第5节 The Silicon-Controlled Rectifier (SCR) (修订中)
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# 1. 肖克利二极管和可控硅整流器 (SCR)
肖克利二极管是一种奇特的器件，但在应用上相当有限。然而，通过为它们配备另一种锁定方式，它们的用途可能会得到扩展。这样做，每个都成为真正的放大设备（如果只是在开/关模式下），我们将它们称为可控硅整流器或 SCR。
从Shockley 二极管 (opens new window)到 SCR的进展是通过一个小的添加实现的，实际上只不过是与现有 PNPN 结构的第三根导线连接：（下图）
可控硅整流器 (SCR)
# 2. 可控硅传导
如果 SCR 的栅极悬空（断开），它的行为与 Shockley 二极管完全一样。就像肖克利二极管一样，它可以通过转折电压或超过阳极和阴极之间电压上升的临界速率来锁定。压降是通过减小电流直到一个或两个内部晶体管进入截止模式来实现的，这与肖克利二极管一样。然而，由于栅极端子直接连接到下部晶体管的基极，它可以用作锁存 SCR 的替代方法。通过在栅极和阴极之间施加一个小电压，产生的基极电流将迫使下部晶体管导通，这将导致上部晶体管导通，然后为下部晶体管的基极提供电流，使其不再需要被激活由栅极电压。
# 2.1. 触发/触发
这种确保 SCR 导通的方法称为触发或触发，它是迄今为止在实际实践中锁定 SCR 的最常见方式。事实上，通常选择 SCR 以使其击穿电压远远超过预期从电源经历的最大电压，因此它只能通过有意施加到栅极的电压脉冲来开启。
# 2.2. 反向触发
值得一提的是，有时 SCR 可能会通过直接将其栅极和阴极端子短接在一起，或者通过用负电压（相对于阴极）“反向触发”栅极来关闭，从而迫使下部晶体管进入隔断。我说这是“有时”可能的，因为它涉及将所有上部晶体管的集电极电流分流通过下部晶体管的基极。该电流可能很大，使触发式 SCR 关断充其量是困难的。SCR 的一种变体，称为门极关断晶闸管或 GTO，使这项任务变得更容易。但即使使用 GTO，关闭它所需的栅极电流也可能高达阳极（负载）电流的 20%！GTO 的示意图如下图所示：（下图）
门极关断晶闸管 (GTO)
# 2.3. SCR 与 GTO
SCR 和 GTO 共享相同的等效原理图（两个晶体管以正反馈方式连接），唯一的区别是设计用于赋予 NPN 晶体管比 PNP 更大的 β 的结构细节。这允许较小的栅极电流（正向或反向）对从阴极到阳极的传导施加更大程度的控制，而 PNP 晶体管的锁存状态更依赖于 NPN，反之亦然。门极关断晶闸管也称为门控开关或 GCS。
# 3. 用欧姆表测试 SCR 功能
可以使用欧姆表 (opens new window)进行 SCR 功能或至少端子识别的初步测试。由于栅极和阴极之间的内部连接是单个 PN 结，因此仪表应指示这些端子之间的导通性，栅极上的红色表笔和阴极上的黑色表笔如下所示：（下图）
SCR的初步测试
在 SCR 上执行的所有其他连续性测量将显示“打开”（在某些数字万用表显示屏上显示“OL”）。必须理解，这个测试非常粗略，并不构成对 SCR 的全面评估。SCR 有可能给出良好的欧姆表指示，但仍有缺陷。最终，测试 SCR 的唯一方法是使其承受负载电流。
如果您使用具有“二极管检查”功能的万用表，您获得的栅极到阴极结电压指示可能与硅 PN 结的预期值（约 0.7 伏）相符，也可能不相符。在某些情况下，您会读取到低得多的结电压：只有百分之一伏。这是由于在某些 SCR 中的栅极和阴极之间连接了一个内部电阻。添加该电阻器是为了使 SCR 不易受寄生电压尖峰、电路“噪声”或静电放电的误触发影响。换句话说，在栅极-阴极结上连接一个电阻器需要施加一个强触发信号（大量电流）来锁存 SCR。此功能通常出现在较大的 SCR 中，而不是小型 SCR。
较大的 SCR 具有栅极到阴极电阻。
# 4. 敏感门 SCR
缺少此内部电阻的“普通”SCR 有时被称为敏感栅极 SCR，因为它们能够被最轻微的正栅极信号触发。
SCR 的测试电路既可用作检查可疑 SCR 的诊断工具，又可极好地帮助理解基本的 SCR 操作。一个直流电压源用于为电路供电，两个按钮开关分别用于锁定和解锁 SCR：（下图）
可控硅测试电路
启动常开“on”按钮开关将栅极连接到阳极，允许电流从电池的正极端子通过负载电阻器，通过开关，通过阴极 - 栅极 PN 结，然后返回电池。此栅极电流应迫使 SCR 锁定，允许电流直接从阳极流向阴极，而无需进一步触发通过栅极。当“on”按钮松开时，负载应保持通电状态。
按下常闭“关闭”按钮开关会断开电路，迫使通过 SCR 的电流停止，从而迫使其关闭（低电流压降）。
# 5. 保持电流
如果 SCR 未能锁定，则问题可能出在负载上，而不是 SCR。需要一定的最小负载电流才能将 SCR 保持在“开启”状态。这个最小电流水平称为保持电流。当栅极电流停止时，电阻值太大的负载可能无法吸收足够的电流来保持 SCR 的锁存，从而在测试电路中给人一种坏的（不可锁存的）SCR 的错误印象。不同 SCR 的保持电流值应从制造商处获得。对于较大的装置，典型的保持电流值范围为 1 毫安至 50 毫安或更高。
为了使测试全面全面，需要测试的不仅仅是触发动作。SCR 的正向击穿电压限制可以通过增加直流电压供应（没有启动按钮开关）直到 SCR 自行锁定为止来测试。请注意，转折测试可能需要非常高的电压：许多电源 SCR 的转折电压额定值为 600 伏或更高！此外，如果有脉冲电压发生器，则可以用相同的方式测试 SCR 的临界电压上升速率：在不启动按钮开关的情况下使其承受不同 V/时间速率的脉冲电源电压，并查看它何时锁定。
在这种简单的形式中，SCR 测试电路足以作为直流电机、灯或其他实际负载的启动/停止控制电路：（下图）
直流电机启停控制电路
# 6. “撬棍”电路
SCR 在直流电路中的另一个实际用途是用作过压保护的撬棒装置。“crowbar”电路由与 DC 电源输出并联的 SCR 组成，用于在该电源的输出上直接短路，以防止过高的电压到达负载。通过在 SCR 之前明智地放置保险丝或大量串联电阻以限制短路电流，可以防止 SCR 和电源损坏：（下图）
直流电源中使用的Crowbar电路
一些感应输出电压的器件或电路将连接到 SCR 的栅极，这样当发生过压情况时，将在栅极和阴极之间施加电压，触发 SCR 并迫使保险丝熔断。其效果与将实心钢质撬棒直接放在电源的输出端子上大致相同，因此该电路得名。
尽管 SCR 本质上是直流（单向）设备，但 SCR 的大多数应用都是用于交流电源控制。如果需要双向电路电流，则可以使用多个 SCR，其中一个或多个面向每个方向以处理通过 AC 波的两个半周期的电流。SCR 完全用于交流电源控制应用的主要原因是晶闸管对交流电的独特响应。正如我们所看到的，闸流管（SCR 的电子管版本）和 DIAC，一个在交流半周期的一部分期间触发的迟滞装置将在整个半周期的剩余时间内锁定并保持开启，直到交流电流减小到零，因为它必须开始下一个半周期。就在电流波形的零交叉点之前，由于电流不足，晶闸管将关闭（这种行为也称为自然换相），并且必须在下一个周期再次触发。结果是电路电流相当于“切碎”的正弦波。回顾一下，这里是 DIAC 对峰值超过 DIAC 击穿电压的交流电压的响应图：（下图）
DIAC双向响应
对于DIAC (opens new window)，该转折电压限制是一个固定值。使用 SCR，我们可以通过在波形上的任何时间点触发门控来精确控制器件何时被锁存。通过将合适的控制电路连接到 SCR 的栅极，我们可以在任何点“斩波”正弦波，以便对负载进行时间成比例的功率控制。
以下图电路为例。在这里，SCR 位于电路中以控制从交流电源向负载供电。
交流电源的可控硅控制
作为单向（单向）设备，我们最多只能在交流的半周期内向负载提供半波功率，其中电源电压极性在顶部为正，在底部为负。然而，为了演示时间比例控制的基本概念，这个简单的电路比一个控制全波功率（需要两个 SCR）要好。
由于没有触发栅极，并且交流电源电压远低于 SCR 的额定击穿电压，因此 SCR 将永远不会开启。通过标准整流二极管 (opens new window)将 SCR 栅极连接到阳极（以防止在 SCR 包含内置栅极 - 阴极电阻器的情况下通过栅极的反向电流），将允许 SCR 在开始时几乎立即被触发每个正半周期：（下图）
栅极通过二极管直接连接到阳极；几乎完整的半波电流通过负载。
# 7. SCR 触发延迟
但是，我们可以通过在栅极电路中插入一些电阻来延迟 SCR 的触发，从而增加足够的栅极电流触发 SCR 之前所需的电压降量。换句话说，如果我们通过增加一个电阻来使电流更难流过栅极，那么交流电压必须在其周期中达到一个更高的点，然后才会有足够的栅极电流来打开 SCR。结果如下图。
插入门电路的电阻；小于通过负载的半波电流。
由于 SCR 的延迟触发导致半正弦波在更大程度上被斩波，负载接收的平均功率更少（在整个周期内传输功率的时间更短）。通过使串联栅极电阻可变，我们可以对时间比例功率进行调整：（下图）
增加电阻会提高阈值水平，从而减少传递给负载的功率。降低电阻会降低阈值水平，从而将更多的功率传递给负载。
不幸的是，这种控制方案有很大的局限性。在将交流源波形用于我们的 SCR 触发信号时，我们将控制限制在波形半周期的前半部分。换句话说，我们不可能等到波的峰值之后才触发 SCR。这意味着我们只能将功率降低到 SCR 在波形的最高峰处打开的点：（下图）
最小功率设置下的电路
再提高触发阈值将导致电路根本不触发，因为即使交流电源电压的峰值也不足以触发 SCR。结果将是负载没有电源。
一个巧妙的解决方案是在电路中添加一个移相电容器：（下图）
在电路中添加移相电容器
图中显示的较小波形是电容器两端的电压。为了说明相移，我假设在没有负载电流的情况下 SCR 完全不触发的最大控制电阻条件，除了通过控制[电阻器](https://www.allaboutcircuits.com/video- 相移 (opens new window)电压达到足够高的电平时，SCR 将触发。
电容器两端有足够的电压来周期性地触发 SCR，产生的负载电流波形将如下图所示）
相移信号触发 SCR 导通。
由于在主交流电源波形达到峰值后电容器波形仍在上升，因此可以在超过该峰值的阈值电平触发 SCR，从而比使用更简单的电路进一步斩波负载电流波。实际上，电容器电压波形比这里显示的要复杂一些，每次 SCR 锁定时，其正弦波形都会失真。然而，我在这里试图说明的是使用相移 RC 网络获得的延迟触发动作；因此，简化的、不失真的波形可以很好地达到目的。
# 8. 复杂电路触发可控硅
SCR 也可以由更复杂的电路触发或“触发”。虽然前面显示的电路足以满足灯控制等简单应用，但大型工业电机控制通常依赖更复杂的触发方法。有时，脉冲变压器用于将触发电路耦合到 SCR 的栅极和阴极，以在触发电路和电源电路之间提供电气隔离。
触发信号的变压器耦合提供隔离。
当使用多个 SCR 来控制电源时，它们的阴极通常在电气上并不通用，因此很难将单个触发电路平等地连接到所有 SCR。下图所示的受控桥式整流器就是一个例子。
可控桥式整流器
在任何桥式整流器电路中，整流 (opens new window)二极管（在本例中为整流 SCR）必须以相反的对导通。SCR1 和 SCR3 必须同时触发，SCR2 和 SCR4 必须成对一起触发。但是，您会注意到，这些 SCR 对不共享相同的阴极连接，这意味着简单地将它们各自的栅极连接并联并连接单个电压源来触发两者是行不通的：（下图）
此策略不适用于成对触发 SCR2 和 SCR4。
尽管所示的触发电压源会触发 SCR4，但它不会正确触发 SCR2，因为两个晶闸管不共享一个公共阴极连接来参考该触发电压。但是，将两个晶闸管栅极连接到一个公共触发电压源的脉冲变压器将起作用：（下图）
栅极的变压器耦合允许触发 SCR2 和 SCR4。
请记住，该电路仅显示四个 SCR 中的两个的栅极连接。为简单起见，SCR1 和 SCR3 的脉冲变压器和触发源以及脉冲源本身的细节已被省略。
受控桥式整流器不限于单相设计。在大多数工业控制系统中，交流电源以三相形式提供，以实现最高效率，固态控制电路就是为了利用这一点而构建的。使用 SCR 构建的三相 (opens new window)可控整流器电路，没有显示脉冲变压器或触发电路，如下图所示。
负载的三相桥式可控硅控制
__评论：__可控硅整流器，或 SCR，本质上是一个 Shockley 二极管，添加了一个额外的端子。这个额外的端子称为栅极，它用于通过施加小电压来触发器件导通（锁定它）。要触发或触发 SCR，必须在栅极和阴极之间施加电压，正向施加到栅极，负向施加到阴极。
测试 SCR 时，栅极和阳极之间的瞬时连接在极性、强度和持续时间上足以触发它。SCR 可能因栅极端子的有意触发、阳极和阴极之间的电压过高（击穿）或阳极和阴极之间的电压上升速度过快而被触发。SCR 可能会因阳极电流低于保持电流值（低电流压降）或通过“反向触发”栅极（向栅极施加负电压）而关闭。反向触发只是有时有效并且总是涉及高栅极电流。
一种称为门极关断晶闸管 (GTO) 的 SCR 变体专门设计为通过反向触发来关断。即使这样，反向触发也需要相当高的电流：通常是阳极电流的 20%。SCR 端子可以通过连续性计识别：唯一显示它们之间任何连续性的两个端子应该是栅极和阴极。栅极和阴极端子连接到 SCR 内的 PN 结，因此连续性仪表应在这两个端子之间获得类似二极管的读数，红色 (+) 引线位于栅极，黑色 (-) 引线位于阴极。但请注意，一些大型 SCR 在栅极和阴极之间连接了一个内部电阻器，这将影响仪表获取的任何连续性读数。
SCR 是真正的整流器：它们只允许电流沿一个方向通过它们。这意味着它们不能单独用于全波交流电源控制。如果整流器电路中的二极管被 SCR 取代，那么您就具备了可控整流器电路的条件，通过在交流电源波形的不同点触发 SCR，可以按时间分配给负载的直流电源。
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