Kako delujejo tiristorji (SCR) - Vadnica

V bistvu SCR (Silicon Controlled Rectifier), ki je znan tudi pod imenom Tiristor, deluje podobno kot tranzistor.

Kaj pomeni SCR

Naprava je dobila ime (SCR) zaradi svoje večplastne polprevodniške notranje strukture, ki se na začetku imena nanaša na besedo „silicij“.

Drugi del imena „Nadzorovan“ se nanaša na vhodni terminal naprave, ki se preklopi z zunanjim signalom za nadzor nad aktiviranjem naprave in s tem beseda „Nadzorovan“.

Izraz 'usmernik' pomeni lastnost popravljanja SCR, ko se sprožijo njegova vrata in je dovoljeno, da moč teče preko njegove anode do katodnih sponk, kar je lahko podobno kot pri usmerjanju z usmerniško diodo.

Zgornja razlaga jasno kaže, kako naprava deluje kot 'silicijev usmerjeni usmernik'.

Čeprav se SCR popravi kot dioda in posnema tranzistor zaradi sprožilne funkcije z zunanjim signalom, je notranja konfiguracija SCR sestavljena iz štirislojne polprevodniške ureditve (PNPN), ki je sestavljena iz 3 serij PN spojev, za razliko od diode, ki ima dvoslojni (PN) ali tranzistor, ki vključuje troslojno (PNP / NPN) polprevodniško konfiguracijo.

Za razumevanje notranje postavitve razloženih polprevodniških križišč in kako delujejo tiristorji (SCR) se lahko obrnete na naslednjo sliko.

Druga lastnost SCR, ki se izrazito ujema z diodo, je njena enosmerna značilnost, ki omogoča, da tok teče samo v eno smer skozi njo in blokira z druge strani, ko je vklopljen, saj je dejal, da imajo SCR še eno specializirano naravo, ki jim omogoča upravljanje kot odprto stikalo v izklopljenem načinu.

Ta dva ekstremna načina preklapljanja v SCR omejujeta te naprave pred ojačevalnimi signali, zato jih ni mogoče uporabiti kot tranzistorje za ojačanje utripajočega signala.

S silicijem usmerjeni usmerniki ali SCR-ji, tako kot Triacs, Diacs ali UJT, imajo lastnost, da delujejo kot hitro preklopna polprevodniška AC stikala, medtem ko uravnavajo dani AC potencial ali tok.

Torej za inženirje in ljubitelje teh naprav postanejo odlične polprevodniške stikalne možnosti, ko gre za regulacijo AC stikalnih naprav, kot so žarnice, motorji, zatemnilna stikala z največjo učinkovitostjo.

SCR je polprevodniška naprava s tremi terminali, ki so dodeljene kot anoda, katoda in vrata, ki pa so interno izdelane s 3 P-N stiki in imajo lastnost preklapljanja pri zelo visoki hitrosti.

Tako lahko napravo vklopite s katero koli želeno hitrostjo in diskretno nastavite čas VKLOP / IZKLOP, za izvedbo določenega povprečnega vklopa ali izklopa časa na obremenitev.

Tehnično lahko postavitev SCR ali tiristorja razumemo tako, da ga primerjamo z nekaj tranzistorji (BJT), povezanimi v vrstnem redu od zadaj, tako da nastanejo kot dopolnilni regenerativni par stikal, kot je prikazano na naslednji sliki :

Tiristorji dva tranzistorska analogija

Dve tranzistorski enakovredni verigi kažeta, da se kolektorski tok NPN tranzistorja TR2 napaja neposredno v dno PNP tranzistorja TR1, medtem ko kolektorski tok TR1 dovaja v bazo TR2.

Ta dva medsebojno povezana tranzistorja se pri prevodu zanašata drug na drugega, saj vsak tranzistor dobi osnovni oddajniški tok iz kolektorsko-oddajnega toka drugega. Torej, dokler eden od tranzistorjev ne dobi nekega osnovnega toka, se nič ne more zgoditi, tudi če je prisotna napetost anode na katodo.

Simulacija topologije SCR z integracijo dveh tranzistorjev razkrije, da je formacija takšna, da kolektorski tok NPN tranzistorja napaja naravnost na dno PNP tranzistorja TR1, medtem ko kolektorski tok TR1 povezuje napajanje z osnova TR2.

Zdi se, da simulirana konfiguracija dveh tranzistorjev medsebojno povezuje in dopolnjuje prevodnost s sprejemom osnovnega pogona od kolektorskega emiterskega toka drugega, zaradi česar je napetost vrat zelo ključna in zagotavlja, da prikazana konfiguracija ne more delovati, dokler se ne uporabi potencial vrat, celo v prisotnosti anode do katode je lahko obstojen.

V primeru, ko je anodni vod naprave bolj negativen od katode, omogoča, da N-P-križišče ostane naprej pristransko, vendar zagotavlja, da so zunanji P-N-križišča obrnjeni tako, da delujejo kot običajna usmerniška dioda.

Ta lastnost SCR-ja omogoča blokiranje povratnega toka, dokler na omenjenih vodih ne pride do občutno visoke napetosti, ki bi lahko presegla njegove značilnosti, kar povzroči, da SCR deluje tudi v odsotnosti pogona .

Zgornje se nanaša na kritične značilnosti tiristorjev, ki lahko povzročijo, da se naprava nezaželeno sproži z vzvratno visokonapetostno konico in / ali visoko temperaturo ali hitro naraščajočim dv / dt napetostnim prehodom.

Zdaj pa domnevamo, da v primeru, ko ima anodni priključek bolj pozitiven videz katodnega vodnika, to pomaga zunanjemu P-N križišču, da postane naprej pristransko, čeprav osrednje križišče N-P še naprej ostane obratno pristransko. To posledično zagotavlja, da je blokiran tudi prednji tok.

Torej, v primeru pozitivnega signala, induciranega na dnu NPN tranzistorja TR2, pride do prehoda kolektorskega toka proti dnu f TR1, ki v trunu prisili kolektorski tok, da preide proti PNP tranzistorju TR1, ki pospeši osnovni pogon TR2 in proces se okrepi.

Zgornji pogoj omogoča dvema tranzistorjema, da izboljšata svojo prevodnost do točke nasičenja zaradi prikazane povratne zanke regenerativne konfiguracije, ki ohranja situacijo zaklenjeno in zaklenjeno.

Tako takoj, ko se sproži SCR, omogoča toku, da tok teče od svoje anode do katode z le minimalno odpornostjo naprej, ki prihaja na pot, kar zagotavlja učinkovito prevodnost in delovanje naprave.

Ko je izpostavljen AC, lahko SCR blokira oba cikla AC, dokler se SCR ne sproži s sprožilno napetostjo na vratih in katodi, kar takoj omogoči, da pozitivni polovični cikel AC preide čez anodne katodne vodnike in naprava začne posnemati standardno usmerniško diodo, vendar le, dokler ostane sprožilec vrat vklopljen, prevodnost prekine trenutek, ko je sprožilec vrat odstranjen.

Krivulje prisilnih napetostnih tokov ali I-V za aktiviranje silicijevega usmernika so lahko prikazane na naslednji sliki:

Krivulje značilnosti tiristorja IV

Pri enosmernem vhodu pa se takoj, ko se tiristor sproži, zaradi razložene regenerativne prevodnosti sproži tako, da se anoda na katodni prevodnosti zadrži in ohrani prevod, tudi če je sprožilec vrat odstranjen.

Tako pri enosmerni moči vrata popolnoma izgubijo svoj vpliv, ko prvi sprožilni impulz prek vhoda naprave zagotovi zaklenjeni tok od svoje anode do katode. Lahko se zlomi s trenutnim prekinitvijo anodnega / katodnega tokovnega vira, medtem ko so vrata popolnoma neaktivna.

SCR ne more delovati kot BJT

SCR niso zasnovani tako, da bi bili popolnoma analogni kot tranzistorski kolegi, zato jih ni mogoče voditi v nekem vmesnem aktivnem območju za obremenitev, ki je lahko nekje med popolno prevodnostjo in konkurenčnim stikalom OFF.

To velja tudi zato, ker sprožilec vrat nima vpliva na to, koliko anode na katodo je mogoče voditi ali nasičiti, zato je že majhen trenutni impulz vrat dovolj, da anodo preusmeri na prevodnost katode v polno stikalo ON.

Zgornja funkcija omogoča primerjavo SCR-ja in njegovo obravnavo kot bistabilne zapahe z obema stabilnima stanjem, bodisi popolno vklopljeno bodisi popolno izklopljeno. To je posledica dveh posebnih značilnosti SCR kot odziva na vhode izmeničnega ali enosmernega toka, kot je razloženo v zgornjih oddelkih.

Kako uporabiti vrata SCR za nadzor njegovega preklopa

Kot smo že omenili, ko se SCR sproži z enosmernim vhodom in se njegova anodna katoda samodejno zaskoči, se ta lahko odklene ali izklopi bodisi s trenutnim popolnim odstranjevanjem anodnega napajalnega vira (anodni tok Ia) ali z zmanjšanjem istega na nekaj občutno nizka raven pod določenim zadrževalnim tokom naprave ali „najmanjšim zadrževalnim tokom“ Ih.

To pomeni, da je treba minimalen zadrževalni tok med anodo in katodo zmanjšati, dokler notranja zapašna tiristorska vez P-N ne obnovi svoje naravne blokirne funkcije.

Zato to tudi pomeni, da je za delovanje ali vodenje SCR s sprožilcem vrat nujno, da je anoda na katodni obremenitveni tok večja od določenega 'minimalnega zadrževalnega toka' Ih, sicer SCR morda ne bo izvedel prevodnosti obremenitve, zato če je IL obremenitveni tok, mora biti ta IL> IH.

Vendar, kot smo že omenili v prejšnjih razdelkih, ko se AC uporablja preko zatičev SCR Anode.Cathode, zagotavlja, da SCR ne sme izvajati učinka zapaha, ko je pogon vrat odstranjen.

To je zato, ker se izmenični signal vklopi in izklopi znotraj črte prehoda nič, kar ohranja anodo SCR na katodni tok, da se izklopi pri vsakem 180-stopinjskem premiku pozitivnega polovičnega cikla valovne oblike AC.

Ta pojav se imenuje 'naravna komutacija' in predstavlja bistveno značilnost prevodnosti SCR. V nasprotju s tem pri napajanju z enosmernim tokom ta funkcija pri SCR-jih postane nepomembna.

Ker pa je SCR zasnovan tako, da se obnaša kot usmerniška dioda, se učinkovito odziva le na pozitivne polovične cikle AC in ostaja obrnjen pristransko in popolnoma neodziven na drugi polovični cikel AC tudi ob prisotnosti vratnega signala.

To pomeni, da v prisotnosti sprožilca vrat SCR vodi preko svoje anode do katode samo za posamezne pozitivne polciklene izmeničnega toka, ostale polkroge pa ostane utišan.

Zaradi zgoraj razložene funkcije zaskočitve in tudi izseka med drugim polovičnim ciklom izmeničnega valovanja, lahko SCR učinkovito uporabimo za sekanje faznih ciklov izmeničnega toka, tako da je obremenitev mogoče preklopiti na kateri koli želeni (nastavljivi) nižji ravni moči .

Ta funkcija je znana tudi kot fazna kontrola in jo lahko izvedemo z zunanjim časovnim signalom, ki se uporablja prek vrat SCR. Ta signal odloča, po kolikšni zakasnitvi se lahko sproži SCR, ko AC faza začne pozitiven pol cikel.

Torej to omogoča preklapljanje le tistega dela izmeničnega vala, ki se prenaša po sprožilcu vrat .. ta fazni nadzor je ena glavnih značilnosti silicijevega tiristorja.

Kako delujejo tiristorji (SCR) pri regulaciji faz, lahko razumemo, če pogledamo spodnje slike.

Prvi diagram prikazuje SCR, katerega vrata se trajno sprožijo, kot je razvidno iz prvega diagrama, kar omogoča, da se celotna pozitivna valovna oblika sproži od začetka do konca, in sicer prek osrednje črte prehoda nič.

Tiristorski nadzor faz

Na začetku vsakega pozitivnega polovičnega cikla je SCR izklopljen. Ob indukciji vrat napetost aktivira SCR v prevodnost in omogoča, da se v celotnem pozitivnem polovičnem ciklu popolnoma zaklene 'ON'. Ko je tiristor vklopljen na začetku pol cikla (θ = 0o), bi bila priključena obremenitev (žarnica ali podobno) vklopljena za celoten pozitivni cikel valovne oblike izmeničnega toka (pol valovno usmerjen AC ) pri povišani povprečni napetosti 0,318 x Vp.

Ko se inicializacija stikala za vrata dvigne vzdolž pol cikla (θ = 0o do 90o), priklopljena svetilka sveti manj časa, neto napetost, ki je pripeta do žarnice, pa sorazmerno manj pada, tako da upade.

Nato je silikonski usmernik enostavno izkoristiti kot zatemnilnik izmeničnega toka in v številnih dodatnih aplikacijah za izmenično napajanje, na primer: nadzor hitrosti motorja z izmeničnim tokom, naprave za regulacijo toplote in vezja regulatorja moči itd.

Do zdaj smo bili priča, da je tiristor v bistvu polvalovna naprava, ki lahko prenaša tok samo v pozitivni polovici cikla, kadar je anoda pozitivna, in preprečuje tok toka tako kot dioda v primerih, ko je anoda negativna , tudi če ostane tok aktiven.

Kljub temu lahko najdete veliko več različic podobnih polprevodniških izdelkov, med katerimi lahko izberete, ki izvirajo pod naslovom 'Tiristor' in so zasnovani za delovanje v obe smeri polciklov, polnovalne enote ali pa jih lahko signal 'Gate' izklopi 'OFF' .

Tovrstni izdelki vključujejo 'tiristorje za izklop vrat' (GTO), 'statične indukcijske tiristorje' (SITH), 'MOS krmiljene tiristorje' (MCT), 'silicijevo krmiljeno stikalo' (SCS), 'triodne tiristorje' (TRIAC) in 'Lahko sproženi tiristorji' (LASCR), da jih identificiramo, pri čemer je toliko teh naprav dostopnih v številnih različnih napetostnih in tokovnih razredih, zaradi česar je zanimiva za uporabo v namene z zelo visoko močjo.

Pregled delovanja tiristorja

Silicijsko nadzorovani usmerniki, splošno znani kot tiristorji, so polprevodniške polprevodniške naprave PNPN s tremi križišči, ki jih lahko štejemo za dva medsebojno povezana tranzistorja, ki jih lahko uporabite pri preklapljanju težkih električnih obremenitev, ki se napajajo iz omrežja.

Zanje je značilno, da se zaskočijo - »VKLOP« z enim samim impulzom pozitivnega toka, ki deluje na njihov vodnik vhoda, in lahko ostanejo neprekinjeno »VKLOPLJENI«, dokler se tok Anode na katodi ne zmanjša pod njihovo določeno najmanjšo merilno vrednost zaklepanja ali obrne.

Statični atributi tiristorja

Tiristorji so polprevodniška oprema, konfigurirana za delovanje samo v stikalni funkciji. Tiristorji so trenutno nadzorovani izdelki, majhen vhodni tok lahko nadzira močnejši anodni tok. Omogoči tok samo enkrat predsmerno in sprožilni tok, ki se uporablja za vrata.

Tiristor deluje podobno kot usmerniška dioda, kadar koli se aktivira 'ON'. Anodni tok mora biti več kot le vzdržujoča vrednost toka, da se ohrani prevodnost. Zavira prehod toka v primeru vzvratne pristranskosti, ne glede na to, ali je vhodni tok vklopljen ali ne.

Takoj, ko je vklopljeno 'ON', se zaskoči 'ON', ne glede na to, ali je uporabljen tok vhoda, vendar le, če je anodni tok nad zapornim tokom.

Tiristorji so hitra stikala, s katerimi lahko nadomestite elektromehanske releje v številnih tokokrogih, saj preprosto nimajo nobenih vibrirajočih delov, nobenega kontaktnega obloka ali imajo težave s poslabšanjem ali umazanijo.

Toda poleg preprostega preklapljanja znatnih tokov 'ON' in 'OFF' lahko tiristorje izvedemo za upravljanje efektivne vrednosti izmeničnega toka izmeničnega toka, ne da bi pri tem izgubili precejšnjo moč. Odličen primer tiristorskega nadzora moči je v nadzoru električne razsvetljave, grelnikov in hitrosti motorja.

V naslednji vadnici si bomo ogledali nekaj osnovnih Tiristorska vezja in aplikacije z uporabo tako AC kot DC napajalnikov.