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工業電子學 Industrial Electronics

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Presentation on theme: "工業電子學 Industrial Electronics"— Presentation transcript:

1 工業電子學 Industrial Electronics
張勁燕 編著

2 工業電子學 Industrial Electronics
第五章  雙向三極體和雙向二極體

3 本章章節 5.1 緒論 5.2 Triac的電氣特性 5.3 元件結構和工作原理 5.4 金氧半閘控Triac 5.5 包裝外型及接腳量測
5.1 緒論 5.2 Triac的電氣特性 5.3 元件結構和工作原理 5.4 金氧半閘控Triac 5.5 包裝外型及接腳量測 5.6 基本觸發電路 5.7 緩衝和電源界面 5.8 雙向觸發二極體 5.9 Diac-Triac相位控制電路

4 圖5.1 Triac的(a)電路符號,(b)電路接線圖
Triac的元件符號和基本電路如圖5.1所示。Triac的三個端點分別是M1、M2和G(或T1、T2和G,或MT1、MT2和G,或A1、A2和G)。M:main主要的。T:terminal,端點或端子。MT:main terminal主要的端點。A:anode,陽極。Triac有二個陽極,沒有陰極。

5 Triac/SCR等效電路 圖5.2 Triac/SCR等效電路 其實triac就像兩個並聯的SCR一樣。Triac/SCR的等效電路,如圖5.2所示。當V2>V1,SCR2作用,當V2<V1,SCR1作用,對triac而言,也有電流上升速率太快,而使元件燒壞的效用,防止方法也和SCR相似。

6 圖5.3 (a)正向主端點偏壓,(b)反向主端點偏壓,閘極電流和各電壓情況
偏壓下閘極電流和各電壓情況 圖5.3 (a)正向主端點偏壓,(b)反向主端點偏壓,閘極電流和各電壓情況 當triac的外加偏壓使主端點2(MT2)較正,亦即順向或正向主端點偏壓時,由閘極流向主端點1(MT1)的電流會觸發triac,使其導通。圖5.3(a)即表示此種狀況下的電壓極性和電流方向。此時triac的觸發和SCR完全一樣。

7 Triac的主端點電壓波形和其負載電壓波形

8 常用的Triac的電性規格 最大功率的triac,電壓高到1600 V,電流超過300 A。Triac使用的交流頻率限制於60或400赫,如果頻率過高,triac在導通之後,可能無法截止。SCR只在間隔半週之內導通,可以工作於比較高的頻率。

9 Triac的元件結構 圖5.5 Triac的元件結構 Triac的結構比傳統的閘流體(thyristor)複雜的多,如圖5.5所示。它是一個六層的結構,有五個p-n接面,三個電極短路。Triac可以被看成以pnp結構為主,擴散三個n區。除了p1-n1-p2-n2構成主要的四層,還有一個接面閘極n3區、一個n4區。以M1使p2和n2短路,以M2使p1和n4短路,以閘極電極使n3和p2短路。

10 Triac的四種不同觸發模式 圖5.6 Triac的四種不同觸發模式
此元件在不同偏壓狀況的工作情形,如圖5.6所示。當端點M2的電位大於M1,正電壓加到閘極,如圖5.6(a)所示,元件像一個傳統的閘流體,接面J4和J5為逆向偏壓,非主動。主電流由元件左側p1-n1-p2-n2流動。圖5.6(b),M2電位大於M1,而且負電壓加到閘極,J4為順向偏壓,電子從n3發射到p2,輔助的閘流體p1-n1-p2-n3啟動,由於電晶體n3-p2-n1的放大作用,因而觸發左側p1-n1-p2-n3閘流體導通。當M2的電位低於M1,主閘流體為右側p2-n1-p1-n4,其餘圖5.6(c)、圖5.6(d)的原理和動作情形相似。

11 Triac的順向和逆向特性 Triac的I-V特性曲線,如圖5.7所示。但這個曲線只表示出閘極未加觸發電壓的曲線。

12 Triac的觸發模式 與SCR的情況一樣,一般triac加至T2與T1的電壓,都比VDROM為小,因為在閘極與T2之間還加一個觸發的閘極信號電壓。再參考圖5.8,我們可歸納下列四項要點: 1. 正導通方向,電流是從triac的T2流至T1(可對照圖5.6(a)和(b))。 2. 負導通方向,電流是由triac的T1流至T2(可對照圖5.6(c)和(d))。 3. 不管是在正或負導通的期間,只要T1-T2間的電流低於保持電流Ih以下,triac就如同開關一樣,由導通狀態變成截止狀態。 4. 不管在那一種方向,一旦triac導通後,T1-T2間的電壓降大約為1 V左右。因此,當triac導通時,流經triac的電流大小是由負載電阻RL所限制。

13 Triac加閘極電流觸發之I-V特性 圖5.8 Triac加閘極電流觸發之I-V特性 當triac加上閘極電流之後,導通電壓降低,如圖5.8所示。第一象限如同SCR,閘極電流越大,導通電壓越小。Triac在第三象限的I-V和第一象限成對稱關係。

14 V字槽MOS閘控triac結構圖及其I-V特性
圖5.9 V字槽MOS閘控triac,(a)結構圖,(b)I-V特性 以金氧半(MOS)閘極控制製作的V字槽閘流體,如圖5.9所示。閘極結構必須延伸進入n漂移區(drift regien),陽極-陰極加正電壓VAK,當閘極電壓等於金氧半元件的臨限電壓(threshold voltage),閘極氧化物下的半導體反轉(inversion),電子從上層n+射出,經p基極,到n漂移區,使n漂移區的電位下降,p+陽極和n漂移區的順向偏壓加大,元件像閘流體一樣導通,陽極-陰極電壓大幅下降。

15 圖5.10 MOS閘斷閘流體,(a)結構,(b)等效電路
另一個金氧半元件,可以利用正閘極電壓使其導通,負閘極電壓使其截止,如圖5.10所示。原因是負閘極電壓使PMOS導通,因而使npn BJT的射極-基極(EB)短路。此元件的工作像一個閘斷開關(gate turn off switch,GTO)。

16 Triac的判別 圖5.11 Triac接腳的判別 判斷此元件為triac或SCR,測試其接腳是否正常(不短路、不開路)可用三用電錶,將電錶放在R×1檔。T1和T2之間應該為高阻抗(近乎無窮大),G與T1之間應為低阻抗(約在10Ω左右)。Triac的接腳測試,如表5.3所列。

17 Triac接腳量測-1 1. 先把電錶黑棒放在T2,而紅棒放在T1點上。如圖5.12所示,此時電錶不動。

18 Triac接腳量測-2 圖5.13 Triac接腳之量測-Ⅱ 2. 將T2點與G點接觸,然後離開。此時錶頭指針將右轉至10Ω附近。(注意:黑棒仍然不可離開T1,而紅棒不可離開T2),如圖5.13所示,此時電錶右轉。

19 Triac的包裝外觀 圖5.14 Triac的包裝外型

20 Triac的基本靜態開關 圖5.15 Triac的基本靜態開關 此電路利用手動開關變換位置,以控制閘極的觸發電壓,當開關放在電阻R的位置時,有電流流經R加到triac的閘極上,使triac導通。如果開關仍然放在位置,triac繼續導通。若開關撥到位置,triac將在電源次半週截止。有時triac的兩端也接上一個RC電路,可預防triac作錯誤的導通,此RC分路也引掉過多的突波(spike)電流。

21 Triac的雙向觸發 圖5.16 Triac的雙向觸發 Triac雖然可以雙向導通,但必須於交流的每一半週內在閘極上加觸發電壓,才能使triac導通,如圖5.16所示,正半週時G點上的觸發信號必須為正電位,triac才能導通。當電源為負半週時,G點上的觸發信號必須為負電位,否則triac就會截止。

22 圖5.17 (a)簡單的閘極控制電路,(b)改良型閘極控制電路
簡單的閘極控制電路及其改良型 圖5.17 (a)簡單的閘極控制電路,(b)改良型閘極控制電路 最簡便型的triac觸發電路示於圖5.17(a),在每半週的延遲角時間內,電容器C可經由R1和R2充電。於正半週時,MT2的電壓較MT1為正,電容器C的上面板極性為正,當C上的電壓足以經R3供應triac觸發所需的閘極電流(IGT)時,triac即導通。在負半週時,C的極性相反,下面板極性為正,上面板為負,當C上的負壓若足以供應由MT1進入,而由R3流出的閘極觸發電流時,triac也會導通。

23 圖5.19 以二極體、電阻做triac導通相位控制
圖5.19所示為二個二極體D1、D2和一個可變電阻VR構成的triac觸發電路,實際上的電路當然沒有這種組態,但此電路可以幫助我們瞭解triac的控制電路。當交流電源為正半週時,電流經D1和VR加到triac的閘極,當觸發電位夠大,triac導通。改變VR的電阻,即可控制激發角和導通角。

24 Triac的相位控制 圖5.18 Triac的相位控制 所謂相位控制(phase control)即是藉控制交流電壓,以控制每一週期內允許流入負載的電流。圖5.18為一基本的triac相移控制(phase shift control)電路與全波相位控制的負載電壓波形。

25 Triac的簡單緩衝作用 對於交流triac緩衝,電流必須在二個主端點來回流動,電容器必須相等的充電、放電。不可以並聯一個電阻和一個二極體,因為這樣雖然可以快速充電,但放電時電流卻被限制住了。最簡單的triac緩衝方法是將SCR緩衝器電路去掉二極體,如圖5.20 Triac的簡單緩衝作用。 圖5.20 Triac的簡單緩衝作用

26 雙網路Triac緩衝器 圖5.21 雙網路triac緩衝器 以此結構,截止閘流體時,可將電源自負載移開。這樣才是安全的作法。如果把負載接到電源熱線,而切換中性線,觸發會比較簡單,但是非常危險。當閘流體截止,它是非主動的。它的兩端接到熱線,觸摸此非主動負載的任一端,會觸到電源熱線,可能會電死!

27 光耦合Triac驅動器概略圖 圖5.22 光耦合的triac驅動器概略圖 光耦合的triac驅動器的概略圖和接腳,如圖5.22所示。此元件包括一光控矽雙向開關耦合一發光二極體(LED)。當LED導通,矽雙向開關被啟動。以60赫驅動LED,導通時間80μS,觸發器電流大於600 mA,可提供給SCR或triac使其導通。

28 比較器Triac驅動器界面電路 一導火電路如圖5.23所示。要使矽雙向開關導火,才可觸發SCR或triac,就必須先啟通LED。

29 圖5.24 Diac的(a)結構,(b)I-V特性,(c)元件符號
Diac的結構,I-V特性和元件符號,如圖5.24所示。Diac也有負電阻區,diac的正反轉態電壓很接近,但不對稱,如一邊16 V,另一邊12 V。較大的那端會加個圓圈以做識別。

30 雙向pnpn開關的結構 圖5.25 雙向pnpn開關的結構 另一種雙向p-n-p-n開關也可以當作diac,它是二個傳統的蕭克萊二極體(Shockley diode)反相並聯而成,結構如圖5.25(a)所示,它能適應二種極性的交流訊號。此M1代表主端點1,M2代表主端點2。利用短路陰極原理,我們可以將此安排集合為一個二端點雙向二極體,如圖5.25(b)所示。此結構的對稱使得任意極性的電源電壓均有相同的結果。

31 圖5.26 (a)雙向二極體的元件符號,(b)I-V特性
Diac有對稱的I-V特性,如圖5.26所示。和蕭克萊二極體相似,雙向二極體可以利用,使它超過轉折電壓或利用dv/dt激發使其導通。因為再生回授的動作,雙向p-n-p-n二極體開關比起交流激發的二極體,負電阻較大和順向壓降較小。

32 Diac的交流測試電路於A、C二點間的波形圖
圖5.27 Diac的(a)交流測試電路,(b)A、C二點間的波形圖 一個diac交流電壓測試的電路,如圖5.27(a)所示。R1是保護用電阻,可變電阻VR可調整充放電的波形。C1的耐壓為150 V。交流電源經R1-VR-C1充電,當C1之端電壓超過diac的崩潰電壓,C1經diac和R2而放電,AC二點間的波形,如圖5.27(b)所示的鋸齒狀,無論交流電源的正半週或負半週均有鋸齒波出現。

33 Diac的直流測試電路 圖5.28 diac的直流測試電路 將電路修改,前端加二極體D1和電容C2作半波整流,以直流電加到R1上,如圖5.28所示。電路的充放電路徑和前圖相同,但C2兩端為直流電。若將D1和C2的極性同時反轉,可得負向直流電測試電路。

34 Diac的充放電電路及波形圖 圖5.29 Diac的充放電電路及波形圖 若電源的極性倒轉,電壓波形就如圖5.29(c)所示。以diac觸發triac的電路,實際就是利用圖5.29(b)和圖5.29(c)的波形,由diac傳送到triac(或SCR)的閘極,作為觸發脈波。

35 基本Diac弛張振盪電路及波形 圖5.30 基本diac弛張振盪電路及波形 圖5.30所示為基本的diac弛張振盪器(relaxation oscillator)電路。當電源VS加上時,diac處於截止狀況,而電流經R2向電容器C充電。當電容器C兩端電壓上升至diac的轉態電壓VBR時,diac導通而電容器C經diac放電,於電阻器R1上產生脈波輸出。

36 Diac弛振盪器用於激發閘流體電路 圖5.31 Diac弛振盪器用於激發閘流體電路 圖5.31中,diac弛張振盪器頻率仍取決於R1、R2與C的充電時間常數。R3電阻器是用來限制電容器C的放電電流,若改變R3電阻值,可以調整輸出脈波的寬度。

37 圖5.32 Diac做triac的觸發元件,(a)電路,(b)波形圖
圖5.32為diac-triac的相位控制電路,利用VR1和C1充放電,調整VR1作相角控制,R2C2是用來保護triac的緩衝器(snubber)。

38 圖5.33 減少遲滯現象的diac-triac電路
新增加的電阻10 kΩ是避免VR1變為零時,電容C的充電速率太快。電阻56 kΩ和電容0.1μF是緩和電容C1的放電現象。

39 圖5.34 (a)由diac和triac組成的相位控制電路
(b)VC、VG、VA2-A1和VL的波形 圖5.34(a)所示,為由triac TIC226B和diac 1N5411組成的相位控制調光電路。

40 圖5.35 相位控制電路的(a)遲滯現象,(b)改善遲滯的電路
相位控制電路的遲滯現象及改善遲滯的電路 圖5.35 相位控制電路的(a)遲滯現象,(b)改善遲滯的電路 遲滯現象表示當電阻R由最大值慢慢調小時,燈泡的亮度控制不是漸漸增強,而是突然增強的。欲改善遲滯現象,多加二個電阻R和VR2及一個電容C即可,如圖5.35(b)所示,VR2100 kΩ、電阻68 kΩ和電容0.1μF,即可改善遲滯。

41 Triac作調光器電阻 圖5.36 Triac作調光器電阻 利用triac作調光器,如圖5.36所示。利用diac-triac的基本相位控制電路,配合插座、氖氣管(BEN-2)插座上插燈泡,燈泡可用10W~100W或以上。調整可變電阻VR(或稱電位計potentiometer)的大小,來控制燈泡的亮度。

42 Diac-triac控制光感測自動點燈電路
以diac-triac控制電路,配合硫化鎘(CdS)光敏電阻(photo sensitive resistance),可作光感測自動點燈器,適於夜間室外用,如圖5.37所示。


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