Ako fungujú tyristory (SCR) - výukový program

SCR (Silicon Controlled Rectifier), ktorý je tiež známy pod menom Thyristor, funguje v podstate ako tranzistor.

Na čo slúži SCR

Názov prístroja (SCR) je získaný z dôvodu jeho viacvrstvovej vnútornej štruktúry polovodiča, ktorá na začiatku názvu odkazuje na slovo „kremík“.

Druhá časť názvu „Controlled“ sa týka hradlového terminálu zariadenia, ktorý je prepínaný externým signálom na účely ovládania aktivácie zariadenia, a teda slova „Controlled“.

A pojem „usmerňovač“ označuje usmerňovaciu vlastnosť SCR, keď sa aktivuje jej hradlo a nechá sa prúdiť energia cez jeho anódy ku katódovým svorkám, môže to byť podobné ako pri usmerňovaní pomocou usmerňovacej diódy.

Vyššie uvedené vysvetlenie objasňuje, ako zariadenie funguje ako „Silicon Controlled Rectifier“.

Aj keď je SCR usmerňovaná ako dióda a napodobňuje tranzistor vďaka svojej spúšťacej funkcii externým signálom, vnútorná konfigurácia SCR pozostáva zo štvorvrstvového polovodičového usporiadania (PNPN), ktoré je na rozdiel od diódy, ktorá je zložená z 3 sériových prechodov PN má dvojvrstvový (PN) alebo tranzistor, ktorý obsahuje trojvrstvovú (PNP / NPN) konfiguráciu polovodiča.

Na nasledujúcom obrázku sa dozviete, ako porozumieť vnútornému rozloženiu vysvetlených spojov polovodičov a ako fungujú tyristory (SCR).

Ďalšou vlastnosťou SCR, ktorá sa zreteľne zhoduje s diódou, je jej jednosmerná charakteristika, ktorá umožňuje, aby prúd cez ňu prechádzal iba jedným smerom a blokoval ju z druhej strany, keď je zapnutá, keďže SCR majú inú špecializovanú povahu, ktorá umožňuje ich prevádzku. ako otvorený spínač v režime vypnutia.

Tieto dva extrémne režimy prepínania v SCR obmedzujú tieto zariadenia v zosilňovaní signálov, a preto ich nemožno použiť ako tranzistory na zosilnenie pulzujúceho signálu.

Kremíkom riadené usmerňovače alebo SCR rovnako ako triaky, dioky alebo UJT, ktoré všetky majú tú vlastnosť, že fungujú ako rýchlo sa prepínajúce polovodičové striedavé spínače pri regulácii daného striedavého potenciálu alebo prúdu.

Takže pre inžinierov a fandov sa tieto zariadenia stávajú vynikajúcou možnosťou polovodičového prepínača, pokiaľ ide o reguláciu striedavých spínacích zariadení, ako sú žiarovky, motory, stmievače s maximálnou účinnosťou.

SCR je 3-koncové polovodičové zariadenie, ktoré je označované ako anóda, katóda a brána a ktoré sú zase vyrobené interne s 3 spojmi P-N, ktoré majú schopnosť prepínať veľmi vysokou rýchlosťou.

Zariadenie teda možno zapnúť ľubovoľnou požadovanou rýchlosťou a diskrétne nastaviť periódy zapnutia / vypnutia, aby sa dosiahol konkrétny priemerný čas zapnutia alebo vypnutia na záťaž.

Technicky možno usporiadanie SCR alebo tyristora pochopiť jeho porovnaním s niekoľkými tranzistormi (BJT) zapojenými zozadu dozadu, aby sa vytvorili ako doplnková regeneračná dvojica spínačov, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku. :

Tyristory, dve analógové tranzistory

Dva ekvivalentné obvody tranzistorov ukazujú, že kolektorový prúd tranzistora NPN TR2 sa napája priamo do základne tranzistora PNP TR1, zatiaľ čo kolektorový prúd TR1 sa napája do pätice TR2.

Tieto dva vzájomne prepojené tranzistory sa navzájom spoliehajú na vedenie, pretože každý tranzistor získava prúd báza-emitor z prúdu kolektora-emitora druhého. Takže kým jeden z tranzistorov nedostane základný prúd, nemôže sa nič stať, aj keď je prítomné napätie medzi anódou a katódou.

Simulácia topológie SCR s integráciou dvoch tranzistorov odhaľuje, že formácia musí byť taká, že kolektorový prúd tranzistora NPN dodáva priamo na základňu PNP tranzistora TR1, zatiaľ čo kolektorový prúd TR1 spája napájanie s základňa TR2.

Zdá sa, že simulovaná konfigurácia dvoch tranzistorov sa vzájomne blokuje a komplementuje vedenie prijatím základného pohonu z prúdu kolektora emitora druhého, vďaka čomu je hradlové napätie veľmi zásadné a zaisťuje, že zobrazená konfigurácia nemôže nikdy viesť, kým sa neuplatní potenciál hradla, aj v prítomnosti anódy na katóde môže potenciál pretrvávať.

V situácii, keď je anódový vývod zariadenia negatívnejší ako jeho katóda, umožňuje, aby prechod N-P zostal predpätý dopredu, ale zaisťuje, aby vonkajšie križovatky P-N boli spätne predpäté, takže funguje ako štandardná usmerňovacia dióda.

Táto vlastnosť SCR mu umožňuje blokovať spätný tok prúdu, kým sa cez uvedené vodiče nespôsobí výrazne vysoká veľkosť napätia, ktorá môže byť nad jeho zobákom, a to cez uvedené vodiče, čo núti SCR viesť aj pri absencii pohonu brány. .

Vyššie uvedené sa týka kritických charakteristík tyristorov, ktoré môžu spôsobiť nežiaduce spustenie zariadenia reverzným vysokonapäťovým hrotom a / alebo vysokou teplotou alebo rýchlo sa zvyšujúcim prechodným napätím dv / dt.

Teraz predpokladajme, že v situácii, keď má anódový terminál pozitívnejšie výsledky, pokiaľ ide o jeho katódový vývod, pomáha to vonkajšiemu spojeniu P-N s predpätím dopredu, hoci stredný spoj N-P zostáva naďalej skreslený. To následne zaisťuje, že je blokovaný aj dopredný prúd.

Preto v prípade, že pozitívny signál indukovaný cez základňu NPN tranzistora TR2 vedie k prechodu kolektorového prúdu smerom k základni f TR1, čo v trunde núti kolektorový prúd prechádzať smerom k PNP tranzistoru TR1, čím sa zvyšuje základný pohon TR2 a proces sa posilňuje.

Vyššie uvedená podmienka umožňuje dvom tranzistorom zvýšiť ich vedenie až do bodu nasýtenia vďaka ich zobrazenej spätnoväzbovej slučke regeneračnej konfigurácie, ktorá udržuje situáciu vzájomne prepojenú a zablokovanú.

Akonáhle je teda SCR spustený, umožňuje prúdenie prúdu z jeho anódy na katódu iba s minimálnym dopredným odporom okolo prechádzajúcim v dráhe, čo zaisťuje efektívne vedenie a činnosť zariadenia.

Keď je SCR vystavený striedavému prúdu, môže blokovať obidva cykly striedavého prúdu, až kým nebude SCR ponúkané so spúšťacím napätím cez jeho hradlo a katódu, čo okamžite umožňuje, aby pozitívny polovičný cyklus striedavého prúdu prešiel cez anódové katódové vodiče, a zariadenie začne napodobňovať štandardnú usmerňovaciu diódu, ale iba pokiaľ je spínač brány ZAPNUTÝ, dôjde k prerušeniu vedenia v okamihu, keď je spúšť brány odstránená.

Na nasledujúcom obrázku možno vidieť vynútené krivky napätia-prúdu alebo I-V pre aktiváciu kremíkom riadeného usmerňovača.

Tyristorové charakteristiky I-V

Avšak pri jednosmernom vstupe, akonáhle je tyristor spustený ZAPNUTÝ, kvôli vysvetlenému regeneračnému vedeniu podlieha aretačnému pôsobeniu, takže vedenie medzi anódou a katódou drží a udržuje vedenie, aj keď je spúšť brány odstránená.

Pre jednosmerný prúd teda hradlo úplne stráca vplyv, akonáhle je prvý spúšťací impulz privedený cez hradlo zariadenia, čím sa zabezpečí blokovaný prúd z jeho anódy na katódu. Môže sa prerušiť krátkodobým prerušením zdroja prúdu anóda / katóda, keď je hradlo úplne neaktívne.

SCR nemôže fungovať ako BJT

SCR nie sú navrhnuté tak, aby boli úplne analógové ako náprotivky tranzistorov, a preto ich nemožno nútiť viesť v určitej strednej aktívnej oblasti pre záťaž, ktorá môže byť niekde medzi úplným vedením a vypnutím konkurencie.

To je tiež pravda, pretože spúšť hradla nemá žiadny vplyv na to, koľko je možné priviesť alebo nasýtiť anódu na katódu, takže stačí aj malý okamihový hradlový impulz na to, aby sa vedenie anódy na katódu preplo na úplné ZAPNUTIE.

Vyššie uvedená vlastnosť umožňuje porovnanie SCR a považuje sa za bistabilnú západku, ktorá má dva stabilné stavy, buď úplné ZAPNUTIE alebo úplné VYPNUTIE. Je to spôsobené dvomi špeciálnymi charakteristikami SCR v reakcii na AC alebo DC vstupy, ako je vysvetlené vo vyššie uvedených častiach.

Ako používať bránu SCR na riadenie jej prepínania

Ako už bolo diskutované, akonáhle je SCR spustený jednosmerným vstupom a jeho anódová katóda je samočinne blokovaná, je možné ju odblokovať alebo vypnúť buď okamžitým úplným odstránením zdroja napájania anódy (anódový prúd Ia), alebo jeho znížením na niektoré hodnoty. výrazne nízka úroveň pod špecifikovaný prídržný prúd zariadenia alebo „minimálny prídržný prúd“ Ih.

To znamená, že minimálny prídržný prúd medzi anódou a katódou by sa mal znížiť, kým vnútorná západková väzba tyristorov P-N nie je schopná obnoviť svoju prirodzenú blokovaciu vlastnosť v činnosti.

To teda znamená, že aby SCR fungoval alebo pracoval so spúšťou hradla, je nevyhnutné, aby prúd záťaže anódy ku katóde bol nad stanovený „minimálny prídržný prúd“ Ih, inak by SCR mohlo zlyhať pri realizácii vedenia záťaže, preto ak IL je prúd záťaže, musí to byť IL> IH.

Ako už však bolo uvedené v predchádzajúcich častiach, keď sa na kolíkoch SCR Anode.Cathode použije striedavý prúd, zaistí sa, že SCR nebude môcť vykonať západkový efekt, keď je odstránený pohon brány.

Je to preto, že signál striedavého prúdu sa zapína a vypína v rámci svojej čiary prechodu nulou, čo udržuje prúd anódy SCR na katódovom prúde, aby sa vypínal pri každom 180-stupňovom posune kladnej polovice cyklu tvaru vlny AC.

Tento jav sa nazýva „prirodzená komutácia“ a vnáša do vedenia SCR zásadný rys. Na rozdiel od napájania jednosmerným prúdom sa táto vlastnosť stáva pri SCR nevýznamná.

Ale pretože SCR je navrhnutý tak, aby sa správal ako usmerňovacia dióda, účinne reaguje iba na kladné polovičné cykly striedavého prúdu a zostáva reverzne predpätý a úplne nereaguje na druhú polovičný cyklus striedavého prúdu aj za prítomnosti hradlového signálu.

To znamená, že v prítomnosti hradlového spúšťača vedie SCR cez svoju anódu ku katóde iba pre príslušné pozitívne polovičné cykly AC a zostáva tlmený pre ostatné polovičné cykly.

Vďaka vyššie vysvetlenej západkovej funkcii a tiež prerušeniu priebehu druhej polovice cyklu krivky striedavého prúdu možno SCR efektívne využiť na sekanie fázových cyklov striedavého prúdu, takže záťaž je možné prepnúť na ľubovoľnú požadovanú (nastaviteľnú) nižšiu úroveň výkonu .

Táto funkcia, známa tiež ako fázové riadenie, sa dá implementovať prostredníctvom externého časovaného signálu privádzaného cez bránu SCR. Tento signál rozhoduje o tom, po akom veľkom oneskorení môže byť SCR spustený, akonáhle AC fáza začne svoj kladný polovičný cyklus.

Toto teda umožňuje prepínať iba tú časť striedavého vlnenia, ktorá prechádza po spúšťači hradla. Táto fázová regulácia patrí medzi hlavné črty kremíkom riadeného tyristora.

Ako tyristory (SCR) pracujú pri fázovom riadení, je možné pochopiť podľa obrázkov nižšie.

Prvý diagram zobrazuje SCR, ktorého brána je trvale spustená, ako je vidieť na prvom diagrame, čo umožňuje iniciovať úplný pozitívny tvar vlny od začiatku do konca, teda cez strednú čiaru prechodu nulou.

Tyristorové fázové riadenie

Na začiatku každého pozitívneho pol cyklu je SCR „VYPNUTÝ“. Pri indukcii hradlového napätia aktivuje SCR na vedenie a umožňuje mu úplné zablokovanie „ON“ počas celého kladného pol cyklu. Keď je tyristor zapnutý na začiatku polcyklu (θ = 0o), pripojená záťaž (žiarovka alebo podobná žiarovka) by bola „ZAPNUTÁ“ pre celý kladný cyklus krivky striedavého prúdu (polovičná usmernená striedavá energia ) pri zvýšenom priemernom napätí 0,318 x Vp.

Keď sa inicializácia hradlového spínača ON zvýši pozdĺž polovičného cyklu (θ = 0 ° až 90 °), pripojená žiarovka sa rozsvieti na menší čas a sieťové napätie privedené k žiarovke tiež proporcionálne menej klesá s jej intenzitou.

Následne je ľahké použiť kremíkom riadený usmerňovač ako stmievač svetla s striedavým prúdom a v mnohých ďalších aplikáciách napájania striedavým prúdom, napríklad: riadenie otáčok motora striedavého prúdu, zariadenia na reguláciu tepla a obvody regulátora výkonu atď.

Doteraz sme boli svedkami toho, že tyristor je v zásade polvlnné zariadenie, ktoré je schopné prenášať prúd iba v kladnej polovici cyklu, kedykoľvek je anóda pozitívna, a zabraňuje toku prúdu rovnako ako dióda v prípadoch, keď je anóda negatívna , aj keď prúd brány zostáva aktívny.

Napriek tomu môžete nájsť oveľa viac variantov podobných polovodičových výrobkov, z ktorých je možné vybrať tie, ktoré pochádzajú z názvu „Tyristor“ určené na prevádzku v oboch smeroch polovičných cyklov, plných vĺn alebo ktoré je možné vypnúť „VYPNUTÝ“ signálom Gate. .

Tento druh výrobkov obsahuje „Gate Turn-OFF Thyristors“ (GTO), „Static Induction Thyristors“ (SITH), „MOS Controlled Thyristors“ (MCT), „Silicon Controlled Switch“ (SCS), „triodové tyristory“ (TRIAC) a „Light Triggered Thyristors“ (LASCR) na identifikáciu niekoľkých, pričom toľko z týchto zariadení je prístupných v mnohých rôznych hodnotách napätia a prúdu, vďaka čomu je zaujímavé ich použitie na účely pri veľmi vysokých úrovniach výkonu.

Prehľad práce tyristora

Kremíkom riadené usmerňovače známe všeobecne ako tyristory sú trojprúdové polovodičové zariadenia PNPN, ktoré možno považovať za dva vzájomne prepojené tranzistory, ktoré môžete použiť pri spínaní veľkých elektrických záťaží napájaných zo siete.

Vyznačujú sa tým, že sú blokované - „ZAPNUTÉ“ jediným impulzom kladného prúdu privádzaného na ich vodič brány a môžu byť stále v stave „ZAPNUTÉ“, kým prúd anódy na katódu nie je znížený pod stanovenú minimálnu mieru blokovania alebo zvrátený.

Statické atribúty tyristora

Tyristory sú polovodičové zariadenia nakonfigurované tak, aby fungovali iba v spínacej funkcii. Tyristory sú produkty riadené prúdom, malý hradlový prúd je schopný riadiť podstatnejší anódový prúd. Povolí prúd iba raz predpätý a spúšťací prúd aplikovaný na bránu.

Tyristor pracuje podobne ako dióda usmerňovača, kedykoľvek je aktivovaný „ZAPNUTÝ“. Anódový prúd musí byť viac ako udržiavanie hodnoty prúdu, aby sa chránilo vedenie. Inhibuje prechod prúdu v prípade, že je spätne predpätý, bez ohľadu na to, či je alebo nie je zapnutý prúd Gate.

Akonáhle je zapnutý, zapne sa, zapnutý, bez ohľadu na to, či je aplikovaný prúd hradla, ale iba v prípade, že je anódový prúd nad prúdom blokovania.

Tyristory sú rýchle spínače, ktoré môžete použiť na nahradenie elektromechanických relé v mnohých obvodoch, pretože jednoducho neobsahujú žiadne vibrujúce časti, nevytvárajú kontaktné oblúky ani nemajú problémy so znehodnotením alebo znečistením.

Ale okrem jednoduchého prepínania podstatných prúdov „ZAPNUTÉ“ a „VYPNUTÝCH“ je možné dosiahnuť tyristory na správu RMS hodnoty prúdu striedavého prúdu bez toho, aby sa rozptýlilo značné množstvo energie. Vynikajúcim príkladom riadenia výkonu tyristora je ovládanie elektrického osvetlenia, ohrievačov a otáčok motora.

V ďalšom návode sa pozrieme na niektoré základné Tyristorové obvody a aplikácie pomocou striedavého aj jednosmerného napájania.