Как работают тиристоры (SCR) - Учебное пособие

По сути, SCR (выпрямитель с кремниевым управлением), также известный под названием Thyristor, работает как транзистор.

Что означает SCR

Устройство получило свое название (SCR) из-за своей многослойной полупроводниковой внутренней структуры, которая отсылает к слову «кремний» в начале его названия.

Вторая часть названия «Управляемый» относится к терминалу ворот устройства, который переключается с помощью внешнего сигнала для управления активацией устройства, отсюда и слово «Управляемый».

И термин «выпрямитель» обозначает свойство выпрямления SCR, когда его затвор срабатывает, и мощность может течь через его анод к катодным выводам, это может быть похоже на выпрямление с выпрямительным диодом.

Приведенное выше объяснение дает понять, как устройство работает как «выпрямитель с кремниевым управлением».

Хотя SCR выпрямляет как диод и имитирует транзистор из-за его функции запуска с внешним сигналом, внутренняя конфигурация SCR состоит из четырехслойной полупроводниковой схемы (PNPN), которая состоит из 3 последовательных PN-переходов, в отличие от диода, который имеет двухслойную (PN) или транзисторную, которая включает трехслойную (PNP / NPN) полупроводниковую конфигурацию.

Вы можете обратиться к следующему изображению, чтобы понять внутреннюю схему описанных полупроводниковых переходов и то, как работают тиристоры (SCR).

Другое свойство SCR, которое явно соответствует диоду, - это его однонаправленные характеристики, которые позволяют току течь только в одном направлении через него и блокироваться с другой стороны, когда он включен, при этом у SCR есть другая специализированная природа, которая позволяет им работать. как разомкнутый выключатель в выключенном режиме.

Эти два крайних режима переключения в SCR ограничивают эти устройства от усиления сигналов, и они не могут использоваться как транзисторы для усиления пульсирующего сигнала.

Выпрямители с кремниевым управлением или тиристоры, такие как симисторы, диоды или UJT, которые все обладают свойством работать как быстро переключающиеся твердотельные переключатели переменного тока, регулируя заданный потенциал или ток переменного тока.

Таким образом, для инженеров и любителей эти устройства становятся отличным вариантом твердотельного переключателя, когда дело доходит до регулирования переключающих устройств переменного тока, таких как лампы, двигатели, диммерные переключатели, с максимальной эффективностью.

SCR - это полупроводниковое устройство с 3 контактами, которые назначаются как анод, катод и затвор, которые, в свою очередь, внутри сделаны с 3 переходами P-N, имеющими свойство переключаться с очень высокой скоростью.

Таким образом, устройство можно переключать с любой желаемой частотой и дискретно устанавливать периоды включения / выключения для реализации определенного среднего времени включения или выключения нагрузки.

Технически схему SCR или тиристора можно понять, сравнив ее с парой транзисторов (BJT), подключенных в обратном порядке, чтобы сформировать как дополняющую рекуперативную пару переключателей, как показано на следующем изображении. :

Тиристоры Двухтранзисторная аналогия

Эквивалентная схема двух транзисторов показывает, что коллекторный ток NPN-транзистора TR2 подается непосредственно на базу PNP-транзистора TR1, тогда как коллекторный ток TR1 подается на базу TR2.

Эти два взаимосвязанных транзистора зависят друг от друга для обеспечения проводимости, поскольку каждый транзистор получает свой ток база-эмиттер от тока коллектора-эмиттера другого. Таким образом, пока один из транзисторов не получит некоторый базовый ток, ничего не может произойти, даже если присутствует напряжение анод-катод.

Моделирование топологии SCR с интеграцией двух транзисторов показывает, что формирование происходит таким образом, что коллекторный ток NPN-транзистора подается прямо на базу PNP-транзистора TR1, в то время как коллекторный ток TR1 соединяет питание с база TR2.

Смоделированная конфигурация двух транзисторов, кажется, блокирует и дополняет проводимость друг друга, получая базовое возбуждение от тока коллектора-эмиттера другого, это делает напряжение затвора очень важным и гарантирует, что показанная конфигурация никогда не сможет проводить, пока не будет приложен потенциал затвора, даже в присутствии анода к катоду потенциал может быть постоянным.

В ситуации, когда анодный вывод устройства более отрицательный, чем его катод, он позволяет N-P-переходу оставаться смещенным в прямом направлении, но обеспечивает обратное смещение внешних P-N-переходов, так что он действует как стандартный выпрямительный диод.

Это свойство SCR позволяет ему блокировать обратный ток до тех пор, пока на упомянутые выводы не будет оказано значительное напряжение, которое может выходить за рамки его технических характеристик, что заставляет SCR проводить даже при отсутствии привода затвора. .

Вышеупомянутое относится к критическим характеристикам тиристоров, которые могут вызвать нежелательное срабатывание устройства из-за всплеска обратного высокого напряжения и / или высокой температуры, или быстро возрастающего переходного напряжения dv / dt.

Теперь предположим, что в ситуации, когда клемма анода имеет более положительное отношение к ее катодному выводу, это помогает внешнему P-N-переходу стать смещенным в прямом направлении, хотя центральный N-P-переход продолжает оставаться смещенным в обратном направлении. Следовательно, это гарантирует, что прямой ток также заблокирован.

Следовательно, в случае, если положительный сигнал, индуцированный через базу NPN-транзистора TR2, приводит к прохождению тока коллектора по направлению к базе f TR1, что в trun заставляет ток коллектора проходить в направлении PNP-транзистора TR1, увеличивая возбуждение базы TR2 и процесс усиливается.

Вышеупомянутое условие позволяет двум транзисторам увеличивать свою проводимость до точки насыщения благодаря показанной им цепи обратной связи с регенеративной конфигурацией, которая удерживает ситуацию блокируемой и фиксированной.

Таким образом, как только SCR срабатывает, он позволяет току течь от анода к катоду с минимальным прямым сопротивлением, приближающимся на пути, обеспечивая эффективную проводимость и работу устройства.

При воздействии переменного тока SCR может блокировать оба цикла переменного тока до тех пор, пока на SCR не будет предложено запускающее напряжение на его затвор и катод, что мгновенно позволяет положительному полупериоду переменного тока проходить через анодные катодные выводы, и устройство начинает имитировать стандартный выпрямительный диод, но только до тех пор, пока триггер затвора остается включенным, проводимость прерывается в момент снятия триггера затвора.

Кривые принудительных вольт-амперных характеристик или ВАХ для активации кремниевого управляемого выпрямителя можно увидеть на следующем изображении:

Кривые ВАХ тиристоров

Однако для входа постоянного тока, как только тиристор запускается, из-за объясненной регенеративной проводимости он претерпевает фиксирующее действие, так что проводимость анода к катоду сохраняется и остается проводящей, даже если триггер затвора удален.

Таким образом, для питания постоянного тока затвор полностью теряет свое влияние, как только первый запускающий импульс подается на затвор устройства, обеспечивая фиксированный ток от его анода к катоду. Он может быть нарушен путем кратковременного отключения источника тока анод / катод, когда затвор полностью неактивен.

SCR не может работать как BJT

SCR не предназначены для того, чтобы быть полностью аналогичными аналогам транзисторов, и поэтому их нельзя заставить проводить в какой-то промежуточной активной области для нагрузки, которая может находиться где-то между полной проводимостью и полным выключением.

Это также верно, потому что триггер затвора не влияет на то, насколько анод-катод может быть проведен или насыщен, поэтому даже небольшого мгновенного затворного импульса достаточно, чтобы переключить анод-катод на полное включение.

Вышеупомянутая функция позволяет сравнивать SCR и рассматривать его как бистабильную защелку, имеющую два стабильных состояния: полное включение или полное отключение. Это вызвано двумя особыми характеристиками SCR в ответ на входы переменного или постоянного тока, как объяснено в предыдущих разделах.

Как использовать затвор SCR для управления его переключением

Как обсуждалось ранее, как только SCR запускается входом постоянного тока и его анодный катод автоматически фиксируется, он может быть разблокирован или выключен либо мгновенным отключением источника питания анода (анодный ток Ia) полностью, либо уменьшением его до некоторого значительно низкий уровень ниже указанного удерживающего тока устройства или «минимального удерживающего тока» Ih.

Это означает, что минимальный ток удержания между анодом и катодом должен быть уменьшен до тех пор, пока внутренняя фиксирующая связь P-N тиристора не сможет восстановить свою естественную блокирующую способность.

Следовательно, это также означает, что для того, чтобы SCR работал или проводился с триггером затвора, необходимо, чтобы ток нагрузки между анодом и катодом превышал указанный `` минимальный ток удержания '' Ih, иначе SCR может не реализовать проводимость нагрузки, поэтому если IL - ток нагрузки, это должно быть как IL> IH.

Однако, как уже обсуждалось в предыдущих разделах, когда переменный ток используется через контакты SCR Anode.Cathode, это гарантирует, что SCR не будет разрешено выполнять эффект фиксации при удалении привода затвора.

Это связано с тем, что сигнал переменного тока включается и выключается в пределах своей линии пересечения нуля, что удерживает ток между анодом тринистора и катодом, чтобы отключаться при каждом сдвиге на 180 градусов положительного полупериода сигнала переменного тока.

Это явление называется «естественной коммутацией» и придает решающее значение проводимости SCR. В отличие от источников постоянного тока, эта функция становится несущественной для SCR.

Но поскольку SCR спроектирован так, чтобы вести себя как выпрямительный диод, он эффективно реагирует только на положительные полупериоды переменного тока и остается смещенным в обратном направлении и полностью не реагирует на другой полупериод переменного тока даже при наличии сигнала затвора.

Это означает, что при наличии триггера затвора SCR проводит через свой анод к катоду только в течение соответствующих положительных полупериодов переменного тока и остается заглушенным в течение других полупериодов.

Из-за описанной выше функции фиксации, а также отключения во время другого полупериода сигнала переменного тока, SCR можно эффективно использовать для прерывания фазных циклов переменного тока, так что нагрузку можно переключать на любой желаемый (регулируемый) более низкий уровень мощности. .

Эта функция, также известная как управление фазой, может быть реализована с помощью внешнего синхронизированного сигнала, подаваемого на затвор SCR. Этот сигнал определяет, после какой задержки может сработать SCR, когда фаза переменного тока начала свой положительный полупериод.

Таким образом, это позволяет переключать только ту часть волны переменного тока, которая проходит после триггера затвора. Эта регулировка фазы является одной из основных характеристик кремниевого управляемого тиристора.

Как тиристоры (SCR) работают в режиме управления фазой, можно понять, взглянув на изображения ниже.

На первой диаграмме показан SCR, затвор которого постоянно запускается, как можно видеть на первой диаграмме, это позволяет инициировать полную положительную форму волны от начала до конца, то есть через центральную линию пересечения нуля.

Управление фазой тиристора

В начале каждого положительного полупериода SCR выключен. При наведении на затвор напряжение активирует SCR в проводимость и позволяет ему полностью зафиксироваться в состоянии «ВКЛ» в течение положительного полупериода. Когда тиристор включается в начале полупериода (θ = 0o), подключенная нагрузка (лампа или что-то подобное) будет «ВКЛ» в течение всего положительного цикла формы волны переменного тока (полуволновой выпрямленный переменный ток. ) при повышенном среднем напряжении 0,318 x Vp.

По мере того как инициализация переключателя затвора увеличивается в течение полупериода (θ = от 0 ° до 90 °), подключенная лампа горит на меньшее количество времени, и сетевое напряжение, подаваемое на лампу, также пропорционально меньше падает ее интенсивность.

Впоследствии можно легко использовать кремниевый управляемый выпрямитель в качестве диммера переменного тока и во многих различных дополнительных приложениях питания переменного тока, например: управление скоростью двигателя переменного тока, устройства управления нагревом, схемы регулятора мощности и так далее.

До сих пор мы были свидетелями того, что тиристор, по сути, является полуволновым устройством, которое может пропускать ток только в положительной половине цикла, когда анод положительный, и предотвращает протекание тока так же, как диод в случаях, когда анод отрицательный. , даже если ток затвора остается активным.

Тем не менее, вы можете найти гораздо больше вариантов подобных полупроводниковых продуктов на выбор, которые происходят под названием «Тиристор», предназначенные для работы в обоих направлениях полупериодов, двухполупериодные блоки или могут быть выключены сигналом затвора. .

Этот вид продукции включает в себя «тиристоры с выключенным затвором» (GTO), «тиристоры статической индукции» (SITH), «тиристоры с МОП-управлением» (MCT), «кремниевый управляемый переключатель» (SCS), «триодные тиристоры» (TRIAC) и «Тиристоры с управляемым светом» (LASCR), чтобы идентифицировать несколько, причем так много из этих устройств доступны с разными номинальными значениями напряжения и тока, что делает их интересными для использования в целях с очень высокими уровнями мощности.

Обзор работы тиристора

Выпрямители с кремниевым управлением, известные как тиристоры, представляют собой трехпереходные полупроводниковые устройства PNPN, которые можно рассматривать как два взаимосвязанных транзистора, которые можно использовать для переключения тяжелых электрических нагрузок, работающих от сети.

Они характеризуются тем, что они фиксируются - «включены» одним импульсом положительного тока, приложенного к их выводу затвора, и могут оставаться в состоянии «включено» бесконечно, пока ток между анодом и катодом не снизится ниже заданной минимальной меры фиксации или не изменится на обратное.

Статические атрибуты тиристора

Тиристоры - это полупроводниковое оборудование, сконфигурированное для работы только в режиме переключения. Тиристоры - это продукты с регулируемым током, крошечный ток затвора может контролировать более значительный анодный ток. Включает ток только один раз с прямым смещением и током срабатывания, подаваемым на затвор.

Тиристор работает так же, как выпрямительный диод, когда он активирован «ВКЛ». Анодный ток должен быть больше, чем поддерживаемое значение тока, чтобы сохранить проводимость. Запрещает прохождение тока в случае обратного смещения, независимо от того, включен ли ток затвора.

Как только включается, фиксируется «ВКЛ» независимо от того, применяется ли ток затвора, но только в том случае, если ток анода выше тока фиксации.

Тиристоры - это быстрые переключатели, которые вы можете использовать для замены электромеханических реле в ряде цепей, поскольку они просто не имеют никаких вибрирующих частей, нет дуги контактов или имеют проблемы с износом или грязью.

Но помимо простого переключения значительных токов «ВКЛ» и «ВЫКЛ», тиристоры могут быть выполнены для управления среднеквадратичным значением тока нагрузки переменного тока без рассеивания значительного количества энергии. Прекрасным примером управления мощностью тиристора является управление электрическим освещением, нагревателями и скоростью двигателя.

В следующем уроке мы рассмотрим некоторые основные Схемы тиристоров и их применение с использованием источников переменного и постоянного тока.