单晶体管触发电路的设计.doc
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1、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_ 院(系、部) _ _机电信息学院 _ 专业及班级 _电气自动化技术1001 _ 姓 名 _雷鹏程_ 指 导 教 师 _ 薛弘晔 日 期 _2013年5月17日_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
2、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
3、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。Design of the triggering circuit of single transistorAbstractWith the rapid development of science and technology, as the important part of the power electr
4、onic technology, a unijunction transistor trigger circuit has been widely used in industry, such as machine Qing, rolling, papermaking, textile, automobile industry, as well as the plating field.Unijunction transistor has a large pulse current capability and simple circuit, the switching application
5、s, obtained the widespread application in the aspects of timing circuit or trigger SCR. Switching characteristics it has very high temperature stability, basically did not change with temperature.The trigger circuit has some steady or unsteady circuit, at least one of them is steady, and designed by
6、 the application of a suitable pulse can change required to start.To make the thyristor begins to conduct, to impose a trigger pulse, trigger circuit must be a trigger circuit in thyristor, trigger circuit performance directly affects the reliability of thyristor circuits work, also influence the co
7、ntrol accuracy of the system, the correct design of trigger circuit is an important part of the thyristor circuit applications.Thyristor circuit is one of the commonly used in power electronic circuits, the circuit is widely used in the production, life, is a bridge to a weak transition electric cir
8、cuit. To make the thyristor begins to conduct, the trigger pulse must have enough energy, in the thyristor circuit must be a trigger circuit. For thyristor controlled rectifier circuit, phase control drive control circuit, thyristor trigger circuit. The topic for the trigger circuit of thyristor des
9、ign, its main circuit with phase shift control circuit, the trigger pulse forming circuit, a synchronous voltage, pulse forming, shaping amplifier and output composition link circuit, trigger circuit scheme involving selection and select scheme, circuit design, including the output waveforms the cir
10、cuit principle and the working process of the circuit.The thyristor and its working principle, a unijunction transistor trigger circuit applications are introduced in detail.Keywords: power electronics; thyristor; trigger circuit; unijunction transistor.目录摘要I1 绪论11.1 电力电子技术发展概况11.2 晶闸管简介21.3 触发电路31.
11、4单结晶体管简介41.5设计任务52 课题总路线62.1 课题路线62.2 课题总内容72.3 课题实现73 单晶体管触发电路软件设计103.1 单晶体管触发电路设计电路图103.2单结晶体管的结构103.3单结晶体管张驰振荡电路123.4 单晶体管触发电路133.4.1 同步电路143.4.2脉冲移相与形成153.4.3 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
12、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。197
13、4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
14、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
15、 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
16、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)
17、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
18、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
19、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
20、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10F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1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
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