電子制作中可控硅應用的誤區

 在電子制作中，運用單向或雙向可控硅作為開關、調壓的執行器件是很方便的，而且還可以控制直流、交流電路的負載功率。但是，目    前有些電子制作文章中，對可控硅的運用常有謬誤之處。可以說，此類電子制作稿純粹是杜撰出來的，不要說制作，恐怕作者連起碼的實驗也未做過，這豈不是造成對初學者的誤導嗎?! 常見的電路設計不當之處大約有以下幾點。
一、觸發電路的問題
    若欲使可控硅觸發導通，除有足夠的觸發脈沖幅度和正確的極性以外，觸發電路和可控硅陰極之間必須有共同的參考點。有些電路從表面看，觸發脈沖被加到可控硅的觸發極G，但可控硅的陰極和觸發信號卻無共同參考點，觸發信號并未加到可控硅的G—K之間，可控硅不可能被觸發。


     圖1a例為555組成的自動水位控制電路，用于水塔自動保持水位。該文制作者考慮到水井和水塔中的水不能帶市電，故555控制系統用變壓器隔離降壓供電。555第3腳輸出脈沖接入雙向可控硅的G點。由于雙向可控硅T1對控制電路是懸空的，555第3腳輸出脈沖根本不能形成觸發電流，可控硅不可能導通。再者，該電路雖采用隔離市電的低壓供電，但控制電路仍然通過G、T1極與市電相連， 當220V輸入端B為火線時， 井水和水塔供水將代有市電電壓，這是絕不允許的!


     正確的方式見圖1b。可控硅與抽水電機組成抽水控制開關，SCR的觸發由T2與G間接入電阻控制。當水位降低時，控制觸點開路，555第3腳輸出高電平(此電路部分省略)，使Q導通，繼電器J吸合，SCR觸發導通，電機開始運轉。當水位達到時， 觸點經水接通，555第3腳輸出低電平，Q截止，SCR在交流電過零時截止，抽水停止。
    上述電路因設計考慮不周，出現了不該有的低級錯誤。但類似水塔供水控制系統與市電不隔離的設計，卻常出現在電子書刊中。


觸發電路設計不當的第二個例子常見于電子制作稿中，其電路見圖2a， 圖中對電路進行簡化。其實， 無論控制系統完成何種控制，無論是單向還是雙向可控硅， 圖2的觸發電路是不能正常工作的。其問題在于，控制系統發出觸發信號UG，其參考點是共地，而可控硅T1或T2的參考點是負載熱端。實際上， 加到可控硅的觸發電壓UG是與負載端電壓UZ相串聯的。雙向可控硅究竟是T1還是T2為觸發參考點，視觸發信號的相對極性來決定的。如按圖2中標注，T1在下，T2在上， 則UG相對于T1必須是正極性的， 且與T1的電壓同參考電位。但無論T1還是T2作參考點， 按圖2a的接法，可控硅導通時，UZ常近似等于Uin，如此高電壓加到觸發極G和T1之間， 將立即使觸發極被擊穿，可控硅被損壞。
改進此電路的方法之一是，采用觸發變壓器隔離控制系統的參考點(如圖2b)， 觸發信號可以由BT33組成鋸齒波發生器受控于控制系統(矩形波也可以)，這樣，不受初級參考點的影響，觸發變壓器次級可直接接在G與T1之間，與負載上電壓無關。
另一簡單改進方法是，將負載電路Z移到圖2a的T2與Uin之間。不過，這種用法受到限制，因負載兩端都無法接入任何參考點。
二、電感負載的應用
近來， 市場上出售一種調光器， 類似某些調光臺燈內控制電路，利用控制RC充電時間。通過雙向二極管控制可控硅的導通角，控制負載電路的功率， 實為調功器。這種調功器用于控制白熾燈、電阻加熱器等電阻性負載，要求可控硅耐壓高于交流電的峰值電壓即可。一般臺燈調光。常用反壓400V的可控硅，考慮到提高可靠性，600V已足夠。
可控硅用于控制電感負載，譬如電風扇、交流接觸器、有變壓器的供電設備等，則不同。因為這種移相式觸發電路，可控硅在交流電半周持續期間導通，半周過零期間截止。當可控硅導通瞬間，加到電感負載兩端電壓為交流電的瞬時值， 有時可能是交流電的最大值。根據電感的特性，其兩端電壓不可能突變，高電壓加到電感的瞬間產生反向自感電勢， 反對外加電壓。外加電壓的上升曲線越陡，自感電勢越高，有時甚至超過電源電壓而擊穿可控硅。因此，可控硅控制電感負載，首先其耐壓要高于電源電壓峰值1.5倍以上。此外，可控硅兩電極間還要并聯接入RC尖峰吸收電路。常用10— 30Ω/3W 以上電阻和0.1—0.47uF/600V的無極性電容。
交流調功電路中，可控硅是在交流電過零期間關斷， 從理論上講，關斷時電流變化為零，無感應電壓產生。加入RC尖峰抑制電路，是為了抑制可控硅導通時的自感電勢尖峰。如不加入此電路，不但可控硅極易擊穿，負載電路的電感線圈也會產生匝間、或電機繞組間擊穿，這點是決不能忽視的。
三、該無級調壓電路能用嗎?


圖3是某電子雜志刊出的無級直流輸出調壓電路。原作者稱，利用Rc移相網路控制SCR的導通角改變變壓器初級的電流，從而獲得兩路連續可調的2x(0—17V) 的直流輸出電壓，負載電流為800mA 。很明顯，推薦電路(圖3)是普通移相式調功電路和降壓變壓器整流濾波電路的串聯， 從基本原理分析，似乎無大的原則問題。變壓器初級每半周電流有效值隨可控硅導通角變化，次級輸出電壓的峰值、平均電流值都隨之而變。當然，一定負載時輸出整流電壓也必然改變。本人看后，極感興趣，依此原理制作了一臺輸出100±40V范圍變化的維修代用直流電源，并依照圖中虛線加入RC吸收回路。實驗時，該電路一接入電源，距此10米遠的電視機屏幕上即出現兩條緩慢移動的黑帶(從鄰居的責問中得知)，同時，空載下不到十分鐘，SCR即擊穿。更不能容忍的是，降壓變壓器鐵心發出拖拉機啟動時的聲音，室內電度表也發出同樣的聲音，而且，隨著輸出電壓的調低，聲音更大。
SCR擊穿后， 本人在市電輸入電路加入RC低通濾波，改用1000V/5A雙向可控硅，變壓器的噪聲和干擾脈沖幅射沒什么大的變化，只是
SCR未擊穿。為了不擾鄰，以及快的速度將輸出電壓調到60V， 用電壓表測量次級電壓，盡管負載電流僅100mA，濾波電容為470uF/100V，但萬用表的表針抖動呈虛線狀，可見其紋波大到什么程度。
冷靜下來后，仔細分析其原因，得出以下結論：經過移相調功之后，變壓器初級電壓已不是正弦波，而是鋸齒波沿陡峭的前沿形成沖擊磁場，使變壓器、電度表等鐵芯電感發出相當大的噪聲。近似垂直上升的突變電壓，在變壓器初級大電感兩端產生極高的反電勢，因此擊穿可控硅，時間稍長，甚至還要擊穿變壓器初級層間絕緣和電度表的電壓線圈。當調低輸出電壓時，t1減小，t2增大，這種占空比極小的鋸齒形電壓，(見圖中波形)。
一般的濾波電路是無能為力的， 除非將負載電流減到極小，或濾波電路采用LC濾波。無論如何，占空比極小的電源還是不能適應的，其電壓平均值將隨負載大幅度變化。電壓調得越低，其紋波濾除越困難，這是很明顯的。實驗中發現，若在小范圍內調整，如變壓器初級電壓在180～220V之間變化， 上述噪聲明顯減小，次級紋波也降低， 但又有何價值呢?若讀者感興趣，不妨一試!