简 介：本文通过LTspice仿真分析了一个晶闸管触发电路的工作原理。该电路在输入方波下降沿时产生约0.5ms的触发脉冲（峰值33V），利用PNP三极管的恒流特性驱动隔离变压器。核心设计包括4.7V稳压管限流、电感负载特性以及多重保护电路：D1/D2抑制反向脉冲，R1/C1降低开关速度，C4/C5滤波防误触发等。研究表明，该电路在工程可靠性方面考虑周全，其保护设计源于实践经验积累，体现了实际工程中应对环境不确定性的重要性。
关键词：晶闸管触发电路，保护电路
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01晶闸管触发电路
一、问题来源
今天看到 B 站的朋友留言一个问题。 他询问一个晶闸管触发电路的工作原理。 也就是为什么这个电路在输入脉冲低电平的时候出发晶闸管导通， 输入高电平的时候截止。 说实在的，这个电路之前我也没有使用过。 为了说明清楚它的工作原理， 在 LTspice 中建立了这个电路的仿真电路。 这样就便于我们就各个电路中的信号能够更加细致的观察， 进而说明它的核心工作原理以及外围保护电路的功能。 下面让我们探讨一下这个电路的工作原理吧。
二、LTspice仿真
下面先看一下 LTspice 的仿真结果。 由于晶闸管出发隔离变压器的参数在原来电路图中没有标示出来， 在这里是使用两个 10mH 的电感表示隔离变压器的原边和副边。 设置它们之间的耦合系数为 0.95。 利用一个 510 欧姆的电阻当做被触发晶闸管的负载。 在输入端口施加一个 50Hz的方波信号。 观察电阻负载上的波形信号。
仿真结果中，给出了输入信号以及负载上的电压信号。 输入信号是一个方波信号。 从0V 到24V变化。 在负载上出现了一个触发脉冲信号， 峰值电压达到了33V， 脉冲宽度大约为 0.5ms。 由于输出经过了两级二极管， 所以只在输入脉冲下降沿产生了触发正向脉冲， 在输入信号的上升沿并没有触发脉冲信号。 对于晶闸管这类半可控器件， 这个电路只是提供了导通触发脉冲。 没有提供关断脉冲。
三、为什么出现脉冲？
为什么输入一个方波信号， 这个电路会产生一个触发脉冲信号呢？ 说实在的，这一点开始的时候我也非常疑惑。 从整个电路的拓扑结构上来看， 它的核心是一个 PNP 的电流放大电路。 当输入信号为低电平的时候， PNP三极管的基极会通过 下面的 稳压二极管 D3 以及 电阻R3 提供基极电流。 进而使得三极管 Q1导通， 输出应该是一个高电平。 那么为什么会在隔离变压器的原边产生一个窄的脉冲电压信号呢？
解开输出脉冲的关键就是中间的这个稳压二极管。 原电路图中给出了这个二极管的稳压电压， 电压为4.7V。 这个稳压电压实际上施加在三极管Q1的输入电阻R4以及基极上。 这样就限制了三极管发射集合基极之间的电流。 如果考虑三极管 BE之间的电压降， 以及R7的电阻值为 4.7欧姆， 所以这个电流大约为 800mA左右。 最终这个电流的绝大部分通过三极管的集电极流向后面的负载。 从仿真电路中， 可以观察到流经R7的电流大小。 由于设置电流的观察方向为从右到左， 所以可以看到这个电流的确有 负的 800mA左右。 而且，流过三极管集电极的电流与发射记得电流从幅度上大体相等。 此时， 三极管处在恒流状态。
由于三极管集电极的负载是隔离变压器的原边， 所以在恒流驱动下， 变压器的原边的电压就只在电流变化的开始部分有电压， 一旦电流处在恒流状态， 变压器原边的电压就会变为 0V。 从展开的电压波形上来看， 蓝色是输入控制信号。 现在观察的是输入信号的下降沿。 绿色信号为三极管的发射极电压。 青色信号是三极管集电极电压信号。 从电路图上来看， 发射极电压随着电流的增加， 因为在 前面R7， 4.7欧姆上的电压降而略微下降。 当输出电流达到了三极管恒流区域的时候， 输出电压就急剧下降。 直到变化到0V。 这个变化过程时间， 应该等于输出恒流的大小， 除以电感负载上的电流变化率。 这个变化率是由输出电压除以隔离变压器原边的电感量决定的。
四、辅助电路
在核心的三极管恒流输出电流之外， 电路中还存在着更多的一些电阻、电容、稳压二极管。 这些都是为了提高电路的可靠性而设计的。 下面让我们逐一来分析一下这些器件的作用。 首先，由于负载是一个电感。 它在三极管Q1 截止的时候， 会产生关断反向电压脉冲。 为了避免这个脉冲对电路的影响， 其中 C2 会在输出导通和关断吸收一部分尖脉冲之外， 更多的反向脉冲能量是由 D1,D2以及电阻R2完成。 特别是其中 D1是一个稳压二极管， 它限制了反向电压脉冲的幅度。 在三极管Q1的基极回路中， 设计的稳压管 D3， 由于工作电源电压为 24V， 为了降低驱动电流的大小， 所以其中增加了稳压二极管 D3， 这样实际作用在 R3上的电流就会减小， 就降低了输入控制信号的电流。
在三极管Q1基极和发射极并联的 R1,C1， 主要是降低Q1的开关速度。 这个开关速度的降低， 也减小了 输出电感负载上的高频分量， 进一步降低了电路中高频信号信号对于其他电路的干扰。 此外， 中间三个电阻的并联，串联电容C3的做法， 具体的功能不详。 猜测是吸收电路板布线中存在的电感分量， 增加这些阻容可以有效减小电路回路中的高频波动。
电阻R8是并联在三极管发射极， 可以在电路掉电的时候快速释放电路中电容中的储能。 电阻R9并联在输入信号， 形成上拉电阻。 这样可以在输入信号断开的时候， 将输入信号偏置为 高电平。 两个二极管对于电路中的功能并没有任何影响， 只是会限制输入回路电流的流向。 考虑到如果这个电路板的供电消失， 但是输入信号还存在。 这两个二极管可以保护三极管 Q1 的发射极和基极不会被反向击穿。
两个电容C4,C5构成对输入信号差模滤波， 防止外部尖刺信号形成误触发。 R10和C6形成 RC串联电路， 能够对供电电源中存的线路漏感造成的震荡进行吸收。 隔离变压器的副边使用了两个二极管进行整流。 这也是考虑到电路的可靠性。 中间的电容C7也会对隔离变压器中存在尖刺脉冲信号进行吸收， 防止对晶闸管的误触发。 看到这个电路的设计， 就不由的感叹它在工程可靠性方面的考虑全面。 很多保护回路应该是在实际调试和工作中逐步积累出来的。
※总结 ※
本文初步讨论了一个实际晶闸管驱动电路的工作原理。 虽然我们能够通过仿真分析这个电路的工作原理。 但是，电路中存在着大量外围保护电路设计的目的， 往往无法通过仿真来揭示出来。 它们的存在应该是由更多的实际工程实践的积累才得以完善。 这一点也充分告诉我们， 一个可靠的工程设计并不只是原理上可行， 更重要的是能够克服实际工作环境的不确定性。
