Transcript Ch+11c

1/34
電子學
第八版
Floyd
第十一章
2/34
摘要
閘流體
閘流體是一種被分類為有四層交替 p-及 n-材質的半導體
元件。 四層元件扮演開關的開路及閉合角色；因為這個
原因，它們最常被應用在控制方面。
一些閘流體以及它們的符號如下
(a)
diode
(a)4-layer
4層二極體
(b) SCR
(c) Diac
(d) Triac
(e) SCS
3/34
摘要
閘流體
四層元件的概念通常可以由一個 pnp
以及 npn 電晶體為其等效電路來表示。
在理想的情況下，這些元件不會導通，
但是當在順向偏壓時，如果有足夠的
漏電流在上層的 pnp 元件，它會使基
極電流流到下層 npn 元件並使其導通，
使兩個電晶體都進入飽和狀態。
4/34
摘要
四層二極體
四層二極體 (或是蕭克萊二極體)是一種閘流體，就好
像一般的二極體一樣，但是只有在陽極對陰極的電壓
達到了所謂的順向折轉電壓，才會順向導通。
四層二極體有兩個端點，標示為陽極 (A)
和陰極 (K)。 這符號使你感覺它好像就
是二極體。 它在逆向電壓之下是不會導
通的。
5/34
摘要
四層二極體
四層二極體的特性曲線顯示了順向阻遏區。當陽極對
陰極的電壓超過 VBR 時，導通發生。 其切換電流在當
時為 IS。
一旦開始導通，它會持續保
持導通，直到陽極電流減少
到小於保持電流 (IH)。 這是
唯一停止導通的辦法。
6/34
摘要
A
矽控整流器
矽控整流器以四層二極體為基礎。加上一個閘
極的連接， 矽控整流器可以被觸發而進入導通。
G
這樣的改進使得矽控整流器成為比四層二極體
更為有用的元件。
K
矽控整流器可以藉由超過
順向折轉電壓或是閘極電
流來開啟。 值得注意的是
閘極電流控制了開啟的順
向折轉電壓。
IA
IG2 > IG1 IG1 > IG0 I = 0
G0
I H0
I H1
VR
I H2
0
IR
VF
VBR(F 2) VBR(F1) VBR(F0)
7/34
摘要
矽控整流器
如四層二極體，只要順向電流超過 IH，矽控整流器就
會導通。 有兩種方法可以使矽控整流器遠離導通：
1) 陽極電流中斷 以及 2) 強迫換向。
陽極電流可以藉由斷開陽極電流路徑(如圖所示)、
提供繞過矽控整流器的電流路徑、或是降低陽極電
壓使 IA < IH 來中斷。
+V
IA = 0
強迫換向則是使用外加的電路來迫使電流暫時地流
向順向導通相反的方向。
矽控整流器通常都使用在 交流電路，當電流換向時，
矽控整流器會停止導通。
RA
G
8/34
摘要
矽控整流器之規格
三個重要的矽控整流器規格是：
順向折轉電壓， VBR(F)： 這是矽控
整流器進入順向導通區時的電壓 。
保持電流， IH ：這是矽控整流器轉
換從順向導通區到順向阻遏區的陽
極電流。
閘極觸發電流， IGT ：這是在指定
狀況下，控制矽控整流器轉換從順
向阻遏區到順向導通區所需要的閘
極電流 。
IG = 0 的特性
9/34
摘要
矽控整流器之應用
矽控整流器可以應用在各種動力控制上。其中一項應
用是在交流電路上控制直流馬達或電器，因為矽控整
流器有整流及控制的功能。
矽控整流器在正週期時開
啟，在負週期時關閉。這
樣的電路在控制電扇或是
動力工具的速度以及其他
相關應用時非常有用。
I
A
R1
R2
R3
B
R4
M
10/34
摘要
矽控整流器之應用
另外一個矽控整流器的應用是用在撬棍電路(這個名字
取自將撬棍放在電壓源並將其短路！)
撬棍電路的目的是在過高
電壓時關閉電源供應器。
一旦觸發，矽控整流器會
閂鎖住。 矽控整流器可以
承受大的電流，因而導致
保險絲 (或斷路器)斷開。
11/34
摘要
A1
雙向觸發二極體(Diac)
雙向觸發二極體是一種類似兩個背對背的四層二極體
的閘流體。它可以在任何一個方向導通電流。因
為它是雙向的，等效的端點可以標示為A1 及 A2。
雙向觸發二極體在達到崩潰電壓後導
通電流。在那個時候，雙向觸發二極
體進入 崩潰導通，產生電流脈衝足夠
觸發另一個閘流體(一個矽控整流器或
是雙向交流觸發三極體)。只要電流高
於保持電流 IH，雙向觸發二極體將保
持導通。
A2
IF
IH
VR
VBR(R)
0
–IH
IR
VBR(F)
VF
12/34
摘要
A1
雙向交流觸發三極體(Triac)
雙向交流觸發三極體基本上是一個雙向的矽控
整流器，但是其陽極是不可互換的。觸發發生
於將電流脈衝加於閘極上；並不使用一般的折
轉觸發。
G
A2
IA
當電壓在 A1 端點較 A2 端
點為正時，一個閘極電流
脈衝導致左邊的矽控整流
器導通。 當陽極電壓變為
反向時，閘極電流脈衝將
導致右邊的矽控整流器導
通。
IG2
IH0
–VA
VBR(R0) VBR(R1) VBR(R2)
–IG1
IG0
IH1
IH2
–IH2
–IH1
–IG0
IG1
–IG2
–IH0
–IA
VBR(F2) VBR(F1) VBR(F0)
VA
13/34
摘要
雙向交流觸發三極體之應用
雙向交流觸發三極體用於交流控制的應用，如電
子爐加熱控制、調光器、以及其他小型馬達等。
一如矽控整流器，雙
向交流觸發三極體在
觸發之後保持閂鎖。
在電流低於 IH 之下
時關閉，這發生在每
次電流交替時。
14/34
摘要
矽控開關(SCS)
矽控開關類似於矽控整流器但是它有
兩個閘極。它可以在陰極閘極上的正
脈衝上觸發，也可以在陽極閘極上的
正脈衝關閉。
+VCC
在這個例題裡，矽控開關控制一個
直流電源。負載在陰極電路裡，其
優點是負載的一端是電路接地。
VGK
VGA
VL
A
GA
GK
K
RL
15/34
摘要
B2
單接面電晶體(UJT)
單接面電晶體由一塊參雜稍許(高阻抗)的 n材料並有 p-材料長向其側所組成。它通常用
來當做矽控整流器及雙向交流觸發三極體的
觸發元件。
單接面電晶體是一個開關元
件；它不是一個放大器。當
射極的電壓達到 VP (峰值點)
，單接面電晶體 “點燃”，
並經過不穩定的負電阻區來
產生快速電流脈衝。
E
B1
16/34
摘要
單接面電晶體(UJT)
一個單接面電晶體的等效電路看起來好像一個二極體
連接到一個分壓器。下分壓電阻值(r’B1)與射極電流成
反比。 當 pn 接面先變成順向偏
壓， r’B1 接面阻抗的值突然下降，
B
使得大量電流產生。
2
r′B2
E
一個重要的參數是 h， 稱為本質的內
分比。 它代表在沒有電流時，r’B1 與基
極間電阻 r’BB 的比值。
+
VEB1
–
+
Vpn
+
–
–
IE
ηVBB
r′B1
B1
V BB
17/34
摘要
單接面電晶體(UJT)的應用
一個用單接面電晶體來觸發矽控整流器的電路如圖所示。
當這個單接面電晶體觸發後，一個電流脈衝被送到矽控整
流器的閘極。 R1 的值決定這個單接面電晶體何時被觸發。
二極體隔絕了單接面
電晶體不受交流負半
D
A
週的影響。
RL
R1
單接面電晶體產生一個
快速、可靠的脈衝電流
給矽控整流器，所以矽
控整流器幾乎會在每一
個週期的同一個地方被
觸發。
VE
UJT
RG
B
C
R2
SCR
18/34
摘要
A
可程式單接面電晶體(PUT)
可程式單接面電晶體是一個有閘極的四層閘流
體。它主要是用來當做一個感應開關元件。閘
極的脈衝可以觸發一個陡增的電流輸出。
G
K
可程式單接面電晶體的特性
與單接面電晶體的特性類似，
但是可程式單接面電晶體的
本質的內分比可以藉由外接
電阻來 “程式設定”，而單
接面電晶體則是一個固定的
比率。
19/34
摘要
可程式單接面電晶體(PUT)
可程式單接面電晶體主要的應用是用來推動矽控整流器及
雙向交流觸發三極體，但是就像單接面電晶體，也可以用
在弛緩振盪器(relaxation oscillators)。
+V
CC
要使電路能振盪，R1必須要大到足夠限制
電流使其小於谷點電流 ( IV )。振盪週期由
以下的公式決定：
1
T  R1C ln
1 h
其中
h
R3
R2  R3
R1
R2
A
G
R3
C
K
R4
20/34
摘要
可程式單接面電晶體(PUT)
本質的內分比為何，並求電路的週期?
h
R3
10 k

 0.33
R2  R3 20 k + 10 k
T  R1C ln
1
1 h
1
  220 k  0.01 μF  ln
 0.89 ms
1  0.33
頻率為何?
1.12 kHz
+VCC
+20 V
R1
220 k
R2
20 k
A
G
C
0.01 mF
K
R4
27 
R3
10 k
21/34
選擇重要詞彙
四層二極體 一種兩個端點的閘流體， 當陽極對陰極電壓達
(4-layer diode) 到一個預定的 “折轉”值時，電流會導通。
閘流體 一種四層(pnpn)半導體元件。
(Thyristor)
矽控整流器 一種三端點的閘流體，當閘極端的電壓觸發則
(SCR) 導通電流，元件保持導通，直到陽極電流下降
到低於一個預定值。
22/34
選擇重要詞彙
光通矽控整 一種四層的半導體元件(閘流體)；藉由足夠量
流器(LASCR) 的光線來導通單向電流。電流持續導通，直到
電流低於一個特定值。
雙向觸發二 一種有兩個端點的四層半導體元件(閘流體)；
極體(Diac) 適當地啟動，兩個方向皆可導通電流。
雙向交流觸 一個三個端點的閘流體；適當地啟動，兩個方
發三極體 向皆可導通電流。
(Triac)
23/34
選擇重要詞彙
矽控開關 一種四個端點的閘流體；兩個閘極的端點被用
(SCS) 來觸發元件的開啟與關閉。
單接面電晶 一種三個端點，單一 pn 接面的元件，此元件
體(UJT) 有負電阻的特性。
可程式單接 一種三個端點的閘流體(外表看來比較像一個矽
面電晶體 控整流器而不像單接面)；當陽極的電壓超過閘
(PUT) 極電壓，就會觸發進入導通。