电子电路的一个有用应用是控制负载上的功率。本节将学习在功率控制应用中两种泛使用的器件，晶闸管整流器(SCR)和双向晶闸管(triac)。这些器件属于晶闸管类型的器件，广泛用于电动机工业控制、加热器、相位控制和其他许多应用中。可以认为晶闸管是一种电子开关，能够快速打开和关闭流向负载的大电流。集成电路经常用来确定何时打开和关闭 SCR 或双向晶闸管。
学完本节后，你应该掌握以下内容:
- 描述如何控制负载上的功率
- 描述 SCR 和双向晶闸管
- 解释如何打开和关闭 SCR
- 解释零电压开关
- 定义微控制器
15.5.1 晶闸管整流器
$$ a)基本结构~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~b)电路符号 $$
$$ 图15-40~~~晶闸管整流器(SCR) $$
晶闸管是一种半导体开关，由四层或多层交替的 pnpn 材料组成。有几种不同类型的晶闸管，类型主要取决于层数和每层的特定连接。对于一个四层晶闸管，当从第 1、2 和层进行连接时，就形成一种称为 SCR(晶闸管整流器)的闸二极管形式。这是晶闸管家族中最重要的器件之一，因为它相当于一个能够在需要时打开的二极管。SCR 的基本结构和电路符号如图15-40所示。对于 SCR，三个连接分别为阳极(A)、阴极(K)和栅极(G)。
$$ a)当I_G=0时，必须大于V_{BR(F)}才能进入导通区域~~~~~~~~~~~~b) I_G控制SCR能够导通所需要的V_{BR(F)}值 $$
$$ 图15-41~~~ SCR特性曲线 $$
当栅极电流为 0 时，SCR 的特性曲线如图15-41a所示。特性曲线中有4个区域。反向特性(第三象限中的曲线)与一般二极管相同，包含一个反向阻断区域和一个反向雪崩区域。反向阻断区域等效于一个断开的开关。加到 SCR 上使它能够进入雪崩区域的反向电压一般为几百伏或者更高。SCR 一般不工作在反向雪崩区域。
正向特性(画在第一象限)分成两部分。第一部分是正向阻断区域，其中 SCR 基本截止，阳极和阴极之间阻抗非常高，近似相当于一个断开的开关。第二个区域为正向导通域，其中产生阳极电流，如一般的二极管一样。为了让 SCR 进入这个区域，必须超过正向击穿电压 $V_{BR(F)}$。当 SCR 工作在正向导通区域时，阳极和阴极之间近似为一个闭合的开关。可以看到它与一般二极管特性(见图2-10)具有相似性，除了正向阻断区域之外。
打开SCR 有两种方法让 SCR 进入正向导通区域。在这两种情况下，阳极到阴极必须正向偏置，即阳极相对于阴极必须为正。第一种方法已经提到过，它要求加上一个超过正向击穿电压 $V_{BR(F)}$ 的正向电压。击穿电压触发通常不常用。第二种方法需要在栅极上加上一个正的脉冲电流(触发)。这个脉冲使正向击穿电压减小，如图15-41b所示，并使得 SCR 导通。栅极电流越大， $V_{BR(F)}$ 越小。这是打开 SCR 的一般常用方法。
一旦 SCR 打开，栅极就失去了控制。结果是 SCR 被锁住，只要阳极电流一直维持 SCR 将继续相当于一个闭合的开关。当阳极电流下降到小于一个称为保持电流的值时 SCR 会离开导通区域。保持电流如图15-41所示。
关闭SCR 两种关闭 SCR 的基本方式是阳极电流中断和强制换流。通过断开阳极电路中的通路可以中断阳极电流，这会导致阳极电流变为0，从而关闭 SCR。中断阳极电流一种常用的自动方法是将 SCR 连接在一个交流电路中。交流波形的负半周会使 SCR 闭合.
强制换流方法要求立刻加上一个与正向导通方向相反的强制电流流过 SCR，这使得向电流会下降到小于保持电流。这可以用各种不同的电路来实现。可能最简单的方法是自动打开或关闭一个以反方向连接在 SCR 两端的充好电的电容。
15.5.2 双向晶闸管
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图15-42~~~双向晶闸管特性曲线
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双向晶闸管是具有双向通电流能力的晶闸管，因此是一个交流功率控制器件。虽然它是一个器件，但它的性能与两个以相反方向并联在- -起却共用一个栅极的 SCR 性能等效。双向晶闸管的基本特性曲线如图15-42所示。因为双向晶闸管类似于两个背靠背的 SCR,所以它没有反向特性。
同 SCR 的情况一样，栅极触发是断开双向晶闸管的常用方法。双向晶闸管的栅极上所加的电流启动了前面讨论的锁机制。一旦导通启动，双向晶闸管会在两个极性的其中一个上导通，因此它可以作为交流控制器。可以触发双向晶闸管使得只有在部分交流周期内向负载提供交流功率。这可以使晶闸管能够向负载提供更多或更少的功率，而这取决于触发点。图15-43给出了基本的工作原理。
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图15-43 ~~~基本双向晶闸管的相位控制。栅极触发的时间决定能够通向负载的交流周期部分
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15.5.3 零电压开关
当 SCR 或双向晶闸管在交流周期内处于断开状态时，触发它们会产生一个问题: 由于开关的暂态过程，会产生 RFI(射频干扰)。例如，如果 SCR 或双向晶闸管在交流周期接近峰值的时候突然打开，则会有一个瞬间冲击电流流过负载。当电压或电流有一个瞬间转换时，会产生许多高频分量。这些高频分量会进人敏感电路中，产生严重的干扰，甚至会产生崩溃。当 SCR 或双向晶闸管两端电压为 0 时，打开 SCR 或双向晶闸管可以避免电流的突然增加，因为电流会与交流电压同时增加。零电压开关也可以阻止使负载缩短寿命的热冲击，而这取决于负载的类型。
并不是所有应用都能使用零电压开关，但如果可以，那么可以大大减小噪声问题。例如，负载可能是一个电阻性加热器件，电源在交流的几个周期内打开，然后几个周期内关掉来维持-一个特定的温度。零电压开关利用一个感应电路来确定什么时候打开电源。零电压开关的概念如图15-44所示。
$$ a)负载电流的零电压开关~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~b)负载电流的非零电压开关， \\ 它产生输出暂态过程，从而引起射频千扰 $$
$$ 图15-44~~~负载功率的零电压开关和非零电压开关的比较 $$
当交流波形在正方向跨越零坐标轴时能够产生触发脉冲的一一个基本电路如图15-45所示。电阻R以及二极管 $D_1$ 和 $D_2$ 防止比较器的输入超过电压摆幅。比较器的输出电压电平是一个方波。$C_1$ 和 $R2$ 组成一个差分电路来将该方波输出转换成触发脉冲。二极管 $D_3$ 限制输出只有正触发。
15.5.4 微控制器
SCR 和双向晶闸管经常用于有许多额外要求的系统中。例如，像洗衣机一样的基本系统可能需要有定时功能、速度或转速调整，电动机保护、序列产生、显示控制等。像这类系统可以用一类称为微控制器的专用计算机来进行控制。微控制器是一个简单集成电路，具有各种微处理器所具备的基本特点，以及具有专门的输入/输出(I/O)电路、ADC(模-数转换器)、计数器、定时器、振荡器、存储器以及其他特性。微控制器可以配置成一个专用系统来实现一种低成本的方法，用这种方法可以替换为 SCR 或双向晶闸管提供触发的传统方法。
一种专用微控制器是德州仪器生产的 MSP430。数据手册可在www.ti.com上查阅。MSP430 是一种采用 RISC 指令集的低成本 16 位控制器。它能在超低功耗下高速运行。它可以执行小型系统中需要的所有控制功能，还能直接驱动小型双向晶闸管和SCR的栅极。可以为 MSP430 构建一个过零输人。实际上，与图15-45所示相同的输人保护电路与 MSP430 其中的一个输人端口相连。
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图15-45~~~当交流波形在正方向跨越零坐标轴时能够产生触发脉冲的一个电路.
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