Cum funcționează tiristoarele (SCR) - Tutorial

Practic, un SCR (redresor controlat cu silicon), cunoscut și sub numele de Tiristor, funcționează destul de mult ca un tranzistor.

Ce înseamnă SCR

Dispozitivul își primește numele (SCR) datorită structurii sale semiconductoare interne cu mai multe straturi, care se referă la cuvântul „siliciu” de la începutul numelui său.

A doua parte a numelui „Controlat” se referă la terminalul de poartă al dispozitivului, care este comutat cu un semnal extern pentru a controla activarea dispozitivului și, prin urmare, cuvântul „Controlat”.

Iar termenul „Rectifier” înseamnă proprietatea de rectificare a SCR atunci când poarta sa este declanșată și puterea este permisă să curgă peste anodul său către terminalele catodice, acest lucru poate fi similar cu rectificarea cu o diodă redresoare.

Explicația de mai sus arată clar modul în care dispozitivul funcționează ca un „redresor controlat cu siliciu”.

Deși un SCR rectifică ca o diodă și imită un tranzistor datorită caracteristicii sale de declanșare cu un semnal extern, o configurație internă SCR constă dintr-un aranjament semiconductor cu patru straturi (PNPN) care este alcătuit din joncțiuni PN din 3 serii, spre deosebire de o diodă care are un 2-strat (PN) sau un tranzistor care include o configurație semiconductoare în trei straturi (PNP / NPN).

Vă puteți referi la următoarea imagine pentru a înțelege aspectul intern al joncțiunilor semiconductoare explicate și modul în care funcționează tiristoarele (SCR).

O altă proprietate SCR care se potrivește în mod distinct cu o diodă este caracteristicile sale unidirecționale care permit curentului să curgă doar într-o direcție prin ea și să se blocheze din cealaltă parte în timp ce este pornit, după ce a spus că SCR-urile au o altă natură specializată care le permite să fie acționate. ca întrerupător deschis în timp ce se află în modul OPRIT.

Aceste două moduri extreme de comutare în SCR-uri restricționează aceste dispozitive de la amplificarea semnalelor și acestea nu pot fi utilizate ca tranzistoare pentru amplificarea unui semnal pulsatoriu.

Redresoarele controlate de siliciu sau SCR-urile la fel ca Triacs, Diacs sau UJT, care au toate proprietatea de a funcționa ca întrerupătoarele de curent alternativ cu comutare rapidă în timp ce reglează un potențial sau curent alternativ dat.

Așadar, pentru ingineri și pasionați, aceste dispozitive devin o opțiune excelentă a comutatorului în stare solidă atunci când vine vorba de reglarea dispozitivelor de comutare în curent alternativ, cum ar fi lămpile, motoarele, comutatoarele variatoare cu randament maxim.

Un SCR este un dispozitiv semiconductor cu 3 terminale care sunt atribuite ca anod, catod și poartă, care la rândul lor sunt realizate intern cu 3 joncțiuni P-N, având proprietatea de a comuta la o viteză foarte mare.

Astfel, dispozitivul poate fi comutat la orice rată dorită și poate seta discret perioadele de PORNIT / OPRIT, pentru implementarea unui anumit comutator mediu PORNIT sau PORNIT timp de încărcare.

Din punct de vedere tehnic, aspectul unui SCR sau al unui tiristor poate fi înțeles comparându-l cu un cuplu de tranzistoare (BJT) conectate în ordinea din spate în spate, astfel încât să se formeze ca o pereche de comutatoare regenerative complementare, așa cum se arată în imaginea următoare :

Tiristorii Analogie cu doi tranzistori

Circuitul echivalent cu doi tranzistori arată că curentul colector al tranzistorului NPN TR2 se alimentează direct în baza tranzistorului PNP TR1, în timp ce curentul colector al TR1 se alimentează în baza TR2.

Acești doi tranzistori interconectați se bazează unul pe celălalt pentru conducere, deoarece fiecare tranzistor își ia curentul de bază-emițător din curentul colector-emițător al celuilalt. Deci, până când unuia dintre tranzistori nu i se dă un curent de bază, nimic nu se poate întâmpla chiar dacă este prezentă o tensiune de la anod la catod.

Simularea topologiei SCR cu o integrare cu doi tranzistori dezvăluie formarea astfel încât curentul colector al tranzistorului NPN să se alimenteze direct la baza tranzistorului PNP TR1, în timp ce curentul colector al TR1 conectează alimentarea cu baza TR2.

Configurația simulată a doi tranzistori pare să se blocheze și să completeze conducerea reciprocă primind unitatea de bază de la curentul emițătorului colector al celuilalt, ceea ce face tensiunea porții foarte crucială și asigură faptul că configurația afișată nu poate conduce niciodată până când nu se aplică un potențial de poartă, chiar și în prezența potențialului anod-catod poate fi persistent.

Într-o situație în care cablul anodic al dispozitivului este mai negativ decât catodul său, permite joncțiunea N-P să ​​rămână polarizată înainte, dar asigurând joncțiunile externe P-N să fie polarizate invers, astfel încât să acționeze ca o diodă redresoare standard.

Această proprietate a unui SCR îi permite să blocheze un flux de curent invers, până când o magnitudine semnificativ ridicată a tensiunii, care poate fi dincolo de specificațiile de cioc, este cauzată de conductorii menționați, ceea ce forțează SCR să conducă chiar și în absența unei acțiuni de poartă. .

Cele de mai sus se referă la o caracteristică critică a tiristoarelor care poate face ca dispozitivul să fie declanșat nedorit printr-un vârf de înaltă tensiune inversă și / sau o temperatură ridicată sau o trecere rapidă a tensiunii dv / dt din ce în ce mai rapidă.

Acum, să presupunem că într-o situație în care terminalul anodic are o experiență mai pozitivă în ceea ce privește cablul său catodic, acest lucru ajută joncțiunea exterioară P-N să devină polarizată înainte, deși joncțiunea centrală N-P continuă să rămână polarizată invers. Prin urmare, acest lucru asigură blocarea curentului direct.

Prin urmare, în cazul în care un semnal pozitiv indus de-a lungul bazei tranzistorului NPN TR2 rezultă trecerea curentului colectorului către baza f TR1, care în trun forțează curentul colectorului să treacă către tranzistorul PNP TR1 stimulând unitatea de bază a TR2 și procesul se întărește.

Condiția de mai sus permite celor doi tranzistori să-și îmbunătățească conducerea până la punctul de saturație datorită buclei de feedback a configurației regenerative afișate, care menține situația blocată și blocată.

Astfel, de îndată ce SCR este declanșat, acesta permite unui curent să curgă de la anodul său la catod cu o rezistență minimă înainte de a intra în cale, asigurând o conducere și funcționare eficientă a dispozitivului.

Atunci când este supus unei curent alternativ, SCR poate bloca ambele cicluri ale curentului alternativ până când SCR este oferit cu o tensiune de declanșare pe poarta și catodul său, care permite instantaneu semiciclului pozitiv al curentului alternativ să treacă prin cablurile catodului anodic și dispozitivul începe să imite o diodă redresor standard, dar numai atâta timp cât declanșatorul porții rămâne pornit, conducerea se întrerupe în momentul în care declanșatorul porții este eliminat.

Curbele forțate ale tensiunii curentului sau ale caracteristicilor I-V pentru activarea unui redresor controlat cu siliciu pot fi observate în următoarea imagine:

Curbele caracteristice ale tiristorului I-V

Cu toate acestea, pentru o intrare de curent continuu, de îndată ce tiristorul este pornit, datorită conducerii regenerative explicate, acesta suferă o acțiune de blocare, astfel încât conducerea anodului către catod se menține și continuă să conducă chiar dacă declanșatorul porții este îndepărtat.

Astfel, pentru o putere de curent continuu, poarta își pierde complet influența odată ce primul impuls de declanșare este aplicat peste poarta dispozitivului, asigurând un curent blocat de la anodul său la catod. Poate fi rupt prin ruperea momentană a sursei de curent anod / catod în timp ce poarta este complet inactivă.

SCR nu poate funcționa ca BJT

SCR-urile nu sunt proiectate pentru a fi perfect analogice ca și omologii tranzistorului și, prin urmare, nu pot fi făcute să conducă la o anumită regiune activă intermediară pentru o sarcină care poate fi undeva între conducerea completă și comutatorul de întrerupere OFF.

Acest lucru este valabil și pentru că declanșatorul porții nu are nicio influență asupra cât de mult poate fi condus sau saturat de anodul către catod, astfel chiar și un mic impuls de poartă momentan este suficient pentru a lega conducerea anodului către catod într-un comutator complet ON.

Funcția de mai sus permite compararea unui SCR și considerat ca un Bistable Latch care posedă cele două stări stabile, fie un ON complet, fie un OFF complet. Acest lucru este cauzat de cele două caracteristici speciale ale SCR ca răspuns la intrările de curent alternativ sau continuu, așa cum se explică în secțiunile de mai sus.

Cum se folosește poarta unui SCR pentru a controla comutarea acestuia

După cum sa discutat anterior, odată ce un SCR este declanșat cu o intrare de curent continuu și catodul său anodic este blocat automat, acesta poate fi deblocat sau oprit fie prin îndepărtarea momentană a sursei de alimentare a anodului (curentul de anod Ia), fie prin reducerea acestuia la unii nivel semnificativ scăzut sub curentul de reținere specificat al dispozitivului sau „curentul de reținere minim” Ih.

Acest lucru implică faptul că curentul minim de reținere a anodului la catod ar trebui redus până când legătura internă de blocare P-N a tiristorilor este capabilă să restabilească caracteristica sa naturală de blocare în acțiune.

Prin urmare, acest lucru înseamnă, de asemenea, că, pentru a face ca un SCR să funcționeze sau să conducă cu un declanșator de poartă, este imperativ ca curentul de încărcare a anodului la catod să depășească „curentul minim de menținere” specificat Ih, altfel SCR ar putea să nu implementeze conducerea sarcinii, prin urmare dacă IL este curentul de încărcare, acesta trebuie să fie la fel ca IL> IH.

Totuși, așa cum s-a discutat deja în secțiunile anterioare, atunci când un AC este utilizat pe pinul SCR Anode.Cathode, asigură faptul că SCR nu are voie să execute efectul de blocare atunci când unitatea de poartă este îndepărtată.

Acest lucru se datorează faptului că semnalul AC se activează și se oprește în linia sa de trecere zero, care menține anodul SCR la curentul catodic pentru a se opri la fiecare deplasare de 180 de grade a semiciclului pozitiv al formei de undă AC.

Acest fenomen este denumit „comutare naturală” și impune o caracteristică crucială unei conducții SCR. Spre deosebire de acest lucru cu alimentările DC, această caracteristică devine imaterială pentru SCR-uri.

Dar, întrucât un SCR este conceput să se comporte ca o diodă redresoare, acesta răspunde eficient doar la jumătățile de ciclu pozitive ale unui CA și rămâne inversat părtinitor și nu răspunde complet la celălalt jumătate de ciclu al AC, chiar și în prezența unui semnal de poartă.

Acest lucru implică faptul că, în prezența unui declanșator de poartă, SCR conduce pe anodul său către catod numai pentru jumătățile de curent alternativ pozitive respective și rămâne dezactivat pentru celelalte jumătăți de cicluri.

Datorită caracteristicii de blocare explicate mai sus și, de asemenea, întreruperii în timpul celuilalt jumătate de ciclu al unei forme de undă CA, SCR poate fi utilizat în mod eficient pentru tăierea ciclurilor de curent alternativ, astfel încât sarcina să poată fi comutată la orice nivel de putere mai mic dorit (reglabil) .

Cunoscută și sub numele de control de fază, această caracteristică poate fi implementată printr-un semnal extern temporizat aplicat pe poarta SCR. Acest semnal decide după câtă întârziere SCR-ul poate fi declanșat odată ce faza AC a început semiciclul pozitiv.

Deci, acest lucru permite schimbarea doar a acelei porțiuni din unda de curent alternativ care este trecută după declanșarea porții .. acest control de fază este printre principalele caracteristici ale unui tiristor controlat cu siliciu.

Cum funcționează tiristoarele (SCR) în controlul fazelor poate fi înțeleasă uitându-se la imaginile de mai jos.

Prima diagramă arată un SCR a cărui poartă este declanșată permanent, așa cum se poate vedea în prima diagramă, aceasta permite formei de undă pozitive complete să fie inițiată de la început până la sfârșit, care de-a lungul liniei centrale de trecere a zero.

Controlul fazei tiristorului

La începutul fiecărui semiciclu pozitiv, SCR este „OPRIT”. La inducerea tensiunii porții activează SCR în conducție și îi permite să fie blocat în întregime „PORNIT” pe parcursul semiciclului pozitiv. Când tiristorul este pornit la începutul jumătății de ciclu (θ = 0o), sarcina conectată (o lampă sau orice alt tip similar) ar fi „ACTIVATĂ” pentru întregul ciclu pozitiv al formei de undă AC (semicundă rectificată AC ) la o tensiune medie ridicată de 0,318 x Vp.

Pe măsură ce inițializarea comutatorului de poartă este ridicată de-a lungul jumătății ciclului (θ = 0o la 90o), lampa conectată este aprinsă pentru o perioadă mai mică de timp, iar tensiunea netă adusă la lampă, în mod proporțional, scade mai puțin intensitatea acesteia.

Ulterior, este ușor să exploatezi un redresor controlat pe siliciu ca un regulator de lumină de curent alternativ și în multe aplicații suplimentare de alimentare de curent alternativ, de exemplu: controlul vitezei motorului CA, dispozitive de control al căldurii și circuite de reglare a puterii etc.

Până în prezent, am asistat la faptul că un tiristor este în esență un dispozitiv cu jumătate de undă care poate transmite curent doar în jumătatea pozitivă a ciclului ori de câte ori anodul este pozitiv și împiedică fluxul de curent la fel ca o diodă în cazurile în care anodul este negativ. , chiar dacă curentul porții rămâne activ.

Cu toate acestea, puteți găsi mai multe variante de produse semiconductoare similare pentru a alege dintre care provin sub titlul de 'Tiristor' conceput pentru a funcționa în ambele direcții ale semiciclurilor, unități cu undă completă sau ar putea fi oprit 'OPRIT' de semnalul Gate .

Acest tip de produse încorporează „Tiristoare de închidere a porții” (GTO), „Tiristoare cu inducție statică” (SITH), „Tiristoare controlate MOS” (MCT), „Comutator controlat pe silicon” (SCS), „Tiristoare triode” (TRIAC) și „Tiristoarele declanșate de lumină” (LASCR) pentru a identifica câteva, cu atât de multe dintre aceste dispozitive accesibile în multe tensiuni și curenți diferiți, ceea ce le face interesante pentru a fi utilizate în scopuri la niveluri de putere foarte ridicate.

Prezentare generală a lucrărilor tiristorului

Redresoarele controlate pe siliciu, cunoscute în general sub numele de Tiristoare, sunt dispozitive semiconductoare PNPN cu trei joncțiuni care ar putea fi considerate două tranzistoare interconectate pe care le puteți utiliza la comutarea sarcinilor electrice grele operate de rețea.

Acestea sunt caracterizate pentru a fi blocate - „PORNITE” printr-un singur impuls de curent pozitiv aplicat la cablul Gate și pot continua să fie „PORNITE” până când curentul de la anod la catod este redus sub măsura lor minimă de blocare specificată sau inversat.

Atribute statice ale unui tiristor

Tiristoarele sunt echipamente semiconductoare configurate să funcționeze numai în funcția de comutare. Tiristorul este un produs controlat de curent, un mic curent Gate este capabil să controleze un curent anodic mai substanțial. Activează curentul numai odată cu polarizarea înainte și declanșarea curentului aplicat la Poartă.

Tiristorul funcționează similar cu o diodă rectificatoare ori de câte ori se întâmplă să fie activat „ON”. Curentul anodic trebuie să fie mai mult decât menținerea valorii curente pentru a păstra conducerea. Inhibă trecerea curentului în caz de polarizare inversă, indiferent dacă este pus sau nu curentul de poartă.

De îndată ce este activat „ON”, funcția „ON” este blocată, indiferent dacă se aplică un curent de poartă, dar numai în cazul în care curentul anodic este peste curentul de blocare.

Tiristoarele sunt comutatoare rapide pe care le puteți utiliza pentru a înlocui releele electromecanice într-un număr de circuite, deoarece pur și simplu nu au piese vibrante, nu au arcuri de contact sau au probleme cu deteriorarea sau murdăria.

Dar în plus față de simpla comutare a curenților substanțiali „ON” și „OFF”, tiristoarele pot fi realizate pentru a gestiona valoarea RMS a unui curent de sarcină AC fără a disipa o cantitate considerabilă de energie. Un exemplu excelent de control al puterii tiristorului este controlul iluminatului electric, al încălzitoarelor și al turației motorului.

În următorul tutorial vom analiza câteva elemente de bază Circuite și aplicații tiristorice folosind atât surse de curent alternativ, cât și curent continuu.