kāi)關(guān)。光控晶閘管的特點(diǎn)及應(yīng)用

光控晶閘管是把光電耦合器件與雙向晶閘管做到一起形成的集成電路。它受光信號(hào)的控制，實(shí)現(xiàn)了輸入與輸出的電隔離。有些型號(hào)內(nèi)部有過(guò)零電路（如MOC3041），故可用來(lái)作過(guò)零開(kāi)關(guān)。光控晶閘管的輸入電流一般為10~100mA，輸入端耐壓一般為400~600V。因此，光控晶閘管大多用于驅(qū)動(dòng)大功率的雙向晶閘管

是一種小功率晶閘管，它的輸出電流100mA左右。是一種溫敏器件，和普通晶閘管具有相同的開(kāi)關(guān)特性，并且與熱敏電阻、PN結(jié)溫度傳感器相比有許多優(yōu)點(diǎn)。溫控晶閘管的溫度特性是負(fù)特性，當(dāng)溫度越高時(shí)，正向開(kāi)關(guān)門檻電壓越低。在溫控晶閘管的陰極電壓固定時(shí)，溫度升到某一個(gè)值，溫控晶閘管就會(huì)導(dǎo)通，溫度繼續(xù)上升，溫控晶閘管保持導(dǎo)通，如果溫度下降到某一個(gè)值，則溫控晶閘管又會(huì)變成截止。可見(jiàn)，用溫控晶閘管可實(shí)現(xiàn)溫度的開(kāi)關(guān)控制。在溫控晶閘管的門極和陽(yáng)極或陰極之間加上適當(dāng)器件，如電位器，光敏管，熱敏電阻等，可以改變晶閘管的導(dǎo)通溫度值。溫控晶閘管一般用于50V以下低壓場(chǎng)合。溫控晶閘管溫控晶閘管的應(yīng)用

溫控晶閘管在溫度控制、過(guò)溫保護(hù)、超溫報(bào)警等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，特別是在家用電器的溫控方面有諸多的應(yīng)用，例如電熱毯、電熱水器、洗浴水加熱器、暖風(fēng)加熱器、電吹風(fēng)、電燙斗、電飯曝、電冰箱以及空調(diào)器等。在工業(yè)上除了可用于恒溫箱、老化箱等溫度控制外，還可用于電機(jī)、計(jì)算機(jī)、變壓器、電源以及充電器等產(chǎn)品的過(guò)熱保護(hù)。

1.知道功率晶體管的特點(diǎn)2.掌握功率晶體管的應(yīng)用功率晶體管功率晶體管的特點(diǎn)所謂功率晶體管就是指在大功率范圍應(yīng)用的晶體管，有時(shí)也稱為電力晶體管（GiantTransistor）直譯為巨型晶閘管。與晶閘管相比，功率晶體管有如下特點(diǎn)：1.大功率晶體管不僅可以工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，而且也可以工作在模擬狀態(tài)，因而有著更廣的工作范圍，如聲頻功率放大，超聲波功率放大，有源濾波器等。2.功率晶體管的開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)大于晶閘管。3.功率晶體管的控制比晶閘管容易。4.功率晶體管價(jià)格高于晶閘管功率晶體管和人們心目中的“大功率晶體管”不同，從本質(zhì)上講，它不是一個(gè)管子，而是一個(gè)多管復(fù)合結(jié)構(gòu)，其功率可高達(dá)幾千瓦。由于采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)，使功率晶體管有較大的電流放大系數(shù)。圖3—42中二極管VD1是加速二極管，在輸入端b的控制信號(hào)從高電平變成低電平的瞬間，二極管VD1導(dǎo)通，可以使VT1的一部分射極電流經(jīng)過(guò)VD1流到輸入端b，從而加速了功率晶體管集電極電流的下降速度，即加速了功率晶體管的關(guān)斷。功率晶體管功率晶體管的應(yīng)用雖然功率晶體管有開(kāi)關(guān)狀態(tài)和模擬狀態(tài)兩種工作狀態(tài)，但在機(jī)電產(chǎn)品中，它基本被用來(lái)做高速開(kāi)關(guān)器件。圖3—43是用功率晶體管做功放元件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相繞組的驅(qū)動(dòng)電路。功率晶體管的應(yīng)用1、作為放大器，應(yīng)用在電源串聯(lián)調(diào)壓電路，音頻和超聲波放大等領(lǐng)域。

2、作為大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，電視機(jī)行輸出電路，電機(jī)控制，不停電電源和汽車電子。

3、GTR模塊，應(yīng)用于交流傳動(dòng)，逆變器和開(kāi)關(guān)電源。注意:當(dāng)功率晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，其基極輸入電流應(yīng)選得大些，否則，晶體管會(huì)增加自身壓降來(lái)限制其負(fù)載電流，從而有可能使功率晶體管超過(guò)允許功率而損壞。這是因?yàn)榫w管在截止或高導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，功耗都很小，但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，晶體管可能同時(shí)出現(xiàn)高電壓，大電流，瞬態(tài)功耗會(huì)超過(guò)靜態(tài)功耗好幾十倍，如果驅(qū)動(dòng)電流太小，會(huì)使晶體管陷入開(kāi)關(guān)過(guò)渡的危險(xiǎn)區(qū)。功率晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管又稱功率MOSFET，是在大功率范圍應(yīng)用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用中，它有著比雙極型功率晶體管更好的特性。其特點(diǎn)如下：1.具有較高的開(kāi)關(guān)速度。2.具有較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，并且具有正的電阻溫度系數(shù)，因此適合進(jìn)行并聯(lián)使用。3.具有較高的可靠性。4.具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。短時(shí)過(guò)載能力通常額定值的4倍。5.具有較高的開(kāi)啟電壓，即是閾值電壓，可達(dá)2~6V(一般在1.5V~5V之間）。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）功率場(chǎng)效應(yīng)管絕大多數(shù)是電壓控制而非電流控制，吸收電流很小，因此TTL集成電路也就足以驅(qū)動(dòng)大功率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由于TTL集成電路的高電平輸出為3.5~5V，直接驅(qū)動(dòng)功率（即小集成電路也足以驅(qū)動(dòng)大功率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。固態(tài)繼電器（SSR）固態(tài)繼電器（SolidStateRelay)，是一種無(wú)觸點(diǎn)功率型通斷電子開(kāi)關(guān)。又名固態(tài)開(kāi)關(guān)。當(dāng)在控制端輸入觸發(fā)信號(hào)后，主回路呈導(dǎo)通狀態(tài)；無(wú)控制信號(hào)時(shí)主回路呈阻斷狀態(tài)。控制回路與主回路間采取了電隔離及信號(hào)耦合技術(shù)。

圖3—47為8031單片機(jī)通過(guò)固態(tài)繼電器控制一交流接觸器的控制裁路。當(dāng)8031的P1.0輸出高電平時(shí)，固態(tài)繼電器SSR導(dǎo)通，交流接觸器K吸合，主電路導(dǎo)通；當(dāng)P1.0輸出低電平時(shí)，固態(tài)繼電器截止，交流接觸器斷開(kāi)，主電路關(guān)斷。目前國(guó)產(chǎn)SSR的驅(qū)動(dòng)電流一般為0.5~20mA，最小工作電壓3V，故可直接由TTL器件驅(qū)動(dòng)。（二）光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)