可控硅电路进阶设计圆“五”曲

作者：何富和

　　今天咱们讨论一个很神奇也很常用的元件--可控硅，首先自然是先普及下基础知识，熟悉的童鞋请略过，直奔下面电路的盛宴。先行预告一下，五个电路设计，惊喜不断，请大家HOLD住。

　　可控硅，是可控硅整流元件(Silicon Controlled Rectifier，SCR)的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，被广泛用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。以上来自百度百科，良苦用心是让大家知道这东西太重要了，搞电子的得会用。下面介绍其工作原理，单向可控硅有三个电极分别是阳极A、控制级G和阴极K，如图1所示。导通条件：当AK间加正向电压时，在G级加导通电压，可控硅导通且保持。若在阳极或控制级加反向电压时，可控硅就不会导通。控制级只起到导通作用，不能截止;截止条件：可以断开阳极或使可控硅AK级电流小于维持电流。下面开始介绍可控硅电路设计：



　　进阶一：机械式开关

　　单向可控硅用于交流市电时，通过桥式整流电路后，在G级加导通电压后可控硅就被导通，但由于交流电过零的现象，会使可控硅截止(过零现象时常发生，因为在桥式整流后输出的是脉动直流电，会有个零点电压，电压为零点时可控硅没有维持电流就会发生过零现象)。但我们实际应用中按一下开关它就会持续得电，这该怎么解决呢

　　很简单：电容。只需要在KG级之间接上一个容量甚小的电容就可解决问题。这是因为可控硅导通之后，会向电容进行充电，在过零时，电容对控制级放电，向可控硅提供触发电流，如图2所示。



　　既然开了，要怎么关呢 没错，只需要在KG级之间加开关SA，由于电容C1的原因SCR一直导通。当SA开关按下时，C1放电，SCR过零时没有维持电流而截止，开关的关断解决了。



　　出个题目，这么设计机械开关有什么问题 好吧，我公布答案，俩问题，一不方便，二成本高。有的同学肯定想问还有解决方法，bingo，大家肯定都想到了，就利用三极管的导通与截止代替机械开关，但如何触发三极管是个值得思考的问题，大家且想一下。有人说可以利用人体自有的感应信号驱动三极管基极从而使三极管导通，我得说同学您太机智了，点个赞。没想到也无妨，咱们继续往下看。

　　进阶二：触摸式电子开关

　　当市电电压经过桥式整流后，通过R1和R2进行分压，在控制端建立约15V的直流电压。当人体触摸到金属片M1时三极管V1导通，从而SCR亦导通，灯泡得电工作。当需要关断时只需要轻触金属片M2就可以使C3上的电荷被释放掉。SCR于过零时关断，其中C1为抗干扰电容，避免误动作。R4、R5作用是避免发生触电事故，太大会降低感应灵敏度，5M欧以上即可，一般取10M欧更为安全。



　　其实这个电路在实际应用中是比较悲剧的，因为很麻烦，一个触摸开，一个触摸关。我猜您肯定想问能不能把俩个触摸片直接相接，设计出只用一个金属片的触摸开关。很不幸，我想说理想很丰满，现实很骨感。

　　要将俩触片合二为一，必须做到一点：当SCR关断时，感应信号只能加给Q1而不进入Q2，SCR导通时感应信号只加给Q2而不进入Q1，并且在开和关之间有一定的延时，不然会暗灭交替也是不可行的，所以这个想法打住。

　　还有个主意，可以利用SCR控制级的电压变化进行控制，之间加个三极管组成延时电路，就可设计出单触片的触摸开关了，请看进阶三。

　　进阶三：单触摸开关

　　请先看小弟在EEPW笔记本上纯手工打造的图4，与图3相比增加了一个三极管Q3和电阻R5、R6以及电容C2构成了延时电路。当触摸开关时Q1导通，由于Q3作用Q2不能导通，SCR控制级得电保持导通，灯泡HL亮。SCR导通时，控制级会有一个约2V间电压，此电压经过R5向C2充电，一定时间(电容两端的电压足够让Q3导通时)后Q3导通。再次触碰开关时，Q1端的导通电流被Q3旁路，此时Q1没有基极电流不能导通，感应信号经过R2导通Q2。好吧，我也晕了，稍微解释下，因为Q3是导通的所以Q2也能导通，此时C3上的电荷经过Q2、Q3释放，就可以使SCR过零而失电截止。



　　根据图4可以实际调整延时电阻和C2的取值来调整延时时间。根据上图取值，电路约延时1S，即要经过1S之后再触摸才能使灯泡断电。要是一直按住则会出现电器一会导通一会截止的现象。

　　有点要特别注意，在图中Q1基极与Q3集电极之间的短接线是非常重要的。可以旁路Q1，使Q1不得电。VD5可以提高控制级电压。

　　这个时候，肯定有同学还不满足，会问楼梯间的那种自动控制的延熄灯是如何实现的呢 再次为这位同学点个赞，发朵小红花。触摸延熄开关是这么设计的，于是进阶四来了。

　　进阶四：触摸延熄开关

　　好吧，再次请先看图5，市电经过VD1-VD4整流后，变为脉动直流电，一路加至SCR的阳极，另一路经过R1给予控制端电压。若SCR处于关断状态时，触摸时感应电流使Q2导通，结果使SCR亦导通，用电器工作。SCR导通后其控制级与阴极有间电压，次电压经过R3向C2充电，一定时间后Q1基极导通，C3对Q1释放电压，SCR于过零时失电而截止。

　　改变R3、R4与C2可以调节延时时间，Q3为C2提供放电回路，当SCR导通时因三极管是PNP型Q3不能导通，故不会对C2放电;当SCR截止时因为VD5两端间的电压差，Q3有导通的条件，然后C2向Q3放电，为下一轮的触摸开做准备。



　　进阶五：红外遥控延时熄灭电路

　　以上四个小电路是利用单向可控硅特点设计出来的。作为本篇大结局，肯定要设计出个稍微牛掰掰的实用电路，于是红外线遥控延熄开关闪亮登场，其功能是利用家用遥控器对用电器控制，如图6所示，总体与图5是比较相似的，故具体的元件参数未画出，只对有所更改的部分进行剖析。对此先对红外线接收头做相应的介绍：红外线接收头(IRM)里集成了红外线接收管、放大、滤波、和比较器。常见的接收头有三引脚，即电源正VDD、数据输出OUT、以及负极GND。在正常工作时，红外线接收头接收到由发光管发送的光信号，由OUT端输出电平信号。当接收头接受到光信号时，由内部转换成一连串的低电平脉冲导通Q2从而进行延熄。当没有光信号感应时，接收头的OUT端输出高电平，Q2截止。



　　对这个电路来个小结：这是一个采用少量电子元件制作的低功耗红外线遥控延熄电子开关，可以对灯具直接控制，具有电路简单、成本低、体积小巧、工作可靠等优点，非常人性化，尤其适合家中有老人小孩的家庭。小开关是不是顿时高大上啦~

　　读到这里，对可控硅电路设计一定比较清楚了，文章已然比较长，结个“蛇尾”，如果大家喜欢，咱们下次见。