肖克利二极管和硅控整流器（SCR）

肖克利二极管是奇特的装置，但应用相当有限。然而，通过为它们配备另一种锁定方式，可以扩大其用途。这样，每个二极管都变成了真正的放大装置（尽管只是以开/关模式），我们称之为硅控整流器（SCR）。

从肖克利二极管到SCR的转变，只需在现有的PNPN结构上增加一个小部件，实际上不过是增加了一个第三根导线连接（见下图）：

硅控整流器（SCR）

SCR导电性

如果SCR的门极处于浮动（断开）状态，其行为完全与肖克利二极管相同。它可能会因击穿电压或阳极和阴极之间电压上升速率超过临界值而被锁定，这与肖克利二极管一样。通过减少电流直到一个或两个内部晶体管进入截止模式，可以完成截止操作，这也与肖克利二极管类似。然而，由于门极端子直接连接到下晶体管的基极，因此它可以作为锁定SCR的另一种手段。通过在门极和阴极之间施加小电压，下晶体管将因产生的基极电流而被强制导通，这将导致上晶体管导通，然后为上晶体管的基极提供电流，因此它不再需要由门极电压激活。当然，启动锁定所需的门极电流将远低于从阴极到阳极流过SCR的电流，因此SCR确实实现了一定程度的放大。

触发/点火

确保SCR导电性的这种方法称为触发或点火，这实际上是实践中最常用的锁定SCR的方式。事实上，通常选择SCR，使其击穿电压远远超过电源可能经历的最大电压，以便只能通过有意施加到门极的电压脉冲来打开它。

反向触发

应该提到的是，有时可以通过直接将SCR的门极和阴极端子短路，或者通过用负电压（相对于阴极）对门极进行“反向触发”，使下晶体管被迫截止，从而关闭SCR。我之所以说这是“有时”可能的，是因为它涉及将上晶体管的所有集电极电流分流到下晶体管的基极。这个电流可能相当大，使得SCR的触发关闭最多只能说是困难的。SCR的一种变体，称为门极可关断晶闸管（GTO），使这项任务变得更容易。但即使使用GTO，关闭它所需的门极电流也可能高达阳极（负载）电流的20%！GTO的示意图符号如下图所示：（下图）

门极可关断晶闸管（GTO）

SCR与GTO的比较

SCR和GTO具有相同的等效原理图（两个晶体管以正反馈方式连接），唯一的区别在于结构细节设计，使NPN晶体管的β值大于PNP晶体管。这使得较小的门极电流（正向或反向）能够对从阴极到阳极的导电性产生更大的控制作用，而PNP晶体管的锁定状态更依赖于NPN晶体管，而不是相反。门极可关断晶闸管也被称为门控开关或GCS。

使用欧姆表测试SCR功能

可以使用欧姆表对SCR功能进行初步测试，或者至少进行端子识别。由于门极和阴极之间的内部连接是一个单一的PN结，因此当将红色测试线连接到门极，黑色测试线连接到阴极时，仪表应指示这两个端子之间的连续性，如下所示：（下图）

SCR的初步测试

对SCR进行的其他所有连续性测量都将显示“开路”（在某些数字万用表显示屏上为“OL”）。必须明白，这个测试非常粗略，并不能对SCR进行全面评估。SCR可能会给出良好的欧姆表指示，但仍然可能存在缺陷。最终，测试SCR的唯一方法是对其施加负载电流。

如果你使用的是具有“二极管检查”功能的多用表，那么你得到的门极到阴极结电压指示可能与硅PN结的预期值（大约0.7伏特）相对应，也可能不对应。在某些情况下，你将读到一个更低的结电压：仅几十分之一伏特。这是由于某些SCR内部在门极和阴极之间连接了一个内部电阻器。添加此电阻器是为了使SCR不易受到来自电路“噪声”或静电放电的杂散电压尖峰的错误触发。换句话说，在门极-阴极结上连接一个电阻器要求必须施加一个强大的触发信号（大电流）来锁定SCR。这个功能通常出现在较大的SCR中，而不是小SCR中。请记住，在门极和阴极之间连接内部电阻器的SCR将在这两个端子之间指示两个方向的连续性：（下图）

较大的SCR具有门极到阴极电阻器。

敏感门极SCR

缺乏这种内部电阻器的“普通”SCR有时被称为敏感门极SCR，因为它们能够被最微弱的正门极信号触发。

SCR的测试电路既是一个实用的诊断工具，用于检查疑似故障的SCR，也是理解基本SCR操作原理的极好辅助工具。该电路使用直流电压源供电，并使用两个按钮开关分别锁定和解锁SCR：（下图）

SCR测试电路

按下常开“开”按钮开关会将门极连接到阳极，允许电流从电池的正极通过负载电阻，通过开关，通过阴极-门极PN结，然后流回电池。此门极电流应迫使SCR锁定，允许电流直接从阳极流向阴极，而无需进一步通过门极触发。当释放“开”按钮时，负载应保持通电状态。

按下常闭“关”按钮开关会断开电路，迫使通过SCR的电流停止，从而迫使其关闭（低电流脱落）。

维持电流

如果SCR无法锁定，则问题可能出在负载上，而不是SCR本身。在“开”状态下保持SCR锁定需要一定的最小负载电流。这个最小电流水平被称为维持电流。如果负载的电阻值过大，则当门极电流停止时，可能无法抽取足够的电流来保持SCR锁定，从而在测试电路中给出SCR不良（无法锁定）的错误印象。不同SCR的维持电流值应可从制造商处获得。对于较大的单元，典型的维持电流值范围从1毫安到50毫安或更高。

为了进行全面测试，除了触发动作外，还需要测试更多内容。可以通过增加直流电压电源（不按下按钮开关）来测试SCR的正向击穿电压极限，直到SCR自行锁定。请注意，击穿测试可能需要非常高的电压：许多功率SCR的击穿电压额定值为600伏特或更高！此外，如果可以使用脉冲电压发生器，则可以用相同的方式测试SCR的临界电压上升率：在没有按下按钮开关的情况下，使其承受不同V/时间速率的脉冲电源电压，并观察其何时锁定。

在此简单形式下，SCR测试电路可以作为直流电机、灯泡或其他实际负载的启动/停止控制电路：（下图）

直流电机启动/停止控制电路

“短路棒”电路

SCR在直流电路中的另一个实际应用是作为过电压保护的短路棒装置。短路棒电路由与直流电源输出并联的SCR组成，用于在该电源输出上直接短路，以防止过高的电压到达负载。通过在SCR之前谨慎地放置保险丝或较大的串联电阻来限制短路电流，可以防止SCR和电源损坏：（下图）

直流电源中使用的短路棒电路

一些感测输出电压的设备或电路将连接到SCR的门极，以便在出现过电压情况时，在门极和阴极之间施加电压，触发SCR并迫使保险丝熔断。其效果与直接在电源输出的正负极之间放置一根坚固的钢质短路棒大致相同，因此得名该电路。

尽管SCR本质上是直流（单向）设备，但其大多数应用都用于交流电源控制。如果需要双向电路电流，则可以使用多个SCR，每个方向放置一个或多个SCR来处理交流波形的两个半周期中的电流。SCR之所以在交流电源控制应用中得到应用，主要原因是晶闸管对交流电的独特响应。正如我们所见，当交流半周期的一部分被触发时，磁控管（SCR的电子管版本）和双向触发二极管（DIAC，一种滞回设备）将锁定并在该半周期剩余时间内保持导通状态，直到交流电流减小到零，因为交流电流必须减小到零才能开始下一个半周期。就在电流波形的零交叉点之前，晶闸管将由于电流不足而关闭（这种行为也称为自然换向），并且必须在下一个周期中再次触发。结果是电路电流相当于一个“斩波”正弦波。为了回顾，以下是DIAC对交流电压（其峰值超过DIAC的击穿电压）的响应图：（下图）

DIAC的双向响应

对于DIAC来说，击穿电压极限是一个固定值。对于SCR来说，我们可以通过在波形上的任何时间点触发门极来精确控制设备何时锁定。通过将适当的控制电路连接到SCR的门极，我们可以在任何点“斩波”正弦波，以实现负载的定时比例功率控制。

以下图中的电路为例。在这里，SCR被放置在电路中，以控制从交流电源到负载的功率。

SCR的交流电源控制

作为单向（单向）设备，我们最多只能在交流电的一个半周期内（即电源电压极性在上半周期为正，在下半周期为负）向负载提供半波功率。然而，为了展示定时比例控制的基本概念，这个简单的电路比控制全波功率的电路（需要两个SCR）更好。

如果不向门极触发，且交流电源电压远低于SCR的击穿电压额定值，则SCR将永远不会导通。将SCR的门极通过标准整流二极管连接到阳极（以防止在SCR包含内置门阴极电阻的情况下，通过门极产生反向电流），将使SCR在每个正半周期开始时几乎立即被触发：（下图）

通过二极管直接将门极连接到阳极；负载上几乎完整的半波电流。

SCR触发延迟

然而，我们可以通过在门电路中插入一些电阻来延迟SCR的触发，从而增加触发SCR所需的电压降。换句话说，如果我们通过添加电阻来使电流更难通过门极，那么交流电压必须在其周期内达到更高的点，才能产生足够的门极电流来触发SCR。结果如下图所示。

在门电路中插入电阻；负载上的电流小于半波电流。

通过延迟触发SCR来更大程度地“斩波”半正弦波，负载接收的平均功率会更少（因为在整个周期内供电时间更短）。通过使串联门极电阻可变，我们可以调整定时比例功率：（下图）

增加电阻会提高阈值水平，导致向负载输送的功率减少。减小电阻会降低阈值水平，导致向负载输送的功率增加。

不幸的是，这种控制方案有一个重大的局限性。在使用交流电源波形作为SCR触发信号时，我们将控制限制在波形半周期的前半部分。换句话说，我们不可能等到波形峰值之后才触发SCR。这意味着我们只能将功率降低到SCR在波形峰值处开始导通的程度：（下图）

电路在最小功率设置下

如果再提高触发阈值，电路将根本不会触发，因为即使交流电源电压的峰值也不足以触发SCR。结果将是负载无功率输出。

解决这一控制难题的一个巧妙方法是在电路中加入一个移相电容器：（下图）

在电路中加入移相电容器

图中显示的小波形是电容器两端的电压。为了说明相位差，我假设了一个最大控制电阻的情况，此时SCR完全不会触发，负载电流为零，除了通过控制电阻和电容器的少量电流。这个电容器电压将与电源交流波形的相位差在0°到90°之间滞后。当这个移相电压达到足够高的水平时，SCR将触发。

当电容器两端有足够的电压来周期性触发SCR时，产生的负载电流波形将类似于（下图）所示。

移相信号触发SCR导通

由于电容器波形在主交流电源波形达到峰值后仍在上升，因此有可能在超过该峰值的阈值水平上触发SCR，从而进一步斩断负载电流波，这是使用更简单的电路所无法实现的。实际上，电容器电压波形比这里显示的要复杂一些，每次SCR锁定时，其正弦波形都会发生畸变。然而，我在这里想要说明的是通过移相RC网络获得的延迟触发作用；因此，简化的、未失真的波形能够很好地达到这个目的。

复杂电路触发SCR

SCR也可以通过更复杂的电路来触发或“点燃”。虽然之前展示的电路对于像灯控这样的简单应用已经足够，但大型工业电机控制通常依赖于更复杂的触发方法。有时，脉冲变压器被用来将触发电路耦合到SCR的门极和阴极，以在触发电路和功率电路之间提供电气隔离。

变压器耦合触发信号实现隔离

当使用多个SCR来控制电力时，它们的阴极通常不是电气共通的，这使得难以将单个触发电路平等地连接到所有SCR上。这种情况的一个例子是下图所示的控制桥式整流器。

控制桥式整流器

在任何桥式整流器电路中，整流二极管（在此例中为整流SCR）必须成对反向导通。SCR1和SCR3必须同时触发，SCR2和SCR4也必须作为一对同时触发。然而，你会注意到，这两对SCR的阴极连接并不相同，这意味着不能简单地将它们的栅极连接并联起来，然后连接一个单一的电压源来同时触发两者：（下图）

变压器耦合栅极实现SCR2和SCR4的触发

请注意，此电路仅显示了四个SCR中两个的栅极连接。为了简化，省略了SCR1和SCR3的脉冲变压器和触发源，以及脉冲源本身的细节。

控制桥式整流器不仅限于单相设计。在大多数工业控制系统中，为了提高效率，交流电源以三相形式提供，固态控制电路也是为此而构建的。一个由SCR构建的三相控制整流器电路（未显示脉冲变压器或触发电路）将如下所示（图略）。

三相桥式SCR负载控制

回顾：硅控制整流器（SCR）本质上是一个带有额外端子的肖克利二极管。这个额外的端子称为栅极，通过施加小电压来触发设备导通（锁定）。要触发或点燃SCR，必须在栅极和阴极之间施加电压，栅极为正，阴极为负。

在测试SCR时，栅极和阳极之间的瞬时连接在极性、强度和持续时间上都足以触发它。SCR可以通过有意触发栅极端子、阳极和阴极之间的过压（击穿）或阳极和阴极之间电压上升率过高来点燃。SCR可以通过阳极电流降至保持电流值以下（低电流脱落）或“反向触发”栅极（向栅极施加负电压）来关闭。反向触发有时有效，但总是需要高栅极电流。

SCR的一种变体称为门极可关断晶闸管（GTO），它特别设计用于通过反向触发来关闭。即便如此，反向触发也需要相当高的电流：通常是阳极电流的20%。可以使用连续性测试仪来识别SCR的端子：在所有端子中，仅有两个端子之间会显示连续性，即栅极和阴极。栅极和阴极端子连接到SCR内部的PN结，因此，当将红色（+）引线连接到栅极，黑色（-）引线连接到阴极时，连续性测试仪应在这两个端子之间获得类似二极管的读数。但请注意，一些大型SCR在栅极和阴极之间连接了内部电阻，这会影响测试仪的任何连续性读数。

SCR是真正的整流器：它们只允许电流单向通过。这意味着它们不能单独用于全波交流电源控制。如果将整流电路中的二极管替换为SCR，就可以构成控制整流电路，通过在不同点触发SCR沿交流电源波形对负载的直流电源进行时间比例控制。