晶闸管又称可控硅，它是一种大功率可控整流元件，利用晶闸管，只要用很小的功率就可以对大功率（电流为几百安，电压为数百伏）的电源进行控制和变换。由于晶闸管具有体积小、重量轻、效率高、控制灵敏、容量大等优点，越来越多地应用在整流、逆变、直流开关、交流开关等方面。目前它已成为PLC标配输出口之一。晶闸管的种类很多，有普通型、双向型、快速型、可关断型和光控型等，其中以可关断型和光控型发展速度最快。
11-1晶闸管
１１-１-１晶闸管结构
晶闸管是由三个PN结组成的半导体器件，其内部结构如图１１-１（a）所示。它有三个电极：由外层P区引出的电极为阳极A、外层N区引出的电极为阴极K、中间P区引出的电极为控制极G（又称触发极或门极）。图１１-１（b）为螺栓型结构晶闸管的外形，螺栓那一端是阳极引出端，并利用它与散热器固定，另一端粗的引出线是阴极，细的是控制极。图１１-１（c）是一种小功率塑封式晶闸管，图１１-１（d）为晶闸管电路符号。
１１-１-２晶闸管工作原理
1-晶闸管的导电实验
为了说明晶闸管的导电原理，按图１１-２所示的电路做一个简单的实验。
（１）如图１１-２（a）所示，晶闸管阳极接直流电源的正端，阴极经灯泡接电源的负端，此时晶闸管承受正向电压。控制极电路中开关S断开（不加电压），这时灯不亮，说明晶闸管不导通。
（２）如图１１-２（b）所示，晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压，控制极相对于阴极也加正向电压，这时灯亮，说明晶闸管导通。
（３）晶闸管导通后，如果去掉控制极上的电压（将图１１-２（b）中的开关S断开），灯仍然亮。这表明晶闸管继续导通，即晶闸管一旦导通后，控制极就失去了控制作用。
（４）如图１１-２（c）所示，晶闸管的阳极和阴极间加反向电压，无论控制极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。
（５）如果控制极加反向电压，晶闸管阳极回路无论加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。
从上述实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件：
（１）晶闸管阳极电路加正向电压；（２）控制极电路加适当的正向电压（实际工作中加正触发脉冲信号）。
2-晶闸管工作原理
为了更清楚地说明晶闸管工作原理，可以把晶闸管看做是两个三极管PNP（VT１）管和NPN（VT２）管组合而成，电路模型如图１１-３所示。
设在阳极和阴极之间接上电源EA，在控制极和阴极之间接入电源EG，如图１１-４所示。
（１）晶闸管阳极加正电压EA时（即阳极接电源正极，阴极接电源负极），若控制极不加电压，其中有一个PN结反偏截止，故晶闸管截止。此时，晶闸管的状态称为正向阻断状态。
（２）晶闸管阳极加正电压EA，同时控制极也加正电压EG（即控制极接电源的正极，阴极接电源的负极），则VT１、VT２两个三极管都满足放大条件。在EG作用下，产生控制极电流IG，为VT２管提供基极电流IB２，IB２经VT２放大后形成集电极电流IC２＝β２IB２＝β２IG；IC２就是VT１管的基极电流IB１，IB１经VT１管放大后，产生较大的集电极电流IC１，IC１＝β１IB１＝β１β２IG，这个电流又流回VT１管的基极，再进行放大。这个正反馈过程如此循环往复，使VT１和VT２的电流迅速增大，从而进入饱和导通状态，即晶闸管由截止状态转变为导通状态。晶闸管导通后，如果撤掉控制极电压，由于IC１远大于IG，故VT２仍有较大的基极电流进入放大循环，使晶闸管继续导通。因此，EG只起触发作用，一经触发后，晶闸管就不受EG控制。
控制极电压EG称为触发电压。一般选用正脉冲电压做触发电压，它必须有足够的电压、电流值和足够的脉冲宽度，才能保证可靠触发。
晶闸管导通时，管压降约为１V。晶闸管导通后，性能与二极管相同。要使导通的晶闸管截止，必须将阳极电压降至零或为负，使晶闸管阳极电流降至维持电流IH以下。维持电流指维持上述正反馈过程所需的最小电流。
（３）晶闸管阳极加负电压－EA时（即阳极接电源负极，阴极接电源正极），因为至少有一个PN结反偏截止，只能通过很小的反向漏电流，故晶闸管截止。此时，晶闸管的状态称为反向阻断状态。
综上所述，晶闸管阳极加正电压EA，同时控制极也加正电压EG晶闸管导通，晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须将阳极电压降至零或为负，使晶闸管阳极电流降至维持电流IH以下，普通型晶闸管也具有单向导电性。
11-2晶闸管应用
１１-２-１可控整流
利用二极管作为整流元件的整流电路，其输出直流电压的大小是不能调节的，称为不可控整流电路，而利用晶闸管作为整流元件的整流电路，其输出直流电压的大小是可以调节的，称为可控整流电路。
图１１-５（a）是单相桥式半控整流电路，由于其中两个桥臂为晶闸管，另两个桥臂仍用二极管，故名半控。该电路的工作原理与二极管单相桥式整流电路基本相同，只是每当VT１或VT２承受正向阳极电压，而且在该晶闸管的控制极加上控制电压时，它才开始导通，负载RL上才能得到输出电压和电流，因而uo的波形如图１１-５（b）所示，可见uo是一个不完整的全波脉动电压，它相当于从完整的脉动电压上切去了前的一块。越大，切去的部分越多，输出直流电压（uo的平均值）越小。是晶闸管在正向阳极电压作用下，晶闸管开始导通的角度，称为控制角。图中角是晶闸管在一个周期内导通的范围，称为导通角。触发电压uG采用脉冲电压，它是由专门的触发电路供给的（图中未画出）。通过触发电路改变产生uG的时间，即改变角，就可以调节输出直流电压Uo的大小。该电路的输出直流电压和直流电流为。
１１-２-２双向晶闸管及其交流调压
利用双向晶闸管可实现交流调压。双向晶闸管相当于一对反向并联的普通晶闸管，共用一个控制极G，图形符号如图１１-６（a）所示。A１和A２之间是两个主电极（已无所谓阳极和阴极），控制电压加在电极A１和控制极G之间（正负均可）。通过控制电压的控制可实现双向导通。图１１-６（b）是利用双向晶闸管实现的交流调压电路。在电源电压的正半周，A２电位高于A１，在t＝时，加上控制电压，晶闸管正向导通。当电源电压为零时，晶闸管截止。在电源电压的负半周，A１电位高于A２，在t＝＋时，加上控制电压，晶闸管反向导通。直到电源电压为零时恢复截止，如此重复下去，负载两端便得到了如图１１-６（c）所示的波形不完整的交流电压uo，改变，即可改变uo的有效值，从而实现交流调压。
１１-２-３可关断晶闸管及其直流调压
可关断晶闸管与普通晶闸管的不同之处是：普通晶闸管在导通后，控制极不再起作用，只有在阳极电压为零时，晶闸管才会关断（即截止）。而可关断晶闸管在uA０，uG０时，与普通晶闸管一样，由截止变为导通，而在uA０，uG０时，即加上负脉冲控制电压时，晶闸管便可以由导通变为截止。而且关断可靠，关断时间比普通晶闸管短，工作频率较高，因而是一种比较理想的直流开关元件。图１１-７（a）是它的图形符号，图１１-７（b）是用可关断晶闸管组成的直流调压电路（直流斩波电路）。U为直流电源电压，晶闸管的阳极电压始终大于零，当t＝０时，加上正向控制电压，晶闸管导通，uoU；当t＝tw时，加上反向控制电压，晶闸管截止，uo＝０。如此反复下去，负载端便可得到如图１１-７（c）所示的断续的矩形波电压uo，矩形波宽度tw与周期T之比称为占空比。改变占空比，即可调节输出直流电压（uo的平均值）的大小。
小结
晶闸管是一种大功率可控整流器件，晶闸管阳极加正电压EA，同时控制极也加正电压晶闸管导通，晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须将阳极电压降至零或为负，使晶闸管阳极电流降至维持电流IH以下，晶闸管也具有单向导电性。
利用晶闸管可实现可控整流，利用双向晶闸管可实现交流调压（交流开关），利用可关断晶闸管可实现直流调压（直流开关）等。
习题
１１-１晶闸管和二极管有何相似之处？
１１-２晶闸管的导通条件和关断条件是什么？
１１-３晶闸管整流和二极管整流有何不同？
１１-４试画出将图１１-６（b）所示交流调压电路改用两个普通晶闸管来代替的电路。
１１-５直流调压电路中的可关断晶闸管能否用普通晶闸管来代替，为什么？
１１-６在晶闸管中，以极小的能量控制很大的功率，它与晶体管比较小的基极电流控制较大的集电极电流有何不同？
１１-７晶闸管导通时，通过其上的电流是由什么决定的？
１１-８为什么除去控制极电流不能使晶闸管截止？
１１-９晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管在工作原理上有何区别？
１１-１０一单相桥式半控整流电路如图１１-５（a）所示，RL＝１０，输入交流电压U２＝１００V，求为０°和为６０°时的输出直流电压和电流。
