【 概 述 】
可控硅英文名为Silicon Controlled Rectifier,缩写为SCR，意为硅的可控整流器。SCR是一种半导体的可控整流器件，可以作为一种控制电路通断的无触点开关。如果用它组成一定的电路，用来调节灯泡两端的电压，便可以调节灯的亮度，制成可控硅调光灯。电路如图所示。
图中双向可控硅，它有三个电极，T1,T2和控制极G.。双向可控硅无阴、
阳极之分，且正、负触发电压Ug只要达到一定的数值都可以使它导通。2CS为双向触发二极管，是一种配合双向可控硅工作的专用二极管。当二极管两端电压未达到转折电压时，它呈现高阻状态，一旦达到转折电压时突然呈现低阻状态，电流迅速增大。R2为电位器，作可变电阻用。R1为保护电阻，以免R2减小到零时，将电容器C、双向二极管、可控硅等元件损坏。当R2处于阻值最大时。电容器C上充电到触发二极管转折电压所需要的时间最长，因而可控硅导通时间最短，灯泡发光最暗。当R2逐渐减小时，相应可控硅的导通时间变长，灯逐渐变亮。为达到开、关灯的目的，所以采用带有开关的电位器，开关K接在图中虚线的部位。可控硅调光灯实际使用时是直接采用交流220V市电。但是，为避免初学者在测试是发生触电的危险，所以实验是采用的是36V安全电压的交流电源。
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【实验目的】
1． 了解可控硅调光的基本原理。
2． 使用双踪示波器测量电路有关点的电压波形，以进一步理解可控硅调光灯
的工作原理 【知识准备】
1．关键词：可控硅，双向可控硅，双向触发二极管，调光灯。
2．可控硅的符号，三个电极的名称。在什么条件下可以使可控硅导通或截止。可控硅的主要技术参数。
3．双向可控硅的符号及其特性。采用双向可控硅电路调光的原理。 4．双踪示波器的使用知识。 【仪器】
万用电表，双踪示波器，电路元件（包括双向可控硅，双向触发二极管，电阻，电容，电位器和变压器等），电路板等。 【实验内容】
1．熟悉各电路元件的性能，记录主要参数，并考虑元件的选择。
2．调光灯电路的调试与装配。测试灯泡两端电压的变化范围，并观察调光效果。 3．用双踪示波器测量可控硅调光灯电路有关点的电压波形，以具体阐明可控硅调光灯的工作原理。
提示：用双踪示波器作两个波形比较时，要注意接地点的选择。接地点必须选用
同一点以免发生局部短路事故。另外，两个通道必须采用同一触发源，这样两个信号波形的相位比较才有意义。 【思考题】
1. 单向可控硅可以采用本实验线路吗？为什么？
2. 为什么不可用万用电表电阻量程来判断触发二极管的性能？你能设计出用万用电表来判断它的性能的方法吗？
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附：
【万用电表判别双向可控硅的电极方法】
先用R1档将正负表棒分别与双向可控硅的任意二个电极相接，若发现不论
黑红表棒如何与其中二个电极相接时，
电阻都很小（约几十欧姆），其电阻较小
的一次与黑表棒下接的电极为G，红表
棒相接的为T1。二者电阻相差仅几欧姆。
再用R10K档测量T1与T2之间电
阻时不论表棒极性电阻都极大，表针基本上不偏。实验中使用的双向可控硅型号为TLC336(3A600V)，它的管脚排列如图。
【参考实验线路图】
图中22KΩ为保护电阻，以免460K电位器减小为零时将电容器、双向二极管、可控硅等损坏。当电位器处于电阻值最大时，电容器C上充电到触发二极管所需的转折电压所需时间愈长，因而可控硅导通时间短，灯泡发光较暗，当电阻逐渐减小时，相应可控硅的导通时间愈长，灯的亮度逐渐增大。从原理上讲改变电容C的电容量也可以达到改变灯的亮度，但改变电容比较困难，所以实用灯光控制电路中都采用电位器来调节光强。为达到关灯的目的所以采用带有开关的电位器。开关可安置在图中虚线框内。
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【参考资料】 NO.1
可控硅元件基础知识
一、概述
一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称晶闸管T。又由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。
在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（谷称“死硅”）更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。
可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损髦显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。
可控硅的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。
可控硅的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。 可控硅从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。 二、可控硅元件的结构和型号 1、结构
不管可控硅的外形如何，它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。见图1。它有三个PN结（J1、J2、J3），从J1结构的P1层引出阳极A，从N2层引出阴级K，从P2层引出控制极G，所以它是一种四层三端的半导体器件
图1、可控硅结构示意图和符号图
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2．型号
目前国产可控硅的型号有部颁新、旧标准两种，新型号将逐步取代旧型号。
表一 KP型可控硅新旧标准主要特性参数对照表
参数 部颁新标准（JB1144-75） 序号 KP型右控硅整流元件 1 额定通态平均电流（IT（AV）） 2 断态重复峰值电压（UDRM） 3 反向重复峰值电压（URRM） 4 断态重复平均电流（IDR（AV）） 5 反向重复平均电流（IRR（AV）） 6 通态平均电压（UT（AV）） 7 门极触发电流（IGT） 8 门极触发电压（UGT） 9 断态电压临界上升率（du/dt） 10 维持电流（IH） 11 额定结温（TjM） 部颁旧标准（JB1144-71） 3CT系列可控硅整流元件 额定正向平均值电流（IF） 正向阻断峰值电压（UPF） 反向峰值电压（VPR） 正向平均漏电流（I） 反向平均漏电电流（IRL） 最大正向平均电压降（VF） 控制极触发电流（Ig） 控制极触发电压（Vg） 极限正向电压上升率(dV/dt） 维持电流（IH） 额定工作结温（Tj）
KP型可控硅的电流电压级别见表二
表二、KP型可控硅电流电压级别
额定通态平均 正反向重复 峰值电压UDRM， 1～10，12，14，16，18，20，22，24，26，，28，30 URRM（×100）（V） 通态平均电压 UT(AV)(V) A B C D E F G H I 1，5，10，20，30，50，100，200，300，400，500，600，700，800，100 电流IT（AV）（A） ≤0.4 0.4～0.5 0.5～0.6 0.6～0.7 0.7～0.8 0.8～0.9 0.9～1.0 1.0～1.1 1.1～1,2 示例：
（1）KP5-10表示通态平均电流5安，正向重复峰值电压1000伏的普通反向阻断型可控硅元件。
（2）KP500-12D表示通态平均电流500安，正、反向重复峰值电压1200伏，通态平均电压0.7伏的业通反向阻断型可控硅元件
（3）3CT5/600表示通态平均电流5安，正、反向重复峰值电压600伏的旧型号普通可控硅元件。
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三、可控硅元件的工作原理及基本特性 1、工作原理
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图2所示
图2、可控硅等效图解图
当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表三
表三、可控硅导通和关断条件
状态 从关断到导通 条件 1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流 1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流 1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流 说明 两者缺一不可 维持导通 两者缺一不可 从导通到关断 任一条件即可
2、基本伏安特性
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可控硅的基本伏安特性见图3
图3、可控硅基本伏安特性
（1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图4），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。
（2）正向特性 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图5），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：正向转折电压
图4、阳极加反向电压 图5、阳极加正向电压
由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。
这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，见图3中的BC段
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3、触发导通
在控制极G上加入正向电压时（见图6）因J3正偏，P2区的空穴时入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。
图6、阳极和控制极均加正向电压
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NO.2
双踪示波器
1．特点
一般示波器在同一时间甲只能观察一个电压信号，而双踪示波器可以在荧光屏上同时显示两个电压信号，以进行观测。为了在只有 个电子枪的示波管(称为单束示波管)的荧光屏上能够同时观测两个电压信号，这种示波器内设有电子开关线路。用电子开关来控制两个Y轴通道的工作状态，使得待测的两个电压信号Ya和Yr周期性地轮流作用在r偏转板上，这样在荧光屏上忽儿显示Ya信号波形，忽儿显示Yr信号波形。由于荧光屏荧光物质的余辉以及人眼视觉滞留效应的缘故，在荧光屏上看到的便是两个波形。下图是双踪示波器的控制电路方框图。
双踪示波器控制电路方框图
2．“交替”与“断续”两种工作方式
双踪示波器的Y轴输入有两个通道，利用电子开关线路把信号，Ya和Yb。分别周期性地轮流加到示波管的Y偏转板上、其—工作方式可分为“交替”与“断续”两种；
(1)“交替”工作方式
常用ALT表示，它是英文alternate的缩写。它表示第1次扫描接通Ya信号，那么第2次扫描就接通Yb信号，如此重复下去，这就是“交替”工作方式，其原理示意图见图1a。
处于“交替”工作方式时，尽管Ya和Yb信号波形是交替显示的，但如果扫描频率大于25Hz，由于荧光物质的余辉和视觉滞留效应，所观察到的波形似乎
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仍然是持续的，不会有闪烁的感觉。为了能至少显示一个周期的完整波形，待测信号频率不宜低于扫描频率，因此“交替”工作方式不适用于观测低频信号。 (2)“断续”工作方式
也可用英文Chopping的缩写CHOP表示。在每次扫描过程中，快速地轮流接通两个输入信号Ya和Yb，这种方式称为“断续”工作方式。图1b是“断续”工作方式的原理示意图。
图1 “交替”与“断续”工作方式原理图
在“断续\"工作方式时，荧光屏显示的两个波形实际上是由许多不连续的小线段组成的。只要电子开关所控制的通道转换速度足够快，显示的线段足够地密集，于是观察到的波形看起来还是连续的。显而易见，在“断续”工作方式时，待测信号的周期一定要比电子开关通道转换周期大得多，也就是要求待测信号频率远远低于电子开关通道转换频率。因此这种工作方式仅仅适用于低频信号测量。
3．双踪示波器几个特殊控制器功能的说明
双踪示波器和普通示波器一样，在面板上除了装置有荧光屏之外，它的面板控制器通常也可分为光点控制、Y轴控制和X轴控制等三大部分。大部分控制器的功能与普通示波器相仿。下面以SR—8型双踪示波器为例，对有明显差别的控制器的功能加以说明。
(1)双踪示波器有两个Y轴通道，所以Y轴输入插座有两个，Ya和Yb，可以分别输入两个待测电压信号。
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(2)“交替Ya Ya+Yb Yb 断续”显示方式开关
它是用以转换两个r轴前置放大器工作状态的控制器，具有五项功能。 1)开关置于“交替”位置——Yb和yB通道受扫描频率控制，交替轮流工作，从而实现双踪信号显示。此工作方式不适用于观测低频信号。
2)置“Ya”——Ya通道单独工作，作为单踪示波器使用。
3)置“Ya+Yb”——Ya和Yb两个通道同时工作，进行两个信号的叠加，并通过Ya通道的“极性”开关选择，可以显示两个通道输入信号的和或差。
4)置“Yb”——Yb通道单独工作，作为单踪示波器使用。
5)置“断续”——电子开关的自激振荡频率(约200KHz)控制Ya和Yb两通道前置放大器交换工作，以实现两信号波形的显示。此工作方式适用于低频信号的观测。
(3)“极性 拉Ya”开关
在Ya通道系统中，设有极性转换控制器件，它系按拉式开关，当开关拉出时，使Ya信号倒相显示。
(4)“内触发 拉Yb”开关
此按拉式开关为选择内触发源而设立。在“按”的位置上，扫描触发信号取自经电子开关后的Ya和Yb通道的输入信号。两触发信号之间没有确定的时间关系，所以在此触发状态下双踪显示不能作时间比较。
在“拉”的位置上，扫描触发信号取自Yb通道的输入信号。此状态适用于有时间相关关系的两个信号波形显示，从而能够进行比较分析。
(5)“AC AC(H) DC”触发耦合方式开关
开关置于“AC”时，触发形式属于交流耦合状态。由于触发信号的直流成分被去除，因而触发性能不受直流成分的影响。这是常用的一种耦合方式，但观测低频信号时不宜使用。
置“AC(H)”时，触发形式属低频抑制状态，通过高通滤波器进行耦合。高通滤波器对叠加在触发信号上的低频噪音或低频信号有抑制作用，只有高频分量可以与触发电路耦合而获得较稳定的扫描。
置“DC”时，触发形式属于直流耦合状态，用于变化缓慢信号的扫描触发。 (6)“高频 常态 自动”触发方式开关
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置“高频”时，扫描处于“高频”同步状态。由机内产生的约2印kHz的自激振荡信号对待测信号进行同步。此状态宜用于高频信号观测。
置“常态”时，由来自r轴或外接触发源的输入信号进行触发扫描。它是观测信号常用的触发扫描方式。
置“自动”时，扫描处于自激状态，不必调整“电平”旋钮，就能自动显示扫描线。
4．相位差的测量
双踪示波器的使用，例如波形显示、电压与时 间的测量等，其方法与普通示波器大体上相同。这 里重点叙述一下频率相同的两个信号，如何测量 它们的相位差。．
用双踪示波器测量两个同频率信号的相位差时， 除了根据待测电压信号频串的高低，考虑显示工作方 式开关选择“交替”还是选择“断续”工作方式外， 同时还要注意，由于是对两个信号的时间关系进行比 较，因此触发点正确与否极为重要。观测时应将
“内触发拉Yb”开关置于“拉Yb”位置，然后用内触发形式启动扫描，从而使双踪波形真实地显现出两个同频率信号的相位差。
图4—7—12所示的双踪波形，其一个周期占10div于是X轴1div代表相位差为360。／10=36·或2pi／lO=O.2pi，所以信号Ya与信号Yb的相位差
fai=D(div)·36·／div 或 fai=D(div)·O.2pi／div
式中D为Ya和Yb两个波形在X轴上的间距，单位用div(格).
由于示波器的扫描是自左向右进行的，X轴方向应是自左向右，所以信号Ya超前于信号Yb。 [注:本文参考<<物理实验教程>> 陈铭南 等编]
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【后记】
在可控硅调光电路这个实验中，我感受颇深，不仅是因为在实验中不小心焊烧掉的我的外套，更是因为我体会到的理论和实践的差距。从实验电路图的选定到相关资料的查找，从零件的购买到元件的焊接，皆是煞费苦心。从一开始我信誓旦旦的认为实验的简单，到最后却费时最多，付出最多，实在是有感于理想和现实的距离。
在该实验中遇到了不少问题，主要的有两个。第一个就是采购的零件，有的 质量不好，标定值和实际值大相径庭。例如电容的实际耐压值低于标定值，为此有两个电容被烧掉。还有变压器，其输出的电压远高于标定的，这个问题没有注意的话，无疑会给实验增加些危险。第二个就是元件的型号问题，这个问题可谓是最后把我弄的头晕目眩。我们所买的可控硅，要得型号和给的大不相同，结果第一次把实验顺利的做好了，第二次，做了好久都没做出来，最后分析得出是可控硅坏掉了。型号的不配，的确给我们增加了不少困难。
通过这次全程亲自动手的实验，虽然遇到了不少麻烦，但总的来说，的确是收获不少，也让我明白了理论重要，实践同样也重要。
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